CN106891008A - 一种复合材料喷射成型系统及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种复合材料喷射成型系统及制备方法，本发明所述的复合材料喷射成型系统，储料罐、螺旋给料机、颗粒输送装置、输送管道和雾化装置依次连通，固体颗粒物料经螺旋给料机定量输送至颗粒输送装置中，多孔板将颗粒输送装置分隔成高压气流区和固气两相颗粒流区，系统依靠从高压气体入口输入的高压气体对系统中的物料进行输送，该高压气体将固体颗粒物料从颗粒输送装置经输送管道输送至雾化装置，并对从液体储存装置冲流出的液体物料进行雾化，水冷基体进行快速冷却，最终形成坯料。本发明所述的喷射成型系统结构简单、巧妙、紧凑，操作性好，制备出的混合颗粒增强钛基复合材料晶粒均匀细小，强度高，性能优良。

Description

一种复合材料喷射成型系统及制备方法

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，更具体地，涉及一种复合材料的喷射成形系统以及利用该喷射成形系统制备混合颗粒增强钛基复合材料的方法。

背景技术

高速重载列车一般是指最高速度达到或超过200km/h的铁路货运列车，其制动装置的性能非常重要，直接关系到高速列车的运行安全。高速列车制动盘材料要具有摩擦因数稳定、密度低、比热容高、导热系数高、热膨胀系数小、硬度高、疲劳性能优良等特点。现有制动盘用材料大致可分为两大类，一类是传统的黑色金属材料，包括铸铁、铸钢和锻钢；另一类是复合材料，包括碳/碳纤维复合材料、铝基复合材料、陶瓷复合材料等。目前大多数高速列车使用的是铸钢或锻钢制动盘，而复合材料制动盘还处于研发阶段，并没有大范围推广应用。

铸铁制动盘的生产技术成熟，易于成型，且价格低廉。铸铁制动盘材料经历了三个发展阶段，即普通灰铸铁、镍-铬-钼低合金铸铁以及蠕墨铸铁。与钢质材料相比，铸铁的耐磨性、抗热龟裂性仍存在一定差距。铸钢制动盘的优点在于其利用铸造成型技术可以制成带散热筋的盘体，散热性能好；其凝固组织为等轴晶，抗热裂性能和耐磨性能较好。然而，我国高速列车铸钢制动盘毛坯基本上依赖进口，其主要原因是铸造缺陷多，导致使用过程中磨损严重，抗热裂性能显著降低。锻钢制动盘具有良好的散热性能、抗热龟裂性和耐磨性。目前，大部分高速列车均采用锻钢制动盘，虽然锻钢制动盘材料具有优良的力学性能和热疲劳性能，但由于采用锻造成形，其结构受到很大限制。

随着列车速度的不断提高，制动盘承受的制动能量越来越大，传统材料(铸铁、铸钢、锻钢)已经难以适应列车高速重载的发展要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单，组装方便，操作性好，能生产出质量优异的复合材料的喷射成形系统。

本发明要解决的另一技术问题是提供一种工艺简单、操作方便的混合颗粒增强钛基复合材料的制备方法。

本发明的上述目的通过以下技术方案予以实现：

提供一种复合材料喷射成型系统，包括依次连通的用于放置固体颗粒物料的储料罐、螺旋给料机、颗粒输送装置和输送管道，还包括用于放置液体物料的液体储存装置、雾化装置和水冷基体，所述输送管道与雾化装置连通；

所述颗粒输送装置的下端开有高压气体入口，从高压气体入口处通有高压气体；所述螺旋给料机与颗粒输送装置连接处称为颗粒输入口，颗粒输送装置和输送管道的连接处位于颗粒输入口之上；颗粒输送装置中、颗粒输入口与气体入口之间设置有多孔板，多孔板上开有孔，多孔板的外径等于颗粒输送装置的内径；

所述液体储存装置与雾化装置相通，雾化装置下设置有水冷基体；水冷基体对落在水冷基体上的沉积坯进行冷却。

进一步地，还包括密封装置，所述液体储存装置、雾化装置和水冷基体设置于密封装置内，密封装置上安装有排风装置。增加密封装置后，整个系统为一个封闭的系统，排风装置可保证外界的空气无法进入密封装置内，密封装置内的气体从排风装置排出；进行喷射成型时，避免物料与空气接触被氧化和产生气泡，影响坯料的性能。

进一步地，所述水冷基体与可升降旋转的支撑轴联接，可升降旋转的支撑轴带动水冷基体升降和旋转。水冷基体与可升降旋转的支撑轴联接并实现升降和旋转，以制备出大尺寸、不同厚度的环状制动盘坯料。

进一步地，所述多孔板上的孔的孔径大小一致且分布均匀。

更进一步地，所述孔的直径为0.1～0.5mm。

进一步地，所述液体储存装置为坩埚。

更进一步地，所述高压气体为高压惰性气体。利用惰性气体的性能保护金属元素（如钛）不被氧化。

本发明同时提供一种混合颗粒增强钛基复合材料的制备方法，所述复合材料是以钛合金为基体，以混合颗粒为增强材料；使用以上所述的复合材料喷射成型系统进行制备，包括以下步骤：

S1.将已充分混合均匀的混合颗粒置于储料罐中，通过高压气体入口，向颗粒输送装置内通入高压气体；

S2.混合颗粒在螺旋给料机的作用下定量输送到颗粒输送装置中，混合颗粒的输送量由螺旋给料机的螺旋导料杆的旋转速度来控制；

S3.输送到颗粒输送装置中的混合颗粒被多孔板隔挡，并在高压气体的作用下固相颗粒与气体充分混合形成固气两相颗粒流；

S4.固气两相颗粒流经输送管道进入雾化装置；

S5.具有一定压力的固气两相颗粒流将流入雾化装置中的钛合金熔液进行雾化形成固液气三相流，并沉积在水冷基体上形成沉积坯。

优选地，所述沉积坯为高速重载列车制动盘坯料。

本发明所述的复合材料喷射成型系统，结构简单，操作性好，在制备混合颗粒增强钛基复合材料时，将混合颗粒放置于所述储料罐中，混合颗粒经螺旋给料机定量输送至颗粒输送装置中，螺旋给料机的主要作用是将储料罐中的混合定量地输送到颗粒输送装置中，其输送量通过螺旋导料杆的旋转速度来调节，其目的是确保固气两相颗粒流中的增强颗粒比例，以制备出具有所需体积分数的混合颗粒增强的坯料。

本发明巧妙地利用气压进行物料输送，具体地，在颗粒输送装置的下端设置气体入口，通过气体入口向颗粒输送装置内通入高压气体，高压气体和颗粒进入颗粒输送装置中混合，高压气体携带固体颗粒经输送管道进入雾化装置中，固气两相颗粒流对从液体储存装置中流出的液体进行雾化，最终沉积在水冷基体上。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种复合材料喷射成型系统，结构简单，利用螺旋给料机对从储料罐中流出的物料的量进行控制，利用高压气体对该物料进行输送，与从液体储存装置中流出的液体混合，高压气体对液体进行液化，最终在水冷基体上沉积，水冷基体对沉积于其上的物料进行快速冷却。结构简单、新颖，能制备出高质量的复合材料沉积坯。

本发明还提供一种利用上述复合材料喷射成型系统生产混合颗粒增强钛基复合材料的制备方法，在储存罐中含有固体混合颗粒，所述液体储存装置中含有钛合金溶液，混合颗粒经螺旋给料机定量，高压气体输送与钛合金溶液在雾化装置中混合，高压气体对钛合金溶液进行雾化，最终在水冷基体上形成晶粒均匀细小，强度高，性能优良的沉积坯。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是实施例1和实施例2喷射成形系统结构示意图。

1为储料罐；2为混合颗粒；3为螺旋给料机；4为颗粒输送装置；5为固气两相颗粒流；6为高压气体入口；7为多孔板；8为输送管道；9为液体储存装置；10为钛合金熔液；11为雾化装置；12为固液气三相流；13为沉积坯；14为水冷基体；15为密封装置；16为升降旋转支撑轴。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种复合材料喷射成型系统，包括依次连通的用于放置固体颗粒物料的储料罐1、螺旋给料机3、颗粒输送装置4和输送管道8，还包括用于放置液体物料的液体储存装置9、雾化装置11和水冷基体14，所述输送管道8与雾化装置11连通；

所述颗粒输送装置4的下端开有高压气体入口6，从高压气体入口6处通有高压气体；所述螺旋给料机3与颗粒输送装置4连接处称为颗粒输入口，颗粒输送装置4和输送管道8的连接处位于颗粒输入口之上；颗粒输送装置4中、颗粒输入口与气体入口6之间设置有多孔板7，多孔板7上开有孔，多孔板7的外径等于颗粒输送装置4的内径；

所述液体储存装置9与雾化装置11相通，雾化装置11下设置有水冷基体14；水冷基体14对落在水冷基体14上的沉积坯13进行冷却。

还包括密封装置15，所述液体储存装置9、雾化装置11和水冷基体14设置于密封装置15内，密封装置15上安装有排风装置（图中未标出）。

所述水冷基体14与可升降旋转的支撑轴联接16，可升降旋转的支撑轴16带动水冷基体14升降和旋转。

所述多孔板7上的孔的孔径大小一致且分布均匀。

所述孔的直径为0.1～0.5mm。

所述液体储存装置9为坩埚。

所述高压气体为高压惰性气体。

本实施例所述的复合材料喷射成型系统，储料罐、螺旋给料机、颗粒输送装置、输送管道和雾化装置依次连通，并且液体储存装置、雾化装置和水冷基体置于密封装置内，整个装置之间结构紧凑、相互连通，依靠从高压气体入口输入的高压气体对系统中的物料进行输送，该高压气体对从储料罐中流出的固体颗粒进行输送，并对从液体储存装置冲流出的液体物料进行雾化，设置巧妙，结构简单，操作性好。固体颗粒物料经螺旋给料机定量输送至颗粒输送装置中，所述颗粒输送装置中设置多孔板，多孔板将颗粒输送装置分成两个部分，一为高压气流区，一为固气两相颗粒流区，固体颗粒在多孔板的阻挡下，依托多孔板下输入的高压气体，不仅不会从多孔板的孔中落出，反而随着高压气流进入输送管道；本实施例的喷射成型在密封装置内进行，利用高压气体的压力对液体物料进行液化，水冷基体进行快速冷却，最终形成的坯料晶粒均匀细小，强度高，性能优良。水冷基体与可升降旋转的支撑轴联接并实现升降和旋转，以制备出大尺寸、不同厚度的环状坯料。

实施例2

本实施例提供一种混合颗粒增强钛基复合材料的制备方法，所述复合材料是以钛合金为基体，以混合颗粒为增强材料；使用实施例1所述的复合材料喷射成型系统进行制备，包括以下步骤：

S1.将已充分混合均匀的混合颗粒置于储料罐1中，通过高压气体入口6，向颗粒输送装置4内通入高压气体；

S2.混合颗粒2在螺旋给料机3的作用下定量输送到颗粒输送装置4中，混合颗粒2的输送量由螺旋给料机3的螺旋导料杆的旋转速度来控制；

S3.输送到颗粒输送装置4中的混合颗粒2被多孔板7隔挡，并在高压气体的作用下固相颗粒与气体充分混合形成固气两相颗粒流5；

S4.固气两相颗粒5流经输送管道8进入雾化装置11；

S5.具有一定压力的固气两相颗粒流5将流入雾化装置11中的钛合金熔液10进行雾化形成固液气三相流12，并沉积在水冷基体14上形成沉积坯13。

所述沉积坯13为高速重载列车制动盘坯料。

在储存罐中含有固体混合颗粒，所述液体储存装置中含有钛合金溶液，混合颗粒经螺旋给料机定量，高压气体输送与钛合金溶液在雾化装置中混合，高压气体对钛合金溶液进行雾化，最后在水冷基体上形成沉积坯。所述水冷基体与可升降旋转的支撑轴联接并实现升降和旋转，制备出大尺寸、不同厚度的环状制动盘坯料。一般来说，钛合金铸件的平均晶粒尺寸为几十到几百微粒，综合性能差，快速凝固可以显著细化钛合金基体的晶粒度，本实施例由于采用大量高压气体雾化所述钛合金，并与所述较冷混合颗粒共沉积在一个水冷沉积基体上，冷却速度可达到103~105K/s，使得本实施例混合颗粒增强复合材料中钛基体的平均晶粒均匀细小，提高了合金强度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的包含范围之内。

Claims (9)

1.一种复合材料喷射成型系统，其特征在于，包括依次连通的用于放置固体颗粒物料的储料罐、螺旋给料机、颗粒输送装置和输送管道，还包括用于放置液体物料的液体储存装置、雾化装置和水冷基体，所述输送管道与雾化装置连通；

所述颗粒输送装置的下端开有高压气体入口，从高压气体入口处通有高压气体；所述螺旋给料机与颗粒输送装置连接处称为颗粒输入口，颗粒输送装置和输送管道的连接处位于颗粒输入口之上；颗粒输送装置中、颗粒输入口与气体入口之间设置有多孔板，多孔板上开有孔，多孔板的外径等于颗粒输送装置的内径；

所述液体储存装置与雾化装置相通，雾化装置下设置有水冷基体；水冷基体对落在水冷基体上的沉积坯进行冷却。

2.根据权利要求1所述复合材料喷射成型系统，还包括密封装置，所述液体储存装置、雾化装置和水冷基体设置于密封装置内，密封装置上安装有排风装置。

3.根据权利要求1所述复合材料喷射成型系统，所述水冷基体与可升降旋转的支撑轴联接，可升降旋转的支撑轴带动水冷基体升降和旋转。

4.根据权利要求1所述复合材料喷射成型系统，所述多孔板上的孔的孔径大小一致且分布均匀。

5.根据权利要求4所述复合材料喷射成型系统，所述孔的直径为0.1～0.5mm。

6.根据权利要求1所述复合材料喷射成型系统，所述液体储存装置为坩埚。

7.根据权利要求1所述复合材料喷射成型系统，所述高压气体为高压惰性气体。

8.一种混合颗粒增强钛基复合材料的制备方法，所述复合材料是以钛合金为基体，以混合颗粒为增强材料；其特征在于，使用权利要求1至7任一项所述的复合材料喷射成型系统进行制备，包括以下步骤：

S1.将已充分混合均匀的混合颗粒置于储料罐中，通过高压气体入口，向颗粒输送装置内通入高压气体；

S2.混合颗粒在螺旋给料机的作用下定量输送到颗粒输送装置中，混合颗粒的输送量由螺旋给料机的螺旋导料杆的旋转速度来控制；

S3.输送到颗粒输送装置中的混合颗粒被多孔板隔挡，并在高压气体的作用下固相颗粒与气体充分混合形成固气两相颗粒流；

S4.固气两相颗粒流经输送管道进入雾化装置；

S5.具有一定压力的固气两相颗粒流将流入雾化装置中的钛合金熔液进行雾化形成固液气三相流，并沉积在水冷基体上形成沉积坯。

9.根据权利要求8所述复合材料喷射成型系统，所述沉积坯为高速重载列车制动盘坯料。