CN108788102A - 增材法快速凝固全等轴晶铝合金铸锭的制备方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种增材法快速凝固全等轴晶铝合金铸锭的制备方法及装置，包括：金属加热机构以负压冷却机构，其中：金属加热机构位于负压冷却机构上方并通过喷嘴与之相连；该负压冷却机构包括：带有进气孔和排气孔的真空室以及设置于真空室内部的三维移动锭机构，该三维移动锭机构包括移动锭和与之竖直相连的二维移动平台，移动锭的外部设有水冷机构，并通过精密电机带动移动锭进行上下精确位移。本发明通过将雾化喷射改为液态注射的工艺手段提高合金锭的致密度，减轻其氧化，同时提高了铸锭的生产效率，可以快速制备具有全等轴晶组织且无宏观元素偏析的铝及其合金铸锭。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种冶金领域的技术，具体是一种大尺寸无偏析等轴晶金属铸锭的新型制备方法。
背景技术
用常规铸造法铸造纯铝锭或铝合金锭，由于存在凝固顺序的先后，很难得到全部的等轴晶组织。合金组织中总会存在一定比例的柱状晶，不利于通过后续的变形过程得到较高的合金性能。此外，对于大型金属铸锭而言，由于主要合金元素在液固界面上发生偏析，从边部到心部容易产生较大的宏观元素偏析，严重影响铸锭质量。应用传统工艺制备全等轴晶且无宏观元素偏析的铸锭极为困难。喷射成形的方法可以用于制备无宏观成分偏析的铸锭，但该方法制备的铝锭气孔率高、组织不致密且氧化严重。
发明内容
本发明针对现有技术设备和工艺较为复杂能耗较高且局部偏析难以避免，难以制备完全的从宏观到微观的无偏析铸锭的缺陷，提出一种增材法快速凝固全等轴晶铝合金铸锭的制备方法及装置，通过将雾化喷射改为液态注射的工艺手段提高合金锭的致密度，减轻其氧化，同时提高了铸锭的生产效率，可以快速制备具有更为细小均匀的全等轴晶组织且完全消除宏观偏析的铝及其合金铸锭。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种增材法快速凝固全等轴晶铝合金铸锭制备装置，包括：金属加热机构以负压冷却机构，其中：金属加热机构位于负压冷却机构上方并通过喷嘴与之相连。
所述的金属加热机构包括：由上而下依次设置的坩埚、过滤装置和喷嘴挡板。
所述的坩埚的外部依次设有加热器和保温层。
所述的喷嘴的出口端设有用于预加热的喷嘴加热器。
所述的负压冷却机构包括：带有进气孔和排气孔的真空室以及设置于真空室内部的三维移动锭机构，该三维移动锭机构包括移动锭和与之竖直相连的二维移动平台，移动锭的外部设有水冷机构，并通过精密电机带动移动锭进行上下精确位移。
本发明涉及一种增材法快速凝固全等轴晶铝合金铸锭方法，通过将加热后的金属熔液通过竖直喷嘴喷向负压环境下的三维活动移动锭的表面，使得金属熔液与移动锭表面接触时发生瞬间冷凝，通过移动锭的水平平面运动得到一厚度为δ的结晶层，然后将移动锭向下移动δ的距离并重复所述平面运动以形成新的结晶层，重复多次后即得铸锭。
所述的金属熔液是指：在坩埚中加热熔化金属熔液，待完全熔化后得到。
所述的加热，将金属熔液温度加热至熔点并保温1小时。
所述的金属熔液优选经过滤处理，过滤后的铝液置于保温流槽中停留1小时并将温度调整到金属的熔点以上。
所述的负压是指：小于1个正常大气压；通过控制气压差可以控制金属熔液喷射的速度和流量。
所述的负压优选为先在真空室内抽真空，再充入适量氩气，使真空室内的气压小于1个正常大气压。
所述的竖直喷嘴优选经预热处理，预热温度高于其中金属的熔点。
所述的移动锭与喷嘴出口的距离，即喷射距离D1≤50cm。
所述的移动锭与冷却面的垂直距离D2≤10cm。
所述的移动锭的水平平面运动的移动速度v1≤100mm/s、道次间距d≤20mm/道次。
所述的移动锭采用但不限于铝锭。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图；
图2为接触面和冷却面俯视图；
图3为铸锭俯视图；
图中：1坩埚、2加热器、3保温罩、4过滤装置、5喷嘴、6喷嘴挡板、7喷嘴加热器、8真空室、9引锭装置、10二维移动平台、11精密电机、12进气孔、13排气孔、14真空泵、15连杆、16套筒、17冷却介质、18移动锭。
具体实施方式
实施例1
如图1和图2所示，本实施例涉及的增材法快速凝固全等轴晶铝合金铸锭制备装置包括：坩埚1、加热器2、保温罩3、过滤装置4、喷嘴5、喷嘴挡板6、喷嘴加热器7、真空室8、引锭装置9、二维移动平台10、电机11、进气孔12、排气孔13、真空泵14、连杆15、套筒16、冷却介质17、移动锭18。
本实施例采用上述装置，将熔化的纯铝熔液倒入坩埚后，停留1小时，并调整温度至715℃。将真空室抽真空，充入适量氩气，使真空室内的气压为0.5个大气压，并对喷嘴进行预热，预热至温度720℃；设置喷射距离为18cm，接触面和冷却面的垂直距离为2.5cm，二维移动台的移动速度5mm/s，道次间距1.2mm，移动方式如图3。
设定二维移动台在三个方向上的总位移分别为X＝100mm，Y＝100mm，Z＝100mm。抬起喷嘴挡板，保温坩埚中的铝液在气压差的作用下从喷嘴中喷出，同时启动二维移动台进行平移，当铝液喷射到移动的移动锭的上表面并在冷却作用下瞬间发生冷凝。通过控制二维移动台左右及前后平移，使结晶在一个矩形平面上完成，形成厚度为1.2mm的薄层。完成后将引锭头向下移动1.2mm的距离，在重复通过控制二维移动台左右及前后平移形成新的结晶层，重复这一过程即可制备出具有全等轴晶组织及无偏析的立方形铸锭，最终得到立方形铸锭的尺寸为100*100*100mm。
实施例2
本实施例采用上述装置，将硅含量为3％w.t.的铝硅合金熔液倒入坩埚后，停留1小时，并调整温度至680℃。将真空室抽真空，充入适量氩气，使真空室内的气压为0.6个大气压，并对喷嘴进行预热，预热至温度700℃；设置喷射距离为15cm，移动锭的接触面和冷却面的垂直距离为2.5cm，二维移动台移动速度3.5mm/s，道次间距0.8mm，移动方式如图3。设定二维移动台在三个方向上的总位移分别为X＝120mm，Y＝20mm，Z＝80mm。抬起喷嘴挡板，保温坩埚中的铝液在气压差的作用下从喷嘴中喷出，同时启动二维移动台平移，铝液喷射到移动的移动锭的上表面并在冷却作用下瞬间发生冷凝。通过控制二维移动台左右及前后平移，使结晶在一个矩形平面上完成，形成厚度为0.8mm的薄层。完成后将引锭头向下移动0.8mm的距离，在重复通过控制二维移动台左右及前后平移形成新的结晶层，重复这一过程即可制备出具有全等轴晶组织及无偏析的方形扁锭，最终得到方形扁锭的尺寸为120*20*80mm。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (10)
1.一种增材法快速凝固全等轴晶铝合金铸锭制备装置，其特征在于，包括：金属加热机构以负压冷却机构，其中：金属加热机构位于负压冷却机构上方并通过喷嘴与之相连；该负压冷却机构包括：带有进气孔和排气孔的真空室以及设置于真空室内部的三维移动锭机构，该三维移动锭机构包括移动锭和与之竖直相连的二维移动平台，移动锭的外部设有水冷机构，并通过精密电机带动移动锭进行上下精确位移。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的金属加热机构包括：由上而下依次设置的坩埚、过滤装置和喷嘴挡板。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的坩埚的外部依次设有加热器和保温层。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的喷嘴的出口端设有用于预加热的喷嘴加热器。
5.一种增材法快速凝固全等轴晶铝合金铸锭制备方法，其特征在于，通过将加热后的金属熔液通过竖直喷嘴喷向负压环境下的三维活动移动锭的表面，使得金属熔液与移动锭表面接触时发生瞬间冷凝，通过移动锭的水平平面运动得到一厚度为δ的结晶层，然后将移动锭向下移动δ的距离并重复所述平面运动以形成新的结晶层，重复多次后即得铸锭。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述的金属熔液是指：加热在坩埚中熔化金属块，待完全熔化后得到。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述的负压是指：小于1个正常大气压；通过控制气压差可以控制金属熔液喷射的速度和流量。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述的负压为先在真空室内抽真空，再充入适量氩气，使真空室内的气压小于1个正常大气压。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述的竖直喷嘴经预热处理，预热温度高于金属的熔点。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述的移动锭的水平平面运动的移动速度v1≤100mm/s、道次间距d≤20mm/道次。
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Effective date of registration: 20190418 Address after: Room 401, No. 17, 99 Lane, Jinggu East Road, Minhang District, Shanghai, 200240 Applicant after: Zhang Jiao Applicant after: Sun Baode Applicant after: Dong Qing Address before: 200240 No. 800, Dongchuan Road, Shanghai, Minhang District Applicant before: Shanghai Jiao Tong University Effective date of registration: 20190418 Address after: Room 1114, Building 11, 1333 Lane, Jiangnan Avenue, Changxing Town, Chongming District, Shanghai, 202150 (Changxing Science Park, Lingang) Applicant after: Shanghai Ningwei New Materials Research Center (L.P.) Address before: Room 401, No. 17, 99 Lane, Jinggu East Road, Minhang District, Shanghai, 200240 Applicant before: Zhang Jiao Applicant before: Sun Baode Applicant before: Dong Qing |
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Effective date of registration: 20190829 Address after: 215313 No. 768 Jinmao Road, Zhoushi Town, Kunshan City, Suzhou City, Jiangsu Province Applicant after: Kunshan Crystalline New Materials Research Institute Co.,Ltd. Address before: Room 1114, Building 11, 1333 Lane, Jiangnan Avenue, Changxing Town, Chongming District, Shanghai, 202150 (Changxing Science Park, Lingang) Applicant before: Shanghai Ningwei New Materials Research Center (L.P.) |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20181113 |