CN109576524B - 一种颗粒混杂增强铝基复合材料料浆的制备装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种颗粒混杂增强铝基复合材料浆料制备装置，属于金属材料加工技术领域。包括保温坩埚、颗粒输送系统、颗粒汇流管道、料浆混合管道、凸盘结构及料浆收集器。本发明可以实现不同的增强颗粒与铝合金熔体的高效、快速混合与均匀分散，避免了传统机械搅拌需要较长搅拌时间的缺点及由此带来的不利影响，此外通过调节环缝调节板间隙，实现了两种增强颗粒的定量添加，为制备高性能混杂增强铝基复合材料提供了良好的浆料。本发明还提供了一种颗粒混杂增强铝基复合材料浆料制备方法，其有益效果如上述所述。

Description

一种颗粒混杂增强铝基复合材料料浆的制备装置及其方法

技术领域

本发明属于金属材料加工技术领域，具体涉及一种颗粒混杂增强铝基复合材料料浆的制备装置。本发明还提供一种颗粒混杂增强铝基复合材料料浆制备方法。

背景技术

颗粒增强铝基复合材料将基体优越的塑性和成型性与增强体较高的承载能力和刚性结合起来，使其具有优异的综合性能，如高比强度、比刚度、耐磨性能，低热膨胀系数，优良的减震性及尺寸稳定性，在汽车、航空航天、军工，电子封装等领域具有巨大的应用潜力和广阔的市场前景。现有研究表明，与单一颗粒增强铝基复合材料相比，利用两种不同尺寸颗粒混杂增强获得的铝基复合材料表现出更优异的性能，应用前景更广。

目前，颗粒增强铝基复合材料的制备方法主要有粉末冶金法、喷射沉积法、搅拌复合铸造法等多种方法。粉末冶金法是最早开并发用于制备金属基复合材料的工艺。粉末冶金法对基体合金类别和增强体种类的限制较少， 可制备较高增强体含量的金属复合材料。然而，粉末冶金法工序较多、成本较高，且复合材料尺寸受到限制。

喷射沉积 (spray deposition) 又称为喷射成形(spray forming)，最早由斯旺西大学 Singer 教授在1968 年提出，并将该法应用于 铝合金喷射轧制，直接由熔融的铝液只经过一道工序制成铝板。喷射沉积法属于快速凝固范畴，利用喷射沉积法能够得到组织细小、成分均匀的合金组织，且生产工序简单。喷射沉积法也进一步发展为制备复合材料的常用方法，但喷射沉积法制备的复合材料也存在一些问题，如增加相的加入量难以控制、制品尺寸受限、成本较高等，这些因素限制了喷射沉积法的应用。

搅拌铸造法制备金属基复合材料由S. Ray最早发明。其基本原理是高速搅拌金属熔体，在搅拌过程中使得增强颗粒在搅拌轴形成的负压抽吸作用下进入金属熔体，随着搅拌时间的增长最终形成均匀的熔体，后续通过铸造方法加工成复合材料。搅拌铸造法对工艺、操作、设备等的要求不高，易于实现规模批量生产，但搅拌浇铸法也存在着一些问题，如增强颗粒加入金属熔体时较困难，因颗粒与金属熔体之间的润湿性较差，容易产生团聚；其次，在复合材料制备过程中空气容易进入熔体内部造成基体氧化，残存气体不易排出，使得复合材料中产生气泡，影响复合材料性能。

中国专利（申请公布号CN 105385876 A）一种低成本颗粒增强铝基复合材料的制备装置及方法提出通过电磁搅拌迫使复合材料熔体进行强烈的螺旋旋转搅拌并在熔体内部形成强烈的多维紊流搅动，强化紊流效果，促进颗粒增强相的分散和均匀分布。中国专利（申请公布号CN 105385876 A）纳米SiC颗粒增强7075铝基复合材料半固态浆料的成型装置和成型方法中提出，超声辅助半固态搅拌叠加机械搅拌对纳米增强铝基复合材料体系产生的双重分散和双重搅拌作用能够有效解决纳米颗粒和铝基体的界面润湿、纳米颗粒的絮凝和铝基体中固相颗粒的晶粒细化等问题。但是上述方法仍未能很好解决搅拌铸造法存在的问题，如易吸入气体、搅拌时间过长、搅拌过程中卷入氧化膜杂质等。特别是在制备混杂颗粒增强铝基复合材料时，由于不同尺寸的增强颗粒表面效应差别较大，会形成较大尺寸增强颗粒分散较均匀（如微米颗粒），但小尺寸增强颗粒仍团聚（如纳米颗粒）等问题。

发明内容

本发明针对上述方法的不足，提供一种颗粒混杂增强铝基复合材料料浆的制备装置，目的在于解决现有制备颗粒混杂增强铝基复合材料存在的不同尺寸增强颗粒难以同时达到均匀分散以及定量配比的问题。

本发明提供一种颗粒增强铝基复合材料料浆制备装置，包括颗粒输送系统、保温坩埚、料浆混合管道、料浆收集器、颗粒汇流管道，所述的保温坩埚为截面面积渐变形状为梯形的腔体，所述保温坩埚上端设置有坩埚盖和通气孔，所述通气孔贯通坩埚盖，所述保温坩埚下端连通料浆混合管道，所述料浆混合管道与保温坩埚之间设置有坩埚阀门，所述料浆混合管道另一端连通料浆收集器，所述颗粒输送系统可以为一套或多套，包括料斗a、颗粒输送管道、环缝调节板、环形喷嘴和高压氮气输送管，所述的料斗a下方连接有环形喷嘴，所述的料斗a与环形喷嘴之间设置有环缝调节板，所述环缝调节板连通颗粒输送管道一端，所述颗粒输送管道另一端位于环形喷嘴中心，所述环形喷嘴内部设有上宽下窄不等径的高压氮气输送管，所述高压氮气输送管下端分别连通颗粒输送管道和颗粒汇流管道，所述颗粒汇流管道另一端连通料浆混合管道侧壁。

进一步的，所述料浆混合管道内壁上间隔设置有多个支撑杆、以及与所述支撑杆匹配连接的凸盘，所述凸盘与水平面夹角为45°。

进一步的，所述环缝调节板上设有多个板孔，所述板孔孔径调节范围为0-20mm，通过调节环缝调节板的孔径可以控制颗粒的加入量。

所述高压氮气的主要作用是1.在环缝调节板下方形成负压，通过抽吸作用将增强颗粒经过颗粒输送管道送入颗粒汇流管道；2.在颗粒汇流管道内，高压氮气吹动作用极大降低颗粒团聚；3.赋予增强颗粒一定速度，以利于增强颗粒射入合金液流；4、将料浆混合管道内的空气排出空气，形成无氧环境，防止合金溶液氧化。

进一步的，所述的料浆混合管道为等径通道，其截面为圆形，直径为D1，可以根据需要进行范围调整，其范围值为50~150mm。

进一步的，所述的增强颗粒与合金液流混合前所经过的管道为颗粒汇流管道，其截面形状为圆形，直径为10-50mm。

进一步的，所述凸盘为有一定厚度圆盘，直径为（0.4-0.6）D1，厚度为10-20mm。

进一步的，所述料浆混合管道和料浆收集器形状和尺寸可根据需要选择。

本发明的有益效果是：

1.本发明设计了一种颗粒混杂增强铝基复合材料料浆的制备装置，为不同尺寸增强颗粒的同步添加提供了一种思路和方法，且两种增强颗粒的尺寸适用范围广，可以从几十纳米到上百微米，可同时添加不同尺度的增强相。

2.两种增强颗粒的含量可由改变环缝调节板的孔径大小来实现，进而实现两种增强颗粒加入量的不同配比。

3.本发明可灵活选择开动颗粒输送装置，实现制备单一颗粒增强或混杂颗粒增强铝基复合材料。

4.在整个混合过程中基本杜绝了料浆与空气的接触，整个过程耗时短且在保护气体中发生混合，避免了如传统搅拌过程中卷入气体导致氧化等缺陷。

5.两种增强颗粒与铝合金液流共发生两次混合，第一次为两种增强颗粒在料浆混合管道处分别与铝合金液流发生混合，此后混合料浆在料浆混合管道中与凸盘多次碰撞的发生二次混合，从而实现增强颗粒在溶液中的高效分散和均匀分布。

6.整套装置料浆停留时间短，效率高且结构简单，易于拆装，安全系数高，设备成本低。

该制备装置的颗粒输送系统通过通入高压氮气在环缝喷嘴处产生负压，该负压将料斗中的增强颗粒持续稳定抽吸到颗粒汇流管道中去，增强颗粒的加入量可以通过调整环缝调节板孔径大小来控制。该颗粒输送装置的优势表现在：一是可以精确调控增强颗粒加入量；二是增强颗粒在汇流管道中高压气体的吹动作用下极大降低其团聚；三是增强颗粒会以一定的速度射入铝合金液流中，增加了合金液流对增强颗粒的捕获，实现二者初步混合。经过一次混合的料浆继续沿料浆混合管道下落，与管道内壁上的凸盘发生多次碰撞，液流进一步破碎成细小的液滴，液滴和增强颗粒反复碰撞，进而捕获，使得增强颗粒的分散性进一步提高。

该装置避免了传统机械搅拌需要时间较长、基体氧化、搅拌过程中卷入氧化膜等缺陷，可以实现不同尺寸的增强颗粒在铝合金溶液内的定量添加，以及两种增强颗粒在铝合金基体中的均匀分布，为制备高性能混杂增强铝基复合材料提供了良好的料浆。

本发明还提供一种颗粒混杂增强铝基复合材料料浆制备方法，其具体步骤包括：

1.将精炼好的铝合金基体溶液注入保温坩埚中；

2.将要添加的增强颗粒分别放入料斗a和b中，并按照需要分别设定好环缝调节板孔径；

3. 打开坩埚阀门，使得铝合金溶液顺着料浆混合管道流下；同时开通两套颗粒输送系统，将不同的增强颗粒a和b分别被吸入料浆混合管道内，与铝合金基体液流发生一次混合，实现增强颗粒在溶液中的初步分散；

4. 经一次混合后的料浆顺着料浆混合管道下落，并与料浆混合管道中的凸盘发生多次碰撞实现二次混合，进而实现增强颗粒在合金溶液中的充分混合，最终获得增强颗粒在合金溶液中均匀分布的浆料；

5.完成混合后的料浆顺着浆料混合管道流入料浆收集器储存，等待后续加工使用。

本发明的有益效果如上述所述。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是颗粒输送结构示意图。

附图标记：1、通气孔，2、坩埚盖，3、保温坩埚，4、料斗a，5、颗粒输送管道，6、环缝调节板，7、高压氮气输送管，8、环形喷嘴，9、颗粒汇流管道，10、坩埚阀门，11、料浆混合管道，12、料浆收集器，13、支撑杆，14、凸盘，15、料斗b。

具体实施方式

下面以10%微米SiC颗粒和5%纳米TiB2颗粒增强铝基复合材料为例对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明包括两套颗粒输送系统、保温坩埚3、料浆混合管道11、料浆收集器12、颗粒汇流管道9，所述保温坩埚3上端设置有坩埚盖2和通气孔1，所述通气孔1贯通坩埚盖2，所述保温坩埚3下端连通料浆混合管道11，所述料浆混合管道11与保温坩埚3之间设置有坩埚阀门10，所述料浆混合管道11另一端连通料浆收集器12，所述料浆混合管道11内壁上间隔设置有多个支撑杆13、以及与所述支撑13杆匹配连接的凸盘14，所述凸盘14与水平面夹角为45°，如图2所示，两套颗粒输送系统其中一套包括料斗a4、颗粒输送管道5、环缝调节板6、环形喷嘴8和高压氮气输送管7，所述的料斗a4下部连通颗粒输送管道5一端，所述颗粒输送管道5另一端位于环形喷嘴8中心，所述环形喷嘴8内部设有上宽下窄不等径的高压氮气输送管7，所述高压氮气输送管7下端连通颗粒输送管道5，所述颗粒汇流管道9一端连通颗粒输送管道5，另一端连通料浆混合管道11侧壁，所述的料斗a4与环形喷嘴8之间设置有环缝调节板6，另一套颗粒输送系统与上述颗粒输送系统的区别仅在于使用料斗b15替代料斗a4。

首先将准备好的铝合金溶液放置于保温坩锅3中保温，温度约为580-740℃，将尺寸为13μm的SiC颗粒置于料斗a4中，将尺寸为200nm的颗粒置于另一料斗b15中，将两个环缝调节板6间隙分别调节为4mm和2mm。向高压氮气输送管7中通入高压氮气，高压氮气在环缝调节板6下方形成负压，通过抽吸作用将增强颗粒SiC颗粒和TiB2颗粒分别吸入颗粒输送管道5中，使得增强颗粒稳定持续地汇入铝合金基体液流，增强颗粒以一定的速度射入铝合金液流中，增加了合金液流对增强颗粒的捕获，实现二者初步混合，避免了传统搅拌铸造法将增强颗粒一次性加入时产生的团聚，而这种团聚在后续搅拌中难以改善。经过一次混合的料浆继续沿料浆混合管道11下落，与管道内壁上的凸盘14发生多次碰撞，液流进一步破碎成细小的液滴，液滴和增强颗粒反复碰撞，进而捕获，使得增强颗粒的分散性进一步提高，完成两次混合后的料浆顺着料浆混合管道11流入料浆收集器12储存，等待后续加工使用。

Claims (6)

1.一种颗粒混杂增强铝基复合材料料浆制备装置，包括颗粒输送系统、保温坩埚(3)、料浆混合管道(11)、料浆收集器(12)，所述的保温坩埚(3)为截面面积渐变形状为梯形的腔体，所述保温坩埚(3)上端设置有坩埚盖(2)和通气孔(1)，所述通气孔(1)贯通坩埚盖(2)，所述保温坩埚(3)下端连通料浆混合管道(11)，所述料浆混合管道(11)与保温坩埚(3)之间设置有坩埚阀门(10)，所述料浆混合管道(11)另一端连通料浆收集器(12)，其特征在于，还包括颗粒汇流管道(9)，所述颗粒输送系统可以为一套或多套，包括料斗a(4)、颗粒输送管道(5)、环缝调节板(6)、环形喷嘴(8)和高压氮气输送管(7)，所述的料斗a(4)下方连接有环形喷嘴(8)，所述的料斗a(4)与环形喷嘴(8)之间设置有环缝调节板(6)，所述环缝调节板(6)上设有多个板孔，所述板孔孔径调节范围为0-20mm，通过调节环缝调节板(6)的孔径大小可以控制增强颗粒的加入量以及不同增强颗粒的不同配比，所述环缝调节板(6)连通颗粒输送管道(5)一端，所述颗粒输送管道(5)另一端位于环形喷嘴(8)中心，所述环形喷嘴(8)内部设有上宽下窄不等径的高压氮气输送管(7)，所述高压氮气输送管(7)下端分别连通颗粒输送管道(5)和颗粒汇流管道(9)，所述颗粒汇流管道(9)另一端连通料浆混合管道(11)侧壁。

2.如权利要求1所述的一种颗粒混杂增强铝基复合材料料浆制备装置，其特征在于，所述料浆混合管道(11)内壁上间隔设置有多个支撑杆(13)、以及与所述支撑杆(13)匹配连接的凸盘(14)，所述凸盘(14)与水平面夹角为45°。

3.如权利要求2所述的一种颗粒混杂增强铝基复合材料料浆制备装置，其特征在于，所述的料浆混合管道(11)为等径通道，其截面为圆形，直径为D1，D1的值为50～150mm。

4.如权利要求3所述的一种颗粒混杂增强铝基复合材料料浆制备装置，其特征在于，所述凸盘(14)为有一定厚度圆盘，直径为(0.4-0.6)D1，厚度为10-20mm。

5.如权利要求1至4任一项所述的一种颗粒混杂增强铝基复合材料料浆制备装置，其特征在于，所述颗粒汇流管道(9)截面形状为圆形，其直径为10-50mm。

6.一种采用如权利要求5所述制备装置制备复合材料料浆的制备方法，包括如下步骤：

(1)将精炼好的铝合金基体溶液注入保温坩埚(3)中；

(2)将要添加的增强颗粒分别放入料斗a(4)和料斗b(15)中，并按照需要分别设定好环缝调节板(6)的孔径；

(3)打开坩埚阀门(10)，使得铝合金溶液顺着料浆混合管道(11)流下，同时开通两套颗粒输送系统，两种不同的增强颗粒将分别被吸入料浆混合管道(11)内，与铝合金基体液流发生一次混合，实现增强颗粒在溶液中的初步分散；

(4)经一次混合后的料浆顺着料浆混合管道(11)下落，并与料浆混合管道(11)中的凸盘(14)发生多次碰撞实现二次混合，进而实现增强颗粒在合金溶液中的充分混合，最终获得增强颗粒在合金溶液中均匀分布的浆料；

(5)完成混合后的料浆顺着浆料混合管道(11)流入料浆收集器(12)储存，等待后续加工使用。

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