CN109589832A - 一种制备金属基复合材料的搅拌装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备金属基复合材料的搅拌装置，包括搅拌容器、搅拌轴与搅拌叶，搅拌容器具有用于存放熔体的内腔，内腔包括具有下凹弧面的底段，以及与底段的顶部相切的中段，中段的直径逐步缩小；搅拌叶包括第一面、第二面与第三面，第一面与第二面均与轴心平行，第三面分别与第一面、第二面倾斜相交，第一面与第二面相交于第一侧边，第一面还包括位于第一面底部的第二侧边，第三面与第一面的相交线的两端分别位于第一侧边与第二侧边上，第三面与第二面的相交线与第一侧边之间的夹角为30°～60°。本发明可以得到熔体能够产生足够的轴向流动，从而减少搅拌叶片上方的停滞区，以及搅拌叶片下方的停滞区，保证浆搅拌的均匀一致。

Description

一种制备金属基复合材料的搅拌装置

技术领域

本发明涉及金属基复合材料的制备领域，尤其是涉及一种对金属基复合材料浆液进行搅拌的搅拌装置。

背景技术

金属基复合材料以铝、镁、铁等金属或合金作为基体，通过添加颗粒、晶须、纤维等增强相，来达到设计材料组织成分、改善材料性能的目的，常见的增强相以陶瓷相颗粒为主，例如SiC、B4C等。金属基复合材料的制备方法有粉末冶金法、压力/无压力浸渗法、原位化学反应合成法和液态搅拌法等，相对于应用广泛、工艺成熟的粉末冶金工艺，和其他受材料成分性质所限应用困难的方法，液态搅拌法因其工艺流程短、成本低廉，通用性强而逐渐得到深入的研究和应用。

然而，由于液态搅拌法中金属熔体的高温和陶瓷颗粒相的长时间高速冲刷作用，故一般的钢制、耐高温合金制搅拌容器、搅拌叶难以经受严酷服役环境的考验，甚至会和高温熔体发生反应，导致制备的失败。为了同时兼顾电磁感应加热功能和高温力学稳定性，现有技术中往往采用高密度石墨来制作前述搅拌容器与搅拌叶，石墨相对其他耐高温材料成本低、易加工，且不与绝大多数金属反应，也具备足够的高温强度，但石墨韧性不足，为了承受搅拌系统中高速旋转所需的应力，石墨零件往往制备的很粗大笨重，因此石墨零件难以如钢制、耐高温合金制零件制成精细化设计的搅拌系统。基于同样的理由，金属熔体所具备的高温、高密度也局限了各种挡板、导流筒等常规辅助搅拌结构的设计选用。

参照图1，示出了现有常见石墨制搅拌系统的停滞期与死区的模拟图，如图所示，搅拌系统中的搅拌容器采用圆柱状的桶体结构，搅拌叶则采用简单的桨式搅拌叶，上述搅拌系统在存在以下问题：陶瓷相增强金属基复合材料原材料包含粘度低的合金熔体，随着搅拌的进行和陶瓷颗粒的不断投入，以及增强相与熔体发生反应而不断生产的固相，浆料的粘度将逐渐升高，图1中所示的搅拌叶难以产生足够的轴向(竖直方向)液体流动，浆料仅在叶片附近产生旋转层流，从而在叶片上方形成停滞区(图中上方的深色区域)，此外，越靠近叶片的中心位置，其线速度也越低，叶片的底部容易形成搅拌死区(图中下方的深色区域)，以上限制往往造成陶瓷颗粒浮在浆料表面无法复合，或者浆料粘度极大制备失败。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种制备金属基复合材料的搅拌装置，用于解决现有技术中的搅拌叶难以产生足够的轴向液体流动，影响浆液搅拌效果的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种制备金属基复合材料的搅拌装置，包括搅拌容器、搅拌轴与搅拌叶，其中，

搅拌容器具有用于存放熔体的内腔，内腔包括具有下凹弧面的底段，以及与底段的顶部相切的中段，且沿中段至底段的方向，中段的直径逐步缩小；

搅拌轴与搅拌叶连接，搅拌叶能够绕搅拌轴的轴心旋转；

搅拌叶包括第一面、第二面与第三面，第一面与第二面均与轴心平行，第三面分别与第一面、第二面倾斜相交，第一面与第二面相交于第一侧边，第一面还包括位于第一面底部的第二侧边，第三面与第一面的相交线的两端分别位于第一侧边与第二侧边上，第三面与第二面的相交线与第一侧边之间的夹角为30°～60°

作为上述方案的进一步改进方式，下凹弧面为椭球面，且下凹弧面的最大直径D1与最大深度H1的比值范围为3:1～5:1。

作为上述方案的进一步改进方式，搅拌叶片的前后侧面均为第一面，左右侧面均为第二面。

作为上述方案的进一步改进方式，搅拌轴连接在搅拌叶片的顶部的中心位置，记第三面与第一面的相交线与第二侧边相交于端点a，其中，搅拌轴与经过端点a且垂直于第一面的平面相切。

作为上述方案的进一步改进方式，搅拌叶片的转速为300-600r/min，或者搅拌叶片的圆周速度为3-6m/s。

作为上述方案的进一步改进方式，记搅拌叶片的长度为d，底段与中段的连接处的直径为D2，d≥0.6D2。

作为上述方案的进一步改进方式，记搅拌叶片的高度为h，搅拌叶片的底部至底段的最低点的距离为H2，0.5h≤H2≤1.5h。

作为上述方案的进一步改进方式，搅拌叶片的顶部沿该搅拌叶片的长度方向设有若干的凸起，凸起上设有与第一面平行的第四面。

作为上述方案的进一步改进方式，搅拌叶片的顶部沿该搅拌叶片的宽度方向设有至少两排凸起，且各排凸起的高度依次增加。

作为上述方案的进一步改进方式，还包括扰流棒，扰流棒平行于搅拌轴。

本发明的有益效果是：

本发明通过搅拌容器内腔设计与搅拌叶片结构设计的配合，可以得到熔体能够产生足够的轴向流动，从而减少搅拌叶片上方的停滞区，以及搅拌叶片下方的停滞区，保证浆料搅拌的均匀一致。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是常见石墨制搅拌系统的停滞期与死区的模拟图；

图2是本发明搅拌容器一个实施例的剖视图；

图3是本发明搅拌叶片一个实施例的正视图；

图4是本发明搅拌叶片一个实施例的侧视图；

图5是本发明搅拌叶片一个实施例的立体示意图；

图6是本发明搅拌叶片一个实施例的仰视图；

图7是本发明计算机模拟粉体团聚团与搅拌叶片撞击几率的热力图；

图8是本发明本发明搅拌容器1与搅拌叶片2组合实用的剖视图；

图9是本发明搅拌装置的停滞期与死区的模拟图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右、前、后等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。

此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

参照图1，示出了常见石墨制搅拌系统的停滞期与死区的模拟图，如图所示，搅拌系统中的搅拌容器采用圆柱状的桶体结构，搅拌叶则采用简单的桨式搅拌叶，应用该搅拌系统进行搅拌实验，参数如下：

实验一

搅拌材料选用陶瓷相颗粒为B4C陶瓷9.3kg，粒径10～44微米，陶瓷相颗粒经400℃保温2小时预处理后放入真空烘箱保温24h；金属基体熔体为含Ti5％的铝合金20.7kg，将酸洗干净的铝合金在真空环境下(＜100Pa)加热熔化后稳定在650-680℃。搅拌罐体选择直径260mm的圆柱形罐体，搅拌叶片选用直径200mm的桨式搅拌器，耗时20min将全部B4C陶瓷颗粒投入熔体并搅拌搅拌40min，搅拌转速为200-500R/min。

经搅拌后发现大量粉体悬浮在熔体表面没有成功卷入，取出悬浮粉体后发现熔体表面旋转速度很慢，说明搅拌叶片附近的熔体缺少足够的轴向流动，无法满足制备要求。

参照图2，示出了本发明搅拌容器1一个实施例的剖视图。如图所示，搅拌容器1用于存放熔体，为了避免搅拌容器1与高温熔体发生反应，本实施例中的搅拌容器1采用石墨制成。

搅拌容器1的内部具有用于存放熔体的内腔，其中，内腔包括顶段11、中段12与底段13，顶段11的底部与中段12的顶部连接，中段12的底部与底段13的顶部连接。顶段11为圆柱形空腔，其上方具有供熔体与陶瓷相材料进入搅拌容器1的入口。中段12为圆锥形空腔，即沿中段12至底段13的方向(也即图1中从上至下的方向)，中段12的直径逐渐变小。底段13的底部具有一下凹弧面131，该下凹弧面也是搅拌容器1整个内腔的底部。本实施例通过设置圆锥形的中段12，使得熔体在粘度增大时仍然能够保持较大的高径比，同时形成较大的涡流表面，帮助增强相粉末投料迅速卷入熔体。

现有圆柱形罐体的底壁与侧壁之间采用直角连接，一方面，搅拌涡流不易进入直角处，容易造成高密度的粉体堆积在此处，造成材料达不到成分设计要求；另一方面，直角设计不利于平面的搅拌层流转化为立体的涡流和湍流，为了解决上述问题，本实施例中的中段12与底段13的连接处采用圆滑连接，具体的，中段12的底部与底段13的顶部相切，从而能够将平面内的层流向上扬起，令熔体内部形成立体的涡流；同时该设计不留死角，不会引起粉体的堆积。

本实施例中，底段13的下凹弧面为椭球面，且该椭球面的最大直径D与最大深度H1的比值范围为3:1～5:1，优选为4:1，即本实施例中底段13的凹陷程度较浅，其目的在于与熔体粘度系数等参数相结合，以最贴近于涡流转向曲线的容器内壁，帮助层流转化为涡流。当熔体粘度越大时，这一凹陷便越浅。底段13的下凹弧面与熔体的涡流流向类似，能够辅助熔体形成高速稳定的涡流，避免搅拌死区、停滞区。

参照图3至图5，分别示出了本发明搅拌叶片2一个实施例的正视图、侧视图与立体示意图。如图所示，搅拌叶片2用于对熔体进行搅拌，为了避免搅拌叶片2与高温熔体发生反应，本实施例中的搅拌叶片2采用石墨制成。

本实施例中的搅拌叶片2整体近似为矩形体，搅拌叶片2的顶部设有一轴孔26，轴孔用于与搅拌轴固定连接，当搅拌轴与外部未示出的动力装置连接后，动力装置可以驱动搅拌叶片2绕搅拌轴的轴心旋转。

当搅拌叶片2旋转时，其前侧面21、后侧面(后侧面在图中未示出，其与前侧面21相对设置)直接推动流体而起到主要的搅拌功能，将其记为第一面。搅拌叶片2的右侧面22、左侧面(左侧面在图中未示出，其与右侧面22相对设置)较少的推动流体，将其记为第二面，相邻的第一面与第二面之间相交于第一侧边，第一面还包括位于第一面底部的第二侧边。

搅拌叶片2上还设有第三面，第三面分别与第一面、第二面倾斜相交，本实施例中的搅拌叶片2以搅拌轴的轴心中心对称，故以图5中可视的前侧面21、右侧面22以及和二者相交的第三面25为例进行说明。具体的，前侧面21与右侧面22垂直相交于第一侧边23，前侧面21还包括位于前侧面21底部的第二侧边24，第三面25分别与前侧面21、右侧面22倾斜相交，其中，第三面25与前侧面21的相交线的两端分别位于第一侧边23与第二侧边24上(如图3、图5所示)，第三面25与右侧面22的相交线与第一侧边23之间的夹角α为30°～60°。

参照图6，示出了本发明搅拌叶片2一个实施例的仰视图。如图所示，轴孔26位于搅拌叶片2的顶部的中心位置，记第三面25与前侧面21的相交线与第二侧边25相交于端点a，则轴孔26与经过端点a且垂直于第一面的平面b相切，如此设置的目的在于：第三面25的面积越大越有利于搅拌，然而第三面25所在区域的搅拌叶片的强度将会降低(原因在于第三面25可视为通过在搅拌叶片上切除材料形成)，轴孔26所在的区域又必须具有一定的强度以固定搅拌轴，上述设置可在满足强度要求的前提下，尽可能的增加第三面25的面积。

参照图7，示出了计算机模拟粉体团聚团与搅拌叶片撞击几率的热力图，图中的高亮区域为撞击区域。如图所示，撞击集中在第三面与第一面的远端区域，即增加上述区域的面积有助于提升搅拌效果，然而上述区域面积的增加也意味着熔体对搅拌叶片的作用力增加，该作用力作用于施加在搅拌轴与搅拌叶片的结合处(本实施例中即二者的螺纹连接处)，即搅拌轴与搅拌叶片的结合处的强度直接影响到搅拌面积的大小，然而上述结合处的强度不能无限制的增加。

为了提升搅拌能力，本实施例在搅拌叶片2的顶部设置有若干沿该搅拌叶片的长度方向分布的凸起3，凸起3上设有与第一面平行的第四面31，其中，位于轴孔26同一侧的凸起3，其第四面31的朝向相同；分别位于轴孔26两侧的凸起3，其第四面31的朝向相反，以适应搅拌叶片2的旋转搅拌动作。

本实施例通过设置凸起3，能够在不显著增加搅拌叶片横截面积并导致层流的前提下，增加叶片对颗粒团簇的撞击概率，有助于增强相陶瓷颗粒的进一步均匀分散。

本实施例中，凸起3上背向第四面31的一侧为斜面，有助于减小凸起3的体积。

本实施例中，搅拌叶片2的顶部沿该该搅拌叶片的宽度方向设有至少两排凸起3，且各排凸起3的高度依次增加，从而使得漫过前排凸起的熔体能够撞击到后排的凸起，避免前排凸起对后排凸起造成阻挡。

参照图8，示出了本发明搅拌容器1与搅拌叶片2组合使用的剖视图。如图所示，搅拌叶片2上固定有搅拌轴4，搅拌叶片2伸入至搅拌容器1的底部，记搅拌叶片2的高度为h，搅拌叶片2的底部至底段13的最低点的距离为H2，搅拌叶片2与搅拌容器1之间满足下述关系：0.5h≤H2≤1.5h，如此设置可以使得搅拌叶片2尽可能的接近容器的底部，从而减少搅拌容器底部的搅拌死区；同时该设计令整个浆料处于一个涡流，有利于搅拌的高速分散。

本实施例中，搅拌叶片2相较于现有技术具有更大的直径，记搅拌叶片的长度为d，底段13与中段12的连接处的直径为D2(本实施例中，D1等于D2)，搅拌叶片2与搅拌容器1之间满足下述关系：d≥0.6D，如此可以得到较高的剪切力和对团簇小球的撞击力。

此外，本实施例的搅拌叶片相较于现有技术具有更快的转速，具体的，转速为300-600r/min，圆周速度为3-6m/s，其目的是是为了得到更强的涡流。

本实施例还包括有扰流棒5，扰流棒5伸入至搅拌容器1内，并平行于搅拌轴4。扰流棒5有助于熔体形成上下翻腾强烈的涡流或者湍流，而非混合效果差的层流，有利于搅拌分散。

本实施例相比于现有技术的优势在于：

1、高速涡流是增强相快速引入熔体的关键，在增强相比例大，以及增强相会与基体发生界面反应的限制情况下，短时间内完成搅拌分散尤其需要稳定的高速涡流。传统搅拌罐+搅拌器的设计无法适应整个搅拌过程中浆料粘度、雷诺数在较大范围变化的状况。本发明通过搅拌容器内腔设计与搅拌叶片结构设计的配合，同时通过扰流棒的辅助，可以得到足够的纵向流速，保证熔体浆料宏观分散均匀一致。

2、陶瓷相增强金属基复合材料的搅拌分散与其他一般化工搅拌最大的不同就是其“固-液不溶解分散”的性质，即使搅拌涡流很大，能够将投入的粉体引入到浆料内，但由于陶瓷相与液态金属润湿性差，陶瓷颗粒往往以毫米级小团的形式团聚，颗粒团聚的问题需要通过提高浆料中的流体剪切力或者直接令叶片撞击颗粒的方式解决。本实施例的搅拌叶片边缘转速快、涡流剪切力大，有助于团聚颗粒的分散，附加的凸台也进一步增大了撞击团聚的几率。

参照图9，示出了本发明搅拌装置的停滞期与死区的模拟图。如图所示，与现有技术先比，可见搅拌叶片上方的停滞区以及搅拌叶片下方的死区均得到了缩减。

以下通过实验验证：

实验二

实验二的原材料选择和处理工艺、搅拌参数与实验一一致。区别在于：搅拌罐体选择上述实施例中的搅拌容器1(不具备扰流棒5)，下凹弧面的直径为260mm，搅拌器选用上述实施例中的搅拌叶片(不具备凸起3)，叶片直径200mm；经搅拌40min绝大多数粉体成功卷入，制备成功。

实验三

实验二的原材料选择和处理工艺、搅拌参数与实验一一致。区别在于：搅拌罐体选择上述实施例中的搅拌容器1，下凹弧面的直径为260mm，搅拌器选用上述实施例中的搅拌叶片(具备凸起3)，叶片直径200mm；经搅拌30min绝大多数粉体成功卷入，且因卷入速度快，化学反应程度低，熔体粘度相比于实验二更低。

以上是对本发明的较佳实施进行的具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种制备金属基复合材料的搅拌装置，其特征在于，包括搅拌容器、搅拌轴与搅拌叶，其中，

所述搅拌容器具有用于存放熔体的内腔，所述内腔包括具有下凹弧面的底段，以及与所述底段的顶部相切的中段，且沿所述中段至所述底段的方向，所述中段的直径逐步缩小；

所述搅拌轴与所述搅拌叶连接，所述搅拌叶能够绕所述搅拌轴的轴心旋转；

所述搅拌叶包括第一面、第二面与第三面，所述第一面与第二面均与所述轴心平行，所述第三面分别与所述第一面、第二面倾斜相交，所述第一面与所述第二面相交于第一侧边，所述第一面还包括位于所述第一面底部的第二侧边，所述第三面与第一面的相交线的两端分别位于第一侧边与第二侧边上，所述第三面与所述第二面的相交线与所述第一侧边之间的夹角为30°～60°。

2.根据权利要求1所述的制备金属基复合材料的搅拌装置，其特征在于，所述下凹弧面为椭球面，且所述下凹弧面的最大直径D1与最大深度H1的比值范围为5:1～3:1。

3.根据权利要求1所述的制备金属基复合材料的搅拌装置，其特征在于，所述搅拌叶片的前后侧面均为所述第一面，左右侧面均为所述第二面。

4.根据权利要求1所述的制备金属基复合材料的搅拌装置，其特征在于，所述搅拌轴连接在所述搅拌叶片的顶部的中心位置，记所述第三面与第一面的相交线与所述第二侧边相交于端点a，其中，所述搅拌轴与经过所述端点a且垂直于所述第一面的平面相切。

5.根据权利要求1所述的制备金属基复合材料的搅拌装置，其特征在于，所述搅拌叶片的转速为300-600r/min，或者所述搅拌叶片的圆周速度为3-6m/s。

6.根据权利要求1所述的制备金属基复合材料的搅拌装置，其特征在于，记所述搅拌叶片的长度为d，所述底段与所述中段的连接处的直径为D2，d≥0.6D2。

7.根据权利要求1所述的制备金属基复合材料的搅拌装置，其特征在于，记所述搅拌叶片的高度为h，所述搅拌叶片的底部至所述底段的最低点的距离为H2，0.5h≤H2≤1.5h。

8.根据权利要求1所述的制备金属基复合材料的搅拌装置，其特征在于，所述搅拌叶片的顶部沿该搅拌叶片的长度方向设有若干的凸起，所述凸起上设有与所述第一面平行的第四面。

9.根据权利要求8所述的制备金属基复合材料的搅拌装置，其特征在于，所述搅拌叶片的顶部沿该搅拌叶片的宽度方向设有至少两排所述凸起，且各排所述凸起的高度依次增加。

10.根据权利要求1所述的制备金属基复合材料的搅拌装置，其特征在于，还包括扰流棒，所述扰流棒平行于所述搅拌轴。