CN110983092B - 一种无压浸渗炉和制备颗粒增强铝基复合材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无压浸渗炉，包括密封炉体、保温层、加热元件、热电偶、浇注系统、浸渗坩埚、进排气系统、真空系统、控制系统、观察系统；保温层设置在密封炉体内，围成的空间为工作区；加热元件设置在保温层内，并与控制系统连接；浇注系统包括坩埚架、熔化坩埚、旋转控制机构，浸渗坩埚位于熔化坩埚的浇注口下方；热电偶一端靠近浸渗坩埚，另一端与控制系统连接；进排气系统与密封炉体连接并穿过保温层与工作区连通，真空系统与密封炉体连通；观察系统用于观察浸渗过程和控制浇注操作。本发明还提供了使用无压浸渗炉制备颗粒增强铝基复合材料的方法，可应用于大尺寸颗粒增强铝基复合材料的制备，且可实时观察浸渗过程，便于优化工艺。

Description

一种无压浸渗炉和制备颗粒增强铝基复合材料的方法

技术领域

本发明涉及无压浸渗法制备复合材料领域，更具体的，涉及一种无压浸渗炉和制备颗粒增强铝基复合材料的方法。

背景技术

传统无压浸渗工艺制备颗粒增强铝基复合材料其工艺过程通常为在气氛炉升温至指定温度，特定环境气氛下铝合金不借助外加载荷条件下在多孔预制体毛细管力作用下渗入坯体，充填多孔预制体孔隙，并凝固获得较为致密的铝基复合材料，相较于压力浸渗和、粉末冶金工艺具有设备成本低，可以实现大尺寸复合材料的制备。目前传统无压浸渗方式可分为浸液法、浇注法、蘸液法和上置法，其中由于工艺限制蘸液法和浸液法无法用于制备较大尺寸复合材料，常用于实验室条件下，因此目前常用的无压浸渗方式多为浇注法和上置法。上置法是将需要浸渗的铝合金放置在多孔预制体上方一同放置在气氛炉内升温至指定温度并保温，在升温的过程中铝合金熔化并在浸渗气氛的作用下通过毛细管力浸渗到预制体内部，但由于铝合金表面均有一层较为致密的氧化层在浸渗过程中会阻碍合金液向多孔预制体内浸渗，需要满足一定条件破坏这层氧化膜；而浇注法目前通常是在空气条件下进行，需要向预制体内添加一定量的助渗剂来促进浸渗，由于注渗剂的加入会导致浸渗后的复合材料内部产生新的物相和界面会削弱复合材料性能。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种无压浸渗炉，以解决现有技术中传统无压浸渗炉制备复合材料而存在的技术缺陷。

本发明的目的之二在于提供一种制备颗粒增强铝基复合材料的方法，该方法可适用于大尺寸颗粒增强铝基复合材料制备，可以降低铝合金表面氧化膜对浸渗的影响，降低浸渗条件；同时无需向复合材料或浸渗合金引入其它助渗剂用于浸渗，减少其它物相和界面产物的产生，保证复合材料性能，且可实时观察浸渗过程，便于优化工艺。

为了解决上述技术问题，本发明一方面，提供一种无压浸渗炉，包括密封炉体、保温层、加热元件、热电偶、浇注系统、浸渗坩埚、进排气系统、真空系统、控制系统、观察系统；

所述保温层设置在所述密封炉体内，围成的空间为工作区；

所述加热元件设置在所述保温层内，并与所述控制系统连接，用于加热所述工作区；

所述浇注系统用于熔化铝合金并将熔化铝合金浇注到预制体上进行无压浸渗，所述浇注系统包括坩埚架、熔化坩埚、旋转控制机构，所述坩埚架设置所述工作区内，并与所述旋转控制机构连接，所述旋转控制机构设置在所述密封炉体的侧壁上，用于控制坩埚架的旋转，所述熔化坩埚设置在所述坩埚架内；

所述浸渗坩埚设置在所述熔化坩埚的浇注口下方；

所述热电偶一端靠近浸渗坩埚，另一端与所述控制系统连接并置于所述密封炉体外，用于测量工作区温度并接收测量数据；

所述进排气系统与密封炉体连接并穿过保温层与工作区连通，用于将浸渗或保护气氛通入工作区或从工作区排出；

所述真空系统与所述密封炉体连通，用于排出密封炉体内气体，保持一定真空度；

所述观察系统通过所述保温层的开口观察浸渗过程和控制浇注操作。

在一些实施例中，所述进排气系统包括进气口、排气口、气源、尾气处理装置，

所述进气口与所述排气口均与密封炉体连接并穿过保温层与工作区相通，所述进气口与所述气源连接，所述排气口与所述尾气处理装置连接，所述尾气处理装置是将气氛炉内排出反应气或保护气，进行无害化处理以减少对大气环境的污染，所述进排气系统还包括流量调节装置，用于调节气体流量。

在一些实施例中，所述进气口和排气口沿对角线或沿轴线设置。

在一些实施例中，所述真空系统包括与所述密封炉体连接的真空机组及控制系统，和设置在所述密封炉体上的气压显示装置。

在一些实施例中，所述密封炉体的侧壁上设置有与所述保温层开口相对的观察窗口，所述观察窗口外设置图像采集系统。

在一些实施例中，所述旋转控制机构与所述坩埚架之间通过第一连接杆连接，所述第一连接杆穿过所述密封炉体处设置密封结构，并通过轴承进行固定。

在一些实施例中，所述无压浸渗炉还包括冷却装置，用于冷却密封炉体、旋转控制机构和密封结构。

在一些实施例中，所述密封炉体为具有夹层结构的带水冷套炉体。

在一些实施例中，所述浸渗坩埚和熔化坩埚内表面设置有保护涂层。

本发明另一方面，提供了一种制备颗粒增强铝基复合材料的方法，具体步骤为：

S1:在浸渗坩埚内涂覆保护涂层，并将需浸渗的多孔预制体放置到浸渗坩埚内；

S2:将所要浸渗合金按照复合材料需要浸渗理论值的1.4-2倍的量放入涂覆保护涂层的熔化坩埚内，并将熔化坩埚放置到坩埚架上并固定；

S3:密封炉体通过真空系统排出密封炉体内空气，并维持真空至一定真空度，对不同浸渗气氛具体操作如下：

a)若需要在保护或反应气氛环境下浸渗，先利用进排气系统利用保护气或反应气反复置换炉腔内气体1-2遍后，按照设定流量使保护器或浸渗反应气体处于流动状态，其排出尾气经过尾气处理装置后排入大气环境中或维持一定压力保压；

b)若需要在真空环境下浸渗，先利用进排气系统利用惰性气体如氩气反复置换炉腔内气体1-2遍后，持续抽真空；

S4:按照工艺程序升温至指定温度，保温一定时间，通过观察系统观察浸渗铝合金状态；

S5:待浸渗铝合金完全熔化后，启动旋转控制机构，进而带动坩埚架上的熔化坩埚旋转，并通过观察系统观察铝合金液的浇注情况并控制浇注过程；

S6:当通过观察系统观察浸渗铝合金浇注到指定位置后，通过旋转控制机构使熔化坩埚复位停止浇注，继续保温一定时间；

S7:保温结束后，按照设定程序降温，到达指定温度后关闭气源；

S8:浸渗坩埚冷却至允许出炉条件时，从浸渗坩埚中取出复合材料。

本发明的有益效果：

1、与现有技术相比，本发明的无压浸渗装置可以应用于大尺寸颗粒增强铝基复合材料的制备；

2、本发明的制备方法相对于传统无压浸渗上置法可以降低铝合金表面氧化膜对浸渗的影响，降低浸渗条件；

3、本发明的制备方法无需向预制体内部添加助渗剂而带来复合材料性能的损失。

4、本发明可实时观察浸渗过程，便于优化工艺。

附图说明

图1是本发明实施例提供的无压浸渗炉的正视图；

图2是本发明实施例提供的无压浸渗炉的侧视图。

101、密封炉体；102保温层；103、加热元件；104、浸渗坩埚；

105、控制系统；106、热电偶；201、真空机组及控制系统；

202、气压显示装置；203、气源；204、尾气处理装置；

205、进气口；206、排气口；301、坩埚架；

302、熔化坩埚；303、旋转支撑机构；304、旋转控制机构；

401、观察窗口；402、图像采集系统；501、保护涂层；

502、浸渗预制体；503、浸渗合金。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。

实施例1：

一种无压浸渗炉，包括密封炉体101、保温层102、加热元件103、控制系统105、热电偶106、浇注系统、浸渗坩埚104、进排气系统、真空系统、观察系统；所述保温层102设置在所述密封炉体101内，围成的空间为工作区；所述加热元件103设置在所述保温层102内，并与所述控制系统105连接，用于加热所述工作区；

所述浇注系统用于熔化铝合金并将熔化铝合金浇注到预制体上进行无压浸渗，所述浇注系统包括坩埚架301、熔化坩埚302、旋转控制机构304，所述坩埚架301设置所述工作区内，并与所述旋转控制机构304通过第一连接杆相连，所述旋转控制机构304设置在所述密封炉体101的侧壁上，用于控制坩埚架301的旋转，所述熔化坩埚302设置在所述坩埚架301内；所述密封炉体上旋转控制机构304相对的另一侧壁上设置旋转支撑结构303，所述旋转支撑结构303与坩埚架301之间通过第二连接杆相连。当第一连接杆的刚度足够可以的时候，可以将第二连接杆取消。

所述浸渗坩埚104设置在所述工作区内，且所述浸渗坩埚104位于所述熔化坩埚302的浇注口下方；

所述热电偶106一端靠近浸渗坩埚104，另一端与所述控制系统105连接并置于所述密封炉体101外，用于测量工作区温度并接收测量数据；

所述进排气系统与密封炉体101连接并穿过保温层102与工作区连通，用于将浸渗或保护气氛通入工作区或从工作区排出；

所述真空系统与所述密封炉体101连通，用于排出密封炉体101内气体，保持一定真空度；

所述观察系统通过所述保温层102的开口观察浸渗过程和控制浇注操作，所述密封炉体的侧壁上设置有与所述保温层102开口相对的观察窗口，所述观察窗口外设置图像采集系统。

所述进排气系统包括进气口205、排气口206、气源203、尾气处理装置204，所述进气口205与所述排气口206均穿过密封炉体101与工作区相通，所述进气口205与所述气源203连接，所述排气口206与所述尾气处理装置204连接，所述尾气处理装置204是将气氛炉内排出反应气或保护气，进行无害化处理以减少对大气环境的污染。所述进排气系统还包括流量调节装置，用于调节气体流量。

为保证最佳浸渗效果，所述进气口205和排气口206沿对角线或沿轴线设置。

所述真空系统包括与所述密封炉体101连接的真空机组及控制系统201，和设置在所述密封炉体101上的气压显示装置202。

所述旋转控制机构304与所述坩埚架301之间通过第一连接杆连接，所述第一连接杆穿过所述密封炉体101处设置密封结构，并通过轴承进行固定。所述无压浸渗炉还包括冷却装置，用于冷却密封炉体、旋转控制机构和密封结构，通常选用耐热钢或石墨等耐高温材料。

优选的，所述保温层102可以是莫来石毡、泡沫陶瓷砖、耐火砖以及其它具有耐热冲击和抗氧化能力，能够满足在特殊工艺(高温)条件下与空气接触不发生氧化或破坏保温材料的材料。

优选的，所述无压浸渗炉其开门方式可以为下开式也可以是侧开式或顶开式，其主要开门方式与预制体502和坩埚尺寸有关；

优选的，所述加热元件103材料可以是市面常见加热元件103材料如镍铬、铁铬铝、硅碳棒、硅钼棒等，只要不与浸渗气氛反应，并且能够保证在高温条件下不发生氧化断裂的材料即可；

优选的，所述密封炉体101为具有夹层结构的带水冷套炉体；

优选的，所述加热元件103，包含加热体和具有水冷套电极；

优选的，所述浸渗坩埚104可以为石墨材质、耐热钢，或者是在浸渗温度条件下不发生变形，影响浸渗过程的材质；

优选的，所述浸渗坩埚104保护涂层501为脱模剂或止渗材料，用于阻止或减缓浸渗铝合金与浸渗坩埚104反应从而保护浸渗坩埚104，便于将复合材料从浸渗坩埚104上分离；

优选的，真空机组及控制系统201可以是机械式选片泵，或为了保证真空度也可以是机械泵和罗茨泵组合或其它真空及控制系统组合；

优选的，气源203可以是高纯氩气、高纯氮气或其他用于无压浸渗高纯气体或混合气；

优选的，真空及控制系统201和进排气系统设有电子流量计或机械流量计用于调节气体流速；

优选的，尾气处理装置204是将气氛炉内排出反应气或保护气进行无害化处理以减少对大气环境的污染；

优选的，熔化坩埚302可以是石墨材质或耐热钢材质，其表面在使用前应涂覆一层保护层，用于保护熔化坩埚302。

优选的，旋转控制机构304其旋转操作方式可以是手动式也可以是机械式，通过控制齿轮或减速器来操作旋转控制机构304旋转。

优选的，坩埚架301内可以布置加热元件，用于快速熔化浸渗铝合金；所述坩埚架301可以放置为多种尺寸熔化坩埚302，以满足不同尺寸预制体502无压浸渗要求；

优选的，观察系统可以是肉眼通过观察浇注过程窗观察,也可以是通过图像采集设备进行采集浇注过程图像。

实施例2：

一种制备颗粒增强铝基复合材料的方法，具体步骤为：

S1:将浸渗坩埚104表面涂刷一层保护层或铺设止渗材料501，并将需浸渗的多孔预制体502放置到浸渗坩埚104内；

S2:将所要浸渗合金503按照复合材料浸渗需要理论值的1.4-2倍的量放入到熔化坩埚302内，并将熔化坩埚302安装固定到坩埚架301；

S3:通过真空系统排除密封炉体101内空气，并维持真空至10Pa以下，针对不同浸渗气氛具体操作如下：

若需要在保护或反应气氛环境下浸渗，先利用进排气系统利用保护气或反应气反复置换密封腔内气体1-2遍后，按照设定流量使保护器或浸渗反应气体处于流动状态，其排出尾气经过尾气处理装置204处理后排入大气环境中；

若需要在真空环境下浸渗，先利用进排气系统利用惰性气体如氩气反复置换密封炉体101内气体1-2遍后，持续抽真空。

S4:按照工艺程序升温至指定温度，然后保温一定时间，在此期间通过观察系统观察浸渗铝合金状态；

S5:待浸渗铝合金完全熔化后，启动旋转控制机构304，进而带动坩埚架301上的熔化坩埚302旋转并通关观察系统来观察铝合金液的浇注情况并控制铝合金浇注系统动作；

S6：当浸渗铝合金到达指定位置后通过控制铝合金浇注系统使熔化坩埚302复位停止浇注，继续保温一定时间；

S7:保温结束后，按照设定程序降温，到达指定温度后关闭气源203，并利用大气置换密封炉体101内气氛，出炉降温；

S8:浸渗坩埚104冷却至室温后,从浸渗坩埚104内取出复合材料。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“轴向”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种无压浸渗炉，其特征在于，包括密封炉体、保温层、加热元件、热电偶、浇注系统、浸渗坩埚、进排气系统、真空系统、控制系统、观察系统；

所述保温层设置在所述密封炉体内，围成的空间为工作区；

所述加热元件设置在所述保温层内，并与所述控制系统连接，用于加热所述工作区；

所述浇注系统用于熔化铝合金并将熔化铝合金浇注到预制体上进行无压浸渗，所述浇注系统包括坩埚架、熔化坩埚、旋转控制机构，所述坩埚架设置所述工作区内，并与所述旋转控制机构连接，所述旋转控制机构设置在所述密封炉体的侧壁上，用于控制坩埚架的旋转，所述熔化坩埚设置在所述坩埚架内；

所述浸渗坩埚设置在所述熔化坩埚的浇注口下方；

所述热电偶一端靠近浸渗坩埚，另一端与所述控制系统连接并置于所述密封炉体外，用于测量工作区温度并接收测量数据；

所述进排气系统与密封炉体连接并穿过保温层与工作区连通，用于将浸渗或保护气氛通入工作区或从工作区排出；

所述真空系统与所述密封炉体连通，用于排出密封炉体内气体，保持一定真空度；

所述观察系统通过所述保温层的开口观察浸渗过程和控制浇注操作。

2.根据权利要求1所述的一种无压浸渗炉，其特征在于，所述进排气系统包括进气口、排气口、气源、尾气处理装置，

所述进气口与所述排气口均与密封炉体连接并穿过保温层与工作区相通，所述进气口与所述气源连接，所述排气口与所述尾气处理装置连接，所述尾气处理装置是将气氛炉内排出反应气或保护气，进行无害化处理以减少对大气环境的污染，所述进排气系统还包括流量调节装置，用于调节气体流量。

3.根据权利要求2所述的一种无压浸渗炉，其特征在于，所述进气口和排气口沿对角线或沿轴线设置。

4.根据权利要求1所述的一种无压浸渗炉，其特征在于，所述真空系统包括与所述密封炉体连接的真空机组及控制系统，和设置在所述密封炉体上的气压显示装置。

5.根据权利要求1所述的一种无压浸渗炉，其特征在于，所述密封炉体的侧壁上设置有与所述保温层开口相对的观察窗口，所述观察窗口外设置图像采集系统。

6.根据权利要求1所述的一种无压浸渗炉，其特征在于，所述旋转控制机构与所述坩埚架之间通过第一连接杆连接，所述第一连接杆穿过所述密封炉体处设置密封结构，并通过轴承进行固定。

7.根据权利要求6所述的一种无压浸渗炉，其特征在于，所述无压浸渗炉还包括冷却装置，用于冷却密封炉体、旋转控制机构和密封结构。

8.根据权利要求1所述的一种无压浸渗炉，其特征在于，所述密封炉体为具有夹层结构的带水冷套炉体。

9.根据权利要求1所述的一种无压浸渗炉，其特征在于，所述浸渗坩埚和熔化坩埚内表面设置有保护涂层。

10.一种制备颗粒增强铝基复合材料的方法，其特征在于，具体步骤为：

S1:在浸渗坩埚内涂覆保护涂层，并将需浸渗的多孔预制体放置到浸渗坩埚内；

S2:将所要浸渗合金按照复合材料需要浸渗理论值的1.4-2倍的量放入涂覆保护涂层的熔化坩埚内，并将熔化坩埚放置到坩埚架上并固定；

S3:密封炉体通过真空系统排出密封炉体内空气，并维持真空至一定真空度，对不同浸渗气氛具体操作如下：

a)若需要在保护或反应气氛环境下浸渗，先利用进排气系统利用保护气或反应气反复置换炉腔内气体1-2遍后，按照设定流量使保护器或浸渗反应气体处于流动状态，其排出尾气经过尾气处理装置后排入大气环境中或维持一定压力保压；

b)若需要在真空环境下浸渗，先用进排气系统利用惰性气体反复置换炉腔内气体1-2遍后，持续抽真空；

S4:按照工艺程序升温至指定温度，保温一定时间，通过观察系统观察浸渗铝合金状态；

S5:待浸渗铝合金完全熔化后，启动旋转控制机构，进而带动坩埚架上的熔化坩埚旋转，并通过观察系统观察铝合金液的浇注情况并控制浇注过程；

S6:当通过观察系统观察浸渗铝合金浇注到指定位置后，通过旋转控制机构使熔化坩埚复位停止浇注，继续保温一定时间；

S7:保温结束后，按照设定程序降温，到达指定温度后关闭气源；

S8:浸渗坩埚冷却至允许出炉条件时，从浸渗坩埚中取出复合材料。

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