CN111113627A - 一种干式混料制备连续功能梯度材料的制备装置及其制备方法 - Google Patents

一种干式混料制备连续功能梯度材料的制备装置及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种干式混料制备连续功能梯度材料的制备装置，包括振动平台，设于振动平台上的模具和搅拌罐，沿搅拌罐的轴向方向且设于搅拌罐内的多层搅拌叶片，以及设于搅拌罐上端面上的粉料输送装置，所述粉料输送装置包括向进料口内分别输送粉料的至少两个传送机构；还公开了一种制备方法。本发明通过控制各个传送机构的工作速度，使其中至少一个传送机构实现恒加速的线性工作，进而控制两种或两种以上种粉料的混合的比例，以适应生产不同连续功能梯度材料的不同粉料之间的比例需要，实现了线上连续投料、快速制备、成分非均质连续分布、致密度高和大部件的功能梯度材料的制备的功能，具有自动化线上连接投料、均匀性和连续性装模的有益效果。

Description

一种干式混料制备连续功能梯度材料的制备装置及其制备 方法
技术领域
本发明涉及一种制备连续功能梯度材料的制备装置及其制备方法，尤其是指一种干式混料制备连续功能梯度材料的制备装置及其制备方法。
背景技术
功能梯度材料是根据使用要求，在材料的制备过程中，选用两种或两种以上性质不同的材料，通过采用不同以往的复合技术控制内部微观要素在某特定方向呈连续或准连续变化，从而使材料宏观性能也在同一方向呈连续或准连续梯度变化的一种非均质复合材料。
目前，功能梯度材料的制备方法有：叠层压坯烧结法、等离子熔射法、喷射印刷法、连续抽滤法、共沉降法法等。但是这些方法无法实现线上连续投料，从而导致不能进行快速制备、成分非均质连续分布、致密度高和大部件的功能梯度材料的制备，并且无法实现装模的均匀性和连续性。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提供一种自动化线上连接投料、均匀性和连续性装模的干式混料制备连续功能梯度材料的制备装置及其制备方法。
本发明的目的可采用以下技术方案来达到：
一种干式混料制备连续功能梯度材料的制备装置，包括振动平台，设于振动平台上的模具和搅拌罐，沿搅拌罐的轴向方向且设于搅拌罐内的多层搅拌叶片，以及设于搅拌罐上端面上的粉料输送装置；模具设于搅拌罐的下方，所述搅拌罐的上表面设有进料口，所述粉料输送装置包括向进料口内分别输送粉料的至少两个传送机构，其中至少一个传送机构为恒加速度工作，振动平台和搅拌叶片先于传送机构启动工作，振动平台驱动筛网和模具振动。
作为一种优选的方案，所述搅拌罐下端的出料口上设有柔性管道，所述柔性管道内设有筛网，所述筛网的网格尺寸为100～200目。
作为一种优选的方案，所述传送机构均包括主动滚筒、从动滚筒和输送带，所述输送带绕接于主动滚筒和从动滚筒上，主动滚筒驱动输送带和从动滚筒转动，所述输送带的出口端设于进料口上方。
作为一种优选的方案，所述进料口上设有用于汇集粉料的漏斗。
进一步地，所述搅拌叶片设有12～24层，搅拌叶片的转速为120～300r/min。
作为一种优选的方案，所述搅拌叶片上表面设有凸起，在凸起的横截面与水平面的夹角为10～15°的向下倾斜角，相邻两层搅拌叶片之间的尺寸大小不相同。
进一步地，所述加速度为0～0.5cm/s2，传送机构的输送速度为0～5m/min。
进一步地，所述粉料为造粒粉，造粒粉的粒径范围为10～50um。
进一步地，所述搅拌罐上设有电机，所述电机的转轴通过连接杆伸入搅拌罐内与搅拌叶片固定连接；所述振动平台的振动频率为15～50Hz。
一种干式混料制备连续功能梯度材料的制备装置的制备方法，包括以下步骤：
S1：振动平台和搅拌叶片先启动工作，振动平台驱动筛网和模具振动，然后启动粉料传送装置，各个传送机构分别将不同粉料输送向进料口；
S2：根据功能梯度材料的梯度需要设置传送机构中至一个的速度为线性递减或递增，粉料进入搅拌罐中经过多层叶片的充分搅拌，最后通过搅拌罐的出料口进入模具，模具在振动平台的振动进行下自动装模；
S3：装模完毕后进行高压压模直接烧结或经初步干压再进行冷等静压最后烧结，制得功能梯度材料。
实施本发明，具有如下有益效果：
1、本发明通过控制各个传送机构的工作速度，使其中至少一个传送机构实现匀加速的线性工作，进而控制两种或两种以上粉料的混合的比例，以适应生产不同连续功能梯度材料的不同粉料之间的比例需要，实现了线上连续投料、快速制备、成分非均质连续分布、致密度高和大部件的功能梯度材料的制备的功能。
2、本发明通过在搅拌罐下端的出料口内设有筛网，则在控制振动平台振动时，振动平台驱动筛网对混合的粉料进行筛选，然后被筛选后的粉料进入模具内而进行装模，实现了装模的均匀性和连续性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明干式混料制备连续功能梯度材料的制备装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
参照图1，本实施例涉及干式混料制备连续功能梯度材料的制备装置，包括振动平台1，设于振动平台1上的模具2和搅拌罐3，沿搅拌罐3的轴向方向且设于搅拌罐3内的多层搅拌叶片4，以及设于搅拌罐3上端面上的粉料输送装置5，模具2设于搅拌罐3的下方；所述搅拌罐3的上表面设有进料口31，所述粉料输送装置5包括向进料口31内分别输送粉料的至少两个传送机构51，其中至少一个传送机构51为恒加速度工作，振动平台1和搅拌叶片4先于传送机构51启动工作，振动平台1驱动模具2振动。
本结构通过控制各个传送机构51的工作速度，使其中至少一个传送机构实现匀加速的线性工作，进而控制两种或两种以上粉料的混合的比例，以适应生产不同连续功能梯度材料的不同粉料之间的比例需要，实现了线上连续投料、快速制备、成分非均质连续分布、致密度高和大部件的功能梯度材料的制备的功能。
本结构采用多层搅拌叶片4对两种粉料进行搅拌，使得粉料的混合更加均匀，速度快和效率高，进而可实现对大构件的坯料进行装填前的混合。
所述搅拌罐3下端的出料口上设有柔性管道30，所述柔性管道30内设有筛网6，所述筛网6的网格尺寸为100～200目。通过在搅拌罐3下端的出料口套设柔性管道30，并在柔性管道30内设置筛网6，则在控制振动平台1振动时，振动平台1驱动筛网6对混合的粉料进行筛选，然后被筛选后的粉料进入模具2内而进行装模，实现了装模的均匀性和连续性。
所述传送机构51均包括主动滚筒、从动滚筒和输送带，所述输送带绕接于主动滚筒和从动滚筒上，主动滚筒驱动输送带和从动滚筒转动，所述输送带的出口端设于进料口31上方。通过控制主动滚筒的速度线性变化，可以控制输送带运送粉料进行入进料口31的速度，以适应生产不同连续功能梯度材料的不同粉料之间的比例需要，实现了线上连续投料、快速制备、成分非均质连续分布、致密度高和大部件的功能梯度材料的制备的功能。
所述进料口31上设有用于汇集粉料的漏斗7。漏斗7的倾斜角角为30～45°
所述搅拌叶片4设有12～24层，搅拌叶片4的转速为120～300r/min。
所述搅拌叶片4上表面设有凸起41，在凸起41的横截面与水平面的夹角为10～15°的向下倾斜角，相邻两层搅拌叶片4之间的尺寸大小不相同。
所述加速度为0～0.5cm/s2，传送机构51的输送速度为0～5m/min。
所述粉料为造粒粉，造粒粉的粒径范围为10～50um。
所述搅拌罐3上设有电机8，所述电机8的转轴通过连接杆81伸入搅拌罐3内与搅拌叶片4固定连接；所述振动平台1的振动频率为15～50Hz。
本实施例还提供了一种干式混料制备连续功能梯度材料的制备装置的制备方法，包括以下步骤：
S1：振动平台1和搅拌叶片4先启动工作，振动平台1驱动柔性管道30内的筛网6和模具2振动，然后启动粉料传送装置，各个传送机构51分别将不同粉料输送向进料口31；
S2：根据功能梯度材料的梯度需要设置传送机构51中至一个的速度为线性递减或递增，粉料进入搅拌罐3中经过多层搅拌叶片4的充分搅拌，最后通过搅拌罐3的出料口和经过柔性管道30中的筛网6筛选后进入模具2，模具2在振动平台1的振动进行下自动装模；
S3：装模完毕后进行高压压模直接烧结或经初步干压再进行冷等静压最后烧结，制得功能梯度材料。
本方法通过控制各个传送机构51的工作速度，使其中至少一个传送机构实现匀加速的线性工作，进而控制两种或两种以上粉料的混合的比例，以适应生产不同连续功能梯度材料的不同粉料之间的比例需要，实现了线上连续投料、快速制备、成分非均质连续分布、致密度高和大部件的功能梯度材料的制备的功能。
以Al2O3、ZrO2造粒粉为例子，上述的制备方法具体如下：
(1)振动平台1驱动搅拌罐3和模具2振动，然后启动粉料传送装置，振动平台1的振动频率为15Hz,叶片转速为120r/min，避免入料未经搅拌均匀直接装模；
(2)分别从两条输送带向漏斗7内投入Al2O3、ZrO2造粒粉，造粒粉料粒径为10～50um，输送Al2O3粉料的输送带恒定速度为0.9m/min，输送ZrO2粉料的输送带速度为线性递增变化，速度区间为0～1.8m/min，通过漏斗7的粉粒进入搅拌罐3中进行充分搅拌均匀，经过多层搅拌叶片4的搅拌，最后经筛网6振动筛选后进入模具2进行自动装模，其中漏斗7的倾斜角为30°，叶片的倾斜度为5°，叶片数目为12片，筛网6的目数为150目；
(3)装模完毕后进行高压压模直接烧结或经初步干压再进行冷等静压最后烧结，制得功能梯度材料，干压或冷等静压压力参数根据所压材料种类设置。
性能测试：所得Al2O3-ZrO2连续功能梯度陶瓷致密度为98.31％，Al2O3体积分数从上表面到下表面呈连续递减变化；从上表面到下表面，硬度从20.64GPa-22.20GPa连续变化，断裂韧性从5.0Pa·m1/2-9.2Pa·m1/2呈连续变化。
实施例2
本实施例是在实施例1的基础上，作为另一种实施的方案，(1)振动平台1驱动搅拌罐3和模具2振动，然后启动粉料传送装置，振动平台1的振动频率为15Hz,叶片转速为120r/min，避免入料未经搅拌均匀直接装模；
(2)分别从两条输送带向漏斗7投入Al2O3、ZrO2造粒粉，造粒粉料粒径为10～50um，输送Al2O3粉料的输送带速度为线性递增变化，速度区间为0～1.8m/min，输送ZrO2粉料的输送带恒定速度为0.9m/min，通过漏斗7的粉粒进入搅拌罐3中进行充分搅拌均匀，经过多层搅拌叶片4的搅拌，最后经筛网6振动筛选后进入模具2进行自动装模，其中漏斗7的倾斜角为30°，叶片倾斜度为5°，叶片数目为12片，筛网6的目数为200目；
(3)装模完毕后进行高压压模直接烧结或经初步干压再进行冷等静压最后烧结，制得功能梯度材料，干压或冷等静压压力参数根据所压材料种类设置。
性能测试：所得Al2O3-ZrO2连续功能梯度陶瓷致密度为98.24％，Al2O3体积分数从上表面到下表面呈连续递增变化；从上表面到下表面，硬度从28.7GPa-21.3GPa连续变化，断裂韧性从8.4Pa·m1/2-9.27Pa·m1/2呈连续变化。
实施例3
本实施例是在实施例1的基础上，作为另一种实施的方案，(1)振动平台1驱动搅拌罐3和模具2振动，然后启动粉料传送装置，振动平台1的振动频率为15Hz,叶片转速为150r/min，避免入料未经搅拌均匀直接装模；
(2)分别从两条输送带向漏斗7投入Al2O3、ZrO2造粒粉，造粒粉料粒径为10～50um，输送Al2O3粉料的输送带速度为线性递增变化，速度区间为0～1.8m/min，输送ZrO2粉料的输送带速度为线性递减变化，速度区间为1.8～0m/min，通过漏斗7的粉粒进入搅拌罐3中进行充分搅拌均匀，经过多层搅拌叶片4的搅拌，最后经筛网6振动筛选后进入模具2进行自动装模，其中汇料斜斗倾斜角为30°，叶片倾斜度为5°，叶片数目为16片，筛网6目数为100目；
(3)装模完毕后进行高压压模直接烧结或经初步干压再进行冷等静压最后烧结，制得功能梯度材料，干压或冷等静压压力参数根据所压材料种类设置。
性能测试：所得Al2O3-ZrO2连续功能梯度陶瓷致密度为99.33％，Al2O3体积分数从上表面到下表面呈连续递增变化；从上表面到下表面，硬度从28.5GPa-23.3GPa连续变化，断裂韧性从9.5Pa·m1/2-6.2Pa·m1/2呈连续变化。
实施例4
本实施例是在实施例1的基础上，作为另一种实施的方案，(1)振动平台1驱动搅拌罐3和模具2振动，然后启动粉料传送装置，振动平台1的振动频率为15Hz,叶片转速为120r/min，避免入料未经搅拌均匀直接装模；
(2)分别从两条输送带向漏斗7投入Al2O3、ZrO2造粒粉，造粒粉料粒径为10～50um，输送Al2O3粉料的输送带恒定速度为0.9m/min，输送ZrO2粉料的输送带速度为线性递增变化，速度区间为0～1.8m/min，通过漏斗7的粉粒进入搅拌罐3中进行充分搅拌均匀，经过多层搅拌叶片4的搅拌，最后经筛网6振动筛选后进入模具2进行自动装模，其中漏斗7的倾斜角为30°，叶片倾斜度为5°，叶片数目为22片，筛网6目数为200目；
(3)装模完毕后进行高压压模直接烧结或经初步干压再进行冷等静压最后烧结，制得功能梯度材料，干压或冷等静压压力参数根据所压材料种类设置。
性能测试：所得Al2O3-ZrO2连续功能梯度陶瓷致密度为99.27％，Al2O3体积分数从上表面到下表面呈连续递减变化；从上表面到下表面，硬度从20.53GPa-23.31GPa连续变化，断裂韧性从5.8Pa·m1/2-9.6Pa·m1/2呈连续变化。
实施例5
本实施例是在实施例1的基础上，作为另一种实施的方案，(1)振动平台1驱动搅拌罐3和模具2振动，然后启动粉料传送装置，振动平台1的振动频率为15Hz,叶片转速为250r/min，避免入料未经搅拌均匀直接装模；
(2)分别从两条输送带向漏斗7投入Al2O3、ZrO2造粒粉，造粒粉料粒径为10～50um，输送Al2O3粉料的输送带速度为线性递增变化，速度区间为0～1.8m/min，输送ZrO2粉料的输送带速度为线性递减变化，速度区间为1.8～0m/min，通过漏斗7的粉粒进入搅拌罐3中进行充分搅拌均匀，经过多层搅拌叶片4的搅拌，最后经筛网6振动筛选后进入模具2进行自动装模，其中漏斗7的倾斜角为30°，叶片倾斜度为8°，叶片数目为16片，筛网6的目数为100目；
(3)装模完毕后进行高压压模直接烧结或经初步干压再进行冷等静压最后烧结，制得功能梯度材料，干压或冷等静压压力参数根据所压材料种类设置。
性能测试：所得Al2O3-ZrO2连续功能梯度陶瓷致密度为98.75％，Al2O3体积分数从上表面到下表面呈连续递增变化；从上表面到下表面，硬度从28.7GPa-22GPa连续变化，断裂韧性从9.6Pa·m1/2-6Pa·m1/2呈连续变化。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种干式混料制备连续功能梯度材料的制备装置，其特征在于，包括振动平台，设于振动平台上的模具和搅拌罐，沿搅拌罐的轴向方向且设于搅拌罐内的多层搅拌叶片，以及设于搅拌罐上端面上的粉料输送装置；模具设于搅拌罐的下方，所述搅拌罐的上表面设有进料口，所述粉料输送装置包括向进料口内分别输送粉料的至少两个传送机构，其中至少一个传送机构为恒加速度工作，振动平台和搅拌叶片先于传送机构启动工作，振动平台驱动模具振动。
2.根据权利要求1所述的一种干式混料制备连续功能梯度材料的制备装置，其特征在于，所述搅拌罐下端的出料口上设有柔性管道，所述柔性管道内设有筛网，所述筛网的网格尺寸为100～200目。
3.根据权利要求1所述的一种干式混料制备连续功能梯度材料的制备装置，其特征在于，所述传送机构均包括主动滚筒、从动滚筒和输送带，所述输送带绕接于主动滚筒和从动滚筒上，主动滚筒驱动输送带和从动滚筒转动，所述输送带的出口端设于进料口上方。
4.根据权利要求1或3所述的一种干式混料制备连续功能梯度材料的制备装置，其特征在于，所述进料口上设有用于汇集粉料的漏斗。
5.根据权利要求1所述的一种干式混料制备连续功能梯度材料的制备装置，其特征在于，所述搅拌叶片设有12～24层，搅拌叶片的转速为120～300r/min。
6.根据权利要求1或5所述的一种干式混料制备连续功能梯度材料的制备装置，其特征在于，所述搅拌叶片上表面设有凸起，在凸起的横截面与水平面的夹角为10～15°的向下倾斜角，相邻两层搅拌叶片之间的尺寸大小不相同。
7.根据权利要求1所述的一种干式混料制备连续功能梯度材料的制备装置，其特征在于，所述加速度为0～0.5cm/s2，传送机构的输送速度为0～5m/min。
8.根据权利要求1所述的一种干式混料制备连续功能梯度材料的制备装置，其特征在于，所述粉料为造粒粉，造粒粉的粒径范围为10～50um。
9.根据权利要求1所述的一种干式混料制备连续功能梯度材料的制备装置，其特征在于，所述搅拌罐上设有电机，所述电机的转轴通过连接杆伸入搅拌罐内与搅拌叶片固定连接；所述振动平台的振动频率为15～50Hz。
10.基于权利要求1所述的一种干式混料制备连续功能梯度材料的制备装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：振动平台和搅拌叶片先启动工作，振动平台驱动筛网和模具振动，然后启动粉料传送装置，各个传送机构分别将不同粉料输送向进料口；
S2：根据功能梯度材料的梯度需要设置传送机构中至一个的速度为线性递减或递增，粉料进入搅拌罐中经过多层叶片的充分搅拌，最后通过搅拌罐的出料口进入模具，模具在振动平台的振动进行下自动装模；
S3：装模完毕后进行高压压模直接烧结或经初步干压再进行冷等静压最后烧结，制得功能梯度材料。
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