CN111872358A - 热等静压设备用熔铸釜及其铸造制备金属基复合材料的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热等静压设备用熔铸釜，包括熔炼室及熔炼室下部的铸浸室，所述熔炼室包括熔炼坩埚、升液管帽及浇注芯管，所述熔炼坩埚与浇注芯管一端连接，所述浇注芯管另一端安装有升液管帽，所述升液管帽安装在熔炼坩埚上与浇注芯管组成浇注通道；所述铸浸室与熔炼室通过热软化垫密封连接或非自锁锥度配合连接，本发明提供一种基于该熔铸釜制备金属基复合材料的工艺，通过熔铸釜的介入使用实现了金属基复合材料金属浸渗标准制定需求。

Description

热等静压设备用熔铸釜及其铸造制备金属基复合材料的工艺

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种热等静压设备用熔铸釜及使用该设备铸造制备金属基复合材料的工艺及应用。

背景技术

目前制备金属基复合材料的方法主要有固态法和液态法，固态法制备金属基复合材料的整个工艺过程温度较低，金属基体和增强相都处于固体状态，典型的工艺有粉末冶金法、热压法等，其工艺过程是先将基体合金和增强体，按设计要求均匀混合或排列，经过冷压、热压或烧结等工艺制成复合材料零件。固态法生产工艺复杂，产品形状受限制，生产成本高，难以获得广泛的应用。

液态法是金属基体处于熔融状态下与固体增强物复合而制备金属基复合材料的工艺过程。制备工艺包括液态浸渗法和液态搅拌法。液态法成形时温度较高，熔融状态的金属流动性好，在一定条件下利用液态法可容易地制得性能良好的复合材料，相对于固态成形具有工程消耗小、易于操作、可以实现大规模工业生产和零件形状不受限制等优点，因而受到人们的青睐。由于界面间润湿性较差且增强体在基体中分布不均，液态搅拌法难于复合出高性能的材相。液态浸渗法则具有操作简单，制造成本低，可制备高体积分数复合材料和较复杂形状的近终型的零件等特点。通过对增强体进行金属浸渗前固相均匀组织分布的成型技术处理，增强体的体积分数扩展到18～82%范围时，液态浸渗法复合出的金属基复合材料，能够覆盖液态搅拌鋳造法增强体体积分数9～42%中难于复合出高性能材相的那部分替代。液态浸渗制备工艺主要制备方法包括:挤压浸渗技术、无压渗透法、真空浸渗技术、气压浸渗技术、熔模铸造浸渗技术、气体压力浸渗技术、离心铸造浸渗和消失模铸造浸渗技术等。通过对不同液态浸渗制备工艺的应用及优缺点的分析，业内普遍采取的是一种比较经济的复合方法。

真空浸渗就是把增强体预制件放入耐压容器内密封，抽真空后注入金属和浸渗剂的混合熔体淹没预制件，浸渗液靠毛细管作用进入预制件在、间隙，最后经固化得到复合材料。该技术有两种类型，一种是真空吸铸法，一种是真空压浸法。这两种方法都需要采用预制型。真空吸铸法是将预制型放入铸型后，将铸型一端进入金属液体中，而将铸型另一端连接真空装置，使基体金属吸入铸型中的预制型内制备复合材料的一种铸造方法。真空压渗法也称为真空压力浸渗，指在液态金属渗入预制型的过程中，预制型保持真空态的条件下受压力的液体迅速渗入预制型间隙的方法。真空浸渗技术具有适用范围大，可用于多种金属基体和连续纤维、短纤维、晶须和颗粒等增强材料的复合，增强材料的形状、尺寸、含量基本上不受限制，也可用来制备混杂复合材料；可直接制成复合材料零件，特别是形状复杂的零件，基本无需进行后续加工；浸渗在真空中进行，压力下凝固，无气孔、疏松、缩孔等铸造缺陷，组织致密，材料性能好；在浸渗材料中基本成分及组织的非均匀性可通过控制工艺参数得到减小；工艺简单，参数易于控制，可根据增强材料和基体金属的物理化学特性，严格控制温度、压力等参数，避免严重的界面反应。

真空浸渗技术的设备的选定以铝基碳化硅（SiCp/Al）产品制造为例:炉腔尺寸与炉温的选择比较直观，故不再赘述。真空浸渗设备的炉压是金属浸渗入陶瓷预制型重要参数指标，陶瓷预制型的结构厚度、陶瓷粒度、陶瓷体份占比和烧制坯料的陶瓷化程度决定了液态金属浸渗的难易程度，陶瓷粒度越小↓，陶瓷化程度越高↑，陶瓷体份占比越高↑，结构厚度越厚↑，浸渗难度越大↑，反则反之。如:一般构件→重要构件→仪表构件→光学构件的金属浸渗难度依次提高；当液态金属浇注覆盖在增强体模具之上，若在金属液面上施加气体压，气压与浸渗能力成正比，与之同时将会考验模具的抗斥力及设备炉体的耐压；100Pa～5MPa压力范围的真空浸渗设备，其金属浸渗厚度仅为：仪表级≤20mm、光学级≤5mm的产品水平。特别是对于大尺寸的光学构件金属基复合材料零件金属浸渗厚度需求差距较大，采用传统真空材料制造设备难于支撑大尺寸金属基复合材料的制造， 因此迫切需求设计出金属浸渗能力囊括产品需求范围的设备，以突破金属基复合材料产能需求制约。

发明内容

本发明的目的是提供一种热等静压设备用熔铸釜，以解决目前采用真空浸渗金属基复合材料零件时，设备金属浸渗能力不足的问题，同时提供一种基于该设备铸造制备金属基复合材料的应用工艺途径。

本发明热等静压设备的工作原理为帕斯卡定律：“在密闭容器内的介质（液体或气体）压强，可以向各个方向均等地传递（F1/S1=F2/S2）。” 热等静压(hot isostaticpressing)简称HIP。

热等静压法的工作原理是根据帕斯卡定律，在一个密封的容器内，作用在静态液体或气体的外力所产生的静压力，将均匀地在各个方向上传递，在其作用的表面积上所受到的压力与表面积成正比。在高温高压作用下，热等静压炉内的包套与模具（工艺装备）软化并收缩，挤压内部粉末使其与自己一起运动。

基于以上原理：本发明提供一种热等静压设备用熔铸釜，其具有液态法生产能力的工艺装备，包括熔炼室及熔炼室下部的铸浸室，所述熔炼室包括熔炼坩埚、升液管帽及浇注芯管，所述熔炼坩埚与浇注芯管一端采用锥度配合连接，所述浇注芯管另一端安装有升液管帽，所述升液管帽安装在熔炼坩埚上与浇注芯管组成浇注通道；所述铸浸室与熔炼室通过热软化垫密封连接或非自锁锥度隔离配合连接。

进一步改进在于，所述铸浸室为一整体结构，由铸浸容器构成。

进一步改进在于，所述铸浸室包括铸浸容器及铸浸法兰，所述铸浸法兰焊接于铸浸容器上。

进一步改进在于，所述升液管帽、浇注芯管采用石墨材料制成。

进一步改进在于，所述非自锁锥度隔离配合连接为锥面为7:24的非自锁锥度配合连接。

本发明还提供一种采用热等静压设备用熔铸釜制备金属基复合材料的工艺，包括以下步骤：a.利用固态金属缝隙抽制系统形成真空；b.升温利用金属液化封闭隔离铸浸室，系统加压实现金属浇注覆盖铸浸室与系统隔离；c.恒温、增压至金属浸渗设定压力、维压、冷却固化后即完成零件浸渗近净成形过程。

本发明还提供一种采用热等静压设备用熔铸釜制备金属、非金属铸造及金属基复合材料零件的应用。

本发明提供的一种热等静压设备用熔铸釜，采用真空浸渗金属基复合材料零件时，金属浸渗面深，铸件组织均匀致密、成品率高、品质好，零件制造范围宽泛，可制造各种复杂形状的成型铸造零件。

附图说明

图1 本发明热等静压设备用熔铸釜实施例1结构示意图；

图2本发明热等静压设备用熔铸釜实施例2结构示意图；

图3本发明热等静压设备用熔铸釜实施例3结构示意图；

图4本发明热等静压设备用熔铸釜实施例4结构示意图；

图5基于本发明热等静压设备用熔铸釜制备金属基复合材料的工艺步骤图1；

图6基于本发明热等静压设备用熔铸釜制备金属基复合材料的工艺步骤图2；

图7基于本发明热等静压设备用熔铸釜制备金属基复合材料的工艺步骤图3；

图8基于本发明热等静压设备用熔铸釜制备金属基复合材料的工艺步骤图4；

图9基于本发明热等静压设备用熔铸釜制备金属基复合材料的一种实施方式；

附图标记：熔炼坩埚-1、升液管帽-2、浇注芯管-3、热软化垫-4、铸浸容器-5、铸浸法兰-6。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1，图2所示，本发明热等静压设备用熔铸釜上部为熔炼室，下部为铸浸室，在两室之间的密封槽内放置特制热密封垫。图1，图2中涉及实施例1、实施例2两套设计方案，区别在于下部的铸浸室。

熔炼室是熔炼金属或合金的容器，功能是金属熔炼和液态金属浇注。熔炼室是由零件:熔炼坩埚1、升液管帽2、浇注芯管3组成。形体较大的熔炼坩埚1与浇注芯管3（易损件）之间采用7：24锥度配合是为了便于更换或重复利用。熔炼坩埚1的材质选择根据冶炼材料而定，升液管帽2、浇注芯管3的材质采用石墨材料。安装在熔炼坩埚1上的升液管帽2、浇注芯管3组成浇注通道。

热软化垫4是热等静压设备用熔铸釜的熔炼室、铸浸室之间的连接密封件。制作热软化垫4的材料选择条件与熔炼金属的浇注环境相关，在设定的金属浇注温度和压力（p≤0.75MPa）下，所用密封材料固相软化程度，满足熔炼室重力作用足以驱使热密封垫变形起到熔炼室、铸浸室之间热密封作用，一般采用调配金属合金成份配比就能获得相应性能材料。

图1，铸浸室由铸浸容器5、铸浸法兰6两个钢制零件（A3或45＃）经焊接后加工而成，制备产品金属浇注温度≤1100℃。它的制作成本低、便于装模、破拆、适应性广等特点。

图2，铸浸室为整体设计结构由铸浸容器5单一零件构成，制备产品金属浇注温度≤2000℃时，铸浸容器5采用氮化硼、碳化硼、碳化硅等陶瓷材料或石墨制成。制备超高温合金时，铸浸容器5采用石墨材料（耐温可达3000℃以上）制成。适用于批产，可重复利用。制造周期长、成本较高。

图3实施例3与实施例1和实施例2技术方案比较：功能实现机理相同，主要区别是舍去了两室之间的密封垫。

图3实施例3与图4实施例4两方案共同之处：真空、浇注功能零件相同；都是在熔炼室与铸浸室之间采用了非自锁锥度隔离配合。熔铸釜在完成浇注功能前，锥面7:24的非自锁锥度配合，可以随炉内环境变化随动滑移补偿实现其功能保障作用。

图3实施例3的熔炼室、铸浸室仍然为各自独立的上下结构设计。其铸浸室可根据产品需求调整。制造成本低廉，出炉破拆简单。

图4实施例4组成零件最少设计结构简单，熔炼坩埚1内装入热软化垫4，将熔铸釜内隔离为熔炼室、铸浸室。若零件全部采用石墨材料制作，几乎可囊括所有材料产品的制造通用性强，但熔铸釜的形体大制造成本高。

如图5-8所示，本发明提供一种采用热等静压设备用熔铸釜制备金属基复合材料的工艺，包括以下步骤：

1.建立系统真空状态：抽空·洗炉—预压充气—升温至低于金属熔点30度—回收气体—抽制系统真空；

2.使铸浸室与系统隔离封闭：保持真空状态，系统升温至金属浇注温度（此时，熔炼室内金属液化，同时重力驱使热软化垫将铸浸室隔离密封）；

3.实现浇注功能：维持温度，关闭真空泵，系统加压≤0.75MPa铸浸室内真空与系统形成差压，驱使熔炼室内的液态金属经过浇注部件内通道流入铸浸室，待液态金属完全流入后，浇注功能完成。

4.实现液态金属压力浸渗功能：维持温度，待浇注完成后，铸浸室与熔炼室系统联通。按制备材料金属浸渗需求设定加压，保压。至此铸浸室内液态金属在系统高压作用下，就完成了零件浸渗功能。

如图9所示，基于本发明热等静压设备用熔铸釜制备金属基复合材料的一种实施方式，利用包套（模具），使热等静压设备具备了固态法材料制备功能；为了使热等静压设备兼备液态法材料制备功能，遵循热等静压设备工作原理帕斯卡定律：“在密闭容器内的介质（液体或气体）压强，可以向各个方向均等地传递（F1/S1=F2/S2）。”更换设备功能附件装置包套（模具）、本发明热等静压设备的装填，就可完成材料制备固态法、液态法的更替。图9是基于热等静压立式炉而设计本发明热等静压设备的应用原理液态法系统示意简图。

图9中:Ⅰ密闭压力容器、Ⅱ碳加热器是代表热等静压设备用熔铸釜的材料制备环境的简化表示。Ⅲ熔铸釜是为液态法材料制备设计制造的功能附件装置表示。功能附件装置Ⅲ熔铸釜为立式结构设计，由5个零件组成。分为两个功能室，上部由熔炼坩埚1、升液管帽2、浇铸芯管3构成熔炼室；下部由铸浸容器5形成铸浸室；用热软化垫4衔合连接两室。熔炼室的作用是容纳熔炼浇铸材料；铸浸室的作用是容纳模范及浸渗预制坯体的容器；熔炼室与铸浸室之间由零件4热软化垫密封连接。

功能附件装置Ⅲ熔铸釜的应用工艺机理介绍—在设备封闭容器内，状态控制都处在真空或惰性压力气体交替环境下。石墨材料的熔点为3652℃，Ⅱ碳碳加热器的耐温≥3000℃。构成熔炼室的零件材料一般选用石墨材料制作。在设备的熔炼室内可进行绝大部分固态物质熔化。装填固态物质的熔点温度在≤3000℃范围。

液态法材料制备铸造浇注、浸渗等功能的人工智能控制操作工艺步骤如下:

以上步骤和方法制定基于热等静压设备用熔铸釜的金属浇注及金属浸渗技术方案，本发明热等静压设备用熔铸釜使用时放置在热等静压设备的高压容器中，这样做就是先要利用熔铸釜赋予热等静压设备液态法制备功能，突破金属基陶瓷复合材料的金属浸渗能力不足的技术瓶颈。图1～4为熔铸釜根据制品需求的四种设计变幻形式；图5～8为熔铸釜技术功能实现机理流程图解；图9为功能附件熔铸釜应用时处在设备高压容器中的相对工作位置示意图。

热等静压设备设备性能范围如下：

所述热等静压设备，按照图9实施方式规定的工艺方案和工艺步骤操作，设定用100Pa～60MPa进行原理测试，以SiCp增强体为试样筹备，陆续分多炉进行了LY12、H14等金属浸渗能力测试，具体效果如下表：

经过诸多测试应用，熔铸釜在热等静压设备中的应用获得设计预期效果：a金属浸渗陶瓷增强体的能力与压力成正比；b具有液态法制备功能的热等静压设备覆盖了金属基复合材料制造，可以支撑金属基复合材料标准制定；c具有≤3000℃熔点物质的产品铸造能力，设备支持高温合金浸渗。≤0.75 MPa的浇注压力，形成的压力梯度小，模具可以选择更高的斥力解除强度束博；d设备封闭的高压容器环境及自动智能控制系统是生产的安全保障；e随着热等静压设备功能逐渐被充分应用，制造业将驱入智能重塑自然的更新时代。

Claims (7)

1.一种热等静压设备用熔铸釜，包括熔炼室及熔炼室下部的铸浸室，其特征在于，所述熔炼室包括熔炼坩埚、升液管帽及浇注芯管，所述熔炼坩埚与浇注芯管一端连接，所述浇注芯管另一端安装有升液管帽，所述升液管帽安装在熔炼坩埚上与浇注芯管组成浇注通道；所述铸浸室与熔炼室通过热软化垫密封连接或非自锁锥度配合连接。

2.根据权利要求1所述的一种热等静压设备用熔铸釜，其特征在于，所述铸浸室为一整体结构，由铸浸容器构成。

3.根据权利要求1所述的一种热等静压设备用熔铸釜，其特征在于，所述铸浸室包括铸浸容器及铸浸法兰，所述铸浸法兰焊接于铸浸容器上。

4.根据权利要求1所述的一种热等静压设备用熔铸釜，其特征在于，所述升液管帽、浇注芯管采用石墨材料制成。

5.根据权利要求1所述的一种热等静压设备用熔铸釜，其特征在于，所述非自锁锥度隔离配合连接为锥面为7:24的非自锁锥度配合连接。

6.一种采用权利要求1-4任意一项所述的热等静压设备用熔铸釜制备金属基复合材料的工艺，其特征在于，包括以下步骤：a.利用固态金属缝隙使系统形成真空；b.利用液化金属隔离铸浸室，系统加压实现浇注覆盖铸浸室与系统隔离；c.增压至金属浸渗设定、维压、冷却固化后即完成零件浸渗过程。

7.一种采用权利要求1-4任意一项所述的热等静压设备用熔铸釜制备金属基复合材料的应用。

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