CN111974961B - 一种径向功能梯度复合材料铸造设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种径向功能梯度复合材料铸造设备和方法，属于金属基梯度复合材料制备领域。该铸造设备由熔炼坩埚、电磁感应线圈、电磁分离流道、铸型、冷却装置和牵引机构组成。本发明设备结构简单、操作维修方便、适用范围广，能够批量工业化生产结构/功能可调功能梯度复合材料，增强相的含量从中心向表面沿径向呈梯度增加，尺寸均匀、分布连续、梯度可控，与基体匹配度高，本发明的制备方法工艺流程短、生产效率高、材料结构/功能可设计性强。

Description

一种径向功能梯度复合材料铸造设备和方法
技术领域
本发明属于金属基梯度复合材料制备领域，具体涉及一种径向功能梯度复合材料铸造设备和方法。
技术背景
功能梯度复合材料是通过选择具有不同功能的材料，利用特殊的制备方法连续地改变材料的组成和结构，从而得到功能随结构变化而渐变的新型非均质复合材料。陶瓷/金属功能梯度复合材料作为目前应用最广泛的功能梯度复合材料，既具有陶瓷的硬度高、耐腐蚀和耐高温的特性，同时还具有金属优良的导电和导热性能，以及强度高和韧性好等特性，改善了传统陶瓷/金属复合材料在两相界面上存在的物理性能失配等问题。利用原位自生法制备的陶瓷/金属功能梯度复合材料界面洁净、结合良好，颗粒分布均匀可控，可制备大尺寸、复杂结构构件。因此，可广泛应用于飞机机体、涡轮叶片和燃烧室内壁，切削工具、轴承、防弹装甲和起落架等结构件。
自1984年日本学者首次提出功能梯度复合材料的概念后，世界各国学者先后开发了多种制备方法，主要有气相沉积法、等离子喷涂法、自蔓延燃烧高温合成法、粉末冶金法、激光熔覆合成法和离心铸造法等。上述制备方法普遍存在制备工艺复杂、效率低、成本高、材料性能不稳定等问题。电磁分离法是一种新型功能梯度复合材料制备方法，具有制备工艺简单、成本低等优点。其基本原理是基于金属熔体与陶瓷增强相导电性的差异，利用高频磁场产生的电磁力控制增强相在熔体中的迁移和分布来实现陶瓷/金属功能梯度复合材料的制备。现有电磁分离法制备过程通常为：将熔融金属液浇入已预热且缠绕感应线圈的铸型内，通过底部冷却控制凝固过程，同时利用高频磁场控制增强相的迁移制备原位结晶的金属基功能梯度复合材料，该过程仍然存在以下问题：
(1)利用高频磁场进行原位自生金属基功能梯度复合材料制备时，由于增强相的形成、迁移及复合材料的凝固过程均在同一个铸型内同时进行，一方面，铸型内冷却不均匀易导致自生增强相析出不充分或尺寸不均匀；另一方面，在控制增强相迁移时无法避免电磁感应加热的作用，易导致已凝固复合材料熔化而破坏梯度复合材料的连续性。
(2)现有电磁分离法制备金属基功能梯度复合材料采用传统模壳铸造技术，制备过程中需分别进行合金的熔炼、浇注、复合材料制备等工艺，制备流程长且只能实现单件制备，制备过程不连续、效率较低。
因此，在电磁分离法的基础上开发一种增强相尺寸均匀、沿径向分布连续、梯度可控，工艺连续流程短、高效的径向功能梯度复合材料铸造设备及制备新方法，具有十分重要的意义。
发明内容
本发明将制备功能梯度复合材料的电磁分离法与连铸成形原理相结合，构成一种电磁分离功能梯度复合材料连铸技术。通过在传统连铸设备控制凝固的装置前端设计电磁分离流道，在传统电磁分离法的基础上，将增强相形成及迁移过程与功能梯度复合材料凝固过程分离。利用高频磁场对金属熔体的加热作用对金属熔体温度进行控制，实现增强相形成控制；利用高频磁场对增强相的电磁力作用对增强相在熔体中分布进行调控，最终得到增强相沿径向呈梯度分布的金属熔体。同时，该方法将连铸的思想引入电磁分离法中，使增强相沿径向呈梯度分布的金属熔体在铸型及冷却装置作用下连续凝固，最终得到径向功能梯度复合材料。
本发明的目的在于提供一种径向功能梯度复合材料铸造设备及方法，解决传统电磁分离法存在的增强相尺寸不均匀、分布不连续，制备流程长、过程不连续以及效率较低等缺点。
根据本发明的第一方面，提供一种径向功能梯度复合材料铸造设备，其特征在于，所述铸造设备由熔炼坩埚、电磁感应线圈、电磁分离流道、铸型、冷却装置和牵引机构组成，
所述熔炼坩埚用于熔化被铸金属形成金属熔体，并对金属熔体的温度进行控制；
所述电磁分离流道上部与所述熔炼坩埚连通，由不与被铸金属熔体反应且不会屏蔽电磁场的材料制成，外部环绕所述电磁感应线圈，感应线圈产生的磁场控制电磁分离流道内金属熔体的温度并实现增强相分离；
所述铸型设置在电磁分离流道下部，用于控制径向功能梯度复合材料的凝固和成形；
所述冷却装置设置在铸型下部，用于对金属铸坯进行强制冷却，使所述铸型中热量沿着金属熔体轴向和径向散失，铸坯沿着逆热流方向凝固生长，增强相随金属熔体凝固形成功能梯度复合材料；
所述牵引机构沿着铸坯拉制方向安装在冷却装置后部，用于对功能梯度复合材料进行连续拉制。
进一步的，所述铸型采用冷却铸型、加热铸型、两相区铸型、低热铸型、梯温铸型或热-冷组合铸型的任何一种。
进一步的，所述熔炼坩埚可由中间包取代，以便于进行连续生产。
进一步的，所述电磁分离流道设置于所述熔炼坩埚上部、下部或侧部，当电磁分离流道设置于所述熔炼坩埚上部或侧部时，金属熔体在液体静压力作用下流入电磁分离流道中；当电磁分离流道设置于所述熔炼坩埚下部时，金属熔体在重力作用下流入电磁分离流道中。
进一步的，所述电磁分离流道的数量为一个或多个。
进一步的，所述冷却装置包括：一次冷却装置和/或二次冷却装置，所述一次冷却装置设置在铸型出口附近，所述二次冷却装置设置在一次冷却装置和牵引机构之间。
进一步的，整个铸造成形过程可以采用人工控制或计算机控制，铸造方法可以是下拉式、上引式、水平式、弧形式或倾斜式中的任意一种。
根据本发明的第二方面，提供一种径向功能梯度复合材料铸造方法，所述铸造方法基于以上任一项所述的铸造设备，所述铸造方法包括如下步骤：
步骤1：被铸金属在熔炼坩埚中加热熔化形成金属熔体，并从熔炼坩埚流入电磁分离流道；
步骤2：通过电磁感应线圈实现对电磁分离流道内金属熔体温度的控制，进而对增强相的形成过程进行调控，同时增强相在电磁力作用下在所述电磁分离流道内向金属熔体表面运动，在所述电磁分离流道出口处形成中心增强相较少、外表面增强相较多的金属熔体混合体；
步骤3：所述铸型和冷却装置实现径向功能梯度复合材料凝固成形，冷却装置对金属熔体混合体进行强制冷却，热量沿着金属熔体轴向和径向散失，金属熔体混合体沿着逆热流方向凝固生长，增强相随金属熔体凝固形成径向功能梯度复合材料；
步骤4：在牵引机构的作用下，凝固的功能梯度复合材料被连续移出铸型，实现连续制备功能梯度复合材料铸坯。
进一步的，步骤1中形成金属熔体后，向所述金属熔体添加增强相形成金属熔体混合体，并从熔炼坩埚流入电磁分离流道。
进一步的，步骤1中，所述熔炼坩埚放置于真空或充入惰性气体保护的环境中。
进一步的，步骤2中，所述电磁分离流道内金属熔体混合体的温度、所述增强相的形成及运动、分布通过所述电磁感应线圈功率和频率进行调控，功率为：1～100kW，频率为：1～100kHz。
进一步的，所述功能梯度复合材料的冷却速度由铸型温度、冷却装置的冷却强度以及牵引机构的拉坯速度控制。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明的径向功能梯度复合材料铸造设备简单、操作维修方便、生产效率高、适用范围广，能够连续批量工业化生产功能/结构可调的功能梯度复合材料，且增强相与基体匹配度高。
(2)本发明的径向功能梯度复合材料铸造方法，将现有电磁分离制备功能梯度复合材料过程中增强相的分离与功能梯度复合材料的凝固成形过程分开，该方法易实现增强相形成及分布调控，制备的功能梯度复合材料中增强相尺寸均匀、分布连续、梯度可控，结构/功能可设计性强，能够满足不同使用条件下对功能梯度复合材料的需求。
(3)本发明的径向功能梯度复合材料铸造方法应用范围广泛，凡金属熔体与增强相的导电率存在差异均可实现功能梯度复合材料连续铸造成形。金属基体材料可以是大多数纯金属或钢铁、铝合金、铜合金、钛合金、镁合金等合金，增强相可以外加或是原位自生的陶瓷材料，如SiO2、Al2O3、TiC、B4C、SiC、WC、VC、AlN、TiN、TiB2、Ti2AlC等，而且可近终成形功能梯度复合线材、管材、板材、带材、棒材及型材等产品。
附图说明
图1为本发明的一种径向功能梯度复合材料铸造设备示意图。
其中1为被铸金属熔体；2为熔炼坩埚；3为金属熔体混合体；4为电磁感应线圈；5为增强相；6为电磁分离流道；7为铸型；8为冷却装置；9为功能梯度复合材料铸坯；10为牵引机构。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的熟练技术人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。
结合附图1对本发明的径向功能梯度复合材料铸造设备具体说明如下：
铸造设备构成为：由熔炼坩埚2、电磁感应线圈4、电磁分离流道6、铸型7、冷却装置8和牵引机构10组成。
在熔炼坩埚2下(或上、或旁)设置一个或多个电磁分离流道6，流道外为连通高频电源的电磁感应线圈4，可对电磁分离流道内金属熔体混合体3进行控温并实现增强相5分离；熔炼坩埚2也可以用中间包取代，以便于进行连续生产；熔炼坩埚2中金属熔体在重力(或液体静压力)作用下流入电磁分离流道6中，电磁分离流道6内腔横截面与被铸复合材料横截面相同，由不与被铸金属熔体反应且不会屏蔽电磁场的材料制成，电磁分离流道6外部电磁感应线圈4接通高频电源后在熔体内感生出电磁场，电磁场与金属熔体相互作用产生焦耳热可实现对熔体温度调控，控制增强相5形成，同时电磁力驱使增强相5向熔体外表面运动，在电磁分离流道6出口处金属熔体混合体3中心增强相5较少，外表面增强相5较多；在电磁分离流道下设置铸型7，在铸型下设置冷却装置8，对被铸金属进行强制冷却，使热量沿着轴向和径向散失，铸坯沿着逆热流方向生长，增强相随金属熔体凝固形成功能梯度复合材料铸坯9；沿着铸坯拉制方向在冷却装置8后面安装牵引机构10，对功能梯度复合材料铸坯进行连续拉制。
本发明的径向功能梯度复合材料铸造方法，包括：
温度高于被铸金属液相线温度以上的被铸金属熔体1从熔炼坩埚2中流入电磁分离流道6；通过电磁感应线圈4实现对电磁分离流道内金属熔体混合体3温度控制，进而对增强相5的形成过程进行调控，同时增强相在电磁力作用下在电磁分离流道6内向熔体表面运动，在电磁分离流道6出口处形成中心增强相5较少，外表面增强相5较多的金属熔体混合体3；通过铸型7出口附近设置的冷却装置8对被铸功能梯度复合材料9进行强制冷却，使其在铸型7中凝固成形；在牵引机构10的作用下，连续拉制功能梯度复合材料铸坯9。
熔炼坩埚2可放置于真空或充入氩气等惰性气体保护的环境中；增强相3为外加或原位自生；电磁分离流道内金属熔体混合体5的温度，增强相的形成及运动、分布可通过电磁感应线圈4的功率和频率进行调控；被铸功能梯度复合材料的冷却速度由铸型7的温度和冷却装置8的冷却强度以及牵引机构10的拉坯速度控制。
整个铸造成形过程可以采用人工控制或计算机控制；铸造方法可以是下拉式、上引式、水平式、弧形式或倾斜式中的任意一种。
实施例1：
直径为20mm的Al2O3颗粒增强Al基梯度复合棒材制备。外加Al2O3陶瓷颗粒体积分数为20％的Al金属熔体1从充有氩气保护的熔炼坩埚2中流入电磁分离流道6中；电磁感应线圈4频率为2kHz，调节功率控制电磁分离流道6内金属熔体混合体的温度，使得电磁分离流道6出口处金属熔体混合体3温度为700℃；铸型7内通冷却水温度为18℃、流量为1000L/h，冷却装置8内冷却水温度为18℃、流量为500L/h，对Al2O3颗粒增强Al基梯度复合材料进行强制冷却；牵引机构10以30mm/min的拉坯速度进行连续拉制，获得Al2O3颗粒增强Al基梯度复合棒材9。所制备的Al2O3颗粒增强Al基梯度复合棒材表面质量好，Al2O3颗粒从棒材中心向表面呈梯度分布，棒材内部组织细小致密，具有较高的表面硬度和耐磨性、并保持中心优异的韧性。
实施例2：
宽度为30mm、厚度为10mm的Si/Mg2Si颗粒增强Al基梯度复合带材制备。Al-18Si-7Mg合金熔体1从充有氩气保护的熔炼坩埚2中流入电磁分离流道6中；电磁感应线圈4频率为2.5kHz，调节功率控制电磁分离流道6内金属熔体混合体的温度，使得电磁分离流道6出口处金属熔体混合体3温度为620℃；铸型7内通冷却水温度为18℃、流量为1000L/h，冷却装置8内冷却水温度为18℃、流量为500L/h，对Si/Mg2Si颗粒增强Al基梯度复合材料进行强制冷却；牵引机构10以50mm/min的拉坯速度进行连续拉制，获得Si/Mg2Si颗粒增强Al基梯度复合带材9。所制备的Si/Mg2Si颗粒增强Al基梯度复合带材表面质量好，Si/Mg2Si增强相从带材中心向表面呈梯度分布，带材内部组织细小致密，具有较高的表面硬度和耐磨性、并保持中心优异的韧性。
实施例3：
宽度为20mm、厚度为5mm的TiC颗粒增强Cu基梯度复合带材制备。加入TiO2、C的Cu熔体1从充有氩气保护的熔炼坩埚2中流入电磁分离流道6中；电磁感应线圈4频率为1.5kHz，调节功率控制电磁分离流道6内金属熔体混合体的温度，使得电磁分离流道6出口处金属熔体混合体3温度为1100℃；铸型7内通冷却水温度为18℃、流量为1000L/h，冷却装置8内冷却水温度为18℃、流量为500L/h，对TiC颗粒增强Cu基梯度复合带材进行强制冷却；牵引机构10以30mm/min的拉坯速度进行连续拉制，获得TiC颗粒增强Cu基梯度复合带材9。所制备的TiC颗粒增强Cu基梯度复合带材表面质量好，TiC增强相从带材中心向表面呈梯度分布，带材内部组织细小致密，具有较高的表面硬度和耐磨性、并保持中心优异的韧性和导电性。
实施例4：
直径为25mm、壁厚为5mm的TiC颗粒增强Cu基梯度复合管材制备。加入TiO2、C的Cu熔体1从充有氩气保护的熔炼坩埚2中流入电磁分离流道6中；电磁感应线圈4频率为10kHz，调节功率控制电磁分离流道6内金属熔体混合体的温度，使得电磁分离流道6出口处金属熔体混合体3温度为1100℃；铸型7内通冷却水温度为20℃、流量为800L/h，冷却装置8内冷却水温度为18℃、流量为400L/h，对TiC颗粒增强Cu基梯度复合管材进行强制冷却；牵引机构10以60mm/min的拉坯速度进行连续拉制，获得TiC颗粒增强Cu基梯度复合管材9。所制备的TiC颗粒增强Cu基梯度复合管材表面质量好，TiC增强相从管材内表面向外表面呈梯度分布，管材内部组织细小致密，具有较高的表面硬度和耐磨性、并保持中心优异的韧性和导热性。
实施例5：
直径为25mm的TiC颗粒增强铁基梯度复合管材制备。加入TiO2、C的Fe熔体1从充有氩气保护的熔炼坩埚2中流入电磁分离流道6中；电磁感应线圈4频率为30kHz，调节功率控制电磁分离流道6内金属熔体混合体的温度，使得电磁分离流道6出口处金属熔体混合体3温度为1500℃；铸型7内通冷却水温度为15℃、流量为1200L/h，冷却装置8内冷却水温度为15℃、流量为800L/h，对TiC颗粒增强Cu基梯度复合管材进行强制冷却；牵引机构10以20mm/min的拉坯速度进行连续拉制，获得TiC颗粒增强Fe基梯度复合管材9。所制备的TiC颗粒增强Fe基梯度复合管材表面质量好，TiC增强相从管材中心向外表面呈梯度分布，管材内部组织细小致密，具有较高的表面硬度和耐磨性、并保持中心优异的韧性和强度。
实施例6：
TiB2颗粒增强Cu基梯度复合T型带材制备。加入TiO2、C的Cu熔体1从充有氩气保护的熔炼坩埚2中流入电磁分离流道6中；电磁感应线圈4频率为3kHz，调节功率控制电磁分离流道6内金属熔体混合体的温度，使得电磁分离流道6出口处金属熔体混合体3温度为1100℃；铸型7内通冷却水温度为18℃、流量为1000L/h，冷却装置8内冷却水温度为18℃、流量为600L/h，对TiB2颗粒增强Cu基梯度复合T型带材进行强制冷却；牵引机构10以30mm/min的拉坯速度进行连续拉制，获得TiB2颗粒增强Cu基梯度复合T型带材9。所制备的TiB2颗粒增强Cu基梯度复合T型带材表面质量好，TiB2增强相从带材中心向外表面呈梯度分布，T型带材内部组织细小致密，具有较高的表面硬度和耐磨性、并保持中心优异的韧性和导电性。

Claims (10)

1.一种径向功能梯度复合材料铸造设备，其特征在于，所述铸造设备由熔炼坩埚、电磁感应线圈、电磁分离流道、铸型、冷却装置和牵引机构组成，
所述熔炼坩埚用于熔化被铸金属形成金属熔体，并对金属熔体的温度进行控制；
所述电磁分离流道上部与所述熔炼坩埚连通，由不与被铸金属熔体反应且不会屏蔽电磁场的材料制成，外部环绕所述电磁感应线圈，感应线圈产生的磁场控制电磁分离流道内金属熔体的温度并实现增强相分离，将增强相形成及迁移过程与功能梯度复合材料凝固过程分离；
所述铸型设置在电磁分离流道下部，用于控制径向功能梯度复合材料的凝固和成形；
所述冷却装置设置在铸型下部，用于对金属铸坯进行强制冷却，使所述铸型中热量沿着金属熔体轴向和径向散失，铸坯沿着逆热流方向凝固生长，增强相随金属熔体凝固形成功能梯度复合材料；
所述牵引机构沿着铸坯拉制方向安装在冷却装置后部，用于对功能梯度复合材料进行连续拉制。
2.根据权利要求1所述的径向功能梯度复合材料铸造设备，其特征在于，所述熔炼坩埚能够由中间包取代，以便于进行连续生产。
3.根据权利要求1所述的径向功能梯度复合材料铸造设备，其特征在于，所述电磁分离流道设置于所述熔炼坩埚上部、下部或侧部，当电磁分离流道设置于所述熔炼坩埚上部或侧部时，金属熔体在液体静压力作用下流入电磁分离流道中；当电磁分离流道设置于所述熔炼坩埚下部时，金属熔体在重力作用下流入电磁分离流道中，所述电磁分离流道的数量为一个或多个。
4.根据权利要求1所述的径向功能梯度复合材料铸造设备，其特征在于，所述铸型采用冷却铸型、加热铸型、两相区铸型、低热铸型、梯温铸型或热-冷组合铸型中的任何一种。
5.根据权利要求1所述的径向功能梯度复合材料铸造设备，其特征在于，所述冷却装置包括：一次冷却装置和/或二次冷却装置，所述一次冷却装置设置在铸型出口附近，所述二次冷却装置设置在一次冷却装置和牵引机构之间。
6.一种径向功能梯度复合材料铸造方法，所述铸造方法基于根据权利要求1至5中任一项所述的径向功能梯度复合材料铸造设备，所述铸造方法包括如下步骤：
步骤1：被铸金属在熔炼坩埚中加热熔化形成金属熔体，并从熔炼坩埚流入电磁分离流道；
步骤2：通过电磁感应线圈实现对电磁分离流道内金属熔体温度的控制，进而对增强相的形成过程进行调控，同时增强相在电磁力作用下在所述电磁分离流道内向金属熔体表面运动，在所述电磁分离流道出口处形成中心增强相较少、外表面增强相较多的金属熔体混合体；
步骤3：所述铸型和冷却装置实现径向功能梯度复合材料凝固成形，冷却装置对金属熔体混合体进行强制冷却，热量沿着金属熔体轴向和径向散失，金属熔体混合体沿着逆热流方向凝固生长，增强相随金属熔体凝固形成径向功能梯度复合材料；
步骤4：在牵引机构的作用下，已凝固的功能梯度复合材料被连续移出铸型，实现连续制备径向功能梯度复合材料铸坯。
7.根据权利要求6所述的径向功能梯度复合材料铸造方法，其特征在于，步骤1中形成金属熔体后，向所述金属熔体添加增强相形成金属熔体混合体，并从熔炼坩埚流入电磁分离流道。
8.根据权利要求6所述的径向功能梯度复合材料铸造方法，其特征在于，步骤1中，所述熔炼坩埚放置于真空或充入惰性气体保护的环境中。
9.根据权利要求6所述的径向功能梯度复合材料铸造方法，其特征在于，步骤2中，所述电磁分离流道内金属熔体混合体的温度、所述增强相的形成及运动通过所述电磁感应线圈功率和频率进行调控，功率为：1~100 kW，频率为：1~100 kHz。
10.根据权利要求6所述的径向功能梯度复合材料铸造方法，其特征在于，所述功能梯度复合材料的冷却速度由铸型温度、冷却装置的冷却强度以及牵引机构的拉坯速度控制，铸造成形过程采用人工控制或计算机控制，铸造方法为下拉式、上引式、水平式、弧形式或倾斜式中的任意一种。
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