CN112404391A - 半固态流变成形制备颗粒增强金属基复合材料装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种半固态流变成形制备颗粒增强金属基复合材料装置及方法，包括中频感应熔化炉、电磁搅拌与超声振动复合室和压铸设备，中频感应熔化炉的出料口和电磁搅拌与超声振动复合室的入料口连接，电磁搅拌与超声振动复合室的出料口和压铸设备的入料口连接；本发明将增强体颗粒加入金属基体合金半固态浆料中，利用电磁搅拌和超声振动复合，充分搅拌颗粒增强金属基复合半固态浆料后，流变直接经二次加压密实成形坯料或直接成形所需零件，具有成形坯料或零件组织均匀、力学性能高、适用性广、生产效率高、调整方便、成本低等优点，适于批量生产。

Description

半固态流变成形制备颗粒增强金属基复合材料装置及方法
技术领域
本发明属于复合材料半固态成形技术领域，具体涉及一种半固态流变成形制备颗粒增强金属基复合材料装置及方法。
背景技术
颗粒增强金属基复合材料是由两种或两种以上的材料组合而成，既能保证基体金属特性的同时，又能充分发挥增强颗粒材料的性能优势，补偿基体金属材料某些性能的不足，因此颗粒增强金属基复合材料的物理、力学和机械加工性能更加优异，在航空、汽车等各工程领域具有广泛应用。
颗粒增强金属基复合材料的制备多采用高温金属基体合金熔体中添加增强体颗粒、搅拌后冷却的制备方法，存在增强体颗粒与金属基体合金间的复杂化学反应与润湿性问题，以及增强体颗粒在金属基体合金中的分布均匀性问题，上述问题的存在严重限制了颗粒增强金属基复合材料性能的发挥和应用。
目前采用半固态制浆的方法制备颗粒增强金属基复合材料引起了人们的关注，但大多制备方法采用将增强体颗粒加入熔融态金属基体合金中，超声振动或电磁搅拌冷却至半固态温度，得到半固态浆料后，迅速冷却结晶得到半固态坯料。电磁搅拌制浆方法属于无接触式搅拌法，参数控制灵活方便，不对熔体产生污染，但是由于趋肤效应，导致半固态浆料组织在制浆室径向上各处组织有差别，难以均匀。超声振动作用于金属熔体时，不仅能细化晶粒、均化组织，还具有除气作用，能有效提高零件的力学性能，但是超声声压随距超声头端面的距离呈现急剧衰减的趋势。因此目前单一的电磁搅拌或者振动方法无法避免金属材料的成分偏析，枝晶生长以及初生组织粗大的现象。此外仍存在增强体颗粒与熔融态金属基体合金间的复杂化学反应问题，可能生成中间化合物削弱复合材料的性能优势。实际成形零件需将坯料二次重熔，能耗高、浆料表面氧化较严重；且存在因半固态浆料凝固过程中内部藏气，体积收缩造成材料内部存在缩孔、缩松问题，其将极大降低材料力学性能。
因此目前颗粒增强金属基复合材料的制备方法仍存在以下技术缺点：高温下增强体颗粒与熔融态金属基体合金之间可能发生化学反应，可能生成不利中间化合物组织；成形零件需二次重熔，能耗高、浆料氧化严重；成形材料组织内部缺乏压实，存在缩孔、缩松缺陷；以及浆料制备中搅拌不充分造成的增强体颗粒分布不均匀、成分偏析、枝晶生长及初生相粗大的缺陷材料问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种半固态流变成形制备颗粒增强金属基复合材料装置及方法，将增强体颗粒加入金属基体合金半固态浆料中，利用电磁搅拌和超声振动复合，充分搅拌颗粒增强金属基复合半固态浆料后，流变直接经二次加压密实成形坯料或直接成形所需零件，具有成形坯料或零件组织均匀、力学性能高、适用性广、生产效率高、调整方便、成本低等优点，适于批量生产。
为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：
一种半固态流变成形制备颗粒增强金属基复合材料装置，包括中频感应熔化炉Ⅰ、电磁搅拌与超声振动复合室Ⅱ和压铸设备Ⅲ，中频感应熔化炉Ⅰ的出料口和电磁搅拌与超声振动复合室Ⅱ的入料口连接，电磁搅拌与超声振动复合室Ⅱ的出料口和压铸设备Ⅲ的入料口连接；
所述的中频感应熔化炉Ⅰ包括安装在第一底板12上的保存金属基体合金熔体11的熔化坩埚10，熔化坩埚10外层依次安装第一保温层9及感应线圈8，熔化坩埚10的顶部连接有炉盖1进行密封，炉盖1插入有送料筒3、第一塞杆6、第二塞杆39、第二热电偶4，送料筒3顶部与送料嘴2配合，第一塞杆6的中空结构与送料筒5配合，送料筒5底部伸入搅拌坩埚13内，第二塞杆39的中空结构内穿有第一热电偶40，第一热电偶40底部伸入搅拌坩埚13内，熔化坩埚10上部开有插入保护气系统7通气孔，第一塞杆6和第二塞杆39底部与熔化坩埚10底部流道配合。
所述的电磁搅拌与超声振动复合室Ⅱ包括安装在第二底板18上保存金属基体合金半固态浆料14的搅拌坩埚13，搅拌坩埚13外侧依次设置有第一加热器15、第二保温层16、冷却系统17、电磁搅拌器30和外壳31，冷却系统17开设冷却液注入口29、冷却液流出口35，搅拌坩埚13、第一加热器15、第二保温层16、冷却系统17、电磁搅拌器30和外壳31上端部与保温板36配合密封，第一底板12开有电源线通道38，电源线通道38下端安装牵引电磁铁系统37，牵引电磁铁系统37与冷却棒32上端配合固定，冷却棒32底部与搅拌坩埚13底部出料口配合密封；拌坩埚13底部出料口和浆料出口管道27配合，浆料出口管道27插入底板18中心孔内，搅浆料出口管道27上安装有阀门28和液体流量计19；
冷却棒32内部开有深槽安装超声振动换能器34，超声振动换能器34上均匀分布有与冷却棒32内槽表面紧贴的3组超声振动头33。
所述的压铸设备Ⅲ包括压射室25，压射室25外依次安装第二加热器24、第三保温层23，压射室25内腔与压射锤头26配合，压射锤头26由控制系统46驱动，压射室25内腔入口和浆料出口管道27连接，压射室25内腔出口和压室21入口连接；
压室21由左右向定模22、左右向动模20以及前后向定模42、前后向动模41组成，左右向定模22通过第一滑杆47与左右向动模20连接配合，前后向定模42通过第二滑杆50与前后向动模41连接配合，左右向动模20通过第一驱动系统48驱动后在第一轨道49上滑动，前后向动模41均通过第二驱动系统51驱动后在第二轨道52上滑动。
根据实际所需加工坯料几何形状，设计并更换不同几何形状的左右向定模22、左右向动模20及前后向定模42、前后向动模41。
利用一种半固态流变成形制备颗粒增强金属基复合材料装置的方法，包括以下步骤：
步骤1，预制增强体颗粒：将纳米增强体颗粒用1％HF清洗后，T1±5℃高温有氧预烧，T1是增强颗粒的烧结温度，全面氧化增强体颗粒表面；
步骤2，配制金属基体合金原料：根据所要制备的复合材料中金属基体的设计，确定金属基体合金各元素的质量百分比含量；
步骤3，预制金属基体合金熔体：首先通过感应线圈8加热、第一保温层9保温、第二热电偶4反馈控制熔化坩埚10至金属基体合金液相线温度以上T2+100～300℃，T2为金属基体合金液相线温度；通过送料筒3和送料嘴2向已预热的熔化坩埚10中依次加入步骤2所配置的金属基体合金原料；待金属基体合金完全熔化为金属基合金熔体11后，静置后通过保护气系统7除气；静置后，通过感应线圈8将熔化坩埚10及金属基体合金熔体11调温至液相线温度以上T2+30℃；
步骤4，预热搅拌坩埚13：通过第一加热器15加热、第二保温层16及第一热电偶40反馈控制搅拌坩埚13温度至低于金属基体合金固相线温度T3-200～300℃，T3为金属基体合金固相线温度；
步骤5，金属基体合金熔体11注入搅拌坩埚13：提起第一塞杆6和第二塞杆39后，金属基体合金熔体11将通过熔化坩埚10底部的流道流入已预热搅拌坩埚13中；待金属基体合金熔体11完全流入搅拌坩埚13后，下压第一塞杆6和第二塞杆39关闭流道；
步骤6，金属基体合金半固态浆料的制备：利用电磁搅拌器32以频率H1、搅拌功率W1为参数横向搅拌，振动换能器34上的超声振动头33通过冷却棒32以振动功率W2、振动频率H2为参数纵向搅拌，复合细化处理降温中的金属基体合金熔体11；待第一热电偶40检测到降温至其半固态温度T4，保证固相率不高于40％，启动第一加热器15加热，将搅拌坩埚13中的金属基体合金半固态浆料温度稳定保持在T4；
步骤7，颗粒增强的金属基复合材料的半固态浆料的制备：通过送料筒5向搅拌坩埚13的金属基体合金半固态浆料14中以平均分1～3次加入步骤1制备的增强体颗粒；经过复合半固态处理后，静置，获得颗粒增强的金属基复合材料半固态浆料14；
将实际制备复合材料所需体积分数为V的增强体颗粒平均分成1～3份，在复合半固态处理的时间段中平均分成1～3个时间段加入金属基体合金半固态浆料14中；
步骤8，压射室25预热：通过第二加热器24给压射室25预热，并且通过第三保温层23实现压射室25的保温；
步骤9，颗粒增强的金属基复合材料半固态浆料14注入压射室25：翻转阀门28后通过牵引电磁铁系统37带动冷却棒32向上运动，使搅拌坩埚13底部的出料口打开，颗粒增强的金属基复合材料半固态浆料14进入已预热的压射室25中；液体流量计19显示达到设定后立即关闭翻转阀门28，切断牵引电磁铁系统37电源，冷却棒32自重下落密封搅拌坩埚13的出料口；
步骤10，颗粒增强金属基复合材料坯料或零件半固态流变成形：通过第一驱动系统48驱动左右向动模20与左右向定模22滑动合模；同时通过第二驱动系统51驱动前后向动模41与前后向定模42滑动合模；通过控制系统46驱动压射锤头26将待加工颗粒增强金属基复合材料半固态浆料推入压室21中；通过第一驱动系统48驱动左右向动模20与左右向定模22配合，以P1保压；然后再通过第二驱动系统51驱动前后向动模41与前后向定模42配合，以P2保压；最后开模取出颗粒增强金属基复合材料半固态流变成形坯料或零件；
步骤11，热处理：将步骤10获得的颗粒增强金属基复合材料半固态流变成形坯料或零件放至室温后，进行热处理，获得综合力学性能良好的颗粒增强金属基复合材料半固态流变成形坯料或零件。
本发明的有益效果为：
本发明将增强体颗粒加入半固态金属基体合金中，有效避免了增强体颗粒与金属基体合金的复杂化学反应；横向电磁搅拌与纵向超声振动搅拌复合处理使增强体颗粒在金属基体合金中分布更均匀的同时，破碎枝晶生长、细化球化晶粒组织；直接二次加压流变成形坯料或零件，不存在二次重熔及内部藏气、缩松缺陷问题。本发明装置具有通用性，根据所需制备复合材料确定相关关键技术参数。
附图说明
图1为本发明实施例的装置结构示意图。
图2为实施例中频感应熔化炉Ⅰ的俯视图。
图3为实施例中频感应熔化炉Ⅰ及电磁搅拌与超声振动复合室Ⅱ的A-A视图。
图4为实施例压铸设备Ⅲ的前后向定模、前后向动模示意图。
图5为实施例中压铸设备左右向定模、左右向动模示意图。
图6为实施例工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。
参照图1，图2，图3，图4和图5，一种半固态流变成形制备颗粒增强金属基复合材料装置，包括中频感应熔化炉Ⅰ、电磁搅拌与超声振动复合室Ⅱ和压铸设备Ⅲ，中频感应熔化炉Ⅰ的出料口和电磁搅拌与超声振动复合室Ⅱ的入料口连接，电磁搅拌与超声振动复合室Ⅱ的出料口和压铸设备Ⅲ的入料口连接；
参照图1，图2和图3，所述的中频感应熔化炉Ⅰ包括安装在第一底板12上的保存金属基体合金熔体11的熔化坩埚10，熔化坩埚10外层依次安装第一保温层9及感应线圈8，熔化坩埚10的顶部连接有炉盖1进行密封，炉盖1插入有送料筒3、第一塞杆6、第二塞杆39、第二热电偶4，送料筒3顶部与送料嘴2配合，第一塞杆6的中空结构与送料筒5配合，送料筒5底部伸入搅拌坩埚13内，第二塞杆39的中空结构内穿有第一热电偶40，第一热电偶40底部伸入搅拌坩埚13内，熔化坩埚10上部开有插入保护气系统7通气孔，第一塞杆6和第二塞杆39底部与熔化坩埚10底部流道配合。
所述的第二塞杆39设有4个，分别为1号第二塞杆39-1、2号第二塞杆39-2、3号第二塞杆39-3、4号第二塞杆39-4；1号第二塞杆39-1内穿有1号第一热电偶40-1，2号第二塞杆39-2内穿有2号第一热电偶40-2，3号第二塞杆39-3内穿有3号第一热电偶40-3，4号第二塞杆39-4内穿有4号第一热电偶40-4；送料筒3设有2个，分别为1号送料筒3-1、2号送料筒3-2，1号送料筒3-1顶端与1号送料嘴2-1配合，2号送料筒3-2顶端与2号送料嘴2-2配合；第一塞杆6设有2个，分别为1号第一塞杆6-1、2号第一塞杆6-2，1号第一塞杆6-1与1号送料筒5-1配合，2号第一塞杆6-2与2号送料筒5-2配合，第二塞杆39、送料筒3、第一塞杆6各自对称设置。
参照图1，所述的电磁搅拌与超声振动复合室Ⅱ包括安装在第二底板18上保存金属基体合金半固态浆料14的搅拌坩埚13，搅拌坩埚13外侧依次设置有第一加热器15、第二保温层16、冷却系统17、电磁搅拌器30和外壳31，冷却系统17开设冷却液注入口29、冷却液流出口35，搅拌坩埚13、第一加热器15、第二保温层16、冷却系统17、电磁搅拌器30和外壳31上端部与保温板36配合密封，第一底板12开有电源线通道38，电源线通道38下端安装牵引电磁铁系统37，牵引电磁铁系统37与冷却棒32上端配合固定，冷却棒32底部与搅拌坩埚13底部出料口配合密封；拌坩埚13底部出料口和浆料出口管道27配合，浆料出口管道27插入底板18中心孔内，搅浆料出口管道27上安装有阀门28和液体流量计19；
冷却棒32内部开有深槽安装超声振动换能器34，超声振动换能器34上均匀分布有与冷却棒32内槽表面紧贴的3组超声振动头33。
参照图1，图4和图5，所述的压铸设备Ⅲ包括压射室25，压射室25外依次安装第二加热器24、第三保温层23，压射室25内腔与压射锤头26配合，压射锤头26由控制系统46驱动，压射室25内腔入口和浆料出口管道27连接，压射室25内腔出口和压室21入口连接；
压室21由左右向定模22、左右向动模20以及前后向定模42、前后向动模41组成，左右向定模22通过第一滑杆47与左右向动模20连接配合，前后向定模42通过第二滑杆50与前后向动模41连接配合，左右向动模20通过第一驱动系统48驱动后在第一轨道49上滑动，前后向动模41均通过第二驱动系统51驱动后在第二轨道52上滑动；根据实际所需加工坯料几何形状，设计并更换不同几何形状的左右向定模22、左右向动模20及前后向定模42、前后向动模41。
参照图6，利用一种半固态流变成形制备颗粒增强金属基复合材料装置的方法，包括以下步骤：
步骤1，预制SiC增强体颗粒：将纳米(尺寸约20～40nm)增强体颗粒用1％HF清洗t1时间(12min)后，T1±5℃(1200±5℃)高温有氧预烧t2时间(5h)，全面氧化增强体颗粒表面；
步骤2，配制金属基体合金原料Al-Si基体合金：根据所要制备的复合材料中金属基体的设计，确定金属基体合金各元素(Si、Cu、Mn、Mg、Ti、Sc、Be，其余为Al)的质量百分比含量；
步骤3，预制Al-Si基体合金熔体：首先通过感应线圈8加热、第一保温层9保温、第二热电偶4反馈控制熔化坩埚10至金属基体合金液相线温度以上T2+100～300℃(750℃)；通过送料筒3和送料嘴2向已预热的熔化坩埚10中按顺序依所设计的质量百分比依次加入步骤2所配置的金属基体合金原料(二元合金Al-Si、Al-Cu、Al-Mg、Al-Mn、Al-Ti、Al-Be，Al-Sc)；待基体合金完全熔化为金属基合金熔体11后，静置10min后，通过保护气系统7通高纯氩气精炼除气15min；静置1min后，通过感应线圈8将熔化坩埚10及金属基体合金熔体11调温至液相线温度以上T2+30℃(650℃)；
步骤4，预热搅拌坩埚13：通过第一加热器15加热、第二保温层16及第一热电偶40反馈控制搅拌坩埚13温度至低于金属基体合金固相线温度T3-200～300℃(350℃)；
步骤5，金属基体合金熔体11注入搅拌坩埚13：提起第一塞杆6和第二塞杆39后，金属基体合金熔体11将通过熔化坩埚10底部的流道流入已预热搅拌坩埚13中；待金属基体合金熔体11完全流入搅拌坩埚13后，下压第一塞杆6和第二塞杆39关闭流道；
步骤6，金属基体合金半固态浆料的制备：利用电磁搅拌器32以频率H1(30Hz)，搅拌功率W1(4.0kW)为参数横向搅拌，超声振动换能器34上的超声振动头33通过冷却棒32以振动功率W2(1.8kW)，振动频率H2(20kHz)为参数纵向搅拌，复合细化处理降温中的金属基体合金熔体11；待第一热电偶40检测到降温至其半固态温度T4(585～595℃)，保证固相率不高于40％左右，启动第一加热器15加热，将搅拌坩埚13中的金属基体合金半固态浆料温度稳定保持在T4左右(585～595℃)；
步骤7，颗粒增强的金属基复合材料的半固态浆料的制备：通过送料筒5向搅拌坩埚13的金属基体合金半固态浆料14中以速度v1(10-20g/min)平均分1～3次(3次)加入体积分数V(15-20％)的步骤1制备的增强体颗粒；经过设定时间t3(0-6min)的复合半固态处理后，静置t4时间(30-90s)，获得颗粒增强的金属基复合材料半固态浆料14；
将实际制备复合材料所需体积分数为V(15-20％)的增强体颗粒平均分成1～3份(3份)，在复合半固态处理的t3(0-6min)时间段中平均分成1～3个(3个)时间段加入金属基体合金半固态浆料14中；
步骤8，压射室25预热：通过第二加热器24给压射室25预热至T6(250-300℃)，并且通过第三保温层23实现压射室25的保温；
步骤9，颗粒增强的金属基复合材料半固态浆料14注入压射室25：翻转阀门28后通过牵引电磁铁系统37带动冷却棒32向上运动，使搅拌坩埚13底部的出料口打开，颗粒增强的金属基复合材料半固态浆料14进入已预热的压射室25中；液体流量计19显示达到设定后立即关闭翻转阀门28，切断牵引电磁铁系统37电源，冷却棒32自重下落密封搅拌坩埚13的出料口；
步骤10，SiC颗粒增强Al-Si基复合材料壳体零件半固态流变成形：通过第一驱动系统48驱动左右向动模20与左右向定模22通过第一滑杆47配合，并沿第一轨道49滑动合模；同时通过第二驱动系统51驱动前后向动模41与前后向定模42通过第二滑杆50配合，沿第二轨道52滑动合模；通过控制系统46驱动压射锤头26以速度v2(0.1-3m/s)将待加工颗粒增强金属基复合材料半固态浆料推入左右向定模22、左右向动模20及前后向定模42与前后向动模41组成的压室21中；通过第一驱动系统48驱动左右向动模20与左右向定模22通过第一滑杆47配合，并沿第一轨道49滑动以P1(50-150MPa)保压时间t5(20-40s)；然后再通过第二驱动系统51驱动前后向动模41与前后向定模42通过第二滑杆50配合，沿第二轨道52滑动以P2(50-150MPa)保压时间t6(20-40s)；最后开模取出SiC颗粒增强Al-Si基复合材料半固态流变成形壳体铸件；
步骤11，热处理：将步骤10获得的SiC颗粒增强Al-Si基复合材料半固态流变成形壳体铸件放至室温后，进行热处理：将SiC颗粒增强Al-Si基复合材料半固态流变成形壳体零件从室温开始加热，经过30min加热到540℃，保温6h后置于100℃的沸水中淬火；然后将其加热到200℃，保温5h后取出，并在空气中冷却，获得综合力学性能良好的SiC颗粒增强Al-Si基复合材料半固态流变成形壳体零件。

Claims (6)

1.一种半固态流变成形制备颗粒增强金属基复合材料装置，其特征在于：包括中频感应熔化炉(Ⅰ)、电磁搅拌与超声振动复合室(Ⅱ)和压铸设备(Ⅲ)，中频感应熔化炉(Ⅰ)的出料口和电磁搅拌与超声振动复合室(Ⅱ)的入料口连接，电磁搅拌与超声振动复合室(Ⅱ)的出料口和压铸设备(Ⅲ)的入料口连接；
所述的中频感应熔化炉(Ⅰ)包括安装在第一底板(12)上的保存金属基体合金熔体(11)的熔化坩埚(10)，熔化坩埚(10)外层依次安装第一保温层(9)及感应线圈(8)，熔化坩埚(10)的顶部连接有炉盖(1)进行密封，炉盖(1)插入有送料筒(3)、第一塞杆(6)、第二塞杆(39)、第二热电偶(4)，送料筒(3)顶部与送料嘴(2)配合，第一塞杆(6)的中空结构与送料筒(5)配合，送料筒(5)底部伸入搅拌坩埚(13)内，第二塞杆(39)的中空结构内穿有第一热电偶(40)，第一热电偶(40)底部伸入搅拌坩埚(13)内，熔化坩埚(10)上部开有插入保护气系统(7)通气孔，第一塞杆(6)和第二塞杆(39)底部与熔化坩埚(10)底部流道配合。
2.根据权利要求1所述的一种半固态流变成形制备颗粒增强金属基复合材料装置，其特征在于：所述的电磁搅拌与超声振动复合室(Ⅱ)包括安装在第二底板(18)上保存金属基体合金半固态浆料(14)的搅拌坩埚(13)，搅拌坩埚(13)外侧依次设置有第一加热器(15)、第二保温层(16)、冷却系统(17)、电磁搅拌器(30)和外壳(31)，冷却系统(17)开设冷却液注入口(29)、冷却液流出口(35)，搅拌坩埚(13)、第一加热器(15)、第二保温层(16)、冷却系统(17)、电磁搅拌器(30)和外壳(31)上端部与保温板(36)配合密封，第一底板(12)开有电源线通道(38)，电源线通道(38)下端安装牵引电磁铁系统(37)，牵引电磁铁系统(37)与冷却棒(32)上端配合固定，冷却棒(32)底部与搅拌坩埚(13)底部出料口配合密封；拌坩埚(13)底部出料口和浆料出口管道(27)配合，浆料出口管道(27)插入底板(18)中心孔内，搅浆料出口管道(27)上安装有阀门(28)和液体流量计(19)；
冷却棒(32)内部开有深槽安装超声振动换能器(34)，超声振动换能器(34)上均匀分布有与冷却棒(32)内槽表面紧贴的多组超声振动头(33)。
3.根据权利要求2所述的一种半固态流变成形制备颗粒增强金属基复合材料装置，其特征在于：所述的压铸设备(Ⅲ)包括压射室(25)，压射室(25)外依次安装第二加热器(24)、第三保温层(23)，压射室(25)内腔与压射锤头(26)配合，压射锤头(26)由控制系统(46)驱动，压射室(25)内腔入口和浆料出口管道(27)连接，压射室(25)内腔出口和压室(21)入口连接；
压室(21)由左右向定模(22)、左右向动模(20)以及前后向定模(42)、前后向动模(41)组成，左右向定模(22)通过第一滑杆(47)与左右向动模(20)连接配合，前后向定模(42)通过第二滑杆(50)与前后向动模(41)连接配合，左右向动模(20)通过第一驱动系统(48)驱动后在第一轨道(49)上滑动，前后向动模(41)通过第二驱动系统(51)驱动后在第二轨道(52)上滑动。
4.根据权利要求3所述的一种半固态流变成形制备颗粒增强金属基复合材料装置，其特征在于：根据实际所需加工坯料几何形状，设计并更换不同几何形状的左右向定模(22)、左右向动模(20)及前后向定模(42)、前后向动模(41)。
5.利用权利要求3所述的一种半固态流变成形制备颗粒增强金属基复合材料装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，预制增强体颗粒：将纳米增强体颗粒用1％HF清洗后，T1±5℃高温有氧预烧，T1是增强颗粒的烧结温度，全面氧化增强体颗粒表面；
步骤2，配制金属基体合金原料：根据所要制备的复合材料中金属基体的设计，确定金属基体合金各元素的质量百分比含量；
步骤3，预制金属基体合金熔体：首先通过感应线圈(8)加热、第一保温层(9)保温、第二热电偶(4)反馈控制熔化坩埚(10)至金属基体合金液相线温度以上T2+100～300℃，T2为金属基体合金液相线温度；通过送料筒(3)和送料嘴(2)向已预热的熔化坩埚(10)中依次加入步骤2所配置的金属基体合金原料；待金属基体合金完全熔化为金属基合金熔体(11)后，静置通过保护气系统(7)除气；静置，通过感应线圈(8)将熔化坩埚(10)及金属基体合金熔体(11)调温至液相线温度以上T2+30℃；
步骤4，预热搅拌坩埚(13)：通过第一加热器(15)加热、第二保温层(16)及第一热电偶(40)反馈控制搅拌坩埚(13)温度至低于金属基体合金固相线温度T3-200～300℃，T3为金属基体合金固相线温度；
步骤5，金属基体合金熔体(11)注入搅拌坩埚(13)：提起第一塞杆(6)和第二塞杆(39)后，金属基体合金熔体(11)将通过熔化坩埚(10)底部的流道流入已预热搅拌坩埚(13)中；待金属基体合金熔体(11)完全流入搅拌坩埚(13)后，下压第一塞杆(6)和第二塞杆(39)关闭流道；
步骤6，金属基体合金半固态浆料的制备：利用电磁搅拌器(32)以频率H1、搅拌功率W1为参数横向搅拌，振动换能器(34)上的超声振动头(33)通过冷却棒32以振动功率W2、振动频率H2为参数纵向搅拌，复合细化处理降温中的金属基体合金熔体(11)；待第一热电偶(40)检测到降温至其半固态温度T4，保证固相率不高于40％，启动第一加热器(15)加热，将搅拌坩埚(13)中的金属基体合金半固态浆料温度稳定保持在T4；
步骤7，颗粒增强的金属基复合材料的半固态浆料的制备：通过送料筒(5)向搅拌坩埚(13)的金属基体合金半固态浆料(14)中平均分1～3次加入步骤1制备的增强体颗粒；经过复合半固态处理后，静置，获得颗粒增强的金属基复合材料半固态浆料(14)；
步骤8，压射室(25)预热：通过第二加热器(24)给压射室(25)预热，并且通过第三保温层(23)实现压射室(25)的保温；
步骤9，颗粒增强的金属基复合材料半固态浆料(14)注入压射室(25)：翻转阀门(28)后通过牵引电磁铁系统(37)带动冷却棒(32)向上运动，使搅拌坩埚(13)底部的出料口打开，颗粒增强的金属基复合材料半固态浆料(14)进入已预热的压射室(25)中；液体流量计(19)显示达到设定后立即关闭翻转阀门(28)，切断牵引电磁铁系统(37)电源，冷却棒(32)自重下落密封搅拌坩埚(13)的出料口；
步骤10，颗粒增强金属基复合材料坯料或零件半固态流变成形：通过第一驱动系统(48)驱动左右向动模(20)与左右向定模(22)滑动合模；同时通过第二驱动系统(51)驱动前后向动模(41)与前后向定模(42)滑动合模；通过控制系统(46)驱动压射锤头(26)将待加工颗粒增强金属基复合材料半固态浆料推入压室(21)中；通过第一驱动系统(48)驱动左右向动模(20)与左右向定模(22)经第一滑杆(47)配合，并沿第一轨道(49)滑动以P1保压；然后再通过第二驱动系统(51)驱动前后向动模(41)与前后向定模(42)经第二滑杆(50)配合，沿第二轨道(52)滑动以P2保压；最后开模取出颗粒增强金属基复合材料半固态流变成形坯料或零件；
步骤11，热处理：将步骤10获得的颗粒增强金属基复合材料半固态流变成形坯料或零件放至室温后，进行热处理，获得综合力学性能良好的颗粒增强金属基复合材料半固态流变成形坯料或零件。
6.权利要求5所述的一种半固态流变成形制备颗粒增强金属基复合材料装置的方法，其特征在于：所述的步骤7中将实际制备复合材料增强体颗粒平均分成1～3份，在复合半固态处理的时间段中平均分成1～3个时间段加入金属基体合金半固态浆料(14)中。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113069971A (zh) * 2021-03-31 2021-07-06 南方科技大学 一种金属半固态浆料的制备装置及其制备方法
CN113084123A (zh) * 2021-04-06 2021-07-09 将乐瑞沃康普机械设备有限公司 一种铝合金汽车零件半固态压铸成形工艺
CN114752795A (zh) * 2022-05-31 2022-07-15 福州大学 一种多层电磁场搅拌下铝基复合材料的制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000246415A (ja) * 1999-03-04 2000-09-12 Toyota Motor Corp レオキャスト法及びその装置
CN1480275A (zh) * 2003-08-08 2004-03-10 北京交通大学 一种钢铁材料半固态熔体的制备方法及装置
CN102062543A (zh) * 2011-01-12 2011-05-18 西安交通大学 一种黑色金属半固态浆料制备的电磁搅拌与振动复合装置
JP2013066920A (ja) * 2011-09-25 2013-04-18 Nissan Motor Co Ltd アルミニウム合金鋳造素材の製造方法
CN108048680A (zh) * 2018-01-18 2018-05-18 中北大学 一种镁基复合材料半固态间接挤压铸造成型方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000246415A (ja) * 1999-03-04 2000-09-12 Toyota Motor Corp レオキャスト法及びその装置
CN1480275A (zh) * 2003-08-08 2004-03-10 北京交通大学 一种钢铁材料半固态熔体的制备方法及装置
CN102062543A (zh) * 2011-01-12 2011-05-18 西安交通大学 一种黑色金属半固态浆料制备的电磁搅拌与振动复合装置
JP2013066920A (ja) * 2011-09-25 2013-04-18 Nissan Motor Co Ltd アルミニウム合金鋳造素材の製造方法
CN108048680A (zh) * 2018-01-18 2018-05-18 中北大学 一种镁基复合材料半固态间接挤压铸造成型方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113069971A (zh) * 2021-03-31 2021-07-06 南方科技大学 一种金属半固态浆料的制备装置及其制备方法
CN113084123A (zh) * 2021-04-06 2021-07-09 将乐瑞沃康普机械设备有限公司 一种铝合金汽车零件半固态压铸成形工艺
CN114752795A (zh) * 2022-05-31 2022-07-15 福州大学 一种多层电磁场搅拌下铝基复合材料的制备方法

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