CN112877558A - 加压均匀分散陶瓷颗粒制备复合材料的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种加压均匀分散陶瓷颗粒制备复合材料的装置及方法，该装置包括：容器；搅拌器，包括搅拌杆以及连接在搅拌杆底部的搅拌头，并且搅拌头伸入容器内；所述搅拌杆和搅拌头均呈中空状，并且搅拌杆和搅拌头相互连通；所述搅拌头上设有多个出料口；送粉装置，所述搅拌杆顶部通过送料管连通送粉装置，并且送粉装置采用气体加压的方式将陶瓷颗粒输送至搅拌头内；传动机构，包括连接在搅拌杆上端的旋转驱动结构和往复驱动结构，所述旋转驱动结构用于控制搅拌杆的旋转，所述往复驱动结构用于控制搅拌杆相对于容器的上下左右前后往复运动。该装置将加粉与搅拌合二为一，且颗粒获得了最大的搅拌分散力，均匀分散到熔体的各个位置。

Description

加压均匀分散陶瓷颗粒制备复合材料的装置及方法

技术领域

本发明涉及复合材料的制备技术领域，具体涉及一种加压均匀分散陶瓷颗粒制备复合材料的装置及方法。

背景技术

为了满足宇航、航空、先进动力等高技术领域对材料提出的更严苛的要求，多功能复合材料及其部件的研究和制备显得愈加重要。采用不同性质的材料组合成复合材料，即可以充分发挥各种材质的独特优点，又可以克服各自的缺点。它的出现引起众多领域研究者的重视，并且发展成为当前结构材料研究领域中的重要课题之一。陶瓷颗粒增强铝基复合材料由于具有高比强、高比刚、高耐磨、低热膨胀及优良的减震性能尺寸稳定性等优异的综合性能，是航空航天、汽车制造等领域关键零部件轻量化、高性能化的理想材料，具有巨大的应用潜力和广阔的市场前景。

目前，颗粒增强铝基复合材料的制备方法主要有粉末冶金法，喷射沉积法，搅拌复合铸造法等多种方法。粉末冶金法制备的颗粒增强铝基复合材料综合性能良好，可以实现体积质量差大的金属与粒子的复合，可制备高体分颗粒增强的复合材料，但是该方法工艺复杂，流程长，制备成本较高，因此限制了其使用范围和推广应用。喷射沉积法制备的复合材料中增强相体积分数可任意调节，增强体粒度也不用限制，可获得晶粒细小的复合材料，但是该方法制备的复合材料制品尺寸受限，而且制备成本也较高，因此，也无法获得大规模的推广和应用。

搅拌铸造法相比粉末冶金法和喷射沉积法而言，制备工艺设备简单，制备成本低廉，便于工业化生产，而且可以制造出形状复杂的零件，是目前最受重视、关注最多的复合材料制备方法。现有技术公开的方法中，有些是从液面上方直接加粉，会造成陶瓷颗粒飘散在空中，以及漂浮在液体表面，无法加入；也有些是采用铝箔包裹陶瓷颗粒放在液体底部，这种方式一次投入量大、不连续，无法获得均匀的铝基复合材料。而且现有技术的加粉和搅拌是两个独立模块，设备复杂，可靠性差，加陶瓷颗粒位置与搅拌头的位置有一定距离，导致粉体受到的搅拌力不均匀，无法使陶瓷颗粒均匀分散。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种加压均匀分散陶瓷颗粒制备复合材料的装置及方法，该装置将加粉与搅拌模块合二为一，从搅拌杆的中心用气体加压将陶瓷颗粒送至搅拌头，并经搅拌头上的出料口送出，使陶瓷颗粒获得了最大的搅拌分散力，受力均匀，陶瓷颗粒在搅拌头中心产生的涡流作用下，均匀分散到熔体的各个位置，以解决现有技术中加粉和搅拌是两个独立的模块且陶瓷颗粒分散不均的技术问题。

为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供了一种加压均匀分散陶瓷颗粒制备复合材料的装置。

该加压均匀分散陶瓷颗粒制备复合材料的装置包括：

容器；

搅拌器，包括搅拌杆以及连接在所述搅拌杆底部的搅拌头，并且所述搅拌头伸入所述容器内；所述搅拌杆和所述搅拌头均呈中空状，并且所述搅拌杆和所述搅拌头相互连通；所述搅拌头上设有多个出料口；

送粉装置，所述搅拌杆顶部通过送料管连通所述送粉装置，并且所述送粉装置采用气体加压的方式将陶瓷颗粒输送至所述搅拌头内；

传动机构，包括连接在所述搅拌杆上端的旋转驱动结构和往复驱动结构，所述旋转驱动结构用于控制所述搅拌杆的旋转，所述往复驱动结构用于控制所述搅拌杆相对于所述容器的上下左右前后往复运动。

进一步的，所述搅拌头呈十字型或X型结构，包括相互连通的多个搅拌叶片，所述搅拌杆的下端连接在所述搅拌叶片的连通处；所述多个出料口分别开设在所述多个搅拌叶片的前端。

进一步的，所述送粉装置包括供料机构和供气机构，所述送料管的一端通过密封件与所述搅拌杆的顶部转动且密封连接，所述送料管的另一端分别连通所述供料机构和供气机构。

进一步的，所述供料机构包括加料斗和进料阀，所述加料斗通过所述进料阀连通所述送料管；所述供气机构包括气罐、进气阀和进气管，所述气罐通过所述进气管连通所述送料管，所述进气阀用于控制输送气体气压。

进一步的，所述送料管为软管；所述密封件为动密封件。

进一步的，所述旋转驱动结构包括第一电机、传动皮带和联轴器，所述第一电机的输出轴端通过所述传动皮带与所述联轴器传动连接，所述联轴器设置在所述搅拌杆上端；所述第一电机用于控制所述搅拌杆的转向和转速。

进一步的，所述往复驱动结构包括第一驱动组件和第二驱动组件，所述第一驱动组件用于控制所述搅拌杆的前后左右往复运动；所述第二驱动组件用于控制所述搅拌杆以及所述第一驱动组件的上下往复运动；其中，所述第一驱动组件包括：

水平设置的横梁以及竖直设置的导向柱，所述横梁的一端通过连接件转动连接所述搅拌杆的上端，另一端连接在所述导向柱的上部；

传动杆以及用于驱动所述传动杆的第二电机，所述传动杆的一端转动连接所述导向柱的下部，另一端连接所述第二电机的输出轴端；

第二驱动组件包括丝杆和第三电机，所述丝杆的上端连接所述横梁，所述第三电机连接所述丝杆的下端并驱动所述丝杆上下往返运动。

进一步的，所述容器的外部沿其周向设有加热器。

进一步的，所述连接件为动密封件。

为了实现上述目的，根据本发明的第二方面，提供了一种陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法。

该陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法是基于上述的装置，所述制备方法包括以下步骤：

(1)提供熔体，所述熔体盛放于容器中；

(2)采用气体加压的方式将陶瓷颗粒输送至搅拌头内，并对所述熔体进行搅拌以将所述陶瓷颗粒混合分散在合金熔体中；其中，搅拌速率为100～300rad/min；

(3)启动传动机构，在搅拌头旋转搅拌的同时驱动搅拌杆进行上下前后左右往复运动，搅拌15～25min得到铝基复合材料；所述驱动搅拌杆进行上下前后左右往复运动的周期为10～15s。

进一步的，步骤(2)中，所述陶瓷颗粒的进料量为60～70g/s；送料时间为8～10min。

本发明的优点：

本发明将加粉与搅拌模块合二为一，从搅拌杆的中心用气体加压将陶瓷颗粒送至搅拌头，并经搅拌头上的出料口送出，使陶瓷颗粒获得了最大的搅拌分散力，受力均匀，陶瓷颗粒在搅拌头中心产生的涡流作用下，均匀分散到熔体的各个位置。

本发明采用气体加压的方式，可以通过精确控制气体压力，将陶瓷颗粒精准、稳定的送入熔体内部指定位置；而且气体压力稳定可调，便于控制。

本发明采用气体加压的方式可以防止熔体从出料口流入搅拌杆中。

本发明采用动密封连接方式，在搅拌杆转动的情况下实现了气体送粉。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例中加压均匀分散陶瓷颗粒制备复合材料的装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中搅拌头的结构示意图；

图3为本发明实施例中20％SiC/A356铝基复合材料显微组织图。

图中：

1、容器；2、搅拌杆；3、搅拌头；4、送料管；5、出料口；6、加料斗；7、进料阀；8、气罐；9、进气阀；10、进气管；11、密封件；12、第一电机；13、传动皮带；14、联轴器；15、横梁；16、导向柱；17、传动杆；18、第二电机；19、丝杆；20、第三电机；21、加热器；22、连接件；23、陶瓷颗粒；24合金熔体。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明公开了一种加压均匀分散陶瓷颗粒制备复合材料的装置，结合图1和图2所示，该装置主要由容器1、搅拌器、送粉装置和传动机构组合形成，其中：容器1主要用于盛放熔体，也可以采用容器1制备形成熔体，如容器1可以为坩埚；搅拌器包括搅拌杆2以及连接在搅拌杆2底部的搅拌头3，搅拌头3伸入容器1内，用于对容器1内的熔体进行搅拌，当然搅拌杆2及搅拌头3可以为一体结构；

进一步地，搅拌杆2和搅拌头3均呈中空状，搅拌杆2和搅拌头3相互连通，也即搅拌杆2和搅拌杆3的内部空心且相互连通，因而其内部可以通过陶瓷颗粒，并且搅拌杆2顶部通过送料管4连通送粉装置，具体地，送料管4的一端连通搅拌杆2的顶部并密封连接，送料管4的另一端连通送粉装置，送粉装置是采用气体加压的方式将陶瓷颗粒精准、稳定的输送至搅拌头3内，搅拌头3上设有多个出料口5，出料口5的具体设置位置可以根据实际需要进行选择，如设置在搅拌头3的前端、中部或其它位置，不作具体限定，陶瓷颗粒经出料口5送出，并在离心力的作用下分散至熔体中，使得陶瓷颗粒获得了最大的搅拌分散力，受力均匀；而且采用气体加压的送粉方式不仅可以防止熔体从出料口5流入搅拌杆2中，还可以以气流的方式形成对熔体的吹动或搅动，并配合离心力的作用，使得陶瓷颗粒充分分散至熔体中；

更进一步地，传动机构包括连接在搅拌杆2上端的旋转驱动结构和往复驱动结构，在旋转驱动结构的控制下，搅拌杆2带动搅拌头3稳定旋转，陶瓷颗粒受力均匀；往复驱动结构用于控制搅拌杆2相对于容器1的上下左右前后往复运动，使得陶瓷颗粒均匀地输送至熔体的各个位置，并在搅拌头3中心产生的涡流作用下，均分散到熔体的各个位置，能够实现高体积分数(5～40％)的陶瓷颗粒复合材料。

作为本发明的另一种实施例，搅拌头3呈十字型或X型结构，如图2所示，搅拌头3包括相互连通的多个搅拌叶片，搅拌杆2的下端连接在多个搅拌叶片的连通处，也即搅拌杆2与多个搅拌叶片之间相互连通；多个出料口5分别开设在多个搅拌叶片的前端，陶瓷颗粒从搅拌叶片前端的出料口5送出，在离心力的作用下分散到附近熔体中。

作为本发明的另一种实施例，出料口5处还可以设置有单向阀(未图示)，单向阀的设置仅使得陶瓷颗粒能够单向通过并进入熔体中，而不能使得熔体从容器1内进入搅拌头3以及搅拌杆2内。而且，单向阀的设置使得在实际操作中可以先加粉再通气体，而不会导致熔体流入搅拌头3的倒流情况出现。

作为本发明的另一种实施例，送粉装置包括供料机构和供气机构，如图1所示，送料管4的一端通过密封件11与搅拌杆2的顶部转动且密封连接，即搅拌杆2相对于送料管4可以旋转；送料管4的另一端分别连通供料机构和供气机构。

作为本发明的另一种实施例，送料管4为软管；密封件11为动密封件，采用动密封，在搅拌杆2旋转的情况下实现了气体送粉。

作为本发明的另一种实施例，供料机构主要由加料斗6和进料阀7组成，如图1所示，加料斗6内盛放陶瓷颗粒23，加料斗6通过进料阀7连通送料管4，并通过控制进料阀7的闭合程度来实现进料的多少；供气机构主要由气罐8、进气阀9和进气管10组成，气罐8通过进气管10连通送料管4，并通过控制进气阀9的闭合程度来调控送气气压大小。

作为本发明的另一种实施例，旋转驱动结构主要由第一电机12、传动皮带13和联轴器14组成，第一电机12主要用于控制搅拌杆2的转向和转速；具体地，如图1所示，第一电机12的输出轴端通过传动皮带13与联轴器14传动连接，联轴器14固定在搅拌杆2的上端，通过第一电机12、传动皮带13和联轴器14传动连接来驱动搅拌杆2的旋转运动。

作为本发明的另一种实施例，往复驱动结构包括第一驱动组件和第二驱动组件，第一驱动组件用于控制搅拌杆2的前后左右往复运动；具体地，第一驱动组件主要由水平设置的横梁15、竖直设置的导向柱16、传动杆17以及用于驱动传动杆17的第二电机18组成，横梁15的一端通过连接件22转动连接搅拌杆2的上端，即搅拌杆2能够相对于横梁15旋转，连接件22可以为动密封件，横梁15的另一端连接在导向柱16的上部；传动杆17的一端转动连接导向柱16的下部，传动杆17的另一端连接第二电机18的输出轴端；通过第二电机18的转动带动传动杆17前后往复运动，进而驱动导向柱16以及横梁15整体前后往复运动；相应地，传动杆17前后往复运动的同时驱动导向柱16转动，从而驱动横梁15左右运动，进而实现整套搅拌器在旋转搅拌的同时还可以在熔体中进行上下前后左右不同位置的运动，使得颗粒获得最大的搅拌分散力，均匀分散到熔体的各个位置。

第二驱动组件用于控制搅拌杆2以及第一驱动组件的上下往复运动；其中，第二驱动组件主要由丝杆19和第三电机20组成，丝杆19的上端连接横梁15，第三电机20连接丝杆19的下端并驱动丝杆19上下往返运动，也即通过丝杆19和第三电机20的运行，可以控制搅拌杆2以及由横梁15、导向柱16、传动杆17和第二电机18组成的第一驱动组件同时上下往返运动。

作为本发明的另一种实施例，容器1的外部沿其周向设有加热器21，用于对容器1进行加热。

作为本发明的另一种实施例，容器1为坩埚。

本发明还公开了一种陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法，该制备方法是基于上述的装置，该制备方法包括以下步骤：

(1)提供熔体，熔体盛放于容器中；在该步骤中，可以采用已制备完成的熔体，当然也可以在该容器中进行熔体的制备；

(2)采用气体加压的方式将陶瓷颗粒输送至搅拌头内，并对熔体进行搅拌以将陶瓷颗粒混合分散在合金熔体中；其中，搅拌速率为100～300rad/min；在该步骤中，可以在气体通入前，先将搅拌器伸入容器中以对熔体进行搅拌，之后再采用气体加压的方式将陶瓷颗粒输送至熔体中；当然也可以在搅拌之前先通气体，之后再将搅拌器伸入容器中，以防止导流的情况发生；而且，在整个过程中还可以采用脉冲的送粉方式，即间歇性送粉及通气，或者只间歇性送粉而保持气体的不间断通入，形成气流搅动或吹动；

(3)启动传动机构，在搅拌头旋转搅拌的同时驱动搅拌杆进行上下前后左右往复运动，搅拌15～25min得到铝基复合材料；驱动搅拌杆进行上下前后左右往复运动的周期为10～15s。

以下将结合具体实施例对该陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法进行说明。

实施例1：

首先，将60Kg的A356铝合金铸锭表面清理干净，放入制备坩锅1中，升温至700℃熔化得到熔体；

然后，往熔体中通入氢气进行除气，除气过程10分钟，除气完毕打渣；之后加入细化剂对熔体进行细化处理；

开启进气阀9，将搅拌头3伸入到熔体中，开启第一电机12，对熔体进行搅拌，搅拌速率为200rad/min；在此过程中，打开提前装好SiC颗粒的加料漏斗6的进料阀7，通过控制阀门维持SiC颗粒进料量在33g/s，同时开启第二电机18和第三电机20，在搅拌头3旋转的同时带动整个搅拌器进行上下前后左右往返运动以进行不同位置的送粉，每隔10s运转一个周期，10min左右送粉完毕，关闭进料口，保持进气口，再搅拌10min，使熔体充分混合，从而促进碳化硅颗粒在合金熔体中的分散和均匀化。

搅拌共持续20min，停止搅拌，调整合金熔体温度，倾倒入收集器中，制备得到20％SiC/A356铝基复合材料。

如图3中的金相图片所示，SiC均匀分布在基体组织中。

需要说明的是，本发明中的装置和方法也适用于镁基复合材料、铜基复合材料、铁基复合材料、锌基复合材料、镍基复合材料、钴基复合材料、钛基复合材料等的制备。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语“包括”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列部件不必限于清楚地列出的那些部件，而是可包括没有清楚地列出的或对于部件固有的其它部件。

在本发明中，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“左”、“右”、“内”、“外”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。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或者组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或者位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或者连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明中涉及的“第一”、“第二”等的描述，该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种加压均匀分散陶瓷颗粒制备复合材料的装置，其特征在于，包括：

容器(1)；

搅拌器，包括搅拌杆(2)以及连接在所述搅拌杆(2)底部的搅拌头(3)，并且所述搅拌头(3)伸入所述容器(1)内；所述搅拌杆(2)和所述搅拌头(3)均呈中空状，并且所述搅拌杆(2)和所述搅拌头(3)相互连通；所述搅拌头(3)上设有多个出料口(5)；

送粉装置，所述搅拌杆(2)顶部通过送料管(4)连通所述送粉装置，并且所述送粉装置采用气体加压的方式将陶瓷颗粒输送至所述搅拌头(3)内；

传动机构，包括连接在所述搅拌杆(2)上端的旋转驱动结构和往复驱动结构，所述旋转驱动结构用于控制所述搅拌杆(2)的旋转，所述往复驱动结构用于控制所述搅拌杆(2)相对于所述容器(1)的上下左右前后往复运动。

2.根据权利要求1所述的加压均匀分散陶瓷颗粒制备复合材料的装置，其特征在于，所述搅拌头(3)呈十字型或X型结构，包括相互连通的多个搅拌叶片，所述搅拌杆(2)的下端连接在所述搅拌叶片的连通处；所述多个出料口(5)分别开设在所述多个搅拌叶片的前端。

3.根据权利要求1所述的加压均匀分散陶瓷颗粒制备复合材料的装置，其特征在于，所述送粉装置包括供料机构和供气机构，所述送料管(4)的一端通过密封件(11)与所述搅拌杆(2)的顶部转动且密封连接，所述送料管(4)的另一端分别连通所述供料机构和供气机构。

4.根据权利要求3所述的加压均匀分散陶瓷颗粒制备复合材料的装置，其特征在于，所述供料机构包括加料斗(6)和进料阀(7)，所述加料斗(6)通过所述进料阀(7)连通所述送料管(4)；所述供气机构包括气罐(8)、进气阀(9)和进气管(10)，所述气罐(8)通过所述进气管(10)连通所述送料管(4)，所述进气阀(9)用于控制输送气体气压。

5.根据权利要求3所述的加压均匀分散陶瓷颗粒制备复合材料的装置，其特征在于，所述送料管(4)为软管；所述密封件(11)为动密封件。

6.根据权利要求1所述的加压均匀分散陶瓷颗粒制备复合材料的装置，其特征在于，所述旋转驱动结构包括第一电机(12)、传动皮带(13)和联轴器(14)，所述第一电机(12)的输出轴端通过所述传动皮带(13)与所述联轴器(14)传动连接，所述联轴器(14)设置在所述搅拌杆(2)上端；所述第一电机(12)用于控制所述搅拌杆(2)的转向和转速。

7.根据权利要求1所述的加压均匀分散陶瓷颗粒制备复合材料的装置，其特征在于，所述往复驱动结构包括第一驱动组件和第二驱动组件，所述第一驱动组件用于控制所述搅拌杆(2)的前后左右往复运动；所述第二驱动组件用于控制所述搅拌杆(2)以及所述第一驱动组件的上下往复运动；其中，所述第一驱动组件包括：

水平设置的横梁(15)以及竖直设置的导向柱(16)，所述横梁(15)的一端通过连接件(22)转动连接所述搅拌杆(2)的上端，另一端连接在所述导向柱(16)的上部；

传动杆(17)以及用于驱动所述传动杆(17)的第二电机(18)，所述传动杆(17)的一端转动连接所述导向柱(16)的下部，另一端连接所述第二电机(18)的输出轴端；

第二驱动组件包括丝杆(19)和第三电机(20)，所述丝杆(19)的上端连接所述横梁(15)，所述第三电机(20)连接所述丝杆(19)的下端并驱动所述丝杆(19)上下往返运动。

8.根据权利要求1所述的加压均匀分散陶瓷颗粒制备复合材料的装置，其特征在于，所述容器(1)的外部沿其周向设有加热器(21)。

9.一种陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，基于权利要求1-8任一项所述的装置，所述制备方法包括以下步骤：

(1)提供熔体，所述熔体盛放于容器中；

(2)采用气体加压的方式将陶瓷颗粒输送至搅拌头内，并对所述熔体进行搅拌以将所述陶瓷颗粒混合分散在合金熔体中；其中，搅拌速率为100～300rad/min；

(3)启动传动机构，在搅拌头旋转搅拌的同时驱动搅拌杆进行上下前后左右往复运动，搅拌15～25min得到铝基复合材料；所述驱动搅拌杆进行上下前后左右往复运动的周期为10～15s。

10.根据权利要求9所述的陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述陶瓷颗粒的进料量为60～70g/s；送料时间为8～10min。

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