CN113857461A - 一种熔体控制原位自生铝基复合材料调压铸造方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种熔体控制原位自生铝基复合材料调压铸造方法和系统，通过电磁搅拌、超声处理实现微纳颗粒在铝基体中的均匀分布；通过旋转喷吹和真空除气实现熔体净化；采用复合稀土元素变质实现熔体内固态析出相在微纳颗粒干扰下的可控形核，在采用低压铸造的基础上，设置重力液压管，根据帕斯卡定律，让充型后的铝熔体在较高压力下结晶凝固。可使得熔体控制原位自生铝基复合材料在更高的压力下凝固，可用于高质量的铝基复合材料大型复杂薄壁铸件的铸造成形，且无需复杂的控制气路即可实现。
Description
技术领域
本发明涉及铝基复合材料领域，尤其涉及熔体控制原位自生铝基复合材料的调压铸造系统和方法。
背景技术
轻质高强是结构材料发展永恒的主题。铝合金作为应用最广泛的轻质结构材料，经过百余年发展其性能潜力已近极限，以陶瓷增强铝合金是实现其性能跨越的有效途 径。如国际上常用的外加SiC颗粒增强铝基复合材料，能大幅提高材料刚度和硬度， 但是，却又带来塑性的恶化、加工成形十分困难等一系列问题，严重阻碍了其工程应 用。以原位自生方法合成微纳级增强颗粒，可突破传统铝基复合材料塑性低、加工难 等性能与应用瓶颈。
大型复杂薄壁铝合金铸件成形是铸造界难题。大量悬浮的微纳颗粒导致复合材料熔体流动性差、充型和补缩困难、凝固偏聚，导致复合材料铸造充型和凝固过程难以 控制。大量微纳颗粒导致复合材料变形抗力增大，塑性降低，加剧局部变形不均匀性， 造成塑性成形工艺性变差。如何实现性能稳定、高质量的铝基复合材料大型复杂薄壁 铸件成形是工程化应用亟待克服的障碍。
低压铸造是液体金属在压力(一般为气体压力)作用下，完成充型及凝固过程而获得铸件的一种铸造方法。差压铸造又称反压铸造、压差铸造。是在低压铸造的基础 上，铸型外罩个密封罩，同时向坩埚和罩内通入压缩空气，但坩埚内的压力略高，使 坩埚内的金属液在压力差的作用下经升液管充填铸型，并在压力下结晶。差压铸造的 工作原理如图5所示，首先打开阀门G、A、D，使压力为p0的干燥压缩空气进入互 通的上下压力筒内，当达到所需的结晶压力p1时，先关闭阀门A，此时上、下压力筒 内压力平衡，坩埚内的金属液处于平衡状态，然后关闭阀门D，使上下筒隔绝。打开 阀门B，压缩空气向下压筒充气，其压力由p1增至p2。上下压力筒之间产生一个压力 差，在压力差作用下，坩埚内的金属液沿升液管经浇道进入型腔。充型结束后，继续 充气升压，达到较高的保压压力时，关闭阀门B，并保持一段时间，使铸件在较高的 压力下结晶凝固。待铸件完全凝固后，打开阀门D和阀门C，上下压筒内同时放气， 升液管中未凝固的金属液靠自重流回坩埚。通过压差铸造，可获得补缩能力强，可获 得轮廓清晰，尺寸精确到铸件，且可提高铸件的力学性能，但是差压铸造涉及较高的 气体压力和复杂的气体管路控制，成本较高。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何实现性能稳定、高质量的铝基复合材料大型复杂薄壁铸件成形。
为实现上述目的，本发明在第一方面提供了熔体控制原位自生铝基复合材料调压铸 造方法，包括步骤：
(1)提供包括抽气口和浸入管的真空包，所述浸入管被设置为可浸入至铝熔炉中的铝熔体中；提供用于氩气旋转喷吹的石墨转子，所述石墨转子具有石墨转 杆和喷头，所述转杆被设置为通过设置在所述真空包顶部的密封轴承，穿过 所述真空包的真空室，将所述喷头插入铝熔体的底部；所述的转杆包括内管 和外管，所述的外管通过旋转接头与氩气喷吹管相连，所述的内管与粉料输 送仓相连，所述的粉料输送仓与粉料输送气管相连；提供电磁搅拌装置，所 述的电磁搅拌装置设置在所述的铝熔炉的下方；
(2)使所述真空包的浸入管浸入铝熔体中，通过所述的抽气口对所述真空室内抽真空；
(3)降下所述石墨转子，使得所述转杆通过设置在所述真空包顶部的密封轴承，穿过所述真空包的真空室，将所述喷头插入铝熔体的底部；
(4)所述氩气喷吹管通过所述的外管进行氩气喷吹；通过所述的粉料输送气管的所述的内管，将所述的粉料输送仓内的粉料喷吹入铝熔体中；
(5)启动所述的电磁搅拌装置，对所述的铝熔体进行电磁搅拌；
(6)将处理后的所述铝熔体导入调压铸造装置，调压铸造装置包括电阻保温炉，所述电阻保温炉内设置有坩埚，其内为处理后的所述铝熔体，密封顶盖将所 述坩埚密封在所述电阻保温炉之中，压缩空气管向所述电阻保温炉内通入压 缩空气，使得所述铝熔体在压缩空气压力作用下上升，通过上升管进入所述 密封顶盖上方的铸型中；
(7)在所述铸型上方设置与所述上升管连通的重力液压管，或者进一步增加压缩空气压力，或者关闭压缩空气阀门并自所述重力液压管的上浇口加入所述铝 熔体，使得所述铝熔体自所述铸型进一步上升进入所述重力液压管中，通过 控制所述铝熔体在所述重力液压管的高度，使得所述铸型中所述铝熔体在所 需的压力下凝固。
进一步地，粉料包括Na3AlF6、LiF3、LiCl3的反应助剂和NaBF4和Na2TiF6的反应 盐。
进一步地，粉料中还包含复合镧铈稀土中间合金变质剂。
进一步地，在反应过程中，向铝熔体施加2-4T的脉冲磁场。
进一步地，在反应过程中，向铝熔体施加200-1800W/m2的高能超声场。
进一步地，在所述的铝熔炉的炉体上部侧壁设置铝熔体出口流道，在所述的铝熔炉的炉体底部侧壁设置铝熔体入口流道；所述的铝熔体出口流道和铝熔体入口流道上 分别设置有出口流道止流滑板和入口流道止流滑板；当一炉铝熔体处理完毕后，打开 所述出口流道止流滑板和入口流道止流滑板，从所述的铝熔体入口流道通入待处理的 新的铝熔体，使所述铝熔炉中的已处理完毕的铝熔体自所述的铝熔体出口流道流出， 导入所述调压铸造装置的所述坩埚中。
本发明在第二方面提供了一种熔体控制原位自生铝基复合材料的调压铸造系统包 括
盛有铝熔体的铝熔炉；
真空包，所述的真空包具有浸入管和抽气口，所述浸入管被设置为可浸入至所述的铝熔炉中的铝熔体中，所述的抽气口用于对所述的真空包抽真空；
用于氩气旋转喷吹的石墨转子，所述石墨转子具有转杆和喷头，所述转杆被设置为通过设置在所述真空包顶部的密封轴承，穿过所述真空包的真空室，将所述喷头插 入至所述铝熔体的底部；
石墨转杆，包括内管和外管，内管和外管内为氩气喷吹管道，所述的外管通过旋转接头与氩气喷吹管相连，所述的内管与粉料输送仓相连，所述的粉料输送仓与粉料 输送气管相连，内管内为粉料输送管道；
电磁搅拌装置，所述的电磁搅拌装置设置在所述的铝熔炉的下方；
调压铸造装置，包括电阻保温炉，所述电阻保温炉内设置有坩埚，密封顶盖将所述坩埚密封在所述电阻保温炉之中，用于向电阻保温炉中通入压缩空气的压缩空气管， 所述坩埚内设置有上升管，所述上升管通向设置在所述密封顶盖上方的铸型，在所述 铸型上方设置有与所述上升管连通的重力液压管，重力液压管上端连接上浇口。
进一步地，在所述重力液压管的所述上浇口旁还设置有排气口，且所述排气口高于所述上浇口。
进一步地，还包括可向铝熔炉中的铝熔体施加脉冲磁场的磁场发生装置。
进一步地，包括可向铝熔炉中的铝熔体施加高能超声场的超声发生装置。
本发明的方法和系统可在铝基材料中原位自生TiB2颗粒，通过电磁搅拌、超声处理实现微纳颗粒在铝基体中的均匀分布；通过旋转喷吹和真空除气实现熔体净化；采 用复合稀土元素变质实现熔体内固态析出相在微纳颗粒干扰下的可控形核，在采用低 压铸造的基础上，设置重力加压管，根据帕斯卡定律，让充型后的铝熔体在较高压力 下结晶凝固。相比于差压铸造，可使得熔体控制原位自生铝基复合材料在更高的压力 下凝固，可用于高质量的铝基复合材料大型复杂薄壁铸件
的铸造 成形，且无需复杂的控制气路即可实现。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例中铝熔体在真空脱气和电磁搅拌装置处理的示意图；
图2是图1中的石墨转子的示意图。
图3是本发明的一个较佳实施例中通过电磁搅拌、超声处理前(图a)及后(图b) 微纳颗粒在铝基体中的分布对比图；
图4是本发明的一个较佳实施例中的通过旋转喷吹和真空除气实现熔体净化前(图a)及后(图b)效果对比图；
图5是现有技术中差压铸造的工作原理示意图；
图6是本发明的一个较佳实施例中的铝熔体在调压铸造装置低压充型时的示 意图；
图7是本发明的一个较佳实施例中的铝熔体在调压铸造装置重力加压凝固时 的示意图。
图中：
1-铝熔炉、2-铝熔体、3-真空包、4-抽气口、5-浸入管、6-石墨转杆、7-密封轴承、8-真空室、9-喷头；
11-变频器、12-感应器、13-铝熔体出口流道、14-铝熔体入口流道；
131-出口流道止流滑板、141-入口流道止流滑板；
21-电阻保温炉、22-坩埚、23-密封顶盖、24-上升管、25-铸型、26-重力液压管、27-排气口、28-上浇口、29-压缩空气管、30-压缩空气阀门；
61-粉料输送仓、62-旋转接头、63-外管、64-氩气喷吹管道、65-内管、66-粉料输送管道；
611-粉料输送气管、631-氩气喷吹管。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非 仅限于文中提到的实施例。
实施例
如图1所示，在700～760℃将纯铝或铝合金基体熔化，将铝熔体2置于铝熔炉1 中，并加入反应盐和反应助剂进行反应。使被设置在铝熔炉1上方的真空包3的浸入 管5浸入至铝熔体2中。通过抽气口4对真空包3的真空室8抽真空，使得铝熔体2 在大气压力作用下进入到真空包3中。
同时对铝熔体进行氩气旋转喷吹：降下石墨转子，石墨转子的转杆6通过设置在真空包3顶部的密封轴承7，穿过真空室8，将喷头9插入至铝熔体2的底部，氩气通 过转杆6的中间孔道吹入，由旋转喷头9喷出，形成的气泡由于喷头9的高速旋转被 打散成大量的小气泡，铝熔体2中的氢将依附在这些小气泡上析出成氢气，同时吸附 铝熔体中的杂质颗粒一起上浮至液面，大部分的气泡进入真空室8中，然后通过抽气 口4排出。通过真空包3和浸入管5，用铝熔体2自身形成密封，抽气产生真空环境， 真空环境降低氧、氢分压，增强脱气条件。同时石墨转杆6经真空室(8)8进入铝熔炉 1，全程不接触氧气，防了石墨转子的氧化，大幅提高石墨转子的寿命。如图2所示， 石墨转杆6包括了内管65和外管63，内管65和外管63内为氩气喷吹管道64。外管 63通过旋转接头62与氩气喷吹管631相连，内管65与粉料输送仓61相连，粉料输 送仓61与粉料输送气管611相连，内管65内为粉料输送管道66。
氩气喷吹管631通过外管63进行氩气喷吹；粉料输送气管611通过内管65，将 粉料输送仓61内的粉料喷吹入铝熔体2中。粉料包括Na3AlF6、LiF3、LiCl3的反应助 剂和NaBF4和Na2TiF6的反应盐。实现了复合材料熔体在除渣、除气的同时，有效地 保留自生微纳TiB2颗粒。粉料中还包含复合镧铈稀土中间合金变质剂。优选地，镧铈 稀土中间合金变质剂分别为Al-20wt％La、Al-20wt％Ce。通过稀土复合变质技术，实 现熔体微区内凝固析出相在微纳颗粒的干扰下的可控形核、有序生长。
优选地，内管63由金属材料如铜或钢制成，外管63由石墨材料制成。这是为了 提高内管63的耐磨性以应对高压气体和粉料的冲刷。
优选地，粉料输送气管611和氩气喷吹气管631共享同一氩气气源。
如图1所示，在铝熔炉下设置电磁搅拌装置，包括感应器12和变频器11，用于 使得铝熔体在电磁力的作用下产生搅拌运动。
如图1所示，在铝熔炉1的上部侧壁上设置有出口流道13，出口流道13上设置 有出口流道止流滑板131；在铝熔炉1的底部侧板上设置有入口流道14，入口流道14 上设置入口流道止流滑板141。当一炉铝熔体处理完毕后，打开铝熔体出口流道13和 入口流道14上的出口流道止流滑板131和入口流道止流滑板141，从熔炉底部的入口 流道14通入待处理的新的铝熔体，使铝熔炉中的已处理完毕的铝熔体自出口流道13 流出，当设定流量的铝熔体已经流入铝熔炉1后，关闭出口流道止流滑板131、入口 流道止流滑板141，再次进行上述作业，由此可以实现在真空条件下对铝熔体的连续 处理，而无需一炉抽一次真空，从而极大地节省了工序准备时间和能耗。
在根据本发明的一个较佳实施例中，上述氩气喷吹的氩气流量被设置为7～ 12L/min，搅拌转速为270～320r/min。
在根据本发明的一个较佳实施例中，上述反应盐包括质量比为1.2:1～1.8:1的NaBF4和Na2TiF6。
在根据本发明的一个较佳实施例中，上述反应助剂包括质量比为2.2:1:1～3.8:1:1 的Na3AlF6、LiF3、LiCl3。
在根据本发明的一个较佳实施例中，上述反应助剂的加入量为反应盐的8-12wt％。
在根据本发明的一个较佳实施例中，在反应过程中，施加2-4T的脉冲磁场强度。
在根据本发明的一个较佳实施例中，在反应过程中，施加200-1800W/m2的高能 超声场强度。
在根据本发明的一个较佳实施例中，反应时间为10min～30min。
在铝合金基体中均匀分布的陶瓷颗粒，通过位错强化、Orowan强化、弥散强化等机制提高复合材料的强度。而颗粒团聚的发生，不仅无法增强基体，而且还会严重恶 化复合材料的性能。通过电磁搅拌、超声处理实现微纳颗粒在铝基体中的均匀分布， 如图3所示。
熔体净化的对象是熔体中的非金属夹杂和溶解的气体。由于增强体陶瓷颗粒和夹杂均为熔体中的固相物，而且高表面能的微纳颗粒极易与熔体中的夹杂吸附在一起， 采用常规的精炼净化技术会将微纳增强颗粒和夹杂一并去除；熔体中大量悬浮的微纳 颗粒，进一步增大了熔体粘度，使渣、气去除更加困难。通过旋转喷吹和真空除气实 现熔体净化，如图4所示。
将处理后的铝熔体2导入如图6所示的调压铸造装置，调压铸造装置包括电阻保温炉21，电阻保温炉21内设置有坩埚22，其内为处理后的铝熔体2，密封顶盖23将 坩埚22密封在电阻保温炉21之中，压缩空气管29向电阻保温炉21内通入压缩空气， 铝熔体2在压缩空气压力作用下上升，通过上升管24进入密封顶盖23上方的铸型25 中。
如图7所示，为使铝熔体2在更大的压力下凝固，在铸型25上方设置与上升管 24连通的重力液压管26，或者进一步增加压缩空气压力，或者关闭压缩空气阀门30 并自重力液压管26的上浇口28加入铝熔体2，使得铝熔体进入重力液压管26中。让 充型后的铝熔体2在较高压力下结晶凝固，而根据帕斯卡定律这个更高的压力可以通 过控制铝熔体2在重力液压管26内的高度来实现。相比于常规的差压铸造，该方案可 以无需复杂的控制气路。进一步地，在重力液压管26的上浇口28旁还设置有排气口 27，且排气口27高于上浇口28，避免从上浇口28注入铝熔体2时，造成排气口27 的堵塞。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术 人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得 到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种熔体控制原位自生铝基复合材料调压铸造方法，其特征在于，包括步骤：
(1)提供包括抽气口(4)和浸入管(5)的真空包(3)，所述浸入管(5)被设置为可浸入至铝熔炉(1)中的铝熔体(2)中；提供用于氩气旋转喷吹的石墨转子，所述石墨转子具有石墨转杆(6)和喷头(9)，所述石墨转杆(6)被设置为通过设置在所述真空包(3)顶部的密封轴承(7)，穿过所述真空包(3)的真空室(8)，将所述喷头(9)插入铝熔体(2)的底部；所述的石墨转杆(6)包括内管(65)和外管(63)，所述的外管(63)通过旋转接头(62)与氩气喷吹管(631)相连，所述的内管(65)与粉料输送仓(61)相连，所述的粉料输送仓(61)与粉料输送气管(611)相连；提供电磁搅拌装置，所述的电磁搅拌装置设置在所述的铝熔炉(1)的下方；
(2)使所述真空包(3)的浸入管(5)浸入铝熔体(2)中，通过所述的抽气口(4)对所述真空室(8)内抽真空；
(3)降下所述石墨转子，使得所述石墨转杆(6)通过设置在所述真空包(3)顶部的密封轴承(7)，穿过所述真空包(3)的真空室(8)，将所述喷头(9)插入铝熔体(2)的底部；
(4)所述氩气喷吹管(631)通过所述的外管(63)进行氩气喷吹；通过所述的粉料输送气管(611)的所述的内管(65)，将所述的粉料输送仓(61)内的粉料喷吹入铝熔体(2)中；
(5)启动所述的电磁搅拌装置，对所述的铝熔体(2)进行电磁搅拌；
(6)将处理后的所述铝熔体(2)导入调压铸造装置，调压铸造装置包括电阻保温炉(21)，所述电阻保温炉(21)内设置有坩埚(22)，其内为处理后的所述铝熔体(2)，密封顶盖(23)将所述坩埚(22)密封在所述电阻保温炉(21)之中，压缩空气管(29)向所述电阻保温炉(21)内通入压缩空气，使得所述铝熔体(2)在压缩空气压力作用下上升，通过上升管(24)进入所述密封顶盖(23)上方的铸型(25)中；
(7)在所述铸型(25)上方设置与所述上升管(24)连通的重力液压管(26)，或者进一步增加压缩空气压力，或者关闭压缩空气阀门(30)并自所述重力液压管(26)的上浇口(28)加入所述铝熔体(2)，使得所述铝熔体(2)自所述铸型(25)进一步上升进入所述重力液压管(26)中，通过控制所述铝熔体(2)在所述重力液压管(26)的高度，使得所述铸型(25)中所述铝熔体(2)在所需的压力下凝固。
2.如权利要求1所述的熔体控制原位自生铝基复合材料调压铸造方法，其特征在于，其中，所述粉料包括Na3AlF6、LiF3、LiCl3的反应助剂和NaBF4和Na2TiF6的反应盐。
3.如权利要求2所述的熔体控制原位自生铝基复合材料调压铸造方法，其特征在于，其中，所述粉料中还包含复合镧铈稀土中间合金变质剂。
4.如权利要求1所述的熔体控制原位自生铝基复合材料调压铸造方法，其特征在于，向铝熔体(2)施加2-4T的脉冲磁场。
5.如权利要求1所述的熔体控制原位自生铝基复合材料调压铸造方法，其特征在于，向铝熔体(2)施加200-1800W/m2的高能超声场。
6.如权利要求1所述的熔体控制原位自生铝基复合材料调压铸造方法，其特征在于，在所述的铝熔炉(1)的炉体上部侧壁设置铝熔体出口流道(13)，在所述的铝熔炉(1)的炉体底部侧壁设置铝熔体入口流道(14)；所述的铝熔体出口流道(13)和铝熔体入口流道(14)上分别设置有出口流道止流滑板(131)和入口流道止流滑板(141)；当一炉铝熔体(2)处理完毕后，打开所述出口流道止流滑板(131)和入口流道止流滑板(141)，从所述的铝熔体入口流道(14)通入待处理的新的铝熔体(2)，使所述铝熔炉中的已处理完毕的铝熔体(2)自所述的铝熔体出口流道(13)流出，导入所述调压铸造装置的所述坩埚(22)中。
7.一种熔体控制原位自生铝基复合材料调压铸造系统，其特征在于，包括：
盛有铝熔体(2)的铝熔炉(1)；
真空包(3)，所述的真空包(3)具有浸入管(5)和抽气口(4)，所述浸入管(5)被设置为可浸入至所述的铝熔炉中的铝熔体(2)中，所述的抽气口(4)用于对所述的真空包(3)抽真空；
用于氩气旋转喷吹的石墨转子，所述石墨转子具有石墨转杆(6)和喷头(9)，所述石墨转杆(6)被设置为通过设置在所述真空包(3)顶部的密封轴承(7)，穿过所述真空包(3)的真空室(8)，将所述喷头(9)插入至所述铝熔体(2)的底部；
石墨转杆(6)，包括内管(65)和外管(63)，内管(65)和外管(63)内为氩气喷吹管道(64)，所述的外管(63)通过旋转接头(62)与氩气喷吹管(631)相连，所述的内管(65)与粉料输送仓(61)相连，所述的粉料输送仓(61)与粉料输送气管(611)相连，内管(65)内为粉料输送管道(66)；
电磁搅拌装置，所述的电磁搅拌装置设置在所述的铝熔炉(1)的下方；
调压铸造装置，包括电阻保温炉(21)，所述电阻保温炉(21)内设置有坩埚(22)，密封顶盖(23)将所述坩埚(22)密封在所述电阻保温炉(21)之中，用于向电阻保温炉(21)中通入压缩空气的压缩空气管(29)，所述坩埚(22)内设置有上升管(24)，所述上升管(24)通向设置在所述密封顶盖(23)上方的铸型(25)，在所述铸型(25)上方设置有与所述上升管(24)连通的重力液压管(26)，重力液压管(26)上端连接上浇口(28)。
8.如权利要求7所述的熔体控制原位自生铝基复合材料调压铸造系统，其特征在于，在所述重力液压管(26)的所述上浇口(28)旁还设置有排气口(27)，且所述排气口(27)高于所述上浇口(28)。
9.如权利要求7所述的熔体控制原位自生铝基复合材料调压铸造系统，其特征在于，还包括可向所述铝熔炉(1)中的铝熔体(2)施加脉冲磁场的磁场发生装置。
10.如权利要求7所述的熔体控制原位自生铝基复合材料调压铸造系统，其特征在于，还包括可向所述铝熔炉(1)中的铝熔体(2)施加高能超声场的超声发生装置。
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