CN115298501A - 用于制备金属基体复合物的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于混合包含非金属颗粒的金属熔体的设备，该设备包括：容器，该容器用于容纳金属熔体，所述容器包括侧壁和底部；以及叶轮，该叶轮包括：转子，该转子被构造成浸没在金属熔体的顶表面处或下方，所述转子可围绕基本竖直轴线旋转，所述转子包括从竖直轴线径向向外延伸的至少两个环形地间隔开的叶片，并且被构造成在金属熔体中以每分钟至少200转的速率操作；以及表面板，该表面板在所述转子上方延伸并从所述转子的外半径向外延伸，并且定位成与金属熔体的顶表面齐平或者刚好浸没在金属熔体的顶表面下方。

Description

用于制备金属基体复合物的设备和方法

技术领域

本发明总体上涉及一种可用于制备金属基体复合材料的设备和方法。本发明特别适用于非铁(有色)金属基体复合物(例如铝合金基体复合物)的形成，并且在下文中与该示例性应用相关地公开本发明将是方便的。然而，应当理解，本发明不限于该应用，并且可以用于使用其它非铁合金形成各种金属基体复合物，例如基于镁或锌的金属基体复合物，该金属基体复合物结合了在合金熔体中不反应的非金属颗粒。

背景技术

以下对本发明背景技术的讨论旨在便于对本发明的理解。然而，应当理解，该讨论不是确认或承认所引用的任何材料在本申请的优先权日时是公开的、已知的或公知常识的一部分。

金属基体复合物(MMC)是由嵌入有增强材料的金属基体构成的复合材料，增强材料由诸如纤维、微粒、粉末等非金属材料或不同的金属形成。增强材料赋予复合物强度、刚度和其它期望的性能，同时金属基体保护增强材料并在复合物内传递载荷。

MMC通过将增强材料分散在整个金属基体中而形成。一种已获得广泛认可的用于形成MMC的方法是搅拌铸造，该搅拌铸造主要涉及使用旋转叶轮将增强材料混合到熔融金属熔体中。例如，使用搅拌铸造技术形成铝合金MMC通常涉及以下过程步骤：

·在容纳在熔炉中的高温容器(例如坩埚)中熔融Al合金以形成金属熔体；

·使用包括旋转叶轮的熔体搅拌系统将增强材料(例如陶瓷颗粒)供给到在金属熔体中形成的向下吸取的涡流中，从而形成熔体混合物；

·使用叶轮连续搅拌熔体混合物一段时间，以使增强材料完全润湿并将增强材料分布在整个熔体混合物中；以及

·浇铸熔体混合物。

用于制造MMC的常规熔体搅拌系统使用叶轮，该叶轮被远低于熔体表面放置，通常靠近熔炉的底部。这些布置依赖于剪切力，该剪切力或者位于由旋转叶片产生的湍流之间或者位于靠近另一固定表面移动的叶轮表面之间，以破碎熔体混合物内的任何结块的陶瓷粉末和颗粒。这些常规的熔融搅拌技术的示例包括：

美国专利No.4,786,467和No.4,865,806(Duralcan技术)公开了一种熔体搅拌系统，该熔体搅拌系统使用涡流混合以在高于金属的液相线温度的温度下将陶瓷粉末混合到铝合金熔体中。该系统使用容纳熔融铝合金的熔炉加热坩埚和由石墨或涂覆钢制成的马达驱动的桨式旋转叶轮。由旋转叶轮形成的涡流用于将陶瓷颗粒吸入熔体中，然后连续操作以将颗粒簇分散在熔体中。要求熔炉和其中的坩埚在真空下操作，以防止熔体表面和涡流中的熔体表面氧化，并允许任何截留的空气从坩埚的底部逸出。然而，由于破碎结块和产生增强材料在熔体混合物内的均匀分布所需的延长的混合时间，因此该系统的混合效率低。此外，在熔炉中建立真空环境的成本高。

美国专利No.6,106,588(MC-21)和US64914923教导了一种MMC熔体搅拌系统，该MMC熔体搅拌系统通过在熔体上方注入惰性气体(氩气或氮气)以减少熔体表面的氧化来避免使用真空。使用中空的供给轴在叶轮下方将增强材料(陶瓷粉末)引入到熔体中。由于与液态相比熔体的粘度高，因此熔体被保持在半固态以在混合期间实现更高的剪切力。半固态熔体的较高粘度产生较高的剪切力以破碎增强材料中的任何结块。然而，对于能够被添加到非常高粘性的半固态熔体的陶瓷粉末的量存在限制。此外，难以从处于半固态下的金属熔体中除去夹带的气体，这往往产生多孔金属基体复合物。半固态熔体还导致对叶轮的高磨损率，从而导致高的维修和维护成本。

因此，希望提供一种用于制备MMC的新的或替代的设备和方法。

发明内容

本发明对MMC的生产，特别是用于生产MMC的熔体搅拌系统提出了改进。利用本发明生产的MMC可以用于高性能结构和功能应用。

本发明的第一方面提供了一种用于混合包含非金属颗粒的金属熔体的设备(熔体搅拌系统)，所述设备包括：

容器，所述容器用于容纳所述金属熔体，所述容器包括侧壁和底部；以及

叶轮，所述叶轮包括：

·转子，所述转子被构造成浸没在所述金属熔体的顶表面处或下方，所述转子能够围绕基本竖直轴线旋转，所述转子包括从所述竖直轴线径向向外延伸的至少两个环形地间隔开的叶片，并且被构造成在所述金属熔体中以每分钟至少200转的速率操作；以及

·表面板，所述表面板在所述转子上方延伸并从所述转子的外半径向外延伸，并且定位成与所述金属熔体的顶表面齐平或者刚好浸没在所述金属熔体的顶表面下方。

本发明提供了一种用于在金属基体复合物的搅拌铸造过程中使用的新型混合叶轮系统。该叶轮混合系统用于将非金属颗粒均匀地分散在金属熔体内，并使熔体表面处的干扰最小化。混合还有助于使非金属颗粒被金属熔体中的金属基体充分润湿。

应当理解，“定位成与…齐平”表示表面板定位在与金属熔体的顶表面相同的水平处，与金属熔体接触或至少部分地浸没在金属熔体中。这里，表面板可以搁置在金属熔体的顶表面上，其中表面板的底表面与金属熔体的顶表面接触，或者表面板可以在金属熔体的顶表面处至少部分地浸没在金属熔体内。

还应当理解，“刚好浸没在金属熔体的顶表面下方”表示表面板定位成浸没在金属熔体中，但是相对于容器内的金属熔体的高度靠近顶表面。这里，相对于容器内的金属熔体的总体积，仅有相对小体积(通常小于1％，优选小于0.5％，更优选小于0.1％)的金属熔体位于表面板的上表面上方。

因此，在实施方式中，表面板可以在转子上方延伸并从转子的外半径向外延伸，并且定位成与金属熔体的顶表面齐平或者浸没在金属熔体的顶表面下方并且靠近金属熔体的顶表面。

表面板的作用是在转子旋转(通常以高速)时以及在一些实施方式中当转子靠近金属熔体的顶表面时，使熔体表面处的干扰最小化。表面板减少了由转子在金属熔体的顶表面上引起的搅动。表面板通过定位成与金属熔体的顶表面齐平或者刚好浸没在金属熔体的顶表面下方并且覆盖金属熔体的顶表面来实现这一点。因此，表面板的尺寸应优选地被选择为尽可能多地覆盖金属熔体的顶表面。在实施方式中，表面板的尺寸被设计成基本上覆盖金属熔体的顶表面。例如，表面板的尺寸可以被设计成具有与容器在金属熔体的顶表面处的直径基本上相同的直径。因此，在该位置使用表面板在靠近金属熔体的顶表面定位时减轻并且更优选地防止表面波的产生。

表面板优选地定位成与金属熔体的顶表面直接连通。这种定位减轻了并且更优选地防止了表面波的产生，并且还优选地将表面板定位成使金属熔体的表面处的氧摄取最小化。在这方面，表面板优选地定位成在其下方提供低氧至零氧环境。如上所述，表面板还可以被构造成覆盖金属熔体表面的大部分，从而保护金属熔体表面不与大气空气相互作用。在这方面，表面板的尺寸还优选地被设计成在其下方提供低氧至零氧环境。

表面板可以具有任何合适的构造。在其中表面板包括圆盘的实施方式中，表面板可以包括基本上平面的或扁平的板。在其它形式中，表面板包括相对于表面板的中心朝向板的外轮缘或边缘的向下弯曲。这种向下弯曲(特别是在轮缘处)有助于引导熔体流远离熔体表面。后者被认为有益于通过将熔体流朝向壁引导来防止熔体流过表面板的顶部。熔体向上流过表面板可能导致由陶瓷粉末组成的浮渣的形成(即陶瓷添加物的损失)以及在所得到的金属基体复合物中产生氧化物缺陷。

还应当理解，在叶轮构造中提到的基本竖直轴线与包含转子的容器的轴线相关，并且相对于该容器的定向。

转子被构造成以适当快的速度(每分钟至少200转(rpm)，优选地至少500rpm)旋转，以便在引导金属熔体沿竖直轴线向上流动并径向向外流动穿过每个径向孔并冲击框住每个径向孔的定子的结构时产生足够的冲击力和剪切力。转子被构造成旋转的速度可根据应用而变化。在实施方式中，转子被构造成在金属熔体中以200至4000rpm的速率操作，优选地以500至3000rpm、更优选地以500至2000rpm的速率操作。在实施方式中，转子被构造成以至少1000rpm，优选500至3500rpm，并且更优选500至2500rpm的速率操作。在特定实施方式中，转子被构造成以800至2500rpm，优选地以约1500rpm旋转。

进行混合持续足以将熔融金属合金润湿到非金属颗粒并将颗粒分布在整个熔融金属合金中的持续时间。因此，转子优选地被构造成操作至少10分钟，优选地至少15分钟，以将非金属颗粒混合在整个金属熔体中。

表面板优选地被构造成与转子分离，优选地与转子操作地分离。在这个方面，表面板优选地被构造为与转子分离的部件，并且不与转子围绕竖直轴线的旋转在功能上或操作上互连。此外，表面板优选地被构造成相对于转子抗旋转地固定不动。这可以通过将表面板绕竖直轴线固定在设备内的适当位置来实现，从而允许转子作为与表面板分离的部件而旋转。表面板被构造为在转子的顶部上方延伸的固定表面板。在实施方式中，表面板包括扁平片材，优选地成形为圆盘。圆盘优选具有足够大的直径以尽可能多地覆盖熔体的自由表面，以防止熔体表面的干扰并因此减少氧化物杂质的产生。

在一些实施方式中，叶轮还可以包括定子，定子包括具有顶部和包围转子的环形侧面的壳体，环形侧面包括相对于竖直轴线的至少一个径向孔，其中叶轮被构造成将金属熔体吸入转子中，然后将该金属熔体从转子径向向外引导到定子中，以将金属熔体引导到定子的每个径向孔上并穿过定子的每个径向孔。

定子的使用提供了一种新颖设计的冲击混合叶轮系统(IMIS系统)，以用于金属基体复合物的搅拌铸造过程。如下面更详细地解释的，定子的使用可以有助于破碎在金属熔体内的非金属颗粒的任何结块。

叶轮优选地定位在金属熔体内，其中转子定位成浸没在金属熔体的表面处或金属熔体的表面下方，优选地刚好在金属熔体的表面下方。当被采用时，定子优选地定位在容器的上部中，通常在金属熔体的表面处或刚好在金属熔体的表面下方。当定子定位在金属熔体的表面处时，定子的顶部通常定位成与金属熔体的顶表面齐平或高于金属熔体的顶表面，即与暴露于大气的定子的顶部齐平。

叶轮的该实施方式被设计成将金属熔体抽吸通过转子并与定子发生冲击。在此，转子下方和/或上方的金属熔体被吸入转子中并且然后从转子径向向外地跨到定子中。金属熔体通常从下方而不是从金属熔体的顶表面被吸入转子中。来自转子的径向向外流动被引导到定子的每个径向孔上并穿过定子的每个径向孔，其中金属熔体流(包含非金属颗粒的熔融金属)冲击框住每个径向孔的定子的部件。转子的高速度能够破碎和/或粉碎金属混合物的该部分内的非金属颗粒中的任何材料结块。因此，叶轮用于产生非金属颗粒在整个金属熔体中充分混合的混合物，并破碎金属熔体中的非金属颗粒中的任何结块。

定子可以与表面板分离，并且可选地浸没在表面板下方，从而浸没在金属熔体内。在这些实施方式中，定子和转子都浸没在金属熔体中，位于金属熔体的顶表面和容器的底部之间，例如在容器内的熔融金属的1/3和2/3高度-即从金属熔体的顶表面到容器的底部的总高度-之间。在一些实施方式中，转子定位在从金属熔体的顶表面到容器的底部的总高度的1/5和3/5之间。在一些实施方式中，转子定位在从金属熔体的顶表面到容器的底部的总高度的1/10和1/4之间。在一些实施方式中，转子定位成不超过从金属熔体的顶表面到容器的底部的总高度的2/3(小于或等于2/3)，优选不超过1/3，并且更优选不超过1/6。在一些实施方式中，转子定位成不超过从金属熔体的顶表面到容器的底部的总高度的1/4，优选地1/5，更优选地不超过1/5，并且还更优选地不超过1/10。在优选实施方式中，定子和转子浸没在金属熔体中，靠近金属熔体的顶表面或在金属熔体的顶表面处。

在其它实施方式中，表面板包括定子的顶壁(顶板)。在这些实施方式中，叶轮定位成浸没在金属熔体内，其中表面板与金属熔体的顶表面齐平或刚好浸没在金属熔体的顶表面下方。

在一些实施方式中，表面板可具有与定子相同的直径。然而，应当理解，表面板的直径可以显著大于定子直径，特别是在熔炉具有比定子大得多的直径的那些实施方式中。

定子优选地被构造成相对于转子固定不动，并且更具体地，相对于竖直轴线并且围绕竖直轴线，相对于转子抗旋转地固定不动。这可以通过将定子绕竖直轴线固定在设备内的适当位置，允许转子在由定子提供的固定壳体内旋转来实现。定子可以具有任何合适的构造。在实施方式中，定子包括表面板，该表面板在转子上方延伸并且从定子的外半径(通常由转子的叶片的外边缘或尖端限定)向外延伸。此外，表面板被构造为在转子的顶部上方延伸的固定表面板。在实施方式中，表面板包括扁平片材，优选地成形为圆盘。圆盘优选具有足够大的直径以尽可能多地覆盖熔体的自由表面，从而防止熔体表面的干扰并因此减少氧化物杂质的产生。在表面板下方延伸的是包括至少一个径向孔的环形侧面。每个径向孔包括在定子的环形侧面中的径向定向的开口。

应当理解，固定不动的定子部件和转子部件之间的间隙需要足够大以不阻塞(即，如果间隙太小)，或者如果间隙太大，则在颗粒结块的破碎方面无效。

定子优选地包括围绕竖直轴线环形地间隔开的两个或更多个径向孔，并且更优选地包括围绕竖直轴线环形地间隔开的多个径向孔。每个径向孔可以包括在定子的侧面(侧壁)中的开口。然而，优选地是将每个径向孔构造为适于从转子向外引导流动的径向通路或通道。每个径向通路/通道可由至少两个间隔开的径向延伸构件形成，所述径向延伸构件还在表面板和定子的基板之间轴向延伸。径向延伸构件在表面板和基板之间形成引导叶片，该引导叶片从叶轮径向向外径向地引导来自转子的流动。从转子到金属熔体的径向通路/通道使得金属熔体能够通过转子的旋转而从转子和竖直轴线被径向向外引导。应当理解，在引导来自转子的流动的过程中，金属熔体冲击这些引导叶片。径向延伸构件的厚度还通过这些构件的端部与转子的叶片之间的剪切作用而在将颗粒结块或簇破碎方面起作用。

定子的基板通常包括位于转子下方的开口，以允许金属熔体被吸入叶轮中并穿过到达转子。为了实现这一点，定子的基板可以包括环形板，优选地包括从转子的外半径径向地延伸到定子的外侧的基本上平面的环形形状的板。基板通过径向延伸构件与表面板间隔开。

叶轮的转子可以具有任何合适的结构和构造，其在容器的金属熔体中产生流动模式，即旋流。在实施方式中，转子包括附接到驱动轴的圆柱形轮毂。转子的各个叶片附接到轮毂，并且围绕轮毂的圆周间隔开。转子通常包括至少两个环形地间隔开的叶片，并且更优选地包括多个环形地间隔开的叶片。在一个特定实施方式中，转子包括四个环形地间隔开的叶片。在另一个实施方式中，转子包括八个环形地间隔开的叶片。转子的各个叶片优选地附接到旋转轴的一端。在叶轮包括定子的情况下，叶片优选地位于定子内。转子的各个叶片优选地具有相同的长度和构造。转子优选地包括径向流动叶轮。在一些实施方式中，每个叶片包括扁平叶片，即具有扁平叶片构造。然而，在其它实施方式中，叶片可包括弯曲部分或是弯曲的。与现有MMC搅拌铸造过程(例如，如背景技术部分中的概述)中使用的叶轮相比，叶片更小(通常直径至少小50％)。在实施方式中，外转子直径与容器直径的比率为1:3至1:5，优选1:4。在实施方式中，转子直径与定子直径的比率为1:2至1:3。

叶轮的表面板、定子和转子可由能够承受来自金属熔体内的陶瓷颗粒填充的复合基体内的高速旋转的温度、机械要求和腐蚀作用的任何合适的材料形成。在实施方式中，表面板、定子和转子由陶瓷材料形成。合适的陶瓷材料包括氮化物、硅化物、氧化物和碳化物。特别优选的陶瓷包括碳化硅、氧化铝、碳化硼、氮化硅和氮化硼。在具体实施方式中，表面板、定子和转子由Si₃N₄合金例如SiAlON陶瓷形成。应当理解，例如通过在包括径向延伸构件的径向孔的边缘和侧面处使用例如抗冲击和/或耐磨材料，可以优化用于浸没在熔体中的叶轮的这些部件的材料选择和设计。

叶轮可被构造成位于金属熔体内的任何合适位置处。叶轮被构造成位于金属熔体中，其中叶轮的表面板定位成与金属熔体的顶表面齐平(即，在金属熔体的顶表面的水平处)或刚好在金属熔体的顶表面下方。在表面板包括定子的顶板(顶侧)的情况下，定子的顶板可以定位成与金属熔体的顶表面齐平(即，在金属熔体的顶表面的水平处)或刚好在金属熔体的顶表面下方。在该位置使用表面板在靠近金属熔体的顶表面定位时减轻并且更优选地防止产生表面波。定子的表面板避免了由转子产生的金属熔体的顶表面的搅动。径向孔径向向外引导流动，而不是朝向金属熔体的顶表面引导流动。在其它实施方式中，叶轮被构造成浸没在液体表面下方一段距离，该距离大约是液体高度的三分之一，该液体高度即为从金属熔体的顶表面到容器的底部的总高度。

在一些实施方式中，叶轮被操作以产生旋流模式。在叶轮定位在容器的上部中的情况下，例如在金属熔体的表面处或刚好在金属熔体的表面下方，叶轮被构造成产生：(a)沿所述竖直轴线定位的内部向上流动区域；(b)围绕转子定位的过渡流动区域，在过渡流动区域中，液体朝向容器侧壁径向向外移动穿过定子的至少一个径向孔；以及(c)外部向下流动区域。在实施方式中，向下流动区域沿着侧壁定位。

应当理解，在容器的金属熔体中产生的旋流包括通过容器的稳定旋流，其特征在于：(i)邻近容器的容纳壁的围绕所述竖直轴线的适度旋转流动的外部环形区域，旋转流动从上端朝向下端(即，向下流动区域)移动，以便维持液体在容器的容纳侧壁上的连续流动；(ii)位于叶轮中和围绕叶轮的过渡流动区域，在该过渡流动区域中，液体朝向容器侧壁径向向外移动；以及(iii)围绕容器的中心区域的围绕所述轴线的快速旋转流动的内核区域，旋转流从下端朝向上端(即，向上流动区域)移动，该内核区域从基本邻近容器的下端延伸到叶轮。应当理解，过渡流动区域由转子在操作期间改变流动方向而产生，并且还通过金属熔体混合物与定子壁的冲击而产生。

旋流模式的益处在于，与具有增强气体-金属熔体界面的涡流的现有技术布置相比，金属表面相对不受干扰。这种流动模式对顶表面的干扰小于现有技术的向下涡流对顶表面的干扰。由固定定子顶部推动的水平过渡流动有利地有助于提供不受干扰的顶表面。另外，与现有技术布置相比，这种旋流模式减少了熔体内的氧化，并且避免了对诸如真空熔炉的高资本设备的需要。

在实施方式中，由叶轮产生的流动模式也可以受该构造影响，典型地受表面板的曲率影响。优选的是叶轮被操作以改变表面板上方的流动，使得流动被引导远离熔体表面以防止熔体表面的干扰。在实施方式中，定子的表面板具有弯曲形状，优选地为凸形弯曲形状，以影响流动模式具有向下方向。然而，优选的是，流动模式使顶部流动平行于熔体表面。因此，在其它实施方式中，表面板是平面的或扁平的。

金属材料和非金属颗粒优选包括金属/金属合金和可以共存于金属熔体中的非金属颗粒。金属材料优选地包括非铁金属或金属合金，并且优选地选自：铝或铝合金；或镁或镁合金；或锌或锌合金。优选地，金属材料是铝或铝合金。

非金属颗粒优选是陶瓷或包括粉末的结晶微粒材料。在实施方式中，非金属颗粒包括金属氧化物、金属氮化物、金属碳化物或金属硅化物，优选呈耐火陶瓷的形式。示例包括碳化硅、二氧化硅、氧化铝、碳化硼、氮化硅、氮化硼、碳化钛、碳化钽、硼化钛(二硼化钛)、碳化钨以及飞灰等。最优选的复合材料是铝基体复合物(AMC)，例如在铝合金基体中的碳化硅或氧化铝微粒增强材料。

非金属颗粒可以具有期望包括在MMC组合物中的任何适合的颗粒尺寸范围。在实施方式中，颗粒尺寸范围为8微米至100微米。在其它实施方式中，非金属颗粒包括亚微米颗粒。

本发明能够生产具有高负载水平的非金属颗粒(＞20％体积分数，更特别地＞30％体积分数)的MMC。因此，金属熔体可以包括这样的组合物，其中非金属颗粒占金属熔体的5％至40％体积，优选占金属熔体的至少20％体积，优选占金属熔体的5％至40％体积，优选20％至40％体积。更优选大于30％体积。在一些实施方式中，非金属颗粒占金属熔体的30％至40％体积。本发明在生产具有高水平的(＞20％体积分数，更特别地＞30％体积分数)陶瓷颗粒非金属增强材料含量的铝合金基体复合物(AMC)中具有特别的应用。

该设备可以包括用于将非金属颗粒供给到金属熔体中的供料器。该供料器通常包括将非金属颗粒供给到熔体的表面上的供给管道，或者可以包括将非金属颗粒注入到金属熔体中的浸没式供料器，例如浸没式供给喷枪等。在实施方式中，通过顶部供料器将非金属(增强)颗粒供给到金属熔体的表面上。颗粒通过简单的转子被吸入熔体中，该转子产生涡流但几乎没有破碎作用。一旦非金属颗粒进入金属熔体位于熔体表面下方(但未分散)，则使用本发明的设备和过程来分散颗粒簇。

金属熔体优选地是在叶轮的操作期间的熔融液体熔体，以便将金属颗粒混合在熔体中。为了形成熔融液体熔体，金属熔体优选包含具有非金属颗粒的熔融金属混合物，该熔融金属混合物维持在从约金属的液相线温度至高于液相线温度100℃(优选地高于液相线温度约80℃至100℃)的温度范围内。在一些实施方式中，温度范围比金属熔体的金属或金属合金的液相线温度高至少20℃。

在一些实施方式中，至少一种惰性气体被施加在金属熔体的至少顶表面上。合适的惰性气体包括氮气或氩气。

在特定实施方式中，本发明应用于高度等于或大于容器的直径的容器。已经发现本发明在高度为直径1至3倍的容器中提供了令人满意的混合。在一些实施方式中，容器侧壁高度与容器直径的比率至少为2。然而，应当理解，该方法可适于与任何尺寸的商业熔炉一起工作。容器优选包括上端和下端，并包括在上端和下端之间延伸的大致圆柱形容纳侧壁。容器优选具有圆形横截面。在多个实施方式中，容器包括坩埚。

本发明还涉及一种用于形成金属基体复合物的搅拌铸造设备，该搅拌铸造设备包括根据本发明的第一方面的用于混合包含颗粒的金属熔体的设备。

本发明的第二方面提供了一种将非金属颗粒混合到熔融金属中的方法，所述方法包括：

在高于熔融金属或金属合金的液相线的温度下，用叶轮混合保持在容器中的包括非金属颗粒和熔融金属或金属合金的混合物的金属熔体，所述容器包括侧壁和底部，所述叶轮包括：

·转子，所述转子定位在所述金属熔体的表面处或下方，所述转子围绕基本竖直轴线旋转，所述转子包括从所述竖直轴线径向向外延伸的至少两个环形地间隔开的叶片，并且在所述金属熔体中以每分钟至少200转的速率旋转；以及

·表面板，所述表面板在所述转子上方延伸并从所述转子的外半径向外延伸，并且定位成与所述金属熔体的顶表面齐平或者刚好浸没在所述金属熔体的顶表面下方。

本发明的这一方面提供了一种用于形成充分混合的金属和非金属颗粒熔体混合物的熔融混合方法。再次，表面板的作用是使转子旋转时金属熔体的顶表面处的干扰最小化，转子通常在靠近金属熔体的顶表面的位置处。

应当理解，本发明的该第二方面的方法可以使用根据本发明的第一方面的设备来执行，因此对第一方面的特征的描述同样适用于该第二方面。

在示例性实施方式中，叶轮还包括定子，定子由具有顶部和包围转子的环形侧面的壳体构成，环形侧面包括相对于竖直轴线的至少一个径向孔。在这些实施方式中，转子被操作以将金属熔体向内抽吸(抽吸到转子中并穿过转子)，然后从转子径向向外抽吸到定子中，然后将金属熔体引导到定子的每个径向孔上并穿过定子的每个径向孔。

如上所述，金属熔体从转子的径向向外流动被引导到定子的每个径向孔上并穿过该径向孔，其中，流动冲击框住孔的定子的部件。转子的高速能够粉碎金属混合物的该部分内的非金属颗粒中的任何材料结块。因此，本发明的该实施方式在处于金属的液相线温度处或高于该液相线温度的温度下进行高冲击混合，使得高水平的非金属颗粒(例如陶瓷颗粒)负载(＞20％体积或更高，优选＞30％体积)能够使用该方法容易地均匀地混合。所得到的高冲击混合还去除熔体中夹带的空气，因此可以产生致密的金属基体复合物(比常规搅拌铸造过程中使用的现有混合技术更致密)。

转子可以被操作以在金属熔体中产生旋流模式。在这些实施方式中，转子被操作以产生流动模式，该流动模式包括：(a)沿所述竖直轴线定位的内部向上流动区域；(b)围绕转子定位的过渡流动区域，在过渡流动区域中，液体朝向容器侧壁径向向外移动穿过定子的至少一个径向孔；以及(c)外部向下流动区域。

在混合步骤期间，转子在金属熔体中以每分钟至少500转、优选每分钟200至4000转的速率旋转。在实施方式中，转子以至少1000rpm的速率旋转，优选500至3000rpm，更优选500至2000rpm。在特定的实施方式中，转子以800至2500rpm，优选约1500rpm的速率旋转。混合进行足以将熔融金属合金润湿到颗粒并将颗粒分布在整个熔融金属合金中的时间。在实施方式中，混合进行至少5分钟，优选至少10分钟，优选至少15分钟。在实施方式中，混合时间通常为10至15分钟。

叶轮可以位于金属熔体内的任何合适的位置。在实施方式中，叶轮位于金属熔体中，其中叶轮的表面板定位成与金属熔体的顶表面齐平(即，在金属熔体的顶表面的水平处)或刚好浸没在金属熔体的顶表面下方。转子可以靠近表面板定位，或者可以浸没在金属熔体的液体表面下方，即从金属熔体的顶表面到容器的底部的总高度。在一些实施方式中，转子定位在从金属熔体的顶表面到容器的底部的总高度的1/5和3/5之间。在一些实施方式中，转子浸没在金属熔体的液体表面下方一段距离，该距离大约是容器中的金属熔体的高度的三分之一。在其它实施方式中，转子可朝向深容器的下部放置以确保有效混合，例如，放置在从金属熔体的顶表面到容器的底部的总高度的4/5与5/6之间。在一些实施方式中，转子定位成不超过从金属熔体的顶表面到容器的底部的总高度的2/3(小于或等于2/3)，优选地不超过1/3，并且还更优选地不超过1/6。在一些实施方式中，转子定位成不超过从金属熔体的顶表面到容器的底部的总高度的1/4，优选地不超过1/5，更优选地不超过1/6，并且还更优选地不超过1/10。在优选实施方式中，定子和转子靠近金属熔体的顶表面或在金属熔体的顶表面处浸没在金属熔体中。

表面板优选地被构造成与转子操作地分离。如上所述，表面板可以被构造为与转子分离的部件，并且不与转子围绕竖直轴线的旋转在功能上或操作上互连。此外，表面板优选地相对于转子抗旋转地固定不动。这可以通过将表面板绕竖直轴线固定在设备内的适当位置来实现，从而允许转子作为与表面板分离的部件旋转。表面板被构造为在转子的顶部上方延伸的固定表面板。

金属材料可以选自：铝或铝合金；镁或镁合金；或锌或锌合金。非金属颗粒优选包括陶瓷或结晶微粒材料。在实施方式中，非金属颗粒包括金属氧化物、金属氮化物、金属碳化物或金属硅化物，优选呈耐火陶瓷的形式。示例包括碳化硅、二氧化硅、氧化铝、碳化硼、氮化硅、氮化硼、碳化钨和飞灰。非金属颗粒优选占金属熔体的5％至40％的体积，优选20％至40％的体积。更优选大于30％的体积。

金属熔体优选包含具有非金属颗粒的熔融金属混合物，该熔融金属混合物维持在从约金属的液相线温度至高于液相线温度100℃，并且优选地高于液相线温度约80℃至100℃的温度范围内。在一些实施方式中，温度范围比金属熔体的金属或金属合金的液相线温度高至少20℃。

用于容器的供给材料是现有的具有较差颗粒分布的复合物或使用传统的涡流搅拌器在短时间内混合的熔体混合物(具有非金属颗粒的熔融金属或金属合金)。因此，在一些实施方式中，该方法可以包括形成金属熔体的步骤。这里，该方法包括将非金属颗粒供给到保持在容器中的熔融金属中以形成熔体混合物的初步步骤。

在一些实施方式中，至少一种惰性气体被施加在金属熔体的至少顶表面上方。合适的惰性气体包括氮气或氩气。

本发明的第三方面提供了一种用于制备用非金属材料的颗粒增强的金属合金复合物的方法，该方法包括：

根据本发明的第二方面的方法将非金属颗粒混合到熔融金属中；以及

浇铸所得混合物。

在本发明的第二方面和第三方面的混合和浇铸步骤期间，熔融金属不应被加热到太高的温度，否则在微粒和熔融金属之间可能存在不期望的反应，这劣化了微粒的强度和最终复合物的性能。因此，选择最高温度，使得在完成处理所需的时间内，在颗粒和金属熔体之间不发生显著程度的反应。熔体的最高温度为从金属熔体的金属或金属合金的液相线温度到高于液相线温度100℃。在实施方式中，取决于金属熔体的组合物，熔体的最高温度为高于液相线温度至少20℃，更优选地高于液相线温度约80℃至100℃。例如，发现对于含有挥发性的反应性合金元素的金属合金，最高温度为高于液相线约20℃，对于最常见的金属合金，最高温度为高于液相线约70℃，对于含有促进反应抗性的合金元素的金属合金，最高温度为高于液相线约100℃至约125℃。

本发明的第四方面提供了使用根据本发明的第三方面的方法制备的复合材料。

通过本发明的方法制造的复合材料具有带有非金属颗粒的金属基体的铸造微结构，通常为微粒，一般均匀地分布在整个铸造体积中。由于由旋流混合产生的充分混合和润湿过程，非金属颗粒很好地结合到基体。该浇铸复合物特别适合于通过初级成型操作诸如轧制和压挤成有用的形状的处理。铸造或浇铸和成型的复合物的性质取决于金属和非金属颗粒的性质，但通常具有高刚度和强度以及可接受的延展性和韧性。

本发明的另一方面提供了一种用于混合含有非金属颗粒的金属熔体的设备(熔体搅拌系统)，所述设备包括：

容器，所述容器用于容纳所述金属熔体，所述容器包括侧壁和底部；以及

叶轮，所述叶轮包括：

·转子，所述转子被构造成浸没在金属熔体的表面处或金属熔体的表面下方，转子可围绕基本竖直轴线旋转，所述转子包括从竖直轴线径向向外延伸的至少两个环形地间隔开的叶片，并且被构造成在金属熔体中以每分钟至少200转的速率操作；以及

·定子，所述定子包括具有顶部和包围转子的环形侧面的壳体，所述环形侧面包括相对于所述竖直轴线的至少一个径向孔；

其中，所述叶轮被构造成将所述金属熔体吸入所述转子中，然后将所述金属熔体从所述转子径向向外引导到所述定子中，以将所述熔体引导到所述定子的每个径向孔上并穿过所述定子的每个径向孔。

本发明的这个方面提供了一种新颖设计的冲击混合叶轮系统(IMIS系统)，该冲击混合叶轮系统用于金属基体复合物的搅拌铸造过程。该叶轮混合系统用于将非金属颗粒均匀地分散在金属熔体中，并破碎和/或粉碎该金属熔体中的非金属颗粒中的任何颗粒结块。混合还有助于用金属熔体中的金属基体充分润湿非金属颗粒。应当理解，本发明的这个方面与本发明的第一方面共有相同的特征，其中叶轮包括定子。关于该实施方式描述的特征同样适用于本发明的这个另外的方面。

与现有的搅拌铸造技术相比，本发明的设备和方法的优点如下：

·能够生产具有高负载水平的陶瓷粉末和颗粒(＞20％体积，优选＞30％体积)的AMC，使用常规的熔融混合技术可能难以实现。

·通过叶轮的冲击混合，减少了用于实现非金属颗粒在整个金属熔体中的均匀/一致分布的操作时间，使得能够更有效地破碎任何结块的非金属颗粒/粉末并释放所截留的气体。

·最小化对控制金属熔体上方的氧气水平的要求，导致简化过程设定和操作(尤其是对于完全液体熔体处理，其在本发明中可以在没有真空的情况下进行)。

·消除了使用真空熔融熔炉的需要，减少了该过程的资本支出和能量占用。

此外，应当理解，本发明的设备和方法通过实现以下性能中的一者或多者，能够以成本有效且高效的操作生产具有>20％体积、优选>30％体积的高陶瓷添加物的优质金属基体复合物：

a)从熔体中迅速释放截留的空气，以防止形成孔隙缺陷；

b)使用足够高的叶轮速度分散陶瓷添加物的陶瓷粉末的结块，同时不过度破坏熔体表面而形成浮渣缺陷；

c)避免了对真空环境的需要，这也是减少操作时间和成本的关键；

d)与现有搅拌铸造技术相比，减少了对叶轮的磨损；以及

e)在与现有搅拌铸造技术相当或更短的持续时间内操作，有助于控制操作成本。

附图说明

现在将参照附图描述本发明，附图示出了本发明的特定优选实施方式，其中：

图1是根据本发明的实施方式的冲击混合叶轮设备的示意性正视截面图。

图2提供了在图1所示的设备中使用的冲击混合叶轮的俯视截面图。

图3提供了在图1所示的冲击混合叶轮设备处于操作中时容器内的流动路径的示意图。

图4提供了在图1所示的设备中使用的混合叶轮的第一实施方式的两个视图，该设备包括定子(因此形成冲击混合叶轮)，图4示出了：(A)叶轮组件的仰视立体图；以及(B)叶轮组件的正视截面图。

图5示出了在图1所示的设备中使用的混合叶轮的第二实施方式，该设备包括表面板和转子的组合，图5示出了：(A)叶轮组件的正视截面图；(B)叶轮组件的表面板的两种不同的截面形状；以及(C)叶轮组件的底面照片。

图6示出了在使用本发明的混合设备进行混合之前用于将非金属颗粒添加到熔融金属熔体的叶轮构造。

图7提供了形成的金属基体复合物的光学显微图像，并示出了：(A)使用Duralcan技术形成的现有技术金属基体复合物；(B)使用常规涡流仅搅拌30分钟或更长时间形成的金属基体复合物，示出了大量的结块；和(C)使用本发明的过程和设备形成的金属基体复合物，示出了均匀的颗粒分布。

图8示出了上面两个光学显微图像，示出了通过涡流混合形成的Al合金基体中的SiC颗粒分布，(A)没有挡板；以及(B)具有挡板。

图9提供了将利用图5所示叶轮构造进行混合操作之前(A)和之后(B)的陶瓷分布进行比较的光学显微图像。

图10示出了比较混合运行的光学显微镜图像：其中SiC颗粒分布在Al合金基体中通过以下各项进行混合：(A)没有如图5所示的定子的叶轮；(B)具有图4所示定子的叶轮；和(C)具有图4所示定子的叶轮(更高放大倍数)。

具体实施方式

本发明提供了一种用于通过将非金属增强材料结合到金属基体材料(MMC)的熔融体中来制备金属基体复合材料的改进的熔融混合过程和设备。改进源于在将非金属增强材料混合到熔融金属中时提供和使用表面板。表面板定位成与金属熔体的顶表面齐平或者刚好浸没在金属熔体的顶表面下方并且覆盖金属熔体的顶表面。因此，在该位置使用表面板避免了转子对顶表面的搅动，从而减轻并且更优选地防止在金属熔体的顶表面处产生表面波。

在一些实施方式中，叶轮包括定子，该定子结合表面板。除了上述优点之外，使用定子中转子叶轮(rotor-in-stator)更有效地破碎被供给并混合到金属熔体中的非金属增强材料(例如陶瓷粉末和颗粒)中的结块颗粒。定子中转子叶轮系统导致操作时间的减少和非金属增强材料在金属熔体中的分布的改善。

应当理解，本发明的熔融混合设备和相关方法形成了用于形成MMC的搅拌铸造过程和设备的一部分。搅拌铸造是一种铸造过程，其中使用机械搅拌器将增强材料混合在金属基体材料中。该过程通常在熔炉中进行，例如用于加热和熔融材料的底部浇注熔炉或其它高温容器。使用搅拌器或叶轮型构造来混合引入熔体中的增强材料。在该过程中，金属基体材料在高温容器中熔融以形成熔融液体(根据具体过程，通常刚好低于、等于或刚好高于液相线温度)，并且起动搅拌器以在容器中的熔融液体内产生流体流，并且操作一定的时间段。然后将增强材料供给到熔融液体中。在完成供给增强材料之后，搅拌过程持续一定的时间段，以将增强材料完全分布在整个该熔融混合物中，并确保增强材料被熔融金属完全润湿。然后对该熔融混合物进行铸造，例如通过将熔融混合物浇注在预热的模具中并使熔融混合物固化。

在这种搅拌铸造过程中搅拌器的特性对铸造复合物的最终微结构和机械性能起到了至关重要的作用，因为它控制增强材料在金属基体内的分布。通过增强材料在整个金属熔体中的均匀分布，可以获得最佳的机械性能，从而提供增强材料在整个铸造复合物中的均匀分散。

本发明使用特殊构造的叶轮以在容器内产生旋流混合模式以及用于破碎任何颗粒结块的流动冲击区域。旋流模式提供用于固体悬浮物的竖直/轴向速度分量以及大的水平速度以增加容器壁上的总速度，从而增强整个容器中的混合。在该设定中，叶轮用于沿着容器的竖直轴线吸入熔体组合物(金属加上非金属颗粒)，并以大的切向速度分量径向向外排出熔体组合物，同时还赋予大的旋流速度(参见例如图1和图3，下面将更详细地解释)。当熔体组合物到达容器壁时，它改变方向并沿着容器壁螺旋向下。在到达容器底部之后，熔体组合物朝向容器的轴线螺旋前进。在这样做时，由于要求切向速度和半径的乘积保持恒定的角动量守恒，旋流速度增加。快速旋流的熔体组合物然后沿容器轴线上升并进入叶轮的旋转转子，在该旋转转子处叶轮赋予熔体组合物径向运动。

图1至图5示出了根据本发明的实施方式的典型混合设备100。所示混合设备100包括：高温容器102，通常是坩埚，该容器被构造成容纳金属熔体；以及搅拌器/叶轮组件104。容器102可以包括用于加热容器102的装置(未示出)。容器102包括容器侧壁120和容器底部124，并限定容器高度128和容器直径130。容器侧壁120包括容器侧壁内表面122。虽然未示出，但是供料器可以与容器102附接并且用于将非金属颗粒供给到保持在容器102中的金属熔体161中。

叶轮组件104包括搅动器，该搅动器包括叶轮轴142、机械驱动器和搅动器马达(未示出)以及叶轮300。搅动器马达通常是变速马达，其允许控制转子310的转速以每分钟200转或更高的转速旋转，更通常为1000至3000RPM。机械驱动器可以是相关领域中已知的任何机械驱动器，其可以适于使叶轮轴142和叶轮的转子旋转至期望的速度，例如齿轮箱、皮带驱动器、液压驱动器等。机械驱动器联接到叶轮轴142的上端。

如图1中最佳示出的，容器102内的熔体液体160包括熔体表面162、向上流动区域164、过渡流动区域166和向下流动区域168。熔体液体160包括与非金属颗粒(未示出，但应当理解为构成金属熔体161内的颗粒)混合的金属熔体161。金属和非金属增强材料的选择在上面更详细地讨论了。将该混合物加热并保持在金属的液相线温度和高于该液相线温度约100℃之间的温度下。

所示容器102是具有圆形横截面的圆柱形形状，并且其可具有任何容器高度128和任何容器直径130。根据公知的设计原理，可以根据特定金属熔体、非金属材料和铸造构造的特性选择特定的尺寸。容器侧壁120和容器底部124可由任何适于高温应用的材料制成。容器围绕延伸穿过容器102中心的竖直轴线X-X形成。容器102可以具有适于用作熔融金属搅拌铸造设备的任何容积。容器102的容积通常在0.02和0.5m³之间。然而，应当理解，该过程可以适于与任何尺寸的商业熔炉一起工作。

容器底部124可以具有任何形状，并且通常由容器102的铸造构造限定。例如，底部铸造容器将包括铸造出口，并且可能包括倾斜或成角度的基部，以使得熔融金属能够从容器102流出以用于铸造。

图4和图5示出了可在叶轮组件104中使用的叶轮300和300A的两个不同实施方式。

在图2和图4中示出了用于在叶轮组件104中使用的第一叶轮实施方式(定子叶轮实施方式)。如这些实施方式所示，叶轮300包括：转子310，该转子310可围绕竖直轴线X-X旋转，转子310包括多个环形间隔开的叶片315，这些叶片从竖直轴线X-X径向向外延伸；以及包围转子310的定子305。叶轮300优选地被构造成产生：(a)沿所述竖直轴线定位的内部向上流动区域；(b)围绕转子定位的过渡流动区域，在过渡流动区域中，液体通过至少一个径向孔朝向容器侧壁径向向外移动；以及(c)通常沿侧壁定位的外部向下流动区域。该旋流模式由叶轮300的转子310和定子305的协作操作和构造产生。

定子305被构造成相对于转子310固定，在容器100内绕竖直轴线X-X固定在适当位置。所示定子305包括圆盘形顶部表面板320，该表面板在转子310的外半径R上方延伸到转子310的外半径R外部。虽然表面板320被示出为具有与定子305相同的直径，但是应当理解，表面板320的直径可以显著大于定子直径，尤其是当熔炉具有比定子305大得多的直径时。定子305还包括圆盘形基板322，该基板包括位于转子310下方的开口323，以允许金属熔体161被吸入叶轮300中并穿过到达转子310。基板322通过一系列环形地间隔开的径向延伸构件325与表面板320间隔开。径向延伸构件325在表面板320和基板322之间限定径向通路/通道327，该径向通路/通道被构造成从转子310向外引导流。径向延伸构件325基本上形成引导叶片，该引导叶片将来自转子310的流从叶轮300径向向外引导。该流通过形成在每个径向通道327的出口处的径向孔328中的一个离开定子305。应当理解，径向延伸构件325的形状、构造、尺寸和位置可以借助于流体动力学建模来优化。径向孔328围绕竖直轴线环形地间隔开并且围绕定子305的环形侧面定位。

叶轮300的转子310包括至少两个环形间隔开的叶片315，这些叶片附接到与叶轮轴142的下端附接的圆柱形轮毂326(图4)。转子310位于定子305内。每个叶片310连接到轮毂326或与轮毂326一体地形成，并且围绕叶轮轴142大致在等距径向位置处环形地间隔开。转子310的每个叶片315优选地具有相同的长度和构造，并且在所示实施方式中包括扁平的叶片。转子310可具有任何数量的叶片。然而，任何径向流动叶轮叶片设计都是合适的。在所示的实施方式中，它可以具有四个间隔开的叶片(图4)，或八个间隔开的叶片(图2)。转子310被构造成以适当快的速度(每分钟200至4000转)旋转，以便在引导金属熔体161沿竖直轴线向上流动并径向向外穿过径向孔并冲击框住每个径向孔327的定子305的结构时产生足够的冲击和剪切力。转子叶片315可以包含在一件式组件中，以附接到叶轮轴142的下端，或者它们可以单独地附接到叶轮轴142的下端。

表面板320、定子305和转子310可以由能够承受金属熔体161内的温度和机械要求的任何合适的材料形成。在实施方式中，定子305和转子310由陶瓷材料形成。合适的陶瓷材料包括氮化物、硅化物、氧化物和碳化物。应当理解，通过在包括径向延伸构件325的径向孔327的边缘和侧面处使用例如抗冲击和/或耐磨材料，可以优化用于浸没在金属熔体161中的叶轮的这些部件的材料选择和设计。

熔体表面/液面162是熔体液体160在容器102中到达的最高点。根据熔体液体160在容器102中的期望流动特性，叶轮300可以定位在金属熔体161内至任何合适的深度。在所示的实施方式中，叶轮300被构造成位于金属熔体161中，其中定子305的表面板320定位成与熔体表面162齐平或刚好在熔体表面下方，并且转子310浸没在金属熔体161内。在这些实施方式中定子305的使用在定位成靠近金属熔体161的熔体表面162时阻止并且更优选地防止表面波的产生。定子305的表面板320避免了转子310对熔体表面162的搅动。径向孔327径向向外引导流动，而不是朝向熔体表面162引导流动。在现有的搅拌铸造技术中，对熔体表面162的干扰是显著的。使熔体表面氧化最小化的措施，例如抽真空和惰性气体覆盖，对于减少包括氧化物夹杂物、气体夹带和孔隙的缺陷的形成是至关重要的。在本发明的系统(图1至图3)中，顶部圆盘在叶片在圆盘下方旋转的同时保持固定不动，从而防止对熔体表面162的干扰，并使截留的氧化物、空气的形成最小化，并使其它缺陷(例如与它们相关的孔隙率)最小化。这消除了使用真空熔融熔炉的需要，从而减少了该过程的资本支出和能量占用。

图5示出了在叶轮组件104中使用的第二叶轮实施方式(顶板叶轮实施方式)。叶轮300A的该实施方式也包括转子310A，该转子可绕竖直轴线X-X旋转，并包括多个环形间隔开的叶片315，这些叶片从竖直轴线X-X径向向外延伸。转子300A具有与关于图4所示的叶轮300教导的转子300相同的构造，所述构造同样适用于该转子300A。叶轮300A的该实施方式不包括完整的定子，而仅包括前一实施方式的顶部表面板320A部件。该表面板320A在转子310A上方延伸并从转子310A的外半径向外延伸，并且定位成与金属熔体162的顶表面齐平或者刚好浸没在金属熔体162的顶表面之下(类似于图1中所示的用于叶轮300的表面板320的位置)。表面板320A的作用是在转子300A以高速并且靠近金属熔体162的顶表面运行时使熔体表面处的干扰最小化。

表面板320A被构造成相对于转子310A固定，在容器100内绕竖直轴线X-X固定在适当位置。表面板320A的尺寸被设计成尽可能多地覆盖金属熔体162的顶表面，并且优选地尺寸被设计成基本上覆盖金属熔体的顶表面。例如，表面板320A的尺寸可以被设计成具有与容器102在金属熔体162的顶表面处的直径基本上相同的直径。

所示的表面板320A包括扁平或扁平的圆盘。表面板320A可包括基本上平面或扁平的板。如图5B所示，表面板320B也可以被构造有相对于表面板320B的中心的向下弯曲，该向下弯曲朝向表面板320B的外轮缘或边缘向下弯曲。这种向下的弯曲(特别是在轮缘处)有助于引导熔体流动远离熔体表面。

同样，叶轮构造300A优选地被构造成产生：(a)沿所述竖直轴线定位的内部向上流动区域；(b)围绕转子定位的过渡流动区域，在该过渡流动区域中液体径向向外朝向容器侧壁移动；以及(c)通常沿侧壁定位的外部向下流动区域。该旋流模式由叶轮300A的转子310A和顶板320A的协作操作和构造产生。

表面板320A、320B和转子310A可由能够承受金属熔体161内的温度和机械要求的任何合适的材料形成。在实施方式中，表面板320A、320B和转子310A由陶瓷材料形成。合适的陶瓷材料包括氮化物、硅化物、氧化物和碳化物。

在操作中，混合设备100通常包括搅拌铸造装置。搅拌铸造通常遵循以下过程步骤：

1.熔融容器102中的金属或金属合金以形成金属熔体161；

2.任选地预热增强材料；

3.使用供给装置(如上所述，表面供料器或浸没式供料器)将增强材料供给到金属熔体中以形成熔体混合物。在许多实施方式中，叶轮300、300A的转子310、310A在供给之前操作以在整个金属熔体中产生流体流，以有助于供给的非金属颗粒的供给和混合；

4.使用叶轮300、300A持续混合熔体混合物一段时间，以破碎任何结块的陶瓷颗粒并将增强材料分布在整个熔体混合物中；以及

5.将熔体混合物浇铸到铸造模具中。

在步骤4中使用叶轮300、300A进行混合持续一段时间，该时间足以使熔融金属合金完全润湿到颗粒，并使颗粒分布在整个熔融金属合金中，以使颗粒在随后浇铸的MMC中的分布均匀化。因此，转子310、310B优选地被构造成操作至少10分钟，优选地至少15分钟，以将非金属颗粒混合在整个金属熔体161中。

转子310、310A被构造成以适当快的速度(每分钟至少200转，优选至少500rpm)旋转。对于图2和图4所示的叶轮300，当引导熔体液体160沿竖直轴线X-X向上流动并径向向外穿过每个径向孔327并冲击框住每个径向孔327的定子305的结构时，转速必须足够快以产生足够的冲击力和剪切力。转子310、310A被构造成使得旋转速度可根据应用而变化。然而，应当理解，这些操作参数，尤其是转速和持续时间，可以针对特定的熔体组合物和条件进行优化。

在混合期间，熔体混合物液体160包括向上流动区域164、过渡流动区域166和向下流动区域168。

向上流动区域164可具有相对于其运动的轴向(向上，基本上沿着叶轮轴142的轴线X-X)和切向(基本上围绕叶轮轴142的轴线X-X旋转)速度分量。熔体液体160穿过向上流动区域164朝向转子310、310A的叶片315、315A移动。在一个优选实施方式中，向上流动区域164的中心的速度在速度的轴向分量和切向分量方面都高于向上流动区域164的外边缘处的速度。向上流动区域164的各个部分的速度之间的关系可以根据容器102和叶轮组件104的尺寸以及转子310、310A的转速而变化。重要的是，表面板320、320A用于在转子以高速且靠近金属熔体162的顶表面运行时使熔体表面处的干扰最小化。

过渡流动区域166可具有轴向、切向和径向(从容器102的中心朝向容器侧壁120移动)速度分量。如图3中可见，熔体液体160可具有弧形的速度分量，即朝向熔体表面162向上移动、朝向容器侧壁120向外移动和/或朝向基部124向下移动。

向下流动区域168可具有相对于其运动的轴向、切向和径向速度分量。在一个优选实施方式中，在速度的轴向分量和切向分量这两方面，向下流动区域168的中心的速度高于向下流动区域168的外边缘处的速度。向下流动区域168的各个部分的速度之间的关系可以根据容器102和叶轮组件104的尺寸以及叶片315、315A的转速而变化。整个向下流动区域168可以以快速的切向运动移动，围绕叶轮轴的轴线X-X移动，同时向下移动。

叶轮组件104的旋转可以在流体160中产生流动的三个速度分量：轴向、径向和切向。径向流动速度分量由叶轮旋转引起，并且该流动可使流体160穿过过渡流动区域166朝向容器侧壁120移动。轴向流动速度分量可有助于使流体160从容器底部124穿过向上流动区域164朝向叶片315、315A移动。切向流动速度分量导致容器102中的流体160的整个主体围绕与叶轮轴142的旋转轴线(中心竖直轴线)X-X基本重合的中心竖直轴线旋转。通常包括非金属粉末106的非金属颗粒以与它们在其中被混合的熔体液体160的部分大致相同的速度矢量被运载穿过向上流动区域164、过渡流动区域166和向下流动区域168。

流体160的运动可以达到稳态状况，其中由叶轮300引起的切向流动运动在向上流动区域164中产生向上的旋风式效应。在这种情况下，向上流动区域164中的流体160的切向角速度可大于容器侧壁120处的向下流动区域168中的切向角速度。而且，向上流动区域164中的流体可具有超过向下流动区域168中的轴向速度分量的轴向速度分量。

除了如上所述在金属熔体161内产生旋流模式之外，图2和图4中所示的叶轮300的定子305也用作冲击粉碎装置。这里，快速旋流的熔体组合物在向上流动区域164中沿容器轴线X-X上升，并进入叶轮300的旋转转子310(在过渡流动区域166中)。叶轮300将径向运动赋予熔体组合物，迫使熔体组合物以高速流动穿过定子305的径向通道327。在此过程期间，转子310的快速旋转驱动熔体组合物与这些径向通道327的前缘和壁发生高速冲击。熔体组合物和其中的非金属颗粒在径向通道327的壁之间连续地反弹，并最终以分离的而不是结块的粉末和颗粒的形式离开径向通道327。这种高速冲击导致熔体组合物内的任何颗粒结块都被粉碎。大的冲击力比较小剪切力更有效地破碎结块的陶瓷粉末和颗粒。

将最终混合物混合以具有良好分布的颗粒分布(至多40％体积的颗粒)和优异的流动性以填充铸造模具。

一旦熔体液体160充分混合而在熔融金属161内产生均匀分布的非金属颗粒，则可如以上步骤5中所述浇铸该组合物。这可以使用任何合适的铸造技术来实现，例如通过浇注在预热的模具中并允许凝固。可以使用永久模具、砂模或失蜡模具来浇注混合好的金属熔体混合物(熔体液体160)。

容器102和增强材料颗粒供应和供料器(未示出)在MMC制造过程期间都可以保持在大气压下或保持在接近大气压下。虽然未示出，但应当理解，在一些实施方式中，将至少一种惰性气体施加在金属熔体162的至少顶表面上方以用作氧化保护屏障。合适的惰性气体包括氮气或氩气。因此，容器优选是可密封的，使得几乎覆盖气体的泄漏很少或不发生。

本发明的混合过程通过使用表面板320、320A而在熔体表面处不产生任何湍流，并且可以在环境压力下用最少量的惰性气体操作以保护熔体表面162。

此外，叶轮300的第一实施方式的定子305的使用有助于破碎结块的陶瓷粉末和颗粒。定子305优选位于熔体表面162附近，因此也可以有助于陶瓷粉末和颗粒之间的任何截留空气逸出到大气中，而不行进穿过大量金属熔体161。

虽然不希望受限于任何一种理论，但是应当理解，叶轮300和300A在容器102内的位置、构造和操作为本发明的混合设备100的实施方式提供了许多独特的优点。

首先，在包括图1和图3所示的那些实施方式的许多实施方式中，叶轮300、300A定位在容器102的顶部处，刚好在熔融熔体表面162下方。每当叶轮300、300A和相连的轴142在熔体液体160中旋转时，它们使空气截留到熔体中。通过将叶轮300、300A靠近熔体表面162放置并减小轴142浸没在熔体液体160中的长度，这限制了可以被截留在靠近熔体表面162的较小体积熔体中的空气，这最小化了其中的空气量并允许空气逃逸回到大气，从而导致固化产品中的孔隙缺陷得以减少。

此外，如上文详述，供给到金属熔体161中的增强材料可包含粉碎的结块。这些结块即使在金属熔体161中通常也不致密地压实，并且在其中可能具有截留的大量的空气。当通过靠近金属熔体表面162定位的叶轮300、300A将结块打碎时，截留的空气可以穿过金属熔体161以非常短的行进距离从金属熔体161容易地逃逸到大气中。此外，由于与截留的空气和大气空气的相互作用所涉及的金属熔体161的体积较小，空气对金属熔体161的氧化减少，从而导致较少的氧化物夹杂物缺陷。

最后，浸没到熔体液体160中的轴142的较短长度使轴142的磨损和腐蚀最小化，这显著减少了用于修理和更换轴142的操作。

其次，将表面板320、320A定位在熔融金属熔体表面162的水平处或正好在熔融金属熔体表面162下方(也定位成靠近转子310、310A)，有效地抑制了涡流的形成和旋转转子310、310A对金属熔体表面162的干扰，从而保护金属熔体161不被氧化和截留空气。表面板320、320A还覆盖混合容器102中的金属熔体表面162的大部分，从而保护金属熔体表面162不与大气空气相互作用。因此，在没有真空的操作中产生少得多的氧化物夹杂物和孔隙缺陷。

更重要的是，表面板320、320A防止所添加的陶瓷粉末浮在金属熔体表面162的顶部上，并作为浮渣的一部分而损失掉，特别是当30％或更多的陶瓷粉末被引入到金属熔体161中时。因此，使用表面板320、320A对生产高陶瓷含量的金属基体复合物是必要的。

此外，与小于800RPM的常规搅拌铸造转速的转子相比，由于形成缺陷的倾向较低，转子310、310A可优选在1000RPM或更高的转速下操作，以破碎陶瓷粉末的结块，并且在固化产品中没有过多缺陷。

第三，在包括定子305的实施方式中，叶轮300(参见例如图4)借助于构建有通道的定子305提供了有利的冲击混合机构，而不是剪切混合机构。为了破碎金属熔体161中的陶瓷粉末的结块，本发明利用例如约1,000RPM的以转子速度使结块冲击到管状定子中的通道的壁上以及冲击到表面板320、320A和熔炉坩锅侧壁上。

在该过程中，金属熔体161沿着转子310、310A的竖直轴线朝向直径为70mm的小旋转转子向上流动，转子将金属熔体161水平地推动到相对大的圆盘状定子305(例如170mm的直径)，该圆盘状定子在表面板320和基板322之间构建有径向通路/通道327，该径向通路/通道包括与转子轴线竖直对准的径向延伸构件325，熔体160中的颗粒在穿过径向通路327朝向容器侧壁120向外行进时能够冲击在该径向延伸构件上，并且最终冲击在侧壁120上而沿着侧壁120向下移动到容器底部124。

通道327在冲击混合机构中起关键作用，因为它们引发一系列冲击以破碎陶瓷粉末的结块。

本发明的叶轮构造可通过使金属熔体161流动的阻力最小化(例如，在转子叶片与定子内壁之间将金属熔体161剪开)且使通道内壁的面积最大化来实现金属熔体161与侧壁120之间的最强冲击。

本发明的混合设备、方法和/或系统特别对于在金属熔体161中混合＞20％体积、优选30％体积或更大的高水平陶瓷粉末表现非常好。利用最小化的金属熔体剪切，本发明克服了堵塞和磨损叶轮的问题，这在常规和其它现有技术方法中经常遇到，并且随着陶瓷含量的增加而成为更严重的问题。

本发明可以容易地在商业上使用，而不需要对Al基体复合材料进行显著的进一步开发。相同的过程可容易地应用于处理其它非铁合金(例如Mg和Zn)。

示例

以下示例说明本发明的关于铝合金基体复合物(AMC)的一个实施方式。应当理解，本发明不限于该应用，并且可以用于使用类似的设备和实验程序形成各种非铁MMC，例如基于镁或锌的MMC。

示例1-铝合金基体复合物(AMCS)

使用关于图1至图6所示和所述的设备100进行混合，然后按照下面概述的实验程序随后浇铸铝合金基体复合物：

1.1材料：

使用以下材料：

·铝合金-金属基体，例如A357；以及

·碳化硅(SiC)粉末-增强材料-具有d₅₀：22微米的尺寸分布。添加碳化硅粉末以在金属熔体混合物中提供30％体积的混合物。

1.2实验程序：

遵循以下实验程序：

1.将铝合金A357在置于熔炉503中的容器502(坩埚)中加热至约680-720℃，以形成液态铝合金熔体。

2.使用图6所示的叶轮500将碳化硅(SiC)粉末加入到熔体中，以形成向下指向的涡流，从而将颗粒混合在液体铝熔体中。叶轮500包括双叶片转子510和挡板550(图6)。挡板550定位在熔体表面附近，以防止过多的表面干扰，而转子510的旋转在挡板550下方，以避免形成浮渣和与氧化物相关的缺陷。这里，简单的转子混合在800至1000rpm下进行约30至50分钟的持续时间，产生涡流以将颗粒吸入熔体中，但结块破碎作用很小。

3.移除双叶片叶轮。

4.将本发明的叶轮300放置在铝合金熔体的表面上5分钟以加热叶轮；

5.打开保护惰性气体(N₂或氩气)以在铝熔体的表面上方流动；

6.叶轮300浸没到表面板320刚好位于铝熔体的表面下方的位置；

7.在给定的持续时间内，以预定的转速(800至2500rpm)开启叶轮300中的转子310的旋转；

8.在预定持续时间之后，将转子310的旋转切断，并且将叶轮300从熔炉中的容器300中移除；

9.关闭保护气流；以及

10.将保持在容器102中的熔体混合物浇注到模具中，以铸造所需的MMC产品。在这些实验中，铸造6mm厚的AMC板。

1.3实验结果

也使用相同的实验设定进行对比实验运行，但用产生涡流的叶轮代替混合叶轮。该叶轮运行30分钟以将碳化硅粉末混合到铝熔体中。这里进行简单的转子混合，产生涡流以将颗粒吸入熔体中，但结块破碎作用很小。

一个实验运行的铸造结果在图7(B)和图7(C)中示出。图7(A)中还提供了比较的现有技术铸造。在这方面，图7比较了示出铸造为6mm厚AMC板的铝MMC的形态的光学显微图像，其通过以下步骤形成：

(A)现有技术金属基体复合物使用Duralcan技术形成，如在本发明的背景技术部分中讨论的美国专利No.4,786,467和No.4,865,806中所述；

(B)一般涡流仅搅拌30分钟，具有大量的结块；以及

(C)本发明的过程使用1400rpm的转子速度以均匀的颗粒分布混合。图5(C)中所示的光学显微图像示出了通过使用本发明的系统而大大改善的颗粒分布。

首先，将使用Duralcan技术形成的铸件(图7(A))与使用本发明的方法形成的铸件(图7(C))的颗粒分布进行比较，可以看出两种方法都产生了增强颗粒的良好分布，具有最小的结块。因此，本发明的方法具有与最好的现有技术MMC形成技术相当的结果。

其次，将使用比较涡流搅拌方法形成的铸件(图7(B))与使用本发明的方法形成的铸件(图7(C))的颗粒分布进行比较，可以看出，本发明的铸件具有更均匀的增强颗粒分布和显著更少的结块颗粒。假设黑色区域是结块颗粒，使用图像/相分析，在应用叶轮300之前的颗粒破碎率(颗粒破碎对于添加的颗粒的总体积的体积百分比)是63％，在应用本发明的叶轮设备/构造之后的颗粒破碎率是92％。

示例2-表面板对比试验

使用关于图1至图5所示和所述的设备100的两个不同实施方式进行混合，然后随后铸造铝合金基体复合物。设备100的两个实施方式使用两种不同的叶轮构造来混合含有碳化硅(SiC)粉末陶瓷颗粒的金属熔体，即(A)如图5所示的表面板覆盖的转子；和(B)如图4所示的包围转子的定子。

2.1材料：

使用以下材料：

·铝合金-金属基体，例如A357；以及

·碳化硅(SiC)粉末-增强材料-具有d₅₀：22微米的尺寸分布。添加碳化硅粉末以在金属熔体混合物中提供30％体积的混合物。

2.2实验程序：

每个实验遵循以下一般步骤以产生金属基体复合物(MMC)片材：

(1)在熔炉中熔融Al合金锭以产生熔融Al合金熔体；

(2)将陶瓷粉末引入熔融的Al合金熔体中；

(3)将陶瓷粉末混合到熔融的铝合金熔体中；以及

(4)将混合熔体浇铸到金属模具中，以生产所需的MMC片材。

每个步骤遵循示例1中概述的实验程序，其中对于第一次运行，使用包括如图5中所示的表面板和转子的叶轮进行混合步骤3；对于第二次运行，使用如图4所示的包括封闭在定子内的转子的叶轮进行混合步骤3。

对于表面板覆盖的转子运行，在将陶瓷颗粒引入熔体中之后开始混合(3)步骤。在该混合步骤中，将表面板放置在刚好在熔体表面下方的位置处，并且将转子提升靠近表面板的底表面。在表面版的情况下，转子的转速在1200至2000rpm下操作15至30分钟。

对于定子运行，在将陶瓷颗粒引入熔体中之后，再次开始混合(3)步骤。在该混合步骤中，将定子的表面板放置在刚好在熔体表面下方的位置处，并且转子定位成封闭在转子内。

2.3实验结果

图8示出了两个光学显微图像，显示了通过(A)没有挡板550的涡流混合和(B)有挡板550的涡流混合(图7)在Al合金基体中的SiC颗粒分布。没有挡板的一般涡流混合仅能在约300至500rpm下混合，以避免夹带过量的空气，因此图8(A)中所示的微结构具有显著大的结块。然而，用挡板的混合速度可以增加到1000rpm，这产生高剪切力以破碎更多的结块，如图8(B)所示。

图9提供了比较在用扁平表面板进行混合操作之前(A)和之后(B)的陶瓷分布的光学显微图像。这些显微照片的比较表明结块尺寸的显著减小，这有助于下游的摩擦搅拌成形(FSF)操作。图9(B)的显微照片还表明存在氧化物缺陷(用红色箭头标记)，证实了进一步修改表面板以使通过强制流动对熔体表面的干扰最小化的重要性。发明人认为，这种微结构的质量对于一些不需要陶瓷颗粒完美分布的下游处理如FSF是足够的。

图10示出了比较混合运行的光学显微图像，其中通过(A)没有定子的叶轮；(B)具有定子的叶轮；和(C)具有定子的叶轮(较高放大率)，来混合Al合金基体中的SiC颗粒分布。图10(A)和图10(B)的比较表明，使用定子进一步减小了结块的尺寸。

此外，将图9(B)所示的显微照片与图10(C)所示的显微照片(即，不用定子(图9(B))和利用定子(图10(C))产生的高放大率的每个显微照片)进行比较，可以看出，通过使用定子，氧化物缺陷的存在显著减少。

使用包括定子的叶轮(图4)制造的MMC适用于需要陶瓷颗粒的更均匀分布和更少氧化物效应的下游处理，以提供更高的性能。

本领域技术人员将理解，本文所述的发明易于进行除具体描述的那些以外的变化和修改。应当理解，本发明包括落入本发明的精神和范围内的所有这些变化和修改。

在本说明书(包括权利要求书)中使用术语“包括(comprise)”、“包括(comprises)”、“包括(comprised)”或“包括(comprising)”时，它们应被解释为指定所述特征、整数、步骤或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、部件或其组合的存在。

Claims (53)

1.一种用于混合包含非金属颗粒的金属熔体的设备，所述设备包括：

容器，所述容器用于容纳所述金属熔体，所述容器包括侧壁和底部；以及

叶轮，所述叶轮包括：

·转子，所述转子被构造成浸没在所述金属熔体的顶表面处或下方，所述转子能够围绕基本竖直轴线旋转，所述转子包括从所述竖直轴线径向向外延伸的至少两个环形地间隔开的叶片，并且被构造成在所述金属熔体中以每分钟至少200转的速率操作；以及

·表面板，所述表面板在所述转子上方延伸并从所述转子的外半径向外延伸，并且定位成与所述金属熔体的顶表面齐平或者刚好浸没在所述金属熔体的顶表面下方。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述表面板的尺寸被设计成基本上覆盖所述金属熔体的所述顶表面。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述表面板的尺寸被设计成具有与所述容器在所述金属熔体的所述顶表面处的直径基本上相同的直径。

4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述表面板包括圆盘。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其中，所述表面板包括基本上平面的或扁平的板。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其中，所述表面板包括相对于所述表面板的中心朝向所述板的外轮缘或边缘的向下弯曲。

7.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述表面板定位成与所述金属熔体的顶表面直接连通。

8.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述表面板定位成在所述表面板下方提供低氧至零氧环境。

9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述转子被构造成在所述金属熔体中以每分钟200至4000转的速率操作，优选地在所述金属熔体中以每分钟500至2000转的速率操作，更优选地以1000至2000rpm的速率操作，并且还更优选地以约1500rpm的速率操作。

10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述转子定位成不超过从所述金属熔体的所述顶表面到所述容器的所述底部的总高度的2/3，优选地不超过1/3，并且更优选地不超过1/6。

11.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述表面板与所述转子分离。

12.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述表面板被构造成相对于所述转子抗旋转地固定不动。

13.根据前述权利要求中任一项所述的设备，所述设备还包括定子，所述定子包括壳体，所述壳体具有顶部和包围所述转子的环形侧面，所述环形侧面包括相对于所述竖直轴线的至少一个径向孔，其中，所述叶轮被构造成将所述金属熔体吸入所述转子中，然后将所述金属熔体从所述转子径向向外引导到所述定子中，以将所述金属熔体引导到所述定子的每个径向孔上并穿过所述定子的每个径向孔。

14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述定子被构造成相对于所述转子固定不动。

15.根据权利要求13或14所述的设备，其中，所述定子包括围绕所述竖直轴线环形地间隔开的至少两个径向孔。

16.根据权利要求15所述的设备，其中，每个径向孔包括被构造成从所述转子向外引导流动的径向通道。

17.根据权利要求16所述的设备，其中，每个径向通道由至少两个间隔开的径向延伸构件形成，所述径向延伸构件在所述表面板与所述定子的基板之间延伸。

18.根据权利要求17所述的设备，其中，所述基板包括在所述转子下方的开口，以允许所述金属熔体被吸入到所述叶轮中而到达所述转子。

19.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述表面板包括所述定子的顶壁。

20.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述转子包括径向流动叶轮。

21.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述转子包括至少两个环形地间隔开的叶片。

22.根据权利要求21所述的设备，其中，所述转子的每个叶片具有相同的长度和构造。

23.根据权利要求21或22所述的设备，其中，所述转子的所述叶片具有扁平叶片构造。

24.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述转子被构造成操作至少10分钟、优选至少15分钟，以将所述非金属颗粒混合在整个所述金属熔体中。

25.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述叶轮被构造成产生流动模式，所述流动模式包括：(a)沿所述竖直轴线定位的内部向上流动区域；(b)围绕所述转子定位的过渡流动区域，在所述过渡流动区域中，液体朝向所述容器侧壁径向向外移动穿过所述定子的所述至少一个径向孔；以及(c)外部向下流动区域。

26.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，金属材料选自：铝或铝合金；镁或镁合金；或锌或锌合金。

27.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述非金属颗粒包括陶瓷或结晶微粒材料。

28.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述非金属颗粒包括金属氧化物、金属氮化物、金属碳化物或金属硅化物。

29.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述非金属颗粒选自由以下各项组成的组：碳化硅、二氧化硅、氧化铝、碳化硼、氮化硅、氮化硼、碳化钨和飞灰。

30.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述非金属颗粒占所述金属熔体的5％至40％的体积，优选地占所述金属熔体的至少20％的体积，更优选地占所述金属熔体的30％至40％的体积。

31.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述金属熔体包括具有所述非金属颗粒的熔融金属混合物，所述熔融金属混合物维持在从约所述金属的液相线温度至高于所述液相线温度约100℃、优选地高于所述液相线温度约80℃至100℃的温度范围内。

32.根据前述权利要求中任一项所述的设备，所述设备还包括供料器，所述供料器被构造成将非金属颗粒材料供给到所述金属熔体中。

33.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述容器包括上端和下端，并且包括在上端和下端之间延伸的大致圆柱形的容纳侧壁。

34.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述容器侧壁高度与所述容器直径的比率为1至3。

35.一种用于形成金属基体复合物的搅拌铸造设备，所述搅拌铸造设备包括根据前述权利要求中任一项所述的用于混合包含颗粒的金属熔体的设备。

36.一种将非金属颗粒混合到熔融金属中的方法，所述方法包括：

在高于熔融金属或金属合金的液相线的温度下，用叶轮混合保持在容器中的包括非金属颗粒和所述熔融金属或金属合金的混合物的金属熔体，所述容器包括侧壁和底部，所述叶轮包括：

·转子，所述转子定位在所述金属熔体的表面处或下方，所述转子围绕基本竖直轴线旋转，所述转子包括从所述竖直轴线径向向外延伸的至少两个环形地间隔开的叶片，并且在所述金属熔体中以每分钟至少200转的速率旋转；以及

·表面板，所述表面板在所述转子上方延伸并从所述转子的外半径向外延伸，并且定位成与所述金属熔体的顶表面齐平或者刚好浸没在所述金属熔体的顶表面下方。

37.根据权利要求36所述的方法，所述方法使用根据权利要求1至35中任一项所述的设备。

38.根据权利要求36或37所述的方法，其中，所述叶轮还包括定子，所述定子包括具有顶部和包围所述转子的环形侧面的壳体，所述环形侧面包括相对于所述竖直轴线的至少一个径向孔；并且

其中，操作所述转子以将所述金属熔体吸入到所述转子中，然后将所述金属熔体从所述转子径向向外引导到所述定子中，以将所述金属熔体引导到所述定子的每个径向孔上并穿过所述定子的每个径向孔。

39.根据权利要求36、37或38所述的方法，其中，操作所述转子以产生流动模式，所述流动模式包括：(a)沿所述竖直轴线定位的内部向上流动区域；(b)围绕所述转子定位的过渡流动区域，在所述过渡流动区域中，液体朝向所述容器侧壁径向向外移动穿过所述定子的所述至少一个径向孔；以及(c)外部向下流动区域。

40.根据权利要求36至39中任一项所述的方法，其中，所述转子在所述金属熔体中以每分钟500至4000转的速率旋转，优选地以1000至2000rpm并且更优选地以约1500rpm的速率旋转。

41.根据权利要求36至40中任一项所述的方法，其中，进行混合至少5分钟、优选至少10分钟。

42.根据权利要求36至41中任一项所述的方法，其中，所述叶轮位于所述金属熔体中，其中所述叶轮的所述表面板定位成与所述金属熔体的所述顶表面齐平或刚好浸没在所述金属熔体的所述顶表面下方。

43.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述表面板与所述转子操作地分离。

44.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述表面板相对于所述转子抗旋转地固定不动。

45.根据权利要求38至44中任一项所述的方法，其中，金属材料选自：铝或铝合金；镁或镁合金；或锌或锌合金。

46.根据权利要求38至45中任一项所述的方法，其中，所述非金属颗粒包括陶瓷或结晶微粒材料。

47.根据权利要求38至46中任一项所述的方法，其中，所述非金属颗粒包括金属氧化物、金属氮化物、金属碳化物或金属硅化物。

48.根据权利要求38至47中任一项所述的方法，其中，所述非金属颗粒选自由以下各项组成的组：碳化硅、二氧化硅、氧化铝、碳化硼、氮化硅、氮化硼、碳化钨和飞灰。

49.根据权利要求38至48中任一项所述的方法，其中，所述非金属颗粒占所述金属熔体的5％至40％的体积。

50.根据权利要求38至49中任一项所述的方法，其中，所述金属熔体包括具有非金属颗粒的熔融金属混合物，其中所述熔融金属混合物维持在从约所述金属的液相线温度至高于所述液相线温度约100℃、更优选地从高于所述液相线温度约20℃至100℃的温度范围内。

51.根据权利要求38至50中任一项所述的方法，其中，至少一种惰性气体被施加在所述金属熔体的至少所述顶表面上方。

52.一种用于制备用非金属材料的颗粒增强的金属合金的复合物的方法，所述方法包括：

根据权利要求38至51中任一项所述的方法将非金属颗粒混合到熔融金属中；以及

浇铸所得到的混合物。

53.一种使用根据权利要求52所述的方法制备的复合材料。

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