CN115572852B - 一种颗粒增强铝基复合材料的旋转喷吹装置及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于铝基复合材料制备技术领域，具体涉及一种颗粒增强铝基复合材料的旋转喷吹装置及制备方法，包括熔炼炉，与熔炼炉配合设置的喷吹搅拌组件，其包括延伸入熔炼炉的搅拌杆以及底部搅拌头；搅拌杆中部具有中空通道供增强相混合气体通过，搅拌杆底部向外侧延伸形成有中部具有中空通道喷吹口的喷吹头，设有转动安装于熔炼炉底部的底部搅拌头，底部搅拌头具有容纳腔，自容纳腔向外侧延伸有多条喷吹槽，底部搅拌头与喷吹头相对的表面均为平面，且形状相互匹配；与熔炼炉通过出料管道相连通的精炼炉，精炼炉内配合设置有多级搅拌转子；该种旋转喷粉精炼装置以及制备方法能使的增强相颗粒更均匀地混合。

Description

一种颗粒增强铝基复合材料的旋转喷吹装置及制备方法

技术领域

本发明涉及铝基复合材料的制备，尤其涉及一种颗粒增强铝基复合材料的旋转喷吹装置及制备方法。

背景技术

铝基复合材料因其高比强度、比刚度、耐磨性、低热膨胀系数以及良好的导热和尺寸稳定性等优异的性能，成为近年来发展的热点。其中以SiC为代表的颗粒增强铝基复合材料，使得低成本的铝基复合材料可通过颗粒含量、尺寸等实现性能的优化，已在航空航天、电子封装、汽车制造和高速列车等领域不断实现突破。

现在制备铝基复合材料的主要的工艺有搅拌铸造、粉末冶金和压力浸渗等。其中搅拌铸造法是将基体金属熔化后，通过机械或者电磁搅拌形成涡流，同时加入的增强相颗粒通过涡流的作用下被卷入熔融金属中，得到均匀分布的熔体，在一定条件下浇铸得到复合材料。与粉末冶金和压力浸渗比，该方法所需的设备及工艺简单、生产效率高、成本低且能大批量生产形状复杂的构件，是实现工业大规模生产最有潜力的工艺之一。但是搅拌铸造的难点在于实现增强相与基体良好的润湿，特别是在加入颗粒增强相时，多采用液面上部加粉，通过中心漩涡卷入熔体中，为了防止此过程中的卷气和氧化夹渣等问题，多采用真空环境加粉，但是这不仅让生产成本提高，还会引起部分金属的挥发。为了减少液面外加粉的弊端，可考虑在工厂实践中进行液面内部加粉，减少对真空环境的依赖从而降低成本。同时，液面内部加粉有效提高了颗粒与基体的润湿速度，无需之前长时间的搅拌过程，可以高效地获得低成本的铸件。因此，旋转喷吹粉末进入熔体内部来制备颗粒增强铝基复合材料成为新的研究点。

例如专利号为US6547850B1的美国专利所示，即公开了一种通过喷吹头和旋转头的互相配合来制备颗粒增强复合材料的装置和方法。但是，该种装置由于通过喷吹头与底部旋转头之间的间隙进行增强相添加，容易造成增强相颗粒在间隙位置形成团聚，混合不均匀；并且在制备过程中该间隙容易造成堵塞，难以在制备过程中及时进行疏通，会影响生产效率和材料性能；另外，由于该种装置是通过底部旋转头上部的曲面进行增强相喷入混合，在转动过程中容易在曲面上产生增强相的团聚。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种颗粒增强铝基复合材料的旋转喷吹装置及制备方法。

本发明所要解决的第一个技术问题是针对现有技术的现状提供一种能使得增强相颗粒更均匀地混合的制备颗粒增强铝基复合材料的旋转喷吹装置。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种上述旋转喷吹装置的颗粒增强铝基复合材料的制备方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种颗粒增强铝基复合材料的旋转喷吹装置，包括熔炼炉，与熔炼炉配合设置的喷吹搅拌组件，所述喷吹搅拌组件包括延伸入熔炼炉的搅拌杆以及底部搅拌头；所述搅拌杆中部具有供增强相混合气体通过的中空通道，所述搅拌杆的底部向外侧延伸形成有喷吹头，所述喷吹头的中部具有所述中空通道的喷吹口；

与所述喷吹头相对设有所述底部搅拌头，所述底部搅拌头能转动地安装于所述熔炼炉的底部，所述底部搅拌头的中部具有与所述喷吹口相对应的容纳腔，自所述容纳腔向外侧延伸有多条喷吹槽，所述底部搅拌头与所述喷吹头相对的表面均为平面，且形状相互匹配，从而使得所述增强相混合气体通过所述喷吹槽向外喷吹。

优选的，所述喷吹头与所述底部搅拌头的间距小于15mm。该种间距设置能够防止增强相混合气体从间距处流出，从而防止增强相颗粒团聚而混合不均匀。

优选的，所述喷吹头为静止设置或者可转动设置。进一步优选的，所述喷吹头为静止设置。该种静止设置的喷吹头便于精简结构，无需设置转换头同时避免气粉混合与旋转管道的密封问题。

优选的，所述喷吹头外侧沿周向间隔设置有多个切割刀片。所述切割刀片的设置可以配合底部旋转头，帮助将喷吹的上浮增强相颗粒团聚打散，有效提高增强相颗粒的均匀分布。

优选的，为了顺利容纳自喷吹口喷出的增强相混合气体，所述容纳腔的深度为10-30mm，所述容纳腔的直径为30-50mm。

优选的，为了顺利将容纳腔内的增强相混合气体喷射出去，所有所述喷吹槽靠近所述容纳腔一侧开口的总横截面积小于所述中空通道的横截面。该种设置方式可以使得混合气体在流动过程中保持压力，有效实施喷粉。

为了防止转动时叶片的扰动影响增强相混合气体的喷射，优选的，所述底部搅拌头的外侧叶片的上表面低于所述喷吹槽的出口，从而使得底部搅拌头上具有所述喷吹槽的中部呈凸起状。

优选的，所述底部搅拌头的所述喷吹槽为直通型、螺旋型或树枝型。喷吹槽主要给喷吹的气粉流提供切向力，可以在熔炼炉均匀分布。 其中，直通型喷吹槽能够更好地保持压力，有利于混合均匀；螺旋型喷吹槽可以使气粉流与槽壁产生撞击摩擦，减少团聚；树枝型的喷吹槽增加了出气口，使气粉流更均匀弥散。为保证弥散和切向力的作用，进一步优选螺旋型喷吹槽。

为了使得增强相颗粒混合地更加均匀，进一步优选的，所述喷吹槽沿周向均匀间隔设有六条。

进一步优选的，所述底部搅拌头离熔炼炉底部的高度为熔炼炉总高度的1/5～1/10。团聚的增强相颗粒在熔体内容易上浮，因此设置底部搅拌头在前述范围内靠近熔炼炉的底部，可以延长增强相颗粒与熔体的润湿时间。但若是底部搅拌头与熔炼炉底部距离过近，会形成流动死区，在底部搅拌头下部产生颗粒的沉积，不利于混合均匀。

优选的，所述搅拌杆配合设置有升降机构，在所述搅拌杆的两侧均设有一个辅助搅拌头，所述辅助搅拌头距离液面的搅拌深度不超过总液面高度的1/2，所述搅拌杆的上端与气粉混合室连接，所述气粉混合室与供气机构和供料机构连接。

升降机构设置是为了能在制备过程中，及时清理喷吹头和底部搅拌头之间堵塞的增强相颗粒，所述升降机构能随时调整所述搅拌杆的升降，从而调整喷吹头和底部搅拌头之间的间距。升降机构通过调整间距，可以在制备过程中随时解决堵塞问题，从而保证连续生产。

优选的，所述升降机构包括升降机、以及自所述升降机延伸出来的支撑臂，通过所述支撑臂升降所述搅拌杆。

辅助搅拌头是为了下压上浮的增强相颗粒以及进一步均匀熔体，辅助搅拌头超过总液面高度的1/2难以起到下压上浮增强相颗粒的作用。

为了提高搅拌扰动效果，更有利于对团聚的打散和对流体的切割，优选的，所述底部搅拌头的叶片呈棱边朝外的三角棱柱型。

使用如上所述的颗粒增强铝基复合材料的旋转喷吹装置的颗粒增强铝基复合材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(a)：根据需要配置铝合金原料，放入熔炼炉内，加热，保证原料完全熔化为熔体；

步骤(b)：气体喷吹：通过升降机构，将喷吹头下降到合适位置，启动底部搅拌头，在熔体中形成稳定涡流后，打开供气机构开始喷惰性气体；

步骤(c)：喷吹增强相颗粒：待熔体内气泡上浮稳定后，打开两个辅助搅拌头，形成下压流场；开启供料机构，进行送粉，从而通过中空通道向熔体内输送增强相混合气体；

步骤(d)：喷吹结束后，通过升降机构将喷吹头上升至离开熔体液面，底部搅拌头继续搅拌；

步骤(e)：搅拌结束后，将熔体转移进行下一步铸造。

上述制备方法中，先进行步骤(b)的气体喷吹，再进行后续步骤(c)，不仅可以对熔体进行精炼，同时方便观察是否已经形成稳定的气流，以确保后续的加增强相工作。

优选的，所述步骤(b)中，底部搅拌头转速为50-400 r/min。该种转速范围能在避免形成大涡流的前提下实现有效的喷吹，防止大涡流产生的卷气。

优选的，步骤(c) 中， 待熔体气泡上浮稳定后再打开辅助搅拌头，方便观察是否已经形成稳定的气流，以确保后续的加增强相粉体的工作。

优选的，所述步骤(c)中，辅助搅拌头的转速为20-300r/min。辅助搅拌头的转速不宜过高，防止表面氧化膜破坏，产生卷气和氧化夹渣。

优选的，所述步骤(d)的底部搅拌头继续搅拌的转速为150r/min以下。选用该种低转速可以保证增强相颗粒残留充分进入熔体。

优选的，步骤(d)中，先使得喷吹头离开熔体液面，并且下部搅拌头继续转动，是为了避免喷吹槽内部粉末的残留，且方便搅拌头的后续清理。

优选的，所述步骤(e)熔体转移完毕后，提高所述底部搅拌头转速至400-600 r/min，进行空转以清理所述喷吹槽内残留熔体。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的该种旋转喷吹装置包括喷吹头，与该喷吹头匹配的底部搅拌头，通过底部搅拌头上的喷吹槽将增强相混合气体喷吹出去，喷吹槽可以将中空通道输送的混合气体拆分成多股，防止中空通道的一股气体带来的团聚问题；并且喷吹槽可以将混合气体从不同角度喷射出去，更有助于增强相颗粒在熔体内的混合均匀。

2、本发明通过容纳腔来将混合气体引入喷吹槽，从而防止混合气体从喷吹头和底部搅拌头之间的间隙流出，防止颗粒的团聚，更有利于增强相颗粒的均匀分布。

3、本发明底部搅拌头与所述喷吹头相对的表面均为平面，有利于保持混合气体传输通道的截面积稳定，更有利于混合气体均匀恒定地传送，从而有利于增强相颗粒的均匀混合。

4、本发明的该种制备方法先进行惰性气体喷吹再加粉，不仅可以对熔体进行精炼，同时方便观察是否已经形成稳定的气流，以确保后续的加粉工作。加粉结束后，先移开喷吹头并且下部搅拌头继续转动，是可避免喷吹槽内部粉末的残留，且方便搅拌头的后续清理。

附图说明

图1为本发明的实施例的旋转喷吹装置的整体结构示意图；

图2为本发明的实施例的喷吹头的结构示意图；

图3为本发明的实施例的直通型搅拌槽的结构示意图；

图4为本发明的实施例的螺旋型搅拌槽的结构示意图；

图5为本发明的实施例的树枝型搅拌槽的结构示意图；

图6为本发明的螺旋型喷吹槽形状示意；

图7为本发明的实施例的颗粒增强铝基复合材料的金相照片。

图中：1-熔炼炉，2-搅拌杆，3-底部搅拌头，4-气粉混合室，5-供气机构，6-供料机构，7-热电偶，8-出料管道，9-电磁阀，21-中空通道，22-喷吹头，23-升降机构，24-辅助搅拌头，31-容纳腔，32-喷吹槽，33-叶片，34-电机，221-喷吹口，222-切割刀片，231-升降机，232-支撑臂。

具体实施方式

下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行进一步的详细说明，显然，所描述的实施例仅作为例示，并非用于限制本次申请。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

如图1所示，该种制备颗粒增强铝基复合材料的旋转喷吹装置，包括熔炼炉1，与熔炼炉1配合设置的喷吹搅拌组件，喷吹搅拌组件包括延伸入熔炼炉1的搅拌杆2以及底部搅拌头3；所述搅拌杆2的上端与气粉混合室4连接，所述气粉混合室4与供气机构5和供料机构6连接。在熔炼炉1内还具有用于测温的热电偶7、以及与熔炼炉1配合的出料管道8，安装于出料管道8上的电磁阀9。为了简化结构，本实施例用于驱动底部搅拌头的电机34设置于熔炼炉底部的外侧，

本实施例的搅拌杆2中部具有中空通道21，从而能供增强相混合气体通过，搅拌杆2的底部向外侧延伸形成有喷吹头22，如图2所示，喷吹头22的中部具有中空通道21的喷吹口221。与喷吹头22相对设有底部搅拌头3，底部搅拌头3能转动地安装于熔炼炉1的底部，底部搅拌头3的中部具有与喷吹口221相对应的容纳腔31，自容纳腔31向外侧延伸有多条喷吹槽32，底部搅拌头3与喷吹头22相对的表面均为平面，且形状相互匹配，从而使得增强相混合气体通过喷吹槽32向外喷吹。

为了防止增强相混合气体从间隙流出，喷吹头22与底部搅拌头3的间距小于15mm。

本实施例的喷吹头22为可转动或静止设置。本实施例的喷吹头为静止装置，该种设置方式便于精简结构，无需设置转换头同时避免气粉混合与旋转管道的密封问题。

为了帮助将喷吹的上浮增强相颗粒团聚打散，喷吹头22外侧沿周向间隔设置有多个切割刀片222。本实施例喷吹头22沿周向间隔均匀螺旋设置有六个切割刀片222。

为了顺利容纳自喷吹口221喷出的增强相混合气体，本实施例容纳腔31的深度为10-30mm，容纳腔31的直径为30-50mm。为了顺利将容纳腔31内的增强相混合气体喷射出去，所有喷吹槽32靠近容纳腔31一侧开口的总横截面积小于中空通道21的横截面。该种设置方式可以使得混合气体在流动过程中保持压力，有效实施喷粉。

为了防止转动时叶片33的扰动影响增强相混合气体的喷射，底部搅拌头3的外侧叶片33的上表面低于喷吹槽32的出口，从而使得底部搅拌头3上具有喷吹槽32的中部呈凸起状。底部搅拌头3的喷吹槽32可以为图3所示的直通型、如图4所示的螺旋型或如图5所示的树枝型。其中直通型喷吹槽不易堵塞，但是打散团聚的能力一般，更适用于100μm以上等较大尺寸增强颗粒；树枝型的喷吹槽增加了出气口，使气粉流更均匀弥散，适用于容易团聚的亚微米级别的颗粒；

本发明通过研究发现，螺旋型喷吹槽可以使气粉流与槽壁产生撞击摩擦，减少团聚，尤其适用于粒径为1-100μm的增强颗粒。该螺旋型喷吹槽包括第一曲线和第二曲线，如图6所示，在实验中发现，为保证弥散和切向力的作用，螺旋型喷吹槽的构成曲线形状对于颗粒弥散性和防止团聚具有关键的作用，通过计算和实际验证，进一步选择的最优化的曲线形状如下：以某一喷吹槽道为例，喷吹槽道两边的第一曲线为y₁=1.5exp(x)的曲线形状，且第二曲线为y₂=exp(x)^-2的曲线形状，喷吹槽道横截面由搅拌头中心的容纳腔沿喷吹方向逐步减少，即中心宽，边缘窄。

为了保证射流的穿透深度以使气粉充分混合，同时应注意粉末粒径和加粉量之间的关系优化。经过计算及实际验证后发现，随着单位时间加粉量M(kg/min)的增加，喷吹气压P(MPa)和底部搅拌头转速v(r/min)也应该提高，具体应符合如下关系：

其中K为系数，取值范围为0.0002~0.001，单位为kg/(r·MPa)，喷吹气压P取值范围在0.6~3Mpa。

为了使得增强相颗粒混合地更加均匀，本实施例喷吹槽32沿周向均匀间隔设有六条。为了延长增强相颗粒与熔体的润湿时间且避免搅拌头下部产生颗粒沉积，底部搅拌头3的高度为熔炼炉1总高度的1/5～1/10。本实施例底部搅拌头3的高度为1/5。

为了提高搅拌扰动效果，更有利于对团聚的打散和对流体的切割，底部搅拌头3的叶片33呈棱边朝外的三角棱柱型。

为了能在制备过程中，及时清理喷吹头22和底部搅拌头3之间堵塞的增强相颗粒，与搅拌杆2配合设置有升降机构23，升降机构23能随时调整搅拌杆2的升降，从而调整喷吹头22和底部搅拌头3之间的间距。升降机构23通过调整间距，可以在制备过程中随时解决堵塞问题，从而保证连续生产和材料质量。本实施例的升降机构23包括升降机231、以及自升降机231延伸出来的支撑臂232，通过支撑臂232升降搅拌杆2，并且本实施例的支撑臂232的外端与气粉混合室4固定连接。

为了下压上浮的增强相颗粒以及进一步均匀熔体，在搅拌杆2的两侧均设有一个辅助搅拌头24，辅助搅拌头24距离液面的搅拌深度不超过总液面高度的1/2。

本实施例的铝合金基体的成分配比为：Mg含量1％、Si含量为10％，其余为Al；增强相颗粒为：SiC颗粒，质量分数为20％，颗粒尺寸为15μm；喷吹的惰性气体为氩气。使用上述旋转喷吹装置的颗粒增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1、AlMgSi合金的配制和熔炼：炉内装入称量好的纯Al、纯Mg和Al-Si中间合金，加热至750℃，保温0.5小时，保证原料完全熔化；热电偶7实时监测温度变化，降温至640 ℃保温。为了确保熔体充分熔化先加热至750℃，为了防止加入增强相颗粒后产生脆性有害相，降温至640 ℃保温。

2、气体喷吹：通过升降机构23，将喷吹头22下降到合适位置，打开底部搅拌头3，转速为250 r/min，在熔体中形成稳定涡流后，打开供气机构5开始喷惰性气体，气压为0.8MPa，氩气流量为20 L/min；

3、喷吹增强相颗粒：待熔体内气泡上浮稳定后，打开两个辅助搅拌头24，转速为150r/min形成下压流场；开启供料机构6，进行送粉，送粉速率为0.2 kg/min，从而通过中空通道21向熔体内输送增强相混合气体；

4、喷吹结束后，通过升降机构23将喷吹头22上升至离开熔体液面，底部搅拌头3转速降到150r/min以下，继续搅拌30 min；

5、搅拌结束后，将熔体转移进行下一步铸造。熔体转移完毕后，提高底部搅拌头3转速至500 r/min，进行空转以清理喷吹槽32内残留熔体。

由于本实施例的喷吹槽使增强相颗粒的气粉流高效弥散喷射进入熔体内部，分体式喷吹头可有效避免堵塞问题，喷吹头外部剪切叶片可以打散上浮的团聚颗粒。因此，采用本实施例上述旋转喷吹装置和制备方法制备的颗粒增强铝基复合材料，如图7所示增强相颗粒在铝基体中分布均匀，从而提高了颗粒增强铝基复合材料的综合性能。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种颗粒增强铝基复合材料的旋转喷吹装置，包括熔炼炉，其特征在于：与熔炼炉配合设置的喷吹搅拌组件，所述喷吹搅拌组件包括延伸入熔炼炉的搅拌杆以及底部搅拌头；所述搅拌杆中部具有供增强相混合气体通过的中空通道，所述搅拌杆的底部向外侧延伸形成有喷吹头，所述喷吹头外侧沿周向间隔设置有多个切割刀片，所述喷吹头的中部具有中空通道的喷吹口；

与所述喷吹头相对设有所述底部搅拌头，所述喷吹头与所述底部搅拌头的间距小于15mm，所述底部搅拌头能转动地安装于所述熔炼炉的底部，所述底部搅拌头的中部具有与所述喷吹口相对应的容纳腔，所述容纳腔的深度为10-30mm，所述容纳腔的直径为30-50mm，自所述容纳腔向外侧延伸有多条喷吹槽，所述底部搅拌头与所述喷吹头相对的表面均为平面，且形状相互匹配，从而使得所述增强相混合气体通过所述喷吹槽向外喷吹，所有所述喷吹槽靠近所述容纳腔一侧开口的总横截面积小于所述中空通道的横截面。

2.根据权利要求1所述的颗粒增强铝基复合材料的旋转喷吹装置，其特征在于：所述底部搅拌头的所述喷吹槽为直通型、螺旋型或树枝型。

3.根据权利要求2所述的颗粒增强铝基复合材料的旋转喷吹装置，其特征在于：所述搅拌杆配合设置有升降机构，在所述搅拌杆的两侧均设有一个辅助搅拌头，所述辅助搅拌头距离液面的搅拌深度不超过总液面高度的1/2，所述搅拌杆的上端与气粉混合室连接，所述气粉混合室与供气机构和供料机构连接。

4.一种使用如权利要求3所述的颗粒增强铝基复合材料的旋转喷吹装置的颗粒增强铝基复合材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(a)：根据需要配置铝合金原料，放入熔炼炉内，加热，保证原料完全熔化为熔体；

步骤(b)：气体喷吹：通过升降机构，将喷吹头下降到合适位置，启动底部搅拌头，在熔体中形成稳定涡流后，打开供气机构开始喷惰性气体；

步骤(c)：喷吹增强相颗粒：待熔体内气泡上浮稳定后，打开两个辅助搅拌头，形成下压流场；开启供料机构，进行送粉，从而通过中空通道向熔体内输送增强相混合气体；

步骤(d)：喷吹结束后，通过升降机构将喷吹头上升至离开熔体液面，底部搅拌头继续搅拌；

步骤(e)：搅拌结束后，将熔体转移进行下一步铸造。

5.根据权利要求4所述的颗粒增强铝基复合材料制备方法，其特征在于：所述步骤(b)中，底部搅拌头转速为50-400 r/min。

6.根据权利要求5所述的颗粒增强铝基复合材料制备方法，其特征在于：所述步骤(c)中，辅助搅拌头的转速为20-300r/min。

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