CN116005032A - 金属基复合材料的制备装置、方法及材料 - Google Patents
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Abstract
本发明属于铸造金属基复合材料技术领域，具体涉及一种金属基复合材料的制备装置、方法及材料。本发明公开的装置包含真空炉、搅拌装置与超声振动装置，其中，真空炉不仅保证了复合材料熔体搅拌浇铸过程的纯净，同时避免了搅拌和浇铸过程中发生卷气，而搅拌装置带来的强剪切搅拌作用实现了纳米颗粒的初步分散，保证了复合材料整体的一致性，与此同时，采用超声振动装置的空化效果打散熔体中存在的纳米颗粒团簇体，实现了有效的弥散分布，此外，铸模冷却装置与感应炉的相邻设计，可以精确调控纳米颗粒增强金属基复合材料的凝固特征，减少由于凝固速率慢导致的纳米颗粒团聚，而高过冷度促进了基体组织形核，最终制得组织细小、增强相弥散分布，不存在明显团聚的纳米颗粒增强金属基复合材料。并且该装置操作简单，适合工业化批量生产。
Description
技术领域
本发明属于铸造金属基复合材料技术领域，具体涉及一种金属基复合材料的制备装置、方法及材料。
背景技术
金属基复合材料(metal matrix composites)，简称MMCs，是以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工结合成的复合材料。其增强材料大多为无机非金属，如陶瓷、碳纳米管、石墨等，也可以用晶须。
铝基复合材料因具有比强度和比刚度高、耐疲劳、耐磨、阻尼性能好、热膨胀系数低等优异的理化性能，已成为最常用、最重要的金属基复合材料之一，其在交通运输、航空航天、电力输送、电子封装等领域具备广泛应用。例如日本Mazda公司制造的Al2O3/铝合金复合材料连杆，比钢质连杆轻35％，抗拉强度和疲劳强度分别达到560MPa和392MPa，且线性膨胀系数小。
为进一步提高铝基复合材料的性能，近年来科研工作者尝试将颗粒与铝合金粉混合用于制备颗粒增强铝基复合材料，制备方法包括如粉末冶金法、搅拌摩擦法、熔铸法、热喷涂法和其他创新方法。对于制备颗粒增强铝基复合材料而言，主要需考虑到以下几个方面问题：(1)需要实现颗粒增强相在铝基体中的均匀分布；(2)应避免增强相与铝之间发生不良界面反应并实现良好的界面结合；(3)制备方法应适于批量化生产。
为解决增强相与金属铝之间润湿性较差、两者间界面结合力较弱，增强相易发生团聚等问题，现有技术公开了在增强相镀覆铜、镍等金属层增加润湿性，或者采用超声波焊接技术，或者采用高能球磨、烧结、热挤压等方式方法，详见专利CN101914735A，CN109554565A。
然而上述方法存在工艺参数不可控，应用范围窄，工序繁琐、生产成本高，不适于批量化生产的技术问题。
发明内容
本发明的技术目的是至少解决现有技术制备金属基复合材料存在工艺参数不可控，应用范围窄，工序繁琐、生产成本高，不适于批量化生产等问题。
该目的是通过以下技术方案实现的：
第一方面，本发明公开了一种金属基复合材料的制备装置，所述装置包括：
真空炉、位于所述真空炉内部的感应炉与铸模冷却装置；其中，将感应炉设于真空炉内，不仅保证了复合材料熔体搅拌浇铸过程的纯净，同时避免了搅拌和浇铸过程中发生卷气。
所述感应炉上方布置有超声振动装置，所述超声振动装置包含工具头，所述超声振动装置用于带动所述工具头相较于所述感应炉在竖直方向做往复移动和/或周向转动；
所述感应炉的底部连接升降装置及第二传动装置，所述升降装置用于实现所述感应炉在竖直方向的运动及带动所述感应炉的开口端朝向所述铸模空腔倾斜并将所述感应炉内合金熔体转移至所述铸模冷却装置内；所述第二传动装置用于带动所述感应炉进行周向转动；且所述工具头的周向转动方向与所述感应炉的周向转动方向不一致；
所述装置还包括搅拌装置。
在本发明的一些实施方式中，所述搅拌装置包含机械搅拌装置和电磁搅拌装置。而机械搅拌装置协同电磁搅拌装置带来的强剪切机械搅拌作用实现了纳米颗粒的初步分散，保证了复合材料整体的一致性。
在本发明的一些实施方式中，所述工具头为若干根，各所述工具头连接变幅杆一端，各所述变幅杆的另一端连接第一传动装置。
在本发明的一些实施方式中，所述工具头选择三根，三根所述工具头呈等边三角形排布，各所述工具头之间的距离为180～240mm，优选200mm。
在本发明的一些实施方式中，所述超声振动装置还包含连接所述变幅杆顶端的发生器，优选通过固定法兰相连；
所述发生器分别连接电刷与连接轴，所述连接轴连接所述第一传动装置；
所述第一传动装置包括第一电动丝杆，所述第一电动丝杆包括可沿竖直方向做往复运动的推杆一，所述推杆一连接水平布置的横梁，所述横梁与所述连接轴通过轴承连接。
在本发明的一些实施方式中，所述第二传动装置包括第二电动丝杆，所述第二电动丝杆的推杆二铰接旋转装置，所述旋转装置与所述感应炉卡扣连接；
所述升降装置包含若干个升降弹簧。
在本发明的一些实施方式中，所述超声振动装置还包括传动皮带，所述传动皮带连接传动轮；
所述真空炉连接抽真空装置。
在本发明的一些实施方式中，所述铸模冷却装置包含铸模空腔，所述铸模空腔由铸模侧壁围合形成，所述铸模侧壁上设有冷却通道；
在本发明的一些实施方式中，所述冷却通道上设有进水口与出水口。
第二方面，本发明公开了一种金属基复合材料的制备方法，所述方法在第一方面所述的装置中进行。
在本发明的一些实施方式中，所述方法包括如下步骤：
1)所述真空炉抽真空处理；
2)开启所述感应炉对合金原料加热熔化至液相线以上10～30℃制得合金熔体；
3)开启搅拌装置对所述合金熔体持续搅拌；
4)启动第二传动装置使感应炉周向转动，同时启动升降装置使感应炉内合金熔体的液面水平处与所述工具头顶端相接触并预热所述工具头，关闭升降装置，开启超声振动装置使所述工具头在合金熔体的液面水平处下方的100～200mm内做竖直方向的往复移动和周向转动；
5)停止超声振动装置，所述工具头停止周向转动并上升至原位，继续搅拌一段时间后关闭搅拌装置；
6)待所述合金熔体的温度降至液相线以上20℃时，打开所述铸模冷却装置的进水口与出水口待水冷均匀后，开启升降装置使所述感应炉的开口端朝向所述铸模冷却装置倾斜并将所述感应炉内合金熔体转移至所述铸模冷却装置内；待转移完毕后所述感应炉回至原位继续重复上述步骤1)至6)。
在本发明的一些实施方式中，步骤3)中，所述搅拌装置的转速为800～1200rad/min，持续搅拌30～50min后关闭所述搅拌装置。
第三方面，本发明公开了一种金属基复合材料，所述材料由第一方面所述装置或第二方面所述方法制得，其中，所述材料包括铝基复合材料、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、钛基复合材料中的一种或两种或多种。
在本发明的一些实施方式中，所述金属基复合材料为SiC、Al2O3、TiB2、CNTs中的任意一种作为纳米颗粒复合在铝合金中制得纳米颗粒增强金属基复合材料。
本发明公开技术方案的有益效果主要体现在如下：
1、本发明设计的制备装置包含抽真空装置，不仅保证了复合材料熔体搅拌浇铸过程的纯净，同时避免了搅拌和浇铸过程中发生卷气，而机械搅拌装置协同电磁搅拌装置带来的强剪切机械搅拌作用实现了纳米颗粒的初步分散，保证了复合材料整体的一致性，与此同时，采用超声振动装置的空化效果打散熔体中存在的纳米颗粒团簇体，实现了有效的弥散分布，此外，铸模冷却装置与感应炉的相邻设计，有利于精确调控纳米颗粒增强金属基复合材料的凝固特征，减少由于凝固速率慢导致的纳米颗粒团聚，同时高过冷度促进基体组织形核，最终制得组织细小、增强相弥散分布，不存在明显团聚的纳米颗粒增强金属基复合材料，该复合材料力学性能优异。
2、本发明设计的制备装置及工艺操作相对简单，适合工业化批量生产。
3、本发明设计的制备装置及工艺可以适用于包含铝基复合材料、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、钛基复合材料中的一种或两种或多种复合材料。
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，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
图1示意性地示出了根据本发明实施方式金属基复合材料的制备装置的结构示意图；
图2示意性地示出了根据本发明实施方式的制备装置及工艺制得的复合材料的微观结构组织图；
图3示意性地示出了根据本发明实施方式的制备装置及工艺制得的复合材料的微观结构组织图；
图4示意性地示出了背景技术制得的复合材料的微观结构组织图；
附图中各标号表示如下：
100、真空炉；
200、感应炉；200-1、底部；200-2、开口端；
300、铸模冷却装置；300-1、铜模空腔；300-2、铸模侧壁、300-3、冷却通道；300-4、进水口；300-5、出水口；
400、超声振动装置；400-1、工具头；400-2、变幅杆；400-3、第一传动装置；400-31、第一电动丝杆；400-32、推杆一；400-33、横梁；400-34、轴承；400-4、发生器；400-5、电刷；400-6、连接轴；400-7、固定法兰；400-8、支撑环；400-9、传动皮带；400-10、传动轮；
500、升降装置；500-1、升降弹簧；
600、第二传动装置；600-1、第二电动丝杆；600-2、推杆二；600-3、旋转装置；
700、搅拌装置；700-1、机械搅拌装置；700-2、电磁搅拌装置；
800、抽真空装置。
具体实施方式
现有技术中为进一步提高铝基复合材料的性能，近年来科研工作者尝试将颗粒与铝合金粉混合用于制备颗粒增强铝基复合材料，该颗粒增强铝基复合材料具备获得高强、高导、耐蚀、耐疲劳、低膨胀等优异性能的巨大潜力，在航空航天、交通运输、电力输送、机械制造等领域具有广泛的应用前景，成为近年的研究热点。其制备方法包括如粉末冶金法、搅拌摩擦法、熔铸法、热喷涂法和其他创新方法。对于制备颗粒增强铝基复合材料而言，主要需考虑到以下几个方面问题：(1)需要实现颗粒增强相在铝基体中的均匀分布；(2)应避免增强相与铝之间发生不良界面反应并实现良好的界面结合；(3)制备方法应适于批量化生产。
为有效解决纳米颗粒与金属铝之间润湿性较差、两者间界面结合力较弱，增强相易发生团聚等情况，常用的是在纳米颗粒镀覆铜、镍等金属层增加润湿性。又如公开号为CN101914735A的专利提供了采用超声波焊接制备碳纳米管增强铝基复合材料，具体的通过超声波焊接技术降温快、凝固时间短的特点较好的解决了碳纳米管与铝基体之间的界面反应问题，但通过该工艺也存在应用范围窄等局限性，如并不适用于颗粒增强的其他金属复合材料。公开号为CN109554565A的专利提供了碳纳米管增强铝基复合材料的界面优化方法，具体是采用高能球磨、烧结、热挤压改善了碳纳米管与铝基体之间界面结合弱的缺点，然而该工艺工序复杂，生产成本高，不适宜工业化生产。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种金属基复合材料的制备装置、方法及其材料。本发明设计的装置包含抽真空装置，不仅保证了复合材料熔体搅拌浇铸过程的纯净，同时避免了搅拌和浇铸过程中发生卷气，而机械搅拌装置协同电磁搅拌装置带来的强剪切机械搅拌作用实现了纳米颗粒的初步分散，保证了复合材料整体的一致性，与此同时，采用超声振动装置的空化效果打散熔体中存在的纳米颗粒团簇体，实现了有效的弥散分布，此外，铸模冷却装置与感应炉的相邻设计，精确调控了纳米颗粒增强金属基复合材料的凝固特征，减少由于凝固速率慢导致的纳米颗粒团聚，同时高过冷度促进基体组织形核，最终制得组织细小、增强相弥散分布，不存在明显团聚的纳米颗粒增强金属基复合材料。并且该装置操作简单，适合工业化批量生产。
本发明为实现上述技术效果的第一方面是提供一种金属基复合材料的制备装置，如图1所示，所述装置包括：
真空炉100、位于所述真空炉100内部的感应炉200与铸模冷却装置300，且所述铸模冷却装置300与所述感应炉200相邻设置；其中所述铸模冷却装置300与所述感应炉200之间具体的距离可以根据实际需要灵活调整，本发明不做赘述。
所述铸模冷却装置300包含铸模空腔300-1，所述铸模空腔300-1由铸模侧壁300-2围合形成，所述铸模侧壁300-2上设有冷却通道300-3；
所述感应炉200上方布置有超声振动装置400，这里的上方优选正上方，所述超声振动装置400包含若干根工具头400-1，这里的若干根指代两根及以上，各所述工具头400-1连接变幅杆400-2一端，各所述变幅杆400-2的另一端连接第一传动装置400-3，所述第一传动装置400-3用于带动所述工具头400-1相较于所述感应炉200在竖直方向做往复移动和/或周向转动；优选所述第一传动装置400-3带动所述工具头400-1同时做竖直方向的往复移动和周向转动。
所述感应炉200的底部200-1连接升降装置500及第二传动装置600，所述升降装置500用于实现所述感应炉200在竖直方向的运动及所述感应炉200的开口端200-2朝向所述铸模冷却装置300倾斜并将所述感应炉200内合金熔体转移至所述铸模冷却装置300内；所述第二传动装置600用于带动所述感应炉200进行周向转动；且所述工具头400-1的周向转动方向与所述感应炉200的周向转动方向不一致，例如，当所述工具头400-1逆时针转动时，所述感应炉200选择顺时针转动。
在一些实施例中，所述工具头400-1选择三根，三根所述工具头400-1呈等边三角形排布，各所述工具头400-1之间距离为180～240mm，优选200mm。
示例性的，所述工具头400-1之间距离为180mm、185mm、190mm、195mm、200mm、205mm、210mm、215mm、220mm、225mm、230mm、235mm、240mm。
所述装置还包括用于搅拌所述感应炉200内合金熔体的搅拌装置700，所述搅拌装置700包括机械搅拌装置700-1和电磁搅拌装置700-2。
示例性的，所述机械搅拌装置700-1和电磁搅拌装置700-2受外界动力驱动，其中，外界动力在附图中未体现，但其实际是存在的。
示例性的，所述机械搅拌装置700-1伸入所述感应炉200内，所述电磁搅拌装置700-2绕所述感应炉200的外侧壁设置。
在一些实施例中，所述第二传动装置600包括第二电动丝杆600-1，所述第二电动丝杆600-1的推杆二600-2铰接旋转装置600-3，所述旋转装置600-3与所述感应炉200卡扣连接。
示例性的，所述推杆二600-2在水平方向做往复运动时带动所述旋转装置600-3进行周向转动，由于所述旋转装置600-3与所述感应炉200卡扣固定，所述感应炉200与所述旋转装置600-3保持一致的周向转动。
示例性的，所述第二传动装置600受外界动力驱动，如附图中所示的符号
为电机。
在一些实施例中，所述升降装置500包含若干个升降弹簧500-1。
示例性的，各所述升降弹簧500-1受外界动力驱动，其中，外界动力在附图中未体现，但其实际是存在的。
示例性的，各所述升降弹簧500-1在外界动力驱动下可同时在竖直方向做往复运动或者，一部分升降弹簧的运动速度高于余下一部分升降弹簧的运动速度使得所述感应炉200的开口端200-2朝向所述铸模冷却装置300倾斜并将所述感应炉200内合金熔体转移至所述铸模冷却装置300内；待转移完毕后，在升降弹簧500-1的回复作用下，感应炉200能够回至原位。
在一些实施例中，所述第二传动装置600、所述升降装置500位于所述真空炉100内部，如说明书附图图1所示。
在一些实施例中，所述第一传动装置600的部分部件位于所述真空炉100外侧，如说明书附图图1所示，且与所述真空炉100连接处设有动密封环。
在一些实施例中，所述超声振动装置400还包含连接所述变幅杆400-2顶端的发生器400-4，优选通过固定法兰400-7相连。
在一些实施例中，所述发生器400-4分别连接电刷400-5与连接轴400-6，所述连接轴400-6连接所述第一传动装置400-3。
在一些实施例中，所述第一传动装置400-3包括第一电动丝杆400-31，所述第一电动丝杆400-31包括可沿竖直方向做往复运动的推杆一400-32，所述推杆一400-32连接水平布置的横梁400-33，所述横梁400-33与所述连接轴400-6通过轴承400-34连接。
示例性的，所述第一传动装置400-3受外界动力驱动，如附图中所示的符号
为电机。在电机驱动下，所述推杆一400-32带动连接轴400-6、变幅杆400-2做变幅杆400-2往复运动及所述变幅杆400-2在轴承400-34带动下做周向转动。
在一些实施例中，所述工具头400-1选择三根，三根所述工具头400-1呈等边三角形排布。
在一些实施例中，所述超声振动装置400还包括传动皮带400-9，所述传动皮带400-9连接传动轮400-10。
在一些实施例中，所述传动皮带400-9、传动轮400-10位于所述真空炉100内部或外侧。
在一些实施例中，所述真空炉100连接抽真空装置800。
在一些实施例中，所述冷却通道300-3上设有进水口300-4与出水口300-5。
在一些实施例中，所述铸模冷却装置300的材质为铜，优选紫铜。
在一些实施例中，所述铸模侧壁300-2的厚度为铸模空腔300-1内径的1/3。
本发明为实现上述技术效果的第二方面是提供一种金属基复合材料的制备方法，所述方法在第一方面所述装置中进行。
在一些实施例中，所述方法包括如下步骤：
1)所述真空炉100抽真空处理；
2)开启所述感应炉200对合金原料加热熔化至液相线以上10～30℃制得合金熔体；
3)开启搅拌装置700对所述合金熔体持续搅拌；
4)启动第二传动装置600使感应炉200周向转动，同时启动升降装置500使感应炉200内合金熔体的液面水平处与所述工具头400-1顶端相接触并预热所述工具头400-1，关闭升降装置500，开启超声振动装置400使所述工具头400-1在合金熔体的液面水平处下方的100～200mm内做竖直方向的往复移动和周向转动；
5)停止超声振动装置400，所述工具头400-1停止周向转动并上升至原位，继续搅拌一段时间后关闭搅拌装置；
6)待所述合金熔体的温度降至液相线以上20℃时，打开所述铸模冷却装置的进水口300-1与出水口300-2待水冷均匀后，开启升降装置500使所述感应炉200的开口端200-2朝向所述铸模冷却装置300倾斜并将所述感应炉200内合金熔体转移至所述铸模冷却装置300的铜模空腔300-3内；待转移完毕后所述感应炉200回至原位继续重复上述步骤1)至6)。
在一些实施例中，步骤3)中，所述搅拌装置700的转速为800～1200rad/min，持续搅拌30～50min后关闭所述搅拌装置700-1。
示例性的，所述机械搅拌装置700-1和电磁搅拌装置700-2的转速为800rad/min、850rad/min、900rad/min、950rad/min、1000rad/min、1100rad/min、
1200rad/min。
示例性的，所述机械搅拌装置700-1和电磁搅拌装置700-2持续搅拌30min、35min、40min、45min、50min。
示例性的，所述步骤2)中，加热熔化至液相线以上10℃、12℃、15℃、17℃、20℃、22℃、25℃、27℃、30℃。
在一些实施例中，所述步骤4)中，所述工具头400-1预热1～3min。
示例性的，所述工具头400-1预热1.0min、1.5min、2.0min、2.5min、3.0min、。
在一些实施例中，所述步骤4)中，所述工具头400-1的振动频率为15～25kHz，优选20kHz。
示例性的，所述工具头400-1的振动频率为15kHz、18kHz、20kHz、22kHz、25kHz。
示例性的，所述工具头400-1在合金熔体的液面水平处下方的100mm、120mm、150mm、180mm、200mm做运动。
本发明为实现上述技术效果的第三方面是公开一种金属基复合材料，所述材料由第一方面所述装置执行第二方面所述方法制得，其中，所述材料包括铝基复合材料、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、钛基复合材料中的一种或两种或多种。
以铝基复合材料为例，下面将结合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。
实施例1
公开了一种碳纳米管增强Al-Cu复合材料的制备方法，它包括如下步骤：
1)所述真空炉100抽真空处理；
2)开启所述感应炉200对合金原料加热至680℃制得合金熔体；
3)开启机械搅拌装置700-1和电磁搅拌装置700-2对所述合金熔体持续搅拌，转速均为1000rad/min，持续35min；
4)启动第二传动装置600使感应炉200沿顺时针方向转动，同时启动升降装置500使感应炉200内合金熔体的液面水平处与所述工具头400-1顶端相接触并预热所述工具头400-1大约2min，关闭升降装置500，开启超声振动装置400使所述工具头400-1在合金熔体的液面水平处下方的100～200mm内做竖直方向的往复移动和逆时针方向转动，超声振动频率为20kHz，持续20min；
5)停止超声振动装置400，所述工具头400-1停止周向转动并上升至原位，继续搅拌5min后关闭搅拌装置；
6)待所述合金熔体的温度降至670℃时，打开所述铸模冷却装置的进水口300-1与出水口300-2待水冷均匀后，开启升降装置500使所述感应炉200的开口端200-2朝向所述铸模冷却装置300倾斜并将所述感应炉200内合金熔体转移至所述铸模冷却装置300的铜模空腔300-3内，均匀浇铸制得碳纳米管增强Al-Cu复合材料。
说明书附图图2为该实施例1制得复合材料的微观结构组织图，结合图2可看出，CNTs不存在明显团聚现象，其均匀分布在基体材料中。
实施例2
公开了一种具体SiCp/A357复合材料的制备方法，其与上述实施例1不同之处在于：
1)所述真空炉100抽真空处理；
2)开启所述感应炉200对合金原料加热至620℃制得合金熔体；
3)开启机械搅拌装置700-1和电磁搅拌装置700-2对所述合金熔体持续搅拌，转速均为1000rad/min，持续40min；
4)启动第二传动装置600使感应炉200沿顺时针方向转动，同时启动升降装置500使感应炉200内合金熔体的液面水平处与所述工具头400-1顶端相接触并预热所述工具头400-1大约2min，关闭升降装置500，开启超声振动装置400使所述工具头400-1在合金熔体的液面水平处下方的100～200mm内做竖直方向的往复移动和逆时针方向转动，超声振动频率为20kHz，持续20min；
5)停止超声振动装置400，所述工具头400-1停止周向转动并上升至原位，继续搅拌5min后关闭搅拌装置；
6)待所述合金熔体的温度降至620℃时，打开所述铸模冷却装置的进水口300-1与出水口300-2待水冷均匀后，开启升降装置500使所述感应炉200的开口端200-2朝向所述铸模冷却装置300倾斜并将所述感应炉200内合金熔体转移至所述铸模冷却装置300的铜模空腔300-3内，均匀浇铸制得SiCp增强A357复合材料。
实施例3
公开了一种具体Al2O3/6013复合材料的制备方法，其与上述实施例1不同之处在于：
1)所述真空炉100抽真空处理；
2)开启所述感应炉200对合金原料加热至660℃制得合金熔体；
3)开启机械搅拌装置700-1和电磁搅拌装置700-2对所述合金熔体持续搅拌，转速均为1000rad/min，持续35min；
4)启动第二传动装置600使感应炉200沿顺时针方向转动，同时启动升降装置500使感应炉200内合金熔体的液面水平处与所述工具头400-1顶端相接触并预热所述工具头400-1大约2min，关闭升降装置500，开启超声振动装置400使所述工具头400-1在合金熔体的液面水平处下方的100～200mm内做竖直方向的往复移动和逆时针方向转动，超声振动频率为20kHz，持续15min；
5)停止超声振动装置400，所述工具头400-1停止周向转动并上升至原位，继续搅拌5min后关闭搅拌装置；
6)待所述合金熔体的温度降至660℃时，打开所述铸模冷却装置的进水口300-1与出水口300-2待水冷均匀后，开启升降装置500使所述感应炉200的开口端200-2朝向所述铸模冷却装置300倾斜并将所述感应炉200内合金熔体转移至所述铸模冷却装置300的铜模空腔300-3内，均匀浇铸制得Al2O3增强6061复合材料。
实施例4
公开了一种具体SiCp/6013复合材料的制备方法，其与上述实施例1不同之处在于：
1)所述真空炉100抽真空处理；
2)开启所述感应炉200对合金原料加热至660℃制得合金熔体；
3)开启机械搅拌装置700-1和电磁搅拌装置700-2对所述合金熔体持续搅拌，转速均为1000rad/min，持续40min；
4)启动第二传动装置600使感应炉200沿顺时针方向转动，同时启动升降装置500使感应炉200内合金熔体的液面水平处与所述工具头400-1顶端相接触并预热所述工具头400-1大约2min，关闭升降装置500，开启超声振动装置400使所述工具头400-1在合金熔体的液面水平处下方的100～200mm内做竖直方向的往复移动和逆时针方向转动，超声振动频率为20kHz，持续30min；
5)停止超声振动装置400，所述工具头400-1停止周向转动并上升至原位，继续搅拌5min后关闭搅拌装置；
6)待所述合金熔体的温度降至660℃时，打开所述铸模冷却装置的进水口300-1与出水口300-2待水冷均匀后，开启升降装置500使所述感应炉200的开口端200-2朝向所述铸模冷却装置300倾斜并将所述感应炉200内合金熔体转移至所述铸模冷却装置300的铜模空腔300-3内，均匀浇铸制得SiCp增强6013复合材料。
实施例5
公开了一种具体TiB2/Al-Si复合材料的制备方法，其与上述实施例1不同之处在于：
1)所述真空炉100抽真空处理；
2)开启所述感应炉200对合金原料加热至640℃制得合金熔体；
3)开启机械搅拌装置700-1和电磁搅拌装置700-2对所述合金熔体持续搅拌，转速均为1000rad/min，持续30min；
4)启动第二传动装置600使感应炉200沿顺时针方向转动，同时启动升降装置500使感应炉200内合金熔体的液面水平处与所述工具头400-1顶端相接触并预热所述工具头400-1大约2min，关闭升降装置500，开启超声振动装置400使所述工具头400-1在合金熔体的液面水平处下方的100～200mm内做竖直方向的往复移动和逆时针方向转动，超声振动频率为20kHz，持续15min；
5)停止超声振动装置400，所述工具头400-1停止周向转动并上升至原位，继续搅拌5min后关闭搅拌装置；
6)待所述合金熔体的温度降至640℃时，打开所述铸模冷却装置的进水口300-1与出水口300-2待水冷均匀后，开启升降装置500使所述感应炉200的开口端200-2朝向所述铸模冷却装置300倾斜并将所述感应炉200内合金熔体转移至所述铸模冷却装置300的铜模空腔300-3内，均匀浇铸制得TiB2增强Al-Si复合材料。
实施例6
公开了一种具体CNTs/A357复合材料的制备方法，其与上述实施例1不同之处在于：
1)所述真空炉100抽真空处理；
2)开启所述感应炉200对合金原料加热至620℃制得合金熔体；
3)开启机械搅拌装置700-1和电磁搅拌装置700-2对所述合金熔体持续搅拌，转速均为1000rad/min，持续35min；
4)启动第二传动装置600使感应炉200沿顺时针方向转动，同时启动升降装置500使感应炉200内合金熔体的液面水平处与所述工具头400-1顶端相接触并预热所述工具头400-1大约2min，关闭升降装置500，开启超声振动装置400使所述工具头400-1在合金熔体的液面水平处下方的100～200mm内做竖直方向的往复移动和逆时针方向转动，超声振动频率为20kHz，持续25min；
5)停止超声振动装置400，所述工具头400-1停止周向转动并上升至原位，继续搅拌5min后关闭搅拌装置；
6)待所述合金熔体的温度降至620℃时，打开所述铸模冷却装置的进水口300-1与出水口300-2待水冷均匀后，开启升降装置500使所述感应炉200的开口端200-2朝向所述铸模冷却装置300倾斜并将所述感应炉200内合金熔体转移至所述铸模冷却装置300的铜模空腔300-3内，均匀浇铸制得CNTs增强A357复合材料。
将上述实施例1～6制备的金属基复合材料的性能进行列表，如表1所示：
表1实施例1～6制备的金属基复合材料性能列表
| 抗拉强度(MPa) | 屈服强度(MPa) | 延伸率(％) | |
| 实施例1 | 557 | 432 | 9.8 |
| 实施例2 | 389 | 314 | 5.4 |
| 实施例3 | 428 | 329 | 6.9 |
| 实施例4 | 476 | 401 | 5.1 |
| 实施例5 | 423 | 367 | 3.8 |
| 实施例6 | 408 | 345 | 6.7 |
此外，本发明还采用上述实施例1公开的工艺制备碳纳米管增强Al-Cu-Mg复合材料，得到其微观结构组织图如图3所示，与背景技术中提到工艺制备的碳纳米管增强Al-Cu-Mg复合材料的微观结构组织图图4对比可看出，本发明工艺方法制得材料的组织细小、增强相弥散分布。
综上所述，本发明提供了一种金属基复合材料的制备装置、方法及其材料。其中，该装置及方法操作相对简单，适合包含铝基复合材料、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、钛基复合材料中的一种或两种或多种复合材料的工业化批量生产，其生产制备的复合材料微观组织内部颗粒细小、分布均匀，不存在团聚问题。
应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。
尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。
为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向(旋转90度或者在其它方向)并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。
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权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种金属基复合材料的制备装置，其特征在于，所述装置包括：
真空炉(100)、位于所述真空炉(100)内部的感应炉(200)与铸模冷却装置(300)；
所述感应炉(200)上方布置有超声振动装置(400)，所述超声振动装置(400)包含工具头(400-1)，所述超声振动装置(400)用于带动所述工具头(400-1)相较于所述感应炉(200)在竖直方向做往复移动和/或周向转动；
所述感应炉(200)的底部(200-1)连接升降装置(500)及第二传动装置(600)，所述升降装置(500)用于实现所述感应炉(200)在竖直方向的运动及带动所述感应炉(200)的开口端(200-2)朝向所述铸模冷却装置(300)倾斜并将所述感应炉(200)内合金熔体转移至所述铸模冷却装置(300)内；所述第二传动装置(600)用于带动所述感应炉(200)进行周向转动；且所述工具头(400-1)的周向转动方向与所述感应炉(200)的周向转动方向不一致；
所述装置还包括搅拌装置(700)。
2.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述搅拌装置(700)包含机械搅拌装置(700-1)和电磁搅拌装置(700-2)；
所述工具头(400-1)为若干根，各所述工具头(400-1)连接变幅杆(400-2)一端，各所述变幅杆(400-2)的另一端连接第一传动装置(400-3)。
3.根据权利要求2所述装置，其特征在于，所述工具头(400-1)选择三根，三根所述工具头(400-1)呈等边三角形排布，各所述工具头(400-1)之间的距离为180～240mm，优选200mm。
4.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述超声振动装置(400)还包含连接所述变幅杆(400-2)顶端的发生器(400-4)，优选通过固定法兰(400-7)相连；
所述发生器(400-4)分别连接电刷(400-5)与连接轴(400-6)，所述连接轴(400-6)连接所述第一传动装置(400-3)；
所述第一传动装置(400-3)包括第一电动丝杆(400-31)，所述第一电动丝杆(400-31)包括可沿竖直方向做往复运动的推杆一(400-32)，所述推杆一(400-32)连接水平布置的横梁(400-33)，所述横梁(400-33)与所述连接轴(400-6)通过轴承(400-34)连接。
5.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述第二传动装置(600)包括第二电动丝杆(600-1)，所述第二电动丝杆(600-1)的推杆二(600-2)铰接旋转装置(600-3)，所述旋转装置(600-3)与所述感应炉(200)卡扣连接；
所述升降装置(500)包含若干个升降弹簧(500-1)。
6.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述铸模冷却装置(300)包含铸模空腔(300-1)，所述铸模空腔(300-1)由铸模侧壁(300-2)围合形成，所述铸模侧壁(300-2)上设有冷却通道(300-3)；
所述超声振动装置(400)还包括传动皮带(400-9)，所述传动皮带(400-9)连接传动轮(400-10)；
所述真空炉(100)连接抽真空装置(800)。
7.一种金属基复合材料的制备方法，其特征在于：所述方法在权利要求1～6中任一项所述装置中进行。
8.根据权利要求7所述方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)所述真空炉(100)抽真空处理；
2)开启所述感应炉(200)对合金原料加热熔化至液相线以上10～30℃制得合金熔体；
3)开启搅拌装置(700)对所述合金熔体持续搅拌；
4)启动第二传动装置(600)使感应炉(200)周向转动，同时启动升降装置(500)使感应炉(200)内合金熔体的液面水平处与所述工具头(400-1)顶端相接触并预热所述工具头(400-1)，关闭升降装置(500)，开启超声振动装置(400)使所述工具头(400-1)在合金熔体的液面水平处下方的100～200mm内做竖直方向的往复移动和周向转动；
5)停止超声振动装置(400)，所述工具头(400-1)停止周向转动并上升至原位，继续搅拌一段时间后关闭搅拌装置(700)；
6)待所述合金熔体的温度降至液相线以上20℃时，打开所述铸模冷却装置(300)的进水口(300-1)与出水口(300-2)待水冷均匀后，开启升降装置(500)使所述感应炉(200)的开口端(200-2)朝向所述铸模空腔(300-1)倾斜并将所述感应炉(200)内合金熔体转移至所述铸模冷却装置(300)内；待转移完毕后所述感应炉(200)回至原位，继续重复上述步骤1)至6)。
9.根据权利要求8所述方法，其特征在于：步骤3)中，所述搅拌装置(700)的转速为800～1200rad/min，持续搅拌30～50min后关闭所述搅拌装置(700)。
10.一种金属基复合材料，其特征在于，所述材料由权利要求1～6中任一项所述装置或权利要求7～9中任一项所述方法制得，其中，所述材料包括铝基复合材料、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、钛基复合材料中的一种或两种或多种。
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-
2022
- 2022-12-13 CN CN202211596123.7A patent/CN116005032A/zh active Pending
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