CN116656996A - 复合材料制备系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种复合材料制备系统及方法。该复合材料制备系统包括：熔炼装置，包括第一真空室、第一熔炼炉和第二出口；混合装置，包括坩埚、第一超声振动器、搅拌器以及第一过滤板，坩埚被构造为能够盛装熔体；第一超声振动器包括第一振动部，第一振动部位于坩埚内，并能够位于熔体内；搅拌器包括搅拌叶片，搅拌叶片位于坩埚内；第一过滤板位于熔体内，第一过滤板位于搅拌器的一侧，第一过滤板的过滤面朝向熔体的来流方向，搅拌器被构造为能够带动熔体穿过第一过滤板；坩埚与第二出口连通，熔炼装置内经过处理后的第一物料从第二出口进入坩埚内。本发明的复合材料制备系统能够解决采用现有复合材料的制备装置容易导致的过滤网堵塞的问题。

Description

复合材料制备系统及方法

技术领域

本发明涉及复合材料制备技术领域，具体而言，涉及一种复合材料制备系统及方法。

背景技术

复合材料的制备装置中，过滤是必备工序之一，在发明人所知的现有技术中，过滤是使用滤网进行物理过滤的，由于复合熔体的流动性差，使得碳化硅颗粒无法正常随着合金穿过滤网，导致碳化硅颗粒大量堆积在滤网前，造成颗粒含量下降，甚至造成滤网严重堵塞而停产。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种复合材料制备系统及方法，能够解决采用现有复合材料的制备装置容易导致的过滤网堵塞的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一方面，提供了一种复合材料制备系统，包括：

熔炼装置，包括第一真空室、位于第一真空室内的第一熔炼炉和开设在第一熔炼炉上的第二出口；

混合装置，包括坩埚、第一超声振动器、搅拌器以及第一过滤板，坩埚被构造为能够盛装熔体；第一超声振动器包括第一振动部，第一振动部位于坩埚内，并能够位于熔体内；搅拌器包括搅拌叶片，搅拌叶片位于坩埚内，并能够位于熔体内；第一过滤板被构造为能够位于熔体内，第一过滤板位于搅拌器的一侧，第一过滤板的过滤面朝向熔体的来流方向，搅拌器被构造为能够带动熔体穿过第一过滤板；

坩埚与第二出口连通，熔炼装置内经过处理后的第一物料从第二出口进入坩埚内。

进一步地，复合材料制备系统还包括：

重熔装置，包括第三真空室、位于第三真空室内的第二熔炼炉和开设在第二熔炼炉上的第三出口，第三出口与坩埚连通；以及

定型装置，包括第四真空室、位于第四真空室内的挤压容器和开设在挤压容器上的第三入口，第三入口坩埚连通；

重熔装置内经过处理后的第二物料从第三出口进入坩埚内，第一物料和第二物料均在坩埚内进行处理，坩埚内经过处理后的第三物料从第三入口进入定型装置内。

进一步地，第一超声振动器还包括第一外壳，第一外壳密封包裹在第一振动部的外周，第一外壳为耐高温材质。

进一步地，第一超声振动器设置为至少两个，搅拌器设置为至少两个，搅拌器与第一超声振动器沿坩埚的周向均匀布置，相邻搅拌器的搅拌叶片之间形成流动区域，第一过滤板能够位于流动区域内。

进一步地，搅拌器和第一超声振动器均设置为两个，两个搅拌器相对设置，两个搅拌器的搅拌方向相反，两个搅拌器的轴心的连线与第一过滤板平行，两个第一超声振动器相对设置。

进一步地，混合装置还包括升降器，升降器与坩埚的顶壁滑动配合，升降器的升降端与第一过滤板连接，升降器被构造为能够带动第一过滤板在等待状态和过滤状态之间转换，等待状态下，第一过滤板位于坩埚内的熔体外，过滤状态下，第一过滤板位于坩埚内的熔体内。

进一步地，混合装置还包括第二真空室、开设在坩埚上的第一入口、第二入口和第一出口，坩埚位于第二真空室内。

进一步地，复合材料制备系统还包括输送装置，输送装置包括输送管、设置在输送管内的第二过滤板和设置在输送管壁面上的第一加热件，坩埚与第三出口通过输送管连通，第二过滤板的外边缘与输送管的内壁密封配合，第二过滤板将输送管分隔为流入段和流出段，流入段与第三出口连通，流出段与坩埚连通。

进一步地，输送装置还包括第二超声振动器，第二超声振动器包括位于流入段的第二振动部；或者，

输送装置还包括第二超声振动器，第二超声振动器包括位于流入段的第二振动部和密封包裹在第二振动部外周的第二外壳，第二外壳为耐高温材质。

根据本发明的另一方面，提供了一种复合材料制备方法，使用上述的复合材料制备系统实现，方法依次包括熔炼步骤、重熔步骤、混合步骤、除渣步骤和定型步骤，

除渣步骤包括：

使坩埚内盛装复合熔体；

将第一超声振动器保持在第一振动频率和第一振动功率，通过第一超声振动器的渗流效应增强复合熔体渗流的速度，将坩埚保持在第一温度，将搅拌器保持在第一转速；

将第一过滤板的至少部分浸入流动区域内，保持第一时间，通过搅拌器带动复合熔体穿过第一过滤板，得到过滤后的复合熔体，为复合材料熔体。

进一步地，混合步骤包括：

对第二真空室抽真空至第一压力；

将精炼熔体输送至坩埚内；

将颗粒材料输送至坩埚内，颗粒材料用于熔融后形成复合熔体的一部分；

将重熔复合材料熔体输送至坩埚内，形成复合熔体；

启动第一超声振动器至第二振动频率和第二振动功率，加热坩埚至第二温度；

启动搅拌器至第二转速；

停止加热坩埚，直至复合熔体温度达到第三温度，第三温度小于第二温度；

调整搅拌器至第三转速，并调整第一超声振动器至第三振动频率和第三振动功率，保持第二时间，并保持复合熔体处于第四温度。

进一步地，熔炼步骤包括：

将初始材料置入第一熔炼炉内，初始材料用于被熔融后形成复合熔体的一部分；

对第一真空室抽真空至第二压力；

加热第一熔炼炉至第五温度，并保持第三时间，使初始材料熔融；

将变质材料置入第一熔炼炉内，静止第四时间，变质材料用于对熔融初始材料进行变质处理。

进一步地，重熔步骤包括：

将重熔料加入第二熔炼炉内，重熔料用于被熔融后形成复合熔体的一部分；

对第三真空室抽真空至第三压力；

加热第二熔炼炉至第六温度，并保持第五时间；

之后将第一熔炼炉加热至初始材料形成精炼熔体后，将第二熔炼炉加热至第七温度，第七温度大于第六温度，得到重熔复合材料熔体。

进一步地，定型步骤包括：

对第四真空室抽真空至第四压力；

将复合材料熔体输送至挤压容器；

挤压复合材料熔体，形成复合棒材。

应用本发明的技术方案，当坩埚内盛装复合熔体时，搅拌器和第一超声振动器开启，搅拌器将复合熔体搅动，增强复合熔体的流动性，使得复合熔体形成流动状态，带动复合熔体穿过第一过滤板，第一超声振动器产生的超声具有渗流效应，增加复合熔体渗流的速度，促使混合在复合熔体中的料渣被吸附在第一过滤板上，搅拌器与第一超声振动结合器，使得坩埚内的复合熔体都能够顺利从第一过滤板穿过，并且第一超声振动器的第一振动部位于坩埚内，使得第一超声振动器产生的超声形成的渗流效应更加强烈，最大程度保证复合熔体能够顺利穿过第一过滤板上，防止复合熔体中的颗粒大量堆积在第一过滤板的过滤面，进而提高颗粒含量，避免因第一过滤板严重堵塞而造成的停产。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明的实施例的复合材料制备系统的平面示意图；

图2示出了本发明的实施例的混合装置和输送装置的平面示意图；

图3示出了图2中I的局部放大图；

图4示出了图2中A-A的剖视图；

图5示出了图4的横截面图；

图6示出了图1的复合材料制备系统的熔炼装置的平面示意图；

图7示出了图1的复合材料制备系统的重熔装置的平面示意图；

图8示出了图1的定型装置和传送带的平面示意图；

图9示出了本发明的实施例的复合材料制备方法的除渣步骤的流程图；

图10示出了通过本发明制备的复合棒材的金相图；

图11示出了通过传统的机械搅拌方式制备的复合棒材的金相图；以及

图12示出了通过传统的分步骤方法制备的复合棒材的金相图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、第一热电偶；2、第一观察口；3、第一真空管；4、第一充气管；5、第一熔炼炉；6、第一真空室；7、第一阀门；8、第一保温层；9、第二阀门；10、导向管；11、进料管；12、第二充气管；13、第二真空管；14、第二真空室；15、第一过滤板；16、第二热电偶；17、第一超声振动器；18、第三阀门；19、第二加热件；20、坩埚、21、搅拌器；22、第二观察口；23、第二过滤板；24、第一加热件；25、第二超声振动器；26、第六阀门；27、第四阀门；28、第二熔炼炉；29、第三充气管；30、第三真空管；31、第三真空室；32、第三热电偶；33、第三观察口；34、第四充气管；35、第四真空室；36、第四真空管；37、第二保温层、38、挤压块；39、第五阀门；40、冷却管；41、液压杆；42、挡板；43、复合棒材；44、传送带；45、第二出口；46、第三出口。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

结合参见图2至图5所示，本发明提供了一种坩埚20，被构造为能够盛装熔体；第一超声振动器17，第一超声振动器17包括第一振动部，第一振动部位于坩埚20内，并能够位于熔体内；搅拌器21，搅拌器21包括搅拌叶片，搅拌叶片位于坩埚20内，并能够位于熔体内；以及第一过滤板15，被构造为能够位于熔体内，第一过滤板15位于搅拌器21的一侧，第一过滤板15的过滤面朝向熔体的来流方向，搅拌器21被构造为能够带动熔体穿过第一过滤板15。

在本实施例中，当坩埚20内的熔体需要过滤时，第一超声振动器17和搅拌器21启动，搅拌器21搅动熔体，增加熔体的流动性，并使熔体形成固定的流动路径，第一过滤板15设置在该流动路径上，第一过滤板15的正面为过滤面，朝向熔体的来流方向，第一过滤板15的背面朝向熔体的去流方向，搅拌器21带动熔体从第一过滤板15的正面穿入并从第一过滤板15的背面穿出，熔体内的料渣被吸附在第一过滤板15上。第一过滤板15在过滤熔体的过程中，熔体始终在搅拌器21搅动的作用力下保持流动状态，使得熔体的流动性强，进而使得熔体在第一过滤板15的过滤面处受到推动力，促使熔体穿过第一过滤板15，防止熔体堵塞在第一过滤板15的过滤面，并且，第一超声振动器17产生的超声具有渗流作用，增加熔体渗流的速度，即促进熔体顺利且快速的穿过第一过滤板15，第一超声振动器17配合搅拌器21，防止熔体中的颗粒堆积在第一过滤板15的过滤面。

具体地，如图5所示，箭头的方向即为熔体的流动方向，第一过滤板15的过滤面与箭头的方向相对，表示第一过滤板15的过滤面朝向熔体的来流方向。

具体地，第一过滤板15具有吸附功能，例如陶瓷滤片。

结合参见图2至图5所示，本发明的一个实施例中，第一超声振动器17还包括第一外壳，第一外壳密封包裹在第一振动部的外周，第一外壳为耐高温材质。

在本实施例中，坩埚20内的熔体均为高温熔体，第一外壳用于保护第一振动部，避免第一振动部在高温熔体中长时间工作而熔融破损，进而避免熔融破损的第一振动部污染坩埚20内的熔体。

通过上述设置，使得第一振动部能够浸入熔体中产生超声振动，使得超声振动能够直接作用于坩埚20内的熔体，充分发挥第一超声振动器17的渗流作用，并且，第一超声振动器17产生的超声振动还具有瞬时热点，能够打开坩埚20内的颗粒团簇，避免颗粒在晶界偏聚。

具体地，第一外壳的材质还具有耐磨性能，例如铌。

结合参见图2至图5所示，本发明的一个实施例中，第一超声振动器17设置为至少两个，搅拌器21设置为至少两个，搅拌器21与第一超声振动器17沿坩埚20的周向均匀布置，相邻搅拌器21的搅拌叶片之间形成流动区域，第一过滤板15能够位于流动区域内。

在本实施例中，至少两个搅拌器21能够相互配合，增加坩埚20内的熔体的流动性，至少两个第一超声振动器17能够相互配合，增加超声振动的渗流效果以及打开坩埚20内的颗粒团簇的效果。

结合参见图2至图5所示，本发明的一个实施例中，搅拌器21和第一超声振动器17均设置为两个，两个搅拌器21相对设置，两个搅拌器21的搅拌方向相反，两个搅拌器21的轴心的连线与第一过滤板15平行，两个第一超声振动器17相对设置。

在本实施例中，以图5所示的截面图为参照，左边搅拌器21的右下区域和右边搅拌器21的左下区域中的熔体均朝向第一过滤板15流动，第一过滤板15设置在该两个区域的上方，且设置在两个搅拌器21的轴心连线上，使得尽可能多的熔体能够穿过第一过滤板15，进而加快整个坩埚20内熔体的过滤效率。两个搅拌器21的设置，能够产生足够的动力，使得坩埚20内的所有熔体都能够产生流动，第一过滤板15的位置设置，使得两个搅拌器21搅动熔体的来流方向均能够朝向第一过滤板15的过滤面，从而使得位于第一过滤板15处的熔体的流动方向始终为从第一过滤板15的正面至背面，进而使得料渣能够稳固被吸附在第一过滤板15上，不会被其他熔体冲离第一过滤板15。第一过滤板15的正面朝向一个第一超声振动器17，第一过滤板15的背面朝向另一个第一超声振动器17，使得第一超声振动器17产生的渗流效果能够准确作用于待穿过第一过滤板15的熔体，进而实现促进熔体过滤的效果。

结合参见图2至图5所示，本发明的一个实施例中，混合装置还包括升降器，升降器与坩埚20的顶壁滑动配合，升降器的升降端与第一过滤板15连接，升降器被构造为能够带动第一过滤板15在等待状态和过滤状态之间转换，等待状态下，第一过滤板15位于坩埚20内的熔体外，过滤状态下，第一过滤板15位于坩埚20内的熔体内。

在本实施例中，搅拌器21用于将置入坩埚20内的不同熔体进行搅拌混合，形成复合熔体，第一过滤板15在等待状态下，坩埚20内的熔体处于被搅拌器21的搅拌混合的状态，此时第一过滤板15未浸入熔体内，避免第一过滤板15对熔体的流动造成干扰，保证坩埚20内的熔体的流动空间大，进而使得坩埚20内的不同熔体能够充分混合。在坩埚20内的熔体混合后，需要进行过滤时，通过升降器带动第一过滤板15浸入熔体内，对熔体进行过滤。

具体地，第一过滤板15外周还固定有框架，升降器与框架直接连接。升降器为普遍常见的提升装置，属于现有技术。

结合参见图2至图5所示，本发明的一个实施例中，混合装置还包括第二真空室14、开设在坩埚20上的第一入口、第二入口和第一出口，坩埚20位于第二真空室14内。

在本实施例中，第二真空室14用于使坩埚20内的熔体在真空环境下反应，反应速度更快、效果更好，第一入口和第二入口用于向坩埚20内通入待混合搅拌的熔体，第一出口用于将坩埚20内混合搅拌并过滤完成的熔体排出。

具体地，混合装置还包括导向管10和进料管11，导向管10套设在一个第一超声振动器17的第一振动部的外周，导向管10的长度小于第一振动部的长度，导向管10位于第一振动部的上部分1/3~1/2处，导向管10的内壁与第一振动部之间具有间隙，形成进料空间，进料管11穿过第二真空室14和坩埚20后，与进料空间连通，第二真空室14的侧壁和坩埚20的侧壁均与进料管11的外壁密封配合，物料依次通过进料管11和导向管10进入坩埚20中。物料即为颗粒，导向管10套设在第一振动部的外周，使得物料在进入坩埚20内反应之前，就受到第一超声振动器17的超声振动产生的瞬时热点作用，使得物料的团聚被打破，并且在第一超声振动器17的超声振动作用下，物料能够增强自身与坩埚20内熔体的结合性能。例如，物料为α-SiC颗粒，与物料结合的熔体为铝合金熔体。

结合参见图1至图8所示，本发明还提供了一种复合材料制备系统，包括：熔炼装置，包括第一真空室6、位于第一真空室6内的第一熔炼炉5和开设在第一熔炼炉5上的第二出口45；重熔装置，包括第三真空室31、位于第三真空室31内的第二熔炼炉28和开设在第二熔炼炉28上的第三出口46；以及定型装置，包括第四真空室35、位于第四真空室35内的挤压容器和开设在挤压容器上的第三入口；以及上述的混合装置，第二出口45、第三出口46和第三入口均与混合装置的坩埚20连通。

在本实施例中，熔炼装置用于熔炼第一种物质形成第一种熔体，重熔装置用于熔炼第二种物质形成第二种熔体，第一种熔体和第二种熔体通入坩埚20内，通过坩埚20进行加热反应，并通过搅拌器21进行搅拌，再通过第一过滤板15进行过滤，形成复合材料熔体，定型装置用于将坩埚20内的复合材料熔体降温定型，形成复合棒材43。熔炼装置、重熔装置、混合装置和定型装置为四个独立的装置，不同装置能够同时或交错时间进行作业，提高复合棒材43的生产效率，并且四个装置分区域真空作业，避免第一种熔体、第二种熔体和复合材料熔体在空气中长时间保温，进而避免各个熔体因此产生的吸气性而导致的材料致密度下降的问题。

具体地，熔炼装置还包括与第一真空室6连通的第一真空管3和第一充气管4、检测端位于第一熔炼炉5内的第一热电偶1以及设置在第二出口45处的第一阀门7，第一真空管3用于将第一真空室6内的气体抽出，第一充气管4用于将气体导入第一真空室6，第一真空管3和第一充气管4上均设置有开关阀，第一热电偶1用于检测第一熔炼炉5内的熔体的温度，第一熔炼炉5上还开设有通过透明玻璃密封的第一观察口2，用于观察第一熔炼炉5内部的反应情况，使得操作人员能够根据第一熔炼炉5内部的反应进行后续操作。沿熔体的流动方向，第二出口45与第一入口连通，两者的连通管道为第一连通管道，第一连通管道外壁包裹有第一保温层8，通过第一保温层8的设置，使得从第一熔炼炉5的第二出口45排出的熔体能够保持在预定温度范围内并保持熔融状态，第一真空室6的壁面和第二真空室14的壁面均与第一连通管道密封配合。

混合装置还包括与第二真空室14连通的第二真空管13和第二充气管12、检测端位于坩埚20内的第二热电偶16、设置在第一入口的第二阀门9、设置在第一出口的第三阀门18以及缠绕在坩埚20外壁的第二加热件19，第二真空管13用于将第二真空室14内的气体抽出，第二充气管12用于将气体导入第二真空室14，第二真空管13和第二充气管12上均设置有开关阀，第二热电偶16用于检测坩埚20内的熔体的温度，第二加热件19为电阻丝，第二加热件19用于加热坩埚20内的熔体，坩埚20上还开设有通过透明玻璃密封的第二观察口22，用于观察坩埚20内部的反应情况，使得操作人员能够根据坩埚20内部的反应进行后续操作。沿熔体的流动方向，第一出口与第三入口连通，两者的连通管道为第二连通管道，第二真空室14的壁面和第四真空室35的壁面均与第二连通管道密封配合。

重熔装置还包括与第三真空室31连通的第三真空管30和第三充气管29、检测端位于第二熔炼炉28内的第三热电偶32以及设置在第三出口46处的第四阀门27，第三真空管30用于将第三真空室31内的气体抽出，第三充气管29用于将气体导入第三真空室31内，第三真空管30和第三充气管29上均设置有开关阀，第三热电偶32用于检测第二熔炼炉28内的熔体的温度，第二熔炼炉28上还开设有通过透明玻璃密封的第三观察口33，用于观察第二熔炼炉28内部的反应情况，使得操作人员能够根据第二熔炼炉28内部的反应进行后续操作。沿熔体的流动方向，第三出口46与第二入口连通，两者的连通管道为第三连通通道，第二真空室14的壁面和第三真空室31的壁面均与第三连通通道密封配合。

挤压容器为两端敞开的筒状，第三入口开设在挤压容器上，定型装置还包括与第四真空室35连通的第四真空管36、与挤压容器的第二端连通的第四充气管34、包裹在挤压容器外壁的第二保温层37、与挤压容器的内壁滑动配合的挤压块38、设置在第三入口处的第五阀门39、缠绕在挤压容器外壁的冷却管40、位于第四真空室35内的基座、设置在基座上的液压杆41以及与基座滑动配合并与液压管连接的挡板42，第四真空管36用于将第四真空室35内的气体抽出，第四充气管34用于将压缩气体导入挤压容器内，以推动挤压块38移动，第四真空管36和第四充气管34上均设置有开关阀，第二保温层37用于隔绝挤压容器内外的温度内，挤压块38用于挤压复合材料，使其形成复合棒材43，冷却管40位于第三入口与挤压容器的第一端之间，冷却管40用于通入冷却介质，降低进入挤压容器内的复合材料熔体的温度，使其固化，液压杆41伸长，带动挡板42将挤压容器的第一端封闭，此时挤压块38能够配合挡板42将复合材料挤压定型，液压杆41缩短，带动挡板42将挤压容器的第一端敞开，此时位于挡板42上方的复合棒材43从挤压容器的第一端排出，挡板42上还开设有排气孔，复合材料内的气体通过排气孔排出。

第一阀门7、第二阀门9、第三阀门18、第四阀门27、第五阀门39和第六阀门26均为电磁阀或控制阀，均能够远程操控；第一观察口2、第二观察口22和第三观察口33均能够通过监控系统进行远程观察。

复合材料制备系统还包括传动带，传送带44的起始端位于挤压容器的第一端的正下方。

结合参见图1至图8所示，本发明的一个实施例中，复合材料制备系统还包括输送装置，输送装置包括输送管、设置在输送管内的第二过滤板23和设置在输送管壁面上的第一加热件24，坩埚20与第三出口46通过输送管连通，第二过滤板23的外边缘与输送管的内壁密封配合，第二过滤板23将输送管分隔为流入段和流出段，流入段与第三出口46连通，流出段与坩埚20连通。

在本实施例中，输送装置用于将第二熔炼炉28与坩埚20连通，第一加热件24使得第二熔炼炉28内的熔体在流入坩埚20的过程中能够保持预定温度的熔融状态，第二过滤板23将第二熔炼炉28内的熔体进行初步过滤，减少坩埚20内的熔体的料渣含量，增加坩埚20内的熔体的纯净度。

具体地，第一加热件24为缠绕在输送管外壁的电阻丝；输送装置还包括第六阀门26，第六阀门26设置在第三出口46与输送管的连通节点处。

具体地，第二过滤板23具有吸附功能，例如陶瓷滤片。

结合参见图1至图8所示，本发明的一个实施例中，输送装置还包括第二超声振动器25，第二超声振动器25包括位于流入段的第二振动部；或者，输送装置还包括第二超声振动器25，第二超声振动器25包括位于流入段的第二振动部和密封包裹在第二振动部外周的第二外壳，第二外壳为耐高温材质。

在本实施例中，第二超声振动器25的超声振动具有渗流作用，提高输送管内的熔体渗流的速度，增强该熔体的流动性，并使得该熔体能够顺利通过第二过滤板23，避免第二过滤板23被堵塞。

具体地，第二超声振动器25的第二振动部位于整个流入段内，第二过滤板23设置在输送管与坩埚20的连通节点处，使得输送管内的熔体在穿过第二过滤板23之前，充分受第二超声振动器25的超声振动产生的渗流作用，增加输送管内的熔体穿过第二过滤板23的速度，提高效率。此外，经过第二过滤板23的过滤作用除去从第二熔炼炉28流出至输送管内的熔体中高/低密度夹杂物，又因第二超声振动器25持续开启（频率10kHZ，功率1kW），使得第二过滤板23前沿的较大片状的夹杂物不会持续遮挡过滤孔隙，保证得到净化的熔体，同时防止了堵塞。从第二熔炼炉28流出的熔体为重熔复合材料熔体，具体为重熔铝基复合材料熔体。

具体地，第二外壳的材质可以为铌，铌即使出现在熔体中，对熔体的整体性能影响也较小，相比于其他例如钢制外壳的材料，不会增加熔体中的铁含量，避免复合棒材整体塑韧性降低而产生报废。第二外壳的材质也可以为其他具有耐高温和耐磨性能的材料。

结合参见图1至图9所示，本发明还提供了一种复合材料制备方法，使用上述的复合材料制备系统实现，方法包括除渣步骤， 除渣步骤包括：使坩埚20内盛装复合熔体；将第一超声振动器17保持在第一振动频率和第一振动功率，通过第一超声振动器17的渗流效应增强复合熔体渗流的速度，将坩埚20保持在第一温度，将搅拌器21保持在第一转速；将第一过滤板15的至少部分浸入流动区域内，保持第一时间，通过搅拌器21带动复合熔体穿过第一过滤板15，得到过滤后的复合熔体，为复合材料熔体。

在本实施例中，第一振动频率为20kHz，第一振动功率为2kW，第一温度为650℃，第一转速为300r/min，第一时间为15min。

具体地，除渣步骤包括：继续保持第二真空室14的真空，并通过第二加热件19将复合熔体升温至650℃，调节搅拌器21的转速为300r/min，通过升降器带动第一过滤板15下降至进入复合熔体中，如图5所示，第一过滤板15处于两个搅拌器21形成的相对螺旋搅拌中心，实现复合熔体反复穿过第一过滤板15，进而实现强物理过滤，复合熔体中碎化的细小尖角颗粒被吸附在第一过滤板15内，保持第一超声振动器17的振动频率为20kHz、功率为2kW，利用超声渗流效应使复合熔体中的颗粒反复穿过第一过滤板15且无堆积堵塞的现象，高温液态超声强化物理过滤除渣过程持续15min，得到无高/低密度夹杂的纯净复合材料熔体。

结合参见图1至图9所示，本发明的一个实施例中，方法还包括混合步骤，混合步骤包括：对第二真空室14抽真空至第一压力；将精炼熔体输送至坩埚20内；将颗粒材料输送至坩埚20内，颗粒材料用于熔融后形成复合熔体的一部分；将重熔复合材料熔体输送至坩埚20内，形成复合熔体；启动第一超声振动器17至第二振动频率和第二振动功率，加热坩埚20至第二温度；启动搅拌器21至第二转速；停止加热坩埚20，直至复合熔体温度达到第三温度，第三温度小于第二温度；调整搅拌器21至第三转速，并调整第一超声振动器17至第三振动频率和第三振动功率，保持第二时间，并保持复合熔体处于第四温度。

在本实施例中，精炼熔体为精炼完成的铝合金熔体，颗粒材料为α-SiC颗粒，第二振动频率为10kHZ，第二振动功率为1kW，第二温度为（650±5）℃，第二转速为400r/min，第三温度为600℃，第三转速为750r/min，第三振动频率为20kHz，第三振动功率为2kW，第二时间为1h，第四温度为（600±10）℃。

具体地，混合步骤包括：通过第一充气管4对第一真空室6卸真空，关闭第二充气管12，打开第二真空管13，通过第二真空管13对第二真空室14抽真空，控制第二真空室14的压力为-(0.1±0.002) MPa，关闭第一真空管3，将氮气通过第一充气管4通入第一真空室6内，控制氮气的流量为40L/mi，打开第一阀门7和第二阀门9，经过第一真空室6与第二真空室14之间0.2MPa的压力差将第一熔炼炉5中精炼完成的铝合金熔体压入坩埚20内，将460℃表面预处理完成的微米级、过筛称重90kg的α-SiC颗粒通过进料管11输送至坩埚20内，打开第一超声振动器17，调节频率至10kHZ，功率至1kW，随着第一熔炼炉5内铝合金熔体的流动，并伴随第一超声振动器17的振动辅助作用，使得碳化硅（SiC）颗粒与6082铝合金熔体完成初步地混合，防止大块成团的碳化硅（SiC）颗粒漂浮至液面并大面积粘结到坩埚20的外壁上，并防止因此影响连续生产。通过第二观察口22确认第一熔炼炉5内的铝合金熔体被完全压入坩埚20内后，以40L/min的速度向第二熔炼炉28中充入氮气，打开第六阀门26和第四阀门27，经过第三真空室31与第二真空室14之间的压力差将第二熔炼炉28内的重熔复合材料熔体从输送管压入坩埚20内，开启第一加热件24，使第一加热件24保证重熔复合材料熔体的温度在需求温度范围内，启动第二超声振动器25，调节第二超声振动器25的频率为10kHz、功率为1kW，在超声渗流效应和压力推送的双重作用下，重熔复合材料熔体更快速地穿过第二过滤板23，第二过滤板23过滤掉重熔复合材料熔体中的铝渣，并吸附掉重熔复合材料中细小碎裂的尖角颗粒，通过第二观察口22确认重熔复合材料熔体完全进入坩埚20内后，形成复合熔体，关闭第二阀门9、第三阀门18和第六阀门26，通过第二充气管12卸载第一真空室6的真空，使第一真空室6内的压力为室压，停止加热第一熔炼炉5和第二熔炼炉28，关闭第一加热件24。维持第二真空室14的压力在-(0.1±0.002) MPa，通过升降器将第一过滤板15提升至坩埚20内的熔体液面以上，保持第一超声振动器17的振动频率和功率或降低第一超声振动器17的振动频率和功率，高温作用下坩埚20内的复合熔体流动性增强，此时以搅拌器21的搅拌为主。通过第二加热件19控制坩埚20的温度，使复合熔体的温度升高至（650±5）℃后，开启两个搅拌器21，调节搅拌器21的转速至400r/min，关闭第二加热件19，持续通过搅拌器21和第一超声振动器17对复合熔体进行搅拌和超声振动，直至复合熔体温度下降至600℃，以通过搅拌器21和第一超声振动器17对复合熔体进行除气。之后调节搅拌装置的转速至750r/min，同时调节第一超声振动器17的频率至20kHz、功率至2kW，经过两个搅拌器21形成的双螺旋搅拌强机械对剪切作用，使得复合熔体逐步转化为具有35%~45%圆球状固体颗粒含量的半固态浆料，通过第二观察口22观察坩埚20内的复合熔体的液面状态，注意坩埚20内壁上复合熔体飞溅黏壁的状况。如图5所示，展示了半固态超声双搅拌熔体流动示意图，真空环境下，半固态浆料中约占40%的圆形复合材料颗粒在高速旋转过程中，产生极强的双向对流机械剪切力，使得复合熔体中的500μm~1000μm的大型团簇解聚，同时在第一超声振动器17产生的高频超声空化作用下，复合熔体中剩余的重熔复合材料熔体渗入50μm~500μm的小型团簇，增强润湿性并促进解聚，解聚后的碳化硅（SiC）颗粒在搅拌器21的螺旋双对流旋转作用下，对复合熔体分散，控制复合熔体温度保持在（600±10）℃，维持第一超声振动器17和搅拌器21产生的高频超声辅助高速双搅拌过程1h，在长时间的超声搅拌作用下，使得碳化硅（SiC）颗粒弥散分布以及向6082铝合金基体晶界偏聚倾向减小。

结合参见图1至图8所示，本发明的一个实施例中，除渣步骤之前还包括熔炼步骤，熔炼步骤包括：将初始材料置入第一熔炼炉5内，初始材料用于被熔融后形成复合熔体的一部分；对第一真空室6抽真空至第二压力；加热第一熔炼炉5至第五温度，并保持第三时间，使初始材料熔融；将变质材料置入第一熔炼炉5内，静止第四时间，变质材料用于对熔融初始材料进行变质处理。

在本实施例中，第二压力为-(0.1±0.002) MPa，第五温度为720℃~740℃，第三时间为4h，变质材料为铝硅（Al-Si）合金，第四时间为10min。

具体地，熔炼步骤包括：关闭第一阀门7，在第一熔炼炉5中放入质量为360kg的6082新料铝锭，通过第一真空管3对第一真空室6抽真空，控制第一真空室6的压力为-(0.1±0.002) MPa，加热第一熔炼炉5至720℃~740℃，保温4h，通过第一热电偶1检测第一熔炼炉5内的铝合金熔体的温度，并通过第一观察口2确认铝合金溶液的液面高度及状态符合要求，待铝锭完全熔融后，采用氮气除气和除渣剂除渣等常规手段进行精炼处理，并向第一熔炼炉5内加入铝硅（Al-Si）合金，静置10min。

结合参见图1至图8所示，本发明的一个实施例中，熔炼步骤之后还包括重熔步骤，重熔步骤包括：将重熔料加入第二熔炼炉28内，重熔料用于被熔融后形成复合熔体的一部分；对第三真空室31抽真空至第三压力；加热第二熔炼炉28至第六温度，并保持第五时间；之后将第一熔炼炉5加热至初始材料形成精炼熔体后，将第二熔炼炉28加热至第七温度，第七温度大于第六温度，得到重熔复合材料熔体。

在本实施例中，重熔料为铝基复合材料（SiCp/6082）的二次重熔料，铝基复合材料为碳化硅（SiC）颗粒与6082铝合金基体复合形成的材料，第三压力为-(0.1±0.002) MPa，第六温度为660℃~680℃，第五时间为2h，第七温度为690℃~710℃。

具体地，重熔步骤包括：待第一熔炼炉5开启加热2h后，关闭第四阀门27，将150kg铝基复合材料（SiCp/6082）复合材料的二次重熔料加入第二熔炼炉28内，通过第三真空管30对第三真空室31抽真空，控制第三真空室31的压力为-(0.1±0.002) MPa，加热第二熔炼炉28至660℃~680℃，保温2h，通过第三热电偶32检测第二熔炼炉28内的重熔复合材料熔体温度，并通过第三观察口33确认重熔复合材料熔体的液面高度及状态符合要求，待第一熔炼炉5内的铝合金熔体完成精炼后，将第二熔炼炉28加热至690℃~710℃。

结合参见图1至图8所示，本发明的一个实施例中，除渣步骤之后还包括定型步骤，定型步骤包括：对第四真空室35抽真空至第四压力；将复合材料熔体输送至挤压容器；挤压复合材料熔体，形成复合棒材43。

在本实施例中，第四压力为-(0.1±0.002) MPa。

具体地，定型步骤包括：通过第四真空管36对第四真空室35抽真空至-(0.1±0.002) MPa，打开第二充气管12，向第二充气管12内通入氮气，控制氮气通入速度为60L/min，直至第二真空室14被卸真空至室压，关闭第二真空管13。打开第三阀门18和第五阀门39，控制液压杆41伸长，通过液压杆41带动挡板42将挤压容器的第一端密封。经过第二真空室14与第四真空室35的压力差，使坩埚20内的复合材料熔体被压入挤压容器内，流至挡板42上，第二保温层37的起到隔热作用，直至充满挤压块38与挡板42之间的空间。之后关闭第五阀门39，向第四充气管34内充入压缩空气，压缩空气推动挤压块38向靠近挡板42的方向移动，同时，冷却管40内循环通入冷却介质，降低复合材料熔体的温度，使其逐渐变为固态的复合材料，复合材料溶液结晶过程中残余析出的气体通过排气孔从挤压容器的第一端排出，由于压缩空气的压力小，排气孔的孔径小，使得复合材料熔体或复合材料不会大量从排气孔排出，挤压块38和挡板42配合冷却管40将复合材料固化5min后，形成复合棒材43，控制液压杆41缩短，带动挡板42打开挤压容器的第一端，复合棒材43从挤压容器的第一端排出。挤压容器内的复合棒材43排出挤压容器后，落至传送带44的起始端，由传送带44运输至下一工位。关闭第三阀门18和第五阀门39，通过第四充气管34将第四真空室35卸真空至室压，关闭各个真空管、各个充气管和第二热电偶16。

需要说明的是，第四真空室35的壁面上开设有排出孔，挤压容器的第一端与排出孔连通，排气孔的设置以及在挡板42将挤压容器的第一端敞开时，第四真空室35外的部分空气会进入挤压容器内，由于第四真空室35和挤压容器的在真空状态和非真空状态均能够使用，因此空气进入挤压容器内不会影响定型装置的工作。

复合材料制备方法还包括真空确认步骤，真空确认步骤在熔炼步骤和重熔步骤之前，包括：使用真空泵机组，分别通过第一真空管3、第二真空管13、第三真空管30和第四真空管36，对第一真空室6、第二真空室14、第三真空室31和第四真空室35抽真空，待四个真空室的压力稳定处于-(0.1±0.002) MPa并保压5min后，关闭第一阀门7、第二阀门9、第三阀门18、第四阀门27、第五阀门39和第六阀门26憋住真空，30min后，若四个真空室的压力维持在-(0.095~0.1) MPa，则证明四个真空室的密封性良好，真空确认完毕，分别通过第一充气管4、第二充气管12、第三充气管29和第四充气管34，将第一真空室6、第二真空室14、第三真空室31和第四真空室35卸真空至室压，待进行下一步骤。

复合材料制备方法中的各个步骤先后顺序为：真空确认步骤、熔炼步骤和重熔步骤、混合步骤、除渣步骤以及定型步骤，其中，熔炼步骤中的具体步骤和重熔步骤中的具体步骤交错进行，具体交错方式见上述熔炼步骤和重熔步骤的具体描述。

本发明的系统和方法，能够实现400kg~600kg的复合材料制备，提高生产效率，所需原料成本较低，搅拌装置未达到传统1000r/min的转速，半固态下搅拌装置及坩埚20内壁磨损程度相对较小，相比于搅拌铸造法，制备成本降低15%，相比于原位自生技术，制备成本降低40%。经过实验，通过本发明的系统制备的20 wt.% 铝基复合材料（SiCp/6082）颗粒弥散分布如图10所示，团簇等效近似直径d1为88.5μm，杜绝了传统的机械搅拌产生的如图11所示的颗粒团簇的问题的发生，解决了传统的分步骤进行机械搅拌和超声振动制备复合材料导致的如图12所示的颗粒在边界严重偏聚的问题，制备的复合棒材43针孔度小于或等于1级，复合棒材43的内孔隙率小于或等于2.6%，颗粒圆度大于等于0.9，复合材料致密度高、整体力学性能优异。

需要说明的是，上述未具体指明的“颗粒”均指碳化硅（SiC）颗粒。

从以上的描述中，可以看出，本发明的上述的实施例实现了如下技术效果：当坩埚内盛装复合熔体时，搅拌器和第一超声振动器开启，搅拌器将复合熔体搅动，增强复合熔体的流动性，使得复合熔体形成流动状态，带动复合熔体穿过第一过滤板，第一超声振动器产生的超声具有渗流效应，增加复合熔体渗流的速度，促使混合在复合熔体中的料渣被吸附在第一过滤板上，搅拌器与第一超声振动结合器，使得坩埚内的复合熔体都能够顺利从第一过滤板穿过，并且第一超声振动器的第一振动部位于坩埚内，使得第一超声振动器产生的超声形成的渗流效应更加强烈，最大程度保证复合熔体能够顺利穿过第一过滤板上，防止复合熔体中的颗粒大量堆积在第一过滤板的过滤面，进而提高颗粒含量，避免因第一过滤板严重堵塞而造成的停产。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种复合材料制备系统，其特征在于，包括：

熔炼装置，包括第一真空室（6）、位于所述第一真空室（6）内的第一熔炼炉（5）和开设在所述第一熔炼炉（5）上的第二出口（45）；

混合装置，包括坩埚（20）、第一超声振动器（17）、搅拌器（21）以及第一过滤板（15），所述坩埚（20）被构造为能够盛装熔体第二出口（45）；所述第一超声振动器（17）包括第一振动部，所述第一振动部位于所述坩埚（20）内，并能够位于所述熔体内；所述搅拌器（21）包括搅拌叶片，所述搅拌叶片位于所述坩埚（20）内，并能够位于所述熔体内；所述第一过滤板（15）被构造为能够位于所述熔体内，所述第一过滤板（15）位于所述搅拌器（21）的一侧，所述第一过滤板（15）的过滤面朝向所述熔体的来流方向，所述搅拌器（21）被构造为能够带动所述熔体穿过所述第一过滤板（15）；

所述坩埚（20）与所述第二出口（45）连通，所述熔炼装置内经过处理后的第一物料从所述第二出口（45）进入所述坩埚（20）内。

2.根据权利要求1所述的复合材料制备系统，其特征在于，所述复合材料制备系统还包括：

重熔装置，包括第三真空室（31）、位于所述第三真空室（31）内的第二熔炼炉（28）和开设在所述第二熔炼炉（28）上的第三出口（46），所述第三出口（46）与所述坩埚（20）连通；以及

定型装置，包括第四真空室（35）、位于所述第四真空室（35）内的挤压容器和开设在所述挤压容器上的第三入口，所述第三入口所述坩埚（20）连通；

第二出口（45）所述重熔装置内经过处理后的第二物料从第三出口（46）进入坩埚内，所述第一物料和所述第二物料均在所述坩埚内进行处理，所述坩埚内经过处理后的第三物料从第三入口进入所述定型装置内。

3.根据权利要求1所述的复合材料制备系统，其特征在于，所述第一超声振动器（17）还包括第一外壳，所述第一外壳密封包裹在所述第一振动部的外周，所述第一外壳为耐高温材质。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的复合材料制备系统，其特征在于，所述第一超声振动器（17）设置为至少两个，所述搅拌器（21）设置为至少两个，所述搅拌器（21）与所述第一超声振动器（17）沿所述坩埚（20）的周向均匀布置，相邻所述搅拌器（21）的搅拌叶片之间形成流动区域，所述第一过滤板（15）能够位于所述流动区域内。

5.根据权利要求4所述的复合材料制备系统，其特征在于，所述搅拌器（21）和所述第一超声振动器（17）均设置为两个，两个所述搅拌器（21）相对设置，两个所述搅拌器（21）的搅拌方向相反，两个所述搅拌器（21）的轴心的连线与所述第一过滤板（15）平行，两个所述第一超声振动器（17）相对设置。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的复合材料制备系统，其特征在于，所述混合装置还包括升降器，所述升降器与所述坩埚（20）的顶壁滑动配合，所述升降器的升降端与所述第一过滤板（15）连接，所述升降器被构造为能够带动所述第一过滤板（15）在等待状态和过滤状态之间转换，所述等待状态下，所述第一过滤板（15）位于所述坩埚（20）内的所述熔体外，所述过滤状态下，所述第一过滤板（15）位于所述坩埚（20）内的所述熔体内。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的复合材料制备系统，其特征在于，所述混合装置还包括第二真空室（14）、开设在所述坩埚（20）上的第一入口、第二入口和第一出口，所述坩埚（20）位于所述第二真空室（14）内。

8.根据权利要求2所述的复合材料制备系统，所述复合材料制备系统还包括输送装置，所述输送装置包括输送管、设置在所述输送管内的第二过滤板（23）和设置在所述输送管壁面上的第一加热件（24），所述坩埚（20）与所述第三出口（46）通过所述输送管连通，所述第二过滤板（23）的外边缘与所述输送管的内壁密封配合，所述第二过滤板（23）将所述输送管分隔为流入段和流出段，所述流入段与所述第三出口（46）连通，所述流出段与所述坩埚（20）连通。

9.根据权利要求8所述的复合材料制备系统，其特征在于，所述输送装置还包括第二超声振动器（25），所述第二超声振动器（25）包括位于所述流入段的第二振动部；或者，

所述输送装置还包括第二超声振动器（25），所述第二超声振动器（25）包括位于所述流入段的第二振动部和密封包裹在所述第二振动部外周的第二外壳，所述第二外壳为耐高温材质。

10.一种复合材料制备方法，其特征在于，使用如权利要求1至9中任一项的复合材料制备系统实现，方法依次包括熔炼步骤、重熔步骤、混合步骤、除渣步骤和定型步骤，

除渣步骤包括：

使坩埚（20）内盛装复合熔体；

将第一超声振动器（17）保持在第一振动频率和第一振动功率，通过第一超声振动器（17）的渗流效应增强复合熔体渗流的速度，将坩埚（20）保持在第一温度，将搅拌器（21）保持在第一转速；

将第一过滤板（23）的至少部分浸入流动区域内，保持第一时间，通过搅拌器（21）带动复合熔体穿过第一过滤板（23），得到过滤后的复合熔体，为复合材料熔体。

11.根据权利要求10的复合材料制备方法，其特征在于，混合步骤包括：

对第二真空室（14）抽真空至第一压力；

将精炼熔体输送至坩埚（20）内；

将颗粒材料输送至坩埚（20）内，颗粒材料用于熔融后形成复合熔体的一部分；

将重熔复合材料熔体输送至坩埚（20）内，形成复合熔体；

启动第一超声振动器（17）至第二振动频率和第二振动功率，加热坩埚（20）至第二温度；

启动搅拌器（21）至第二转速；

停止加热坩埚（20），直至复合熔体温度达到第三温度，第三温度小于第二温度；

调整搅拌器（21）至第三转速，并调整第一超声振动器（17）至第三振动频率和第三振动功率，保持第二时间，并保持复合熔体处于第四温度。

12.根据权利要求10的复合材料制备方法，其特征在于，熔炼步骤包括：

将初始材料置入第一熔炼炉（5）内，初始材料用于被熔融后形成复合熔体的一部分；

对第一真空室（6）抽真空至第二压力；

加热第一熔炼炉（5）至第五温度，并保持第三时间，使初始材料熔融；

将变质材料置入第一熔炼炉（5）内，静止第四时间，变质材料用于对熔融初始材料进行变质处理。

13.根据权利要求10的复合材料制备方法，其特征在于，重熔步骤包括：

将重熔料加入第二熔炼炉（28）内，重熔料用于被熔融后形成复合熔体的一部分；

对第三真空室（31）抽真空至第三压力；

加热第二熔炼炉（28）至第六温度，并保持第五时间；

之后将第一熔炼炉（5）加热至初始材料形成精炼熔体后，将第二熔炼炉（28）加热至第七温度，第七温度大于第六温度，得到重熔复合材料熔体。

14.根据权利要求10的复合材料制备方法，其特征在于，定型步骤包括：

对第四真空室（35）抽真空至第四压力；

将复合材料熔体输送至挤压容器；

挤压复合材料熔体，形成复合棒材（43）。