CN105755299B - 一种低成本颗粒增强铝基复合材料的制备装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低成本颗粒增强铝基复合材料的制备装置及方法，属于金属材料加工技术领域。该装置主要包括真空炉，及设置于真空炉中的制备坩埚、加热器、保温材料、电磁搅拌器、温控器、送粉器和挡板，制备坩埚的外周依次设置加热器、保温材料和电磁搅拌器，制备坩埚的上方设置挡板和送粉器，温控器安装于制备坩埚中。制备过程中，复合材料熔体在进行强烈的螺旋搅拌的同时，在熔体内部形成强烈的多维紊流搅动，强化紊流效果，促进颗粒增强相的分散和均匀分布。本发明结构简单，制备成本低；本发明采用电磁力作为搅拌外力，可有效避免机械搅拌导致的搅拌杆材料污染合金熔体的不利影响，制备的复合材料纯净，质量高。

Description

一种低成本颗粒增强铝基复合材料的制备装置及方法

技术领域

本发明涉及一种低成本颗粒增强铝基复合材料的制备装置及方法，属于金属材料加工技术领域。

背景技术

颗粒增强铝基复合材料由于具有高比强、高比刚、高耐磨、低热膨胀及优良的减震性能尺寸稳定性等优异的综合性能，是航空航天、汽车制造等领域关键零部件轻量化、高性能化的理想材料，具有巨大的应用潜力和广阔的市场前景。

目前，颗粒增强铝基复合材料的制备方法主要有粉末冶金法，喷射沉积法，搅拌复合铸造法等多种方法。

粉末冶金法制备的颗粒增强铝基复合材料综合性能良好，可以实现体积质量差大的金属与粒子的复合，可制备高体分颗粒增强的复合材料，但是该方法工艺复杂，流程长，制备成本较高，因此限制了其使用范围和推广应用。

喷射沉积法制备的复合材料中增强相体积分数可任意调节，增强体粒度也不用限制，可获得晶粒细小的复合材料，但是该方法制备的复合材料制品尺寸受限，而且制备成本也较高，因此，也无法获得大规模的推广和应用。

搅拌铸造法相比粉末冶金法和喷射沉积法而言，制备工艺设备简单，制备成本低廉，便于工业化生产，而且可以制造出形状复杂的零件，是目前最受重视、关注最多的复合材料制备方法。但是，该方法必须解决增强体颗粒与铝熔体的润湿性和增强体颗粒在铝熔体中的均匀分散两个关键技术问题，才能获得组织致密、颗粒分散均匀、界面结合良好、性能优异的复合材料。

发明内容

针对搅拌铸造法存在的上述关键技术问题，本发明提出了一种低成本颗粒增强铝基复合材料制备装置及方法。

一种低成本颗粒增强铝基复合材料的制备装置，该装置主要包括真空炉，及设置于真空炉中的制备坩埚、加热器、保温材料、电磁搅拌器、温控器、送粉器和挡板等，所述的制备坩埚的外周依次设置有加热器、保温材料和电磁搅拌器，所述的制备坩埚的上方设置有挡板和送粉器，所述的温控器安装于制备坩埚中。

所述的制备坩埚的中心设置有一圆形导柱，所述的制备坩埚内壁设置有螺旋形沟槽，所述的导柱外壁为螺旋形，即导柱外壁设置螺旋沟槽；导柱外壁与制备坩埚内壁之间形成环形制备室。

所述的导柱外径和制备坩埚内径之比d/D＝0.20-0.95。

所述的挡板竖立于制备坩埚的上方，所述的挡板上安装有升降装置，可升降运动；在工作时，挡板下降至制备坩埚内部的合金熔体中，使合金熔体内部在强烈搅拌过程中，熔体表面平静。挡板的主要作用是在制备过程中，阻挡液面飞溅，保证合金熔体在搅拌过程中液面平缓，防止卷气和氧化。

所述的电磁搅拌器为旋转电磁搅拌器或螺旋电磁搅拌器，其主要作用是提供旋转或螺旋搅拌力，搅动合金熔体。

所述的送粉器的主要作用是将增强颗粒送入合金熔体中。

所述的真空炉的主要作用是制备材料前，形成真空环境，防止合金在搅拌过程中卷气、氧化。

一种基于上述装置制备颗粒增强铝基复合材料的方法，该方法的主要工作原理是：在加料过程中，熔体中部形成漩涡，颗粒增强相加入旋涡被带入合金熔体中。加入完毕后，挡板下降进入合金熔体，漩涡消失，熔体表面平静，防止卷气氧化。而在熔体内部，合金熔体在电磁搅拌力的作用下，与导柱外壁螺旋沟槽与制备坩埚内壁的螺旋沟槽相结合，在环状制备室内强烈搅动，迫使复合材料熔体进行强烈的螺旋旋转搅拌的同时，在熔体内部形成强烈的多维紊流搅动，强化紊流效果，促进颗粒增强相的分散和均匀分布。

该方法主要包括以下工序：

(1)将基体合金坯料放入制备坩埚内，加热使基体合金坯料熔化，熔化温度在合金液相线温度以上50-100℃；

(2)对熔体进行除气、打渣，加入细化剂对合金熔体细化处理；

(3)将颗粒增强相放入送粉器内，开启真空炉，使炉内绝对真空度保持在0.01-1.00Pa；

(4)开启电磁搅拌器，调整参数，使合金熔体在电磁搅拌力作用搅动，熔体中心形成一个漩涡；

(5)启动送粉器，缓慢地将颗粒增强相粉状材料送入合金熔体的漩涡内，在合金熔体的搅动下，卷入合金熔体内部；

(6)颗粒增强相粉状材料加入完毕后，下降挡板至熔体中，直到熔体漩涡消失，熔体液面平整；

(7)加大电磁搅拌器的搅拌力，周期改变电磁搅拌器的搅拌方向，使合金熔体内部发生强烈的搅拌，促进颗粒增强相的分散和均匀分布。

在电磁搅拌过程中，电磁搅拌器产生的搅拌力与导柱外壁螺旋沟槽以及制备坩埚内壁螺旋形沟槽相结合，使熔体在环形制备室内产生强烈的多维紊流搅动。

本发明的制备装置和方法在制备镁基复合材料、铜基复合材料、铁基复合材料、锌基复合材料、镍基复合材料、钴基复合材料和钛基复合材料等中的应用。即本发明的装置和方法同样适合于复合材料，如镁基复合材料、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、钛基复合材料等的制备。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)采用电磁力作为搅拌外力，可有效避免机械搅拌导致的搅拌杆材料污染合金熔体的不利影响，制备的复合材料纯净，质量高。

(2)环形制浆室的设计可大大改善合金熔体的搅拌效果，强化紊流流动，促进增强体的分散和均匀分布。

(3)结构简单，投资成本低。

附图说明

图1是加料过程中装置结构示意图。

图2是加料完毕，制备过程中装置结构示意图。

图3是制备过程中熔体多维紊流搅动示意图。

主要附图标记：

1 真空炉 2 温控器

2 送粉器 4 挡板

5 制备坩埚 6 增强相粉状材料

7 加热器 8 导柱

9 保温材料 10 环状制备室

11 电磁搅拌器

具体实施方式

如图1所示，为本发明制备碳化硅颗粒增强铝基复合材料的装置示意图。该装置主要由真空炉1、温控器2、送粉器3、挡板4、制备坩埚5、加热器7、保温材料9、电磁搅拌器11等组成，温控器2、送粉器3、挡板4、制备坩埚5、加热器7、保温材料9、电磁搅拌器11等均放置于真空炉1内。制备坩埚5的外周依次是加热器7、保温材料9和电磁搅拌器11，制备坩埚5的顶部上方设置有挡板4和送粉器3，温控器2安装于制备坩埚5中。

制备坩埚5内径为240mm，高度为450mm。制备坩埚5内壁加工有螺距为12mm，螺纹深为8mm的螺旋形沟槽。导柱8直径为100mm，导柱8外壁为螺旋形，导柱8外壁加工有螺距为12mm，螺纹深为8mm的螺旋沟槽。导柱8外壁与制备坩埚5的内壁形成环形制备室10。

挡板4竖立于制备坩埚5的上方，挡板4上安装有升降装置；在工作时，挡板4下降至制备坩埚5内部的合金熔体中，使合金熔体内部在强烈搅拌过程中，熔体表面平静。电磁搅拌器11采用螺旋电磁搅拌器，其主要作用是提供螺旋搅拌力，搅动合金熔体。送粉器3的主要作用是将颗粒增强相粉状材料6送入合金熔体中。真空炉1的主要作用是制备材料前，形成真空环境，防止合金在搅拌过程中卷气、氧化。

如图2和图3所示，是制备碳化硅增强铝基复合材料过程示意图及熔体在搅拌过程中产生的多维紊流流动示意图。制备复合材料为碳化硅颗粒增强铝基复合材料，碳化硅体积百分含量为20％，基体合金为A357铸造铝合金。

首先，将A357铝合金铸锭表面清理干净，放入制备坩埚5中，升温熔化到约700℃，然后往熔体中通入氩气进行除气，除气过程10分钟，除气完毕打渣。加入AlTiB细化剂对熔体进行细化处理。向送粉器3内放入碳化硅粉体，开启真空炉1，抽真空，使真空炉内绝对真空度保持在0.5Pa以下，并使合金熔体保温在680℃。开启电磁搅拌器11，调整电磁搅拌器11输入频率20Hz，输入功率8Kw，制备坩埚5内的A357合金熔体在旋转过程中中心形成漩涡，此时，开启送粉器3，将碳化硅粉体缓缓送入漩涡中。等碳化硅粉体输送完毕，降落挡板4直到熔体中漩涡消失，此时，加大电磁搅拌器11功率到12Kw，同时，每隔20秒，改变电磁搅拌器11旋转方向，使熔体在环形制备室10内进行强烈的电磁搅拌，电磁搅拌器11产生的螺旋搅拌力与导柱8外壁螺旋沟槽以及制备坩埚5内壁螺旋沟槽相结合，使熔体在环形制备室10内产生强烈的多维紊流搅动，从而促进碳化硅颗粒在合金熔体中的分散和均匀化。搅拌时间共持续40分钟后，停止电磁搅拌器11，调整合金熔体温度，在真空环境中倾倒入收集器中，制备得到体积分数20％的SiC/A357铝基复合材料。

上述装置和方法也适用于镁基复合材料、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、钛基复合材料等复合材料的制备。

本发明在制备坩埚的中心设置有一圆形导柱，导柱外壁为螺旋形，导柱外壁与制备坩埚的内壁形成环形制备室。在制备过程中，合金熔体在电磁搅拌力的作用下，在制备坩埚的环状制备室内搅动，设置在制备坩埚心部的导柱外壁螺旋沟槽与制备坩埚内壁的螺旋沟槽相结合，迫使复合材料熔体进行强烈的螺旋搅拌的同时，在熔体内部形成强烈的多维紊流搅动，强化紊流效果，促进颗粒增强相的分散和均匀分布。本发明结构简单，制备成本低。本发明采用电磁力作为搅拌外力，可有效避免机械搅拌导致的搅拌杆材料污染合金熔体的不利影响，制备的复合材料纯净，质量高。

Claims (6)

1.一种低成本颗粒增强铝基复合材料的制备装置，其特征在于：该装置主要包括真空炉，及设置于真空炉中的制备坩埚、加热器、保温材料、电磁搅拌器、温控器、送粉器和挡板，所述的制备坩埚的外周依次设置加热器、保温材料和电磁搅拌器，所述的制备坩埚的上方设置挡板和送粉器，所述的温控器安装于制备坩埚中；所述的制备坩埚的中心设置圆形导柱，所述的制备坩埚内壁和导柱外壁均设置螺旋沟槽，导柱外壁与制备坩埚内壁之间形成环形制备室。

2.根据权利要求1所述的低成本颗粒增强铝基复合材料的制备装置，其特征在于：所述的导柱外径和制备坩埚内径之比为0.20-0.95。

3.根据权利要求1所述的低成本颗粒增强铝基复合材料的制备装置，其特征在于：所述的挡板上安装升降装置。

4.根据权利要求1所述的低成本颗粒增强铝基复合材料的制备装置，其特征在于：所述的电磁搅拌器为旋转电磁搅拌器或螺旋电磁搅拌器。

5.一种低成本颗粒增强铝基复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将基体合金坯料放入制备坩埚内，加热使基体合金坯料熔化，熔化温度在合金液相线温度以上50-100℃；

(2)对熔体进行除气、打渣，加入细化剂对合金熔体细化处理；

(3)将颗粒增强相放入送粉器内，开启真空炉，使炉内绝对真空度保持在0.01-1.00Pa；

(4)开启电磁搅拌器，调整参数，使合金熔体在电磁搅拌力作用下搅动，熔体中心形成一个漩涡；在电磁搅拌过程中，电磁搅拌器产生的搅拌力与导柱外壁螺旋沟槽以及制备坩埚内壁螺旋形沟槽相结合，使熔体在环形制备室内产生强烈的多维紊流搅动；

(5)启动送粉器，缓慢地将颗粒增强相粉状材料送入合金熔体的漩涡内，在合金熔体的搅动下，卷入合金熔体内部；

(6)颗粒增强相粉状材料加入完毕后，下降挡板至熔体中，直到熔体漩涡消失，熔体液面平整；

(7)加大电磁搅拌器的搅拌力，周期改变电磁搅拌器的搅拌方向，使合金熔体内部发生强烈的搅拌，促进颗粒增强相的分散和均匀分布。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的低成本颗粒增强铝基复合材料的制备装置在制备镁基复合材料、铜基复合材料、铁基复合材料、锌基复合材料、镍基复合 材料、钴基复合材料和钛基复合材料中的应用。