一种颗粒增强铝基复合材料搅拌铸造制备装置及制备方法

摘要

本发明公开了一种颗粒增强铝基复合材料搅拌铸造制备装置及制备方法，该装置包括升降机构、电阻炉、固定柱、承重机构、搅拌装置、颗粒输送装置、炉盖、进料口、进气管、石墨坩埚、不锈钢坩埚；实现定量输送与添加增强颗粒、实现气体保护和自动化制备的颗粒增强铝基复合材料搅拌铸造制备。本发明装置结构设计巧妙、操作简便、自动化程度高、稳定性好。通过气体保护，减少了搅拌铸造制备过程熔体的吸气和表面氧化；采用颗粒输送装置，实现了增强颗粒的定量输送和添加；采用升降装置和搅拌装置，实现搅拌位置和搅拌速度的定量控制，有利于提高复合材料的性能和制备效率。

说明书

技术领域

本发明涉及金属基复合材料搅拌铸造制备装置，尤其涉及一种颗粒增强铝基复合材料搅拌铸造制备装置及制备方法。 

背景技术

颗粒增强铝基复合材料(Particulate-reinforced Aluminum Matrix Composites，简称PAMCs)因成本低廉、制备简单、材料各向同性好，可通过控制所添加的增强颗粒种类、含量等而实现不同性能，近年来得到了较快的发展。目前，PAMCs主要用于陆地交通、电子封装、航空航天及基础建设等领域。 

颗粒增强铝基复合材料的制备方法主要有粉末冶金法、搅拌铸造法、喷射沉积法、真空压力浸渗法等。其中搅拌铸造法由于具有工艺简单、设备投资少、生产成本低、适应性广、可大规模生产等优点，而受到研究者的高度关注，并有着一些实际应用的报道。但搅拌铸造法制备颗粒增强铝基复合材料尚未得到规模化应用，高质量、高效率、自动化的制备装置缺乏是重要原因之一。 

根据文献搅拌铸造SiCp/2024铝基复合材料的显微组织与力学性能(中国有色金属学报)和Effects of reinforcement distribution on low and high temperature tensile properties of Al356/SiCp cast composites produced by a novel reinforcement dispersion technique(Materials Science and Engineering A)可知，现行的颗粒增强铝基复合材料搅拌铸造制备，主要采用漏斗法将增强颗粒添加 到基体合金熔体中，存在如下不足： 

1)采用漏斗法无法实现增强颗粒的连续定量加入，使得复合材料熔体制备过程稳定性较低，导致颗粒在熔体中分布不均匀，降低了复合材料的性能； 

2)在大气环境下制备复合材料熔体，利用高速旋转的搅拌器搅动熔体形成漩涡吸入增强颗粒，易卷入大量气体，增加复合材料熔体的气体含量，而气体容易吸附颗粒聚集，导致颗粒分布不均；同时长时间暴露在大气环境下，熔体表面易氧化，使得复合材料中氧化膜含量增加，降低复合材料的质量和性能； 

3)在制备过程中搅拌操作、输送和添加颗粒等通过人工实现且缺少联动，制备效率和稳定性低。 

因此，迫切需要研制出一种颗粒输送速度可控、可气体保护、高效自动化的颗粒增强铝基复合材料搅拌铸造制备装置。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有颗粒增强铝基复合材料搅拌铸造制备装置的不足，提供一种颗粒增强铝基复合材料搅拌铸造制备装置及制备方法；实现增强颗粒定量连续自动化供给和气体保护。 

本发明通过下述技术方案实现： 

一种颗粒增强铝基复合材料搅拌铸造制备装置，该装置包括升降机构1、电阻炉2、固定柱3、承重机构4、搅拌装置6、颗粒输送装置7炉盖9、进料口10、进气管11、石墨坩埚12、不锈钢坩埚13； 

不锈钢坩埚13置于电阻炉2内；石墨坩埚12置于不锈钢坩埚13与电阻炉2的炉盖9形成的密闭空间内，惰性气体由进气管11进入，从搅拌装置6的搅拌杆与盖板5之间的间隙流出；承重机构4固定在电阻炉2的外侧壁； 搅拌装置6安装在承重机构4上，承重机构4活动安装在电阻炉2一侧的升降机构1上；颗粒输送装置7安装在电阻炉2的顶部一侧；搅拌装置6的搅拌叶片通过搅拌杆伸入石墨坩埚12内部； 

所述搅拌装置6搅拌杆的端部安装有搅拌叶片，搅拌叶片通过搅拌杆伸入石墨坩埚12内部。 

所述颗粒输送装置7包括支架7-1，出料口7-2，轴承7-3，转子7-4，转动门机构7-5，料仓7-6，固定板7-7，连接头7-8，电动机7-9； 

出料口7-2置于石墨坩埚12的上方；固定板7-7和转动门机构7-5安装在支架7-1上，电动机7-9安装在固定板上，电动机7-9的转子7-4通过轴承7-3和连接头7-8分别与转动门机构7-5连接，料仓7-6安装在转动门机构7-5上部。 

在不锈钢坩埚13的内底部、石墨坩埚12的下方设有用于支撑石墨坩埚12的耐火砖14。 

炉盖9上安装有用于盖住搅拌杆的伸入口的盖板5。 

炉盖9上开有用于观察石墨坩埚12内部的观察窗8。 

采用上述装置制备颗粒增强铝基复合材料的方法如下： 

步骤一：加入铝合金并升温熔化；用商用固体精炼剂在710℃的温度下在石墨坩埚12内精炼除气、除渣；将精炼后的铝合金熔体降温至640℃并保温； 

步骤二：开启气体保护装置，氩气通过进气管11进入密闭空间，使铝合金熔体处于氩气气氛保护之下； 

步骤三：旋转承重机构4，配合固定柱3使搅拌装置6的搅拌叶片对准石墨坩埚12中心；启动升降装置1，将搅拌叶片下降至铝合金熔体表面以下35mm； 

步骤四：启动搅拌装置6，调节搅拌装置6的转动速度，使铝合金熔体表面形成稳定的旋涡； 

步骤五：将增强颗粒4-1加入到料仓7-6中，启动电动机7-9，调节转动速度，使转动门机构7-5颗粒输送速度为40g/min； 

步骤六：增强颗粒4-1添加完毕后，关闭颗粒输送装置7，关闭搅拌装置6，启动升降装置1，调节搅拌杆的搅拌叶片至复合材料熔体表面之上；调节电阻炉2使复合材料熔体升温至710℃并保温； 

步骤七：启动升降装置1，将搅拌杆的搅拌叶片下降至距离石墨坩埚12底部40mm；启动搅拌装置6，调节搅拌速度，促进增强颗粒4-1在铝合金熔体中分布均匀； 

步骤八：颗粒4-1均匀化结束后，启动升降装置1，将搅拌装置6升至电阻炉2炉盖9之上；承重机构4旋转90°；盖上盖板5；熔体温度保持在710℃，颗粒增强铝基复合材料制备完成。 

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果： 

本发明实现了增强颗粒的定量输送和添加，提高了复合材料熔体制备的稳定性和效率，有利于颗粒的均匀分布，提高复合材料的性能和质量。颗粒输送装置利用转动门原理，通过转动门尺寸和控制电动机7-9转速，控制颗粒从出料口输出速度。 

本发明为实现气体保护，采用双坩埚的组合(石墨坩埚和不锈钢坩埚)，石墨坩埚12置于不锈钢坩埚13与电阻炉2的炉盖9形成的密闭空间内，惰性气体由进气管11进入，从搅拌装置6的搅拌杆与盖板5之间的间隙流出；无需将整个装置置于封闭空间内以实现惰性气体保护，在确保惰性气体保护效果的条件下，降低了设备的制造难度和成本。 

本发明在制备过程中实现了气体保护，减少了该过程熔体的吸气和表面氧化，降低了熔体中气体和氧化膜的含量，以及熔体中气体吸附颗粒而导致 的颗粒团聚，提高了复合材料熔体的质量和性能。 

本发明实现了颗粒增强铝基复合材料搅拌制备装置，集电阻炉、升降装置、搅拌装置、颗粒输送装置、气体保护等五大部分集合及自动化控制，可高效率、稳定地制备颗粒增强铝基复合材料。 

采用电动机、转动门机构实现增强颗粒的定量输送；使用具由电动丝杠驱动的升降装置和由电动机驱动的搅拌装置，通过整体控制系统实现搅拌位置、搅拌速度、颗粒输送和添加速度、气体保护的自动化操作与控制。 

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。 

图2为图1中颗粒输送装置结构示意图。 

图3为图2中局部剖视图。 

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。 

实施例 

如图1至图3所示。本发明公开了一种颗粒增强铝基复合材料搅拌铸造制备装置，该装置包括升降机构1、电阻炉2、固定柱3、承重机构4、搅拌装置6、颗粒输送装置7炉盖9、进料口10、进气管11、石墨坩埚12、不锈钢坩埚13； 

不锈钢坩埚13置于电阻炉2内；石墨坩埚12置于不锈钢坩埚13与电阻炉2的炉盖9形成的密闭空间内，惰性气体由进气管11进入，从搅拌装置6的搅拌杆与盖板5之间的间隙流出；承重机构4固定在电阻炉2的外侧壁；搅拌装置6安装在承重机构4上，承重机构4活动安装在电阻炉2一侧的升降机构1上；颗粒输送装置7安装在电阻炉2的顶部一侧；搅拌装置6的搅 拌叶片通过搅拌杆伸入石墨坩埚12内部； 

所述搅拌装置6搅拌杆的端部安装有搅拌叶片，搅拌叶片通过搅拌杆伸入石墨坩埚12内部。 

所述颗粒输送装置7包括支架7-1，出料口7-2，轴承7-3，转子7-4，转动门机构7-5，料仓7-6，固定板7-7，连接头7-8，电动机7-9； 

出料口7-2置于石墨坩埚12的上方；固定板7-7和转动门机构7-5安装在支架7-1上，电动机7-9安装在固定板上，电动机7-9的转子7-4通过轴承7-3和连接头7-8分别与转动门机构7-5连接，料仓7-6安装在转动门机构7-5上部。 

在不锈钢坩埚13的内底部、石墨坩埚12的下方设有用于支撑石墨坩埚12的耐火砖14。 

炉盖9上安装有用于盖住搅拌杆的伸入口的盖板5。 

炉盖9上开有用于观察石墨坩埚12内部的观察窗8。 

采用上述装置制备颗粒增强铝基复合材料的方法通过下述步骤实现： 

步骤一：加入铝合金并升温熔化；用商用固体精炼剂在710℃的温度下在石墨坩埚12内精炼除气、除渣；将精炼后的铝合金熔体降温至640℃并保温； 

步骤二：开启气体保护装置，氩气通过进气管11进入密闭空间，使铝合金熔体处于氩气气氛保护之下； 

步骤三：旋转承重机构4，配合固定柱3使搅拌装置6的搅拌叶片对准石墨坩埚12中心；启动升降装置1，将搅拌叶片下降至铝合金熔体表面以下35mm； 

步骤四：启动搅拌装置6，调节搅拌装置6的转动速度，使铝合金熔体表面形成稳定的旋涡； 

步骤五：将增强颗粒4-1加入到料仓7-6中，启动电动机7-9，调节转动速度，使转动门机构7-5颗粒输送速度为40g/min； 

步骤六：增强颗粒4-1添加完毕后，关闭颗粒输送装置7，关闭搅拌装置6，启动升降装置1，调节搅拌杆的搅拌叶片至复合材料熔体表面之上；调节电阻炉2使复合材料熔体升温至710℃并保温； 

步骤七：启动升降装置1，将搅拌杆的搅拌叶片下降至距离石墨坩埚12底部40mm；启动搅拌装置6，调节搅拌速度，促进增强颗粒4-1在铝合金熔体中分布均匀； 

步骤八：颗粒4-1均匀化结束后，启动升降装置1，将搅拌装置6升至电阻炉2炉盖9之上；承重机构4旋转90°；盖上盖板5；熔体温度保持在710℃，颗粒增强铝基复合材料制备完成。 

如上所述，便可较好地实现本发明。 

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。