半固态流变成形制备颗粒增强金属基复合材料装置及方法

摘要

一种半固态流变成形制备颗粒增强金属基复合材料装置及方法，包括中频感应熔化炉、电磁搅拌与超声振动复合室和压铸设备，中频感应熔化炉的出料口和电磁搅拌与超声振动复合室的入料口连接，电磁搅拌与超声振动复合室的出料口和压铸设备的入料口连接；本发明将增强体颗粒加入金属基体合金半固态浆料中，利用电磁搅拌和超声振动复合，充分搅拌颗粒增强金属基复合半固态浆料后，流变直接经二次加压密实成形坯料或直接成形所需零件，具有成形坯料或零件组织均匀、力学性能高、适用性广、生产效率高、调整方便、成本低等优点，适于批量生产。

说明书

技术领域

本发明属于复合材料半固态成形技术领域，具体涉及一种半固态流变成形制备颗粒增强金属基复合材料装置及方法。

背景技术

颗粒增强金属基复合材料是由两种或两种以上的材料组合而成，既能保证基体金属特性的同时，又能充分发挥增强颗粒材料的性能优势，补偿基体金属材料某些性能的不足，因此颗粒增强金属基复合材料的物理、力学和机械加工性能更加优异，在航空、汽车等各工程领域具有广泛应用。

颗粒增强金属基复合材料的制备多采用高温金属基体合金熔体中添加增强体颗粒、搅拌后冷却的制备方法，存在增强体颗粒与金属基体合金间的复杂化学反应与润湿性问题，以及增强体颗粒在金属基体合金中的分布均匀性问题，上述问题的存在严重限制了颗粒增强金属基复合材料性能的发挥和应用。

目前采用半固态制浆的方法制备颗粒增强金属基复合材料引起了人们的关注，但大多制备方法采用将增强体颗粒加入熔融态金属基体合金中，超声振动或电磁搅拌冷却至半固态温度，得到半固态浆料后，迅速冷却结晶得到半固态坯料。电磁搅拌制浆方法属于无接触式搅拌法，参数控制灵活方便，不对熔体产生污染，但是由于趋肤效应，导致半固态浆料组织在制浆室径向上各处组织有差别，难以均匀。超声振动作用于金属熔体时，不仅能细化晶粒、均化组织，还具有除气作用，能有效提高零件的力学性能，但是超声声压随距超声头端面的距离呈现急剧衰减的趋势。因此目前单一的电磁搅拌或者振动方法无法避免金属材料的成分偏析，枝晶生长以及初生组织粗大的现象。此外仍存在增强体颗粒与熔融态金属基体合金间的复杂化学反应问题，可能生成中间化合物削弱复合材料的性能优势。实际成形零件需将坯料二次重熔，能耗高、浆料表面氧化较严重；且存在因半固态浆料凝固过程中内部藏气，体积收缩造成材料内部存在缩孔、缩松问题，其将极大降低材料力学性能。

因此目前颗粒增强金属基复合材料的制备方法仍存在以下技术缺点：高温下增强体颗粒与熔融态金属基体合金之间可能发生化学反应，可能生成不利中间化合物组织；成形零件需二次重熔，能耗高、浆料氧化严重；成形材料组织内部缺乏压实，存在缩孔、缩松缺陷；以及浆料制备中搅拌不充分造成的增强体颗粒分布不均匀、成分偏析、枝晶生长及初生相粗大的缺陷材料问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种半固态流变成形制备颗粒增强金属基复合材料装置及方法，将增强体颗粒加入金属基体合金半固态浆料中，利用电磁搅拌和超声振动复合，充分搅拌颗粒增强金属基复合半固态浆料后，流变直接经二次加压密实成形坯料或直接成形所需零件，具有成形坯料或零件组织均匀、力学性能高、适用性广、生产效率高、调整方便、成本低等优点，适于批量生产。

为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种半固态流变成形制备颗粒增强金属基复合材料装置，包括中频感应熔化炉Ⅰ、电磁搅拌与超声振动复合室Ⅱ和压铸设备Ⅲ，中频感应熔化炉Ⅰ的出料口和电磁搅拌与超声振动复合室Ⅱ的入料口连接，电磁搅拌与超声振动复合室Ⅱ的出料口和压铸设备Ⅲ的入料口连接；

所述的中频感应熔化炉Ⅰ包括安装在第一底板12上的保存金属基体合金熔体11的熔化坩埚10，熔化坩埚10外层依次安装第一保温层9及感应线圈8，熔化坩埚10的顶部连接有炉盖1进行密封，炉盖1插入有送料筒3、第一塞杆6、第二塞杆39、第二热电偶4，送料筒3顶部与送料嘴2配合，第一塞杆6的中空结构与送料筒5配合，送料筒5底部伸入搅拌坩埚13内，第二塞杆39的中空结构内穿有第一热电偶40，第一热电偶40底部伸入搅拌坩埚13内，熔化坩埚10上部开有插入保护气系统7通气孔，第一塞杆6和第二塞杆39底部与熔化坩埚10底部流道配合。

所述的电磁搅拌与超声振动复合室Ⅱ包括安装在第二底板18上保存金属基体合金半固态浆料14的搅拌坩埚13，搅拌坩埚13外侧依次设置有第一加热器15、第二保温层16、冷却系统17、电磁搅拌器30和外壳31，冷却系统17开设冷却液注入口29、冷却液流出口35，搅拌坩埚13、第一加热器15、第二保温层16、冷却系统17、电磁搅拌器30和外壳31上端部与保温板36配合密封，第一底板12开有电源线通道38，电源线通道38下端安装牵引电磁铁系统37，牵引电磁铁系统37与冷却棒32上端配合固定，冷却棒32底部与搅拌坩埚13底部出料口配合密封；拌坩埚13底部出料口和浆料出口管道27配合，浆料出口管道27插入底板18中心孔内，搅浆料出口管道27上安装有阀门28和液体流量计19；

冷却棒32内部开有深槽安装超声振动换能器34，超声振动换能器34上均匀分布有与冷却棒32内槽表面紧贴的3组超声振动头33。

所述的压铸设备Ⅲ包括压射室25，压射室25外依次安装第二加热器24、第三保温层23，压射室25内腔与压射锤头26配合，压射锤头26由控制系统46驱动，压射室25内腔入口和浆料出口管道27连接，压射室25内腔出口和压室21入口连接；

压室21由左右向定模22、左右向动模20以及前后向定模42、前后向动模41组成，左右向定模22通过第一滑杆47与左右向动模20连接配合，前后向定模42通过第二滑杆50与前后向动模41连接配合，左右向动模20通过第一驱动系统48驱动后在第一轨道49上滑动，前后向动模41均通过第二驱动系统51驱动后在第二轨道52上滑动。

根据实际所需加工坯料几何形状，设计并更换不同几何形状的左右向定模22、左右向动模20及前后向定模42、前后向动模41。

利用一种半固态流变成形制备颗粒增强金属基复合材料装置的方法，包括以下步骤：

步骤1，预制增强体颗粒：将纳米增强体颗粒用1％HF清洗后，T

步骤2，配制金属基体合金原料：根据所要制备的复合材料中金属基体的设计，确定金属基体合金各元素的质量百分比含量；

步骤3，预制金属基体合金熔体：首先通过感应线圈8加热、第一保温层9保温、第二热电偶4反馈控制熔化坩埚10至金属基体合金液相线温度以上T

步骤4，预热搅拌坩埚13：通过第一加热器15加热、第二保温层16及第一热电偶40反馈控制搅拌坩埚13温度至低于金属基体合金固相线温度T

步骤5，金属基体合金熔体11注入搅拌坩埚13：提起第一塞杆6和第二塞杆39后，金属基体合金熔体11将通过熔化坩埚10底部的流道流入已预热搅拌坩埚13中；待金属基体合金熔体11完全流入搅拌坩埚13后，下压第一塞杆6和第二塞杆39关闭流道；

步骤6，金属基体合金半固态浆料的制备：利用电磁搅拌器32以频率H

步骤7，颗粒增强的金属基复合材料的半固态浆料的制备：通过送料筒5向搅拌坩埚13的金属基体合金半固态浆料14中以平均分1～3次加入步骤1制备的增强体颗粒；经过复合半固态处理后，静置，获得颗粒增强的金属基复合材料半固态浆料14；

将实际制备复合材料所需体积分数为V的增强体颗粒平均分成1～3份，在复合半固态处理的时间段中平均分成1～3个时间段加入金属基体合金半固态浆料14中；

步骤8，压射室25预热：通过第二加热器24给压射室25预热，并且通过第三保温层23实现压射室25的保温；

步骤9，颗粒增强的金属基复合材料半固态浆料14注入压射室25：翻转阀门28后通过牵引电磁铁系统37带动冷却棒32向上运动，使搅拌坩埚13底部的出料口打开，颗粒增强的金属基复合材料半固态浆料14进入已预热的压射室25中；液体流量计19显示达到设定后立即关闭翻转阀门28，切断牵引电磁铁系统37电源，冷却棒32自重下落密封搅拌坩埚13的出料口；

步骤10，颗粒增强金属基复合材料坯料或零件半固态流变成形：通过第一驱动系统48驱动左右向动模20与左右向定模22滑动合模；同时通过第二驱动系统51驱动前后向动模41与前后向定模42滑动合模；通过控制系统46驱动压射锤头26将待加工颗粒增强金属基复合材料半固态浆料推入压室21中；通过第一驱动系统48驱动左右向动模20与左右向定模22配合，以P

步骤11，热处理：将步骤10获得的颗粒增强金属基复合材料半固态流变成形坯料或零件放至室温后，进行热处理，获得综合力学性能良好的颗粒增强金属基复合材料半固态流变成形坯料或零件。

本发明的有益效果为：

本发明将增强体颗粒加入半固态金属基体合金中，有效避免了增强体颗粒与金属基体合金的复杂化学反应；横向电磁搅拌与纵向超声振动搅拌复合处理使增强体颗粒在金属基体合金中分布更均匀的同时，破碎枝晶生长、细化球化晶粒组织；直接二次加压流变成形坯料或零件，不存在二次重熔及内部藏气、缩松缺陷问题。本发明装置具有通用性，根据所需制备复合材料确定相关关键技术参数。

附图说明

图1为本发明实施例的装置结构示意图。

图2为实施例中频感应熔化炉Ⅰ的俯视图。

图3为实施例中频感应熔化炉Ⅰ及电磁搅拌与超声振动复合室Ⅱ的A-A视图。

图4为实施例压铸设备Ⅲ的前后向定模、前后向动模示意图。

图5为实施例中压铸设备左右向定模、左右向动模示意图。

图6为实施例工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。

参照图1，图2，图3，图4和图5，一种半固态流变成形制备颗粒增强金属基复合材料装置，包括中频感应熔化炉Ⅰ、电磁搅拌与超声振动复合室Ⅱ和压铸设备Ⅲ，中频感应熔化炉Ⅰ的出料口和电磁搅拌与超声振动复合室Ⅱ的入料口连接，电磁搅拌与超声振动复合室Ⅱ的出料口和压铸设备Ⅲ的入料口连接；

参照图1，图2和图3，所述的中频感应熔化炉Ⅰ包括安装在第一底板12上的保存金属基体合金熔体11的熔化坩埚10，熔化坩埚10外层依次安装第一保温层9及感应线圈8，熔化坩埚10的顶部连接有炉盖1进行密封，炉盖1插入有送料筒3、第一塞杆6、第二塞杆39、第二热电偶4，送料筒3顶部与送料嘴2配合，第一塞杆6的中空结构与送料筒5配合，送料筒5底部伸入搅拌坩埚13内，第二塞杆39的中空结构内穿有第一热电偶40，第一热电偶40底部伸入搅拌坩埚13内，熔化坩埚10上部开有插入保护气系统7通气孔，第一塞杆6和第二塞杆39底部与熔化坩埚10底部流道配合。

所述的第二塞杆39设有4个，分别为1号第二塞杆39-1、2号第二塞杆39-2、3号第二塞杆39-3、4号第二塞杆39-4；1号第二塞杆39-1内穿有1号第一热电偶40-1，2号第二塞杆39-2内穿有2号第一热电偶40-2，3号第二塞杆39-3内穿有3号第一热电偶40-3，4号第二塞杆39-4内穿有4号第一热电偶40-4；送料筒3设有2个，分别为1号送料筒3-1、2号送料筒3-2，1号送料筒3-1顶端与1号送料嘴2-1配合，2号送料筒3-2顶端与2号送料嘴2-2配合；第一塞杆6设有2个，分别为1号第一塞杆6-1、2号第一塞杆6-2，1号第一塞杆6-1与1号送料筒5-1配合，2号第一塞杆6-2与2号送料筒5-2配合，第二塞杆39、送料筒3、第一塞杆6各自对称设置。

参照图1，所述的电磁搅拌与超声振动复合室Ⅱ包括安装在第二底板18上保存金属基体合金半固态浆料14的搅拌坩埚13，搅拌坩埚13外侧依次设置有第一加热器15、第二保温层16、冷却系统17、电磁搅拌器30和外壳31，冷却系统17开设冷却液注入口29、冷却液流出口35，搅拌坩埚13、第一加热器15、第二保温层16、冷却系统17、电磁搅拌器30和外壳31上端部与保温板36配合密封，第一底板12开有电源线通道38，电源线通道38下端安装牵引电磁铁系统37，牵引电磁铁系统37与冷却棒32上端配合固定，冷却棒32底部与搅拌坩埚13底部出料口配合密封；拌坩埚13底部出料口和浆料出口管道27配合，浆料出口管道27插入底板18中心孔内，搅浆料出口管道27上安装有阀门28和液体流量计19；

冷却棒32内部开有深槽安装超声振动换能器34，超声振动换能器34上均匀分布有与冷却棒32内槽表面紧贴的3组超声振动头33。

参照图1，图4和图5，所述的压铸设备Ⅲ包括压射室25，压射室25外依次安装第二加热器24、第三保温层23，压射室25内腔与压射锤头26配合，压射锤头26由控制系统46驱动，压射室25内腔入口和浆料出口管道27连接，压射室25内腔出口和压室21入口连接；

压室21由左右向定模22、左右向动模20以及前后向定模42、前后向动模41组成，左右向定模22通过第一滑杆47与左右向动模20连接配合，前后向定模42通过第二滑杆50与前后向动模41连接配合，左右向动模20通过第一驱动系统48驱动后在第一轨道49上滑动，前后向动模41均通过第二驱动系统51驱动后在第二轨道52上滑动；根据实际所需加工坯料几何形状，设计并更换不同几何形状的左右向定模22、左右向动模20及前后向定模42、前后向动模41。

参照图6，利用一种半固态流变成形制备颗粒增强金属基复合材料装置的方法，包括以下步骤：

步骤1，预制SiC增强体颗粒：将纳米(尺寸约20～40nm)增强体颗粒用1％HF清洗t

步骤2，配制金属基体合金原料Al-Si基体合金：根据所要制备的复合材料中金属基体的设计，确定金属基体合金各元素(Si、Cu、Mn、Mg、Ti、Sc、Be，其余为Al)的质量百分比含量；

步骤3，预制Al-Si基体合金熔体：首先通过感应线圈8加热、第一保温层9保温、第二热电偶4反馈控制熔化坩埚10至金属基体合金液相线温度以上T

步骤4，预热搅拌坩埚13：通过第一加热器15加热、第二保温层16及第一热电偶40反馈控制搅拌坩埚13温度至低于金属基体合金固相线温度T

步骤5，金属基体合金熔体11注入搅拌坩埚13：提起第一塞杆6和第二塞杆39后，金属基体合金熔体11将通过熔化坩埚10底部的流道流入已预热搅拌坩埚13中；待金属基体合金熔体11完全流入搅拌坩埚13后，下压第一塞杆6和第二塞杆39关闭流道；

步骤6，金属基体合金半固态浆料的制备：利用电磁搅拌器32以频率H

步骤7，颗粒增强的金属基复合材料的半固态浆料的制备：通过送料筒5向搅拌坩埚13的金属基体合金半固态浆料14中以速度v

将实际制备复合材料所需体积分数为V(15-20％)的增强体颗粒平均分成1～3份(3份)，在复合半固态处理的t

步骤8，压射室25预热：通过第二加热器24给压射室25预热至T

步骤9，颗粒增强的金属基复合材料半固态浆料14注入压射室25：翻转阀门28后通过牵引电磁铁系统37带动冷却棒32向上运动，使搅拌坩埚13底部的出料口打开，颗粒增强的金属基复合材料半固态浆料14进入已预热的压射室25中；液体流量计19显示达到设定后立即关闭翻转阀门28，切断牵引电磁铁系统37电源，冷却棒32自重下落密封搅拌坩埚13的出料口；

步骤10，SiC颗粒增强Al-Si基复合材料壳体零件半固态流变成形：通过第一驱动系统48驱动左右向动模20与左右向定模22通过第一滑杆47配合，并沿第一轨道49滑动合模；同时通过第二驱动系统51驱动前后向动模41与前后向定模42通过第二滑杆50配合，沿第二轨道52滑动合模；通过控制系统46驱动压射锤头26以速度v

步骤11，热处理：将步骤10获得的SiC颗粒增强Al-Si基复合材料半固态流变成形壳体铸件放至室温后，进行热处理：将SiC颗粒增强Al-Si基复合材料半固态流变成形壳体零件从室温开始加热，经过30min加热到540℃，保温6h后置于100℃的沸水中淬火；然后将其加热到200℃，保温5h后取出，并在空气中冷却，获得综合力学性能良好的SiC颗粒增强Al-Si基复合材料半固态流变成形壳体零件。