CN114427044B - 一种高强韧铸造铝基复合材料的制备装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高强韧铸造铝基复合材料的制备装置和方法，属于金属材料加工技术领域。该装置包括搅拌机构、加料斗、密封炉、制备坩埚、加热器、坩埚旋转轴、模具、放气阀和供氩装置。本发明方法将易挥发元素与不易挥发元素分开设计配比，通过将不易挥发的元素先进行熔炼，加入增强相，进行强剪切搅拌制备出铝基复合材料，然后往铝基复合材料中再加入易挥发元素合金，进行短时间的搅拌，促进成分均匀化，最后得到高强韧铝基复合材料。该装置及方法可以克服传统的真空搅拌铸造高强韧铝基复合材料时造成的易挥发强化元素的大量挥发，造成成分难以控制以及性能的波动的技术困难，也大大降低成本。

Description

一种高强韧铸造铝基复合材料的制备装置和方法
技术领域
本发明属于金属材料加工技术领域，特别涉及一种高强韧铸造铝基复合材料的制备装置和方法。
背景技术
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广阔和广阔的市场前景。
目前，复合材料的制备方法主要有粉末冶金法和搅拌铸造法。
粉末冶金法制备的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，且在制备高强韧铝基复合材料时存在成分控制难等突出问题。
搅拌铸造法是通过搅拌器的旋转运动使增强材料均匀分布在金属熔体中，然后浇注成型。此法所用设备简单，操作方便，成本低，但增强颗粒不易与基体材料混合均匀，且材料的吸气较严重。而且在搅拌铸造法中，为了减少搅拌过程中的吸气，可以采用真空搅拌铸造法，但是采用真空搅拌铸造法制备高强韧铸造铝基复合材料时，由于高强韧铝合金熔体中含有大量的易挥发元素，因此，在真空搅拌过程中极易造成大量易挥发元素的析出，导致铝基复合材料成分难以控制，且性能不稳定，因此，采用真空搅拌技术难以有效制备高强韧铝基复合材料，真空搅拌的优势在制备高强韧铸造铝基复合材料作用难以发挥。
发明内容
为此，针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种高强韧铸造铝基复合材料的搅拌装置及其制备方法。
一种高强韧铸造铝基复合材料的制备装置，该装置包括搅拌机构、加料斗、密封炉、制备坩埚、加热器、坩埚旋转轴、模具、放气阀和供氩装置等；所述的制备坩埚、加热器、坩埚旋转轴和模具设置于密封炉内，所述的搅拌机构设置在制备坩埚和密封炉的上方，可上下升降进入制备坩埚中，所述的加料斗穿过密封炉上盖设置在制备坩埚的侧上方，所述的加热器设置在制备坩埚的外周，所述的制备坩埚通过坩埚旋转轴与模具对接，所述的放气阀设置在密封炉上盖，所述的放气阀与设置在密封炉外的供氩装置相连接。
所述的密封炉为高真空的炉体，真空度绝对压力为0.01-50000Pa。
所述的加热器输入电压为低电压，电压为10-110V，优选为20-110V。
所述的搅拌机构的搅拌转速可调，速度在5-3000r/min之间。
所述的加料斗送料速度可调，送料速度在100-2000g/min之间。
所述的坩埚旋转轴安装在制备坩埚的外侧，通过坩埚旋转轴带动制备坩埚旋转，将制备坩埚中的熔体倾倒入模具中。
一种高强韧铸造铝基复合材料的制备方法，该方法采用上述制备装置，包含以下步骤：对高强韧铸造铝基复合材料进行材料设计，所述的高强韧铸造铝基复合材料由易挥发元素、不易挥发元素、增强材料和铝组成，易挥发元素包括镁、锌和锂中的一种或几种，不易挥发元素包括铝、铜、硅、锰、镍、铁和铬中的一种或几种，增强材料为SiC、Al2O3、B4C、AlN、Si3N4和Si的一种或几种；首先进行熔炼和熔体处理，将不易挥发的元素和铝一起进行熔炼，得到铝合金熔体；其次进行铝基复合材料制备，在铝合金熔体中加入增强相，进行强剪切搅拌得到铝基复合材料；然后进行加料搅拌，往铝基复合材料中再加入易挥发元素合金，进行短时间的搅拌，促进成分均匀化；最后进行铸造成形，得到高强韧铝基复合材料。
上述制备方法中，所述的熔炼和熔体处理包括如下步骤：将不易挥发的合金元素与铝合金或纯铝一起放入制备坩埚内，对密封炉内抽真空，使炉内绝对真空度保持在0.01-1.00Pa；加热使合金熔化，熔化温度控制在680-830℃；然后除气，打渣。
上述制备方法中，所述的铝基复合材料制备包括如下步骤：开启搅拌机构，调整搅拌速度为1000-3000r/min，搅动合金熔体，加入增强材料，增强材料加入体积分数为5-30％，增强材料加入速度为100-2000g/min，增强材料加入后继续搅拌熔体，搅拌时间为30-120min，制备得到铝基复合材料，关闭搅拌机构。
上述制备方法中，所述的加料搅拌包括如下步骤：打开放气阀和供氩装置，充入氩气，使密封炉内绝对真空度保持在1-50000Pa，通过加料斗，将易挥发元素或合金送入制备坩埚中，待熔化完毕后，低强度搅动铝基复合材料熔体，搅拌强度200-1000r/min，搅拌时间1-5min，使易挥发合金元素均匀分布到熔体中，得到高强韧铝基复合材料熔体，关闭搅拌机构并升起。
上述制备方法中，所述的铸造成形包括如下步骤：复合材料熔体制备完毕后，调整熔体到铸造温度，铸造温度控制在610-760℃，通过旋转坩埚旋转轴，将制备坩埚中的复合材料熔体倾倒入模具中，铸造成高强韧铝基复合材料铸件或铸锭。
上述装置和方法也适合于铜基复合材料、铁基复合材料、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。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)可以克服传统的真空搅拌铸造高强韧铝基复合材料时造成的易挥发强化元素的大量挥发，造成成分难以控制以及性能的波动。
(2)大大减少易挥发元素挥发，减低成本。
(3)结构简单，投资成本低。
附图说明
图1是制备复合材料的装置结构示意图。
主要附图标记：
1 搅拌机构 2 送料斗
3 密封炉 4 制备坩埚
5 增强材料 6 加热器
7 合金熔体 8 坩埚旋转轴
9 模具 10 铸件
11 放气阀 12 供氩装置
具体实施方式
如图1所示，该装置为本发明制备碳化硅颗粒增强铸造铝基复合材料的装置示意图。该装置由搅拌机构1，加料斗2，密封炉3，制备坩埚4，加热器6，坩埚旋转轴8、模具9、放气阀11和供氩装置12组成；制备坩埚4、加热器6、坩埚旋转轴8和模具9置于密封炉3内，搅拌机构1设置在制备坩埚4和密封炉3的上方，搅拌机构1可上下升降进入制备坩埚4中，加料斗2穿过密封炉3上盖设置在制备坩埚4的侧上方，加热器6位于制备坩埚4外周，制备坩埚4可通过转轴8与模具9对接，放气阀11设置在密封炉3上盖，放气阀11与密封炉外供氩装置12相连接。
密封炉3属于高真空的炉体，真空度绝对压力为0.01-50000Pa；加热器6输入电压为20-110V。搅拌结构1的搅拌转速可调，速度为5-3000r/min；送料斗2的送料速度可调，送料速度为100-2000g/min。
采用上述的制备装置制备高强韧铝基复合材料的方法，该方法主要包含以下步骤及工艺：
(1)材料设计
对高强韧铝基复合材料用基体合金材料进行材料设计，设计原则是将易挥发元素与不易挥发元素分开设计，易挥发元素包括镁、锌、锂，不易挥发元素包括铝、铜、硅、锰、镍、铁。不易挥发的元素先进行熔炼，加入增强相，进行强剪切搅拌制备出铝基复合材料，然后往铝基复合材料中再加入易挥发元素合金，进行短时间的搅拌，促进成分均匀化，最后得到高强韧铝基复合材料。
(2)熔炼、熔体处理
将不易挥发的合金元素与铝合金或纯铝一起放入制备坩埚1内，对密封炉3内抽真空，使炉内绝对真空度保持在0.01-1.00Pa；加热使合金熔化，熔化温度控制在680-830℃；然后除气，打渣。
(3)铝基复合材料制备
开启搅拌机构，调整合适参数，搅拌速度1000-3000r/min，搅动合金熔体7，送入增强材料5，增强材料5为SiC、Al2O3、B4C、AlN、Si3N4、Si的一种或几种，增强材料5加入速度为200-2000g/min，增强材料5加入体积分数为5-30％，增强材料5加入后继续搅拌熔体，搅拌时间为30-120min，制备得到铝基复合材料，关闭搅拌机构。
(4)加料搅拌
打开加料斗2，打开放气阀11和供氩装置12，充入氩气，使密封炉3内绝对真空度保持在1-50000Pa，将易挥发元素合金送入坩埚中，待熔化完毕后，低强度搅动铝基复合材料熔体，搅拌时间1-5min，搅拌强度200-1000r/min，使易挥发合金元素均匀分布到熔体中，得到高强韧铝基复合材料，关闭搅拌机构并升起。
(5)铸造成形
复合材料制备完毕后，调整熔体到规定温度，将制备好的复合材料倾倒入模具中，铸造成高强韧铝基复合材料铸件或铸锭。
以下的实施例为制备体积分数为20％的碳化硅颗粒增强的7050高强韧铝基复合材料，具体制备方法与工艺为：
(1)材料设计
7050铝合金的成分为：Cu:2.0-2.6％，Mg:1.9-2.6％，Zn:5.7-6.7％，Si:0.12％，Fe:0.15％，Mn:0.1％，Cr:0.04％，其余为Al。设计和配比时，根据比例先加入纯铝、纯铜或铝铜中间合金。挥发性元素锌和镁按照配比后续加入。
(2)熔炼、熔体处理
将纯铝、纯铜或铝铜中间合金及不易挥发的合金元素Si、Fe、Mn和Cr放入制备坩埚内对密封炉内，抽真空，使炉内绝对真空度保持在0.06Pa；加热使合金熔化，熔化温度为720℃。然后除气，打渣。
(3)铝基复合材料制备
开启搅拌机构，搅拌速度为1200r/min，搅动合金熔体，送入增强材料SiCp，SiCp加入速度为500g/min，加入后所占体积分数为20％，SiCp加入完毕后持续搅拌90min，制备得到体积分数为20％的SiCp/7050Al铝基复合材料，关闭搅拌机构。
(4)加料搅拌
打开加料斗，打开放气阀，充入氩气，使密封炉内绝对真空度保持在6000Pa，将配比完毕的易挥发元素纯锌、纯镁通过加料斗送入坩埚中，待熔化完毕后，开启搅拌机构，搅拌合金熔体，搅拌时间2min，搅拌强度300r/min，使易挥发合金元素纯锌、纯镁均匀分布到熔体中，得到高强韧铝基复合材料，关闭搅拌机构并升起。
(5)铸造成形
复合材料制备完毕后，调整熔体温度到680℃，通过旋转坩埚旋转轴，将制备好的复合材料倾倒入模具中，铸造成高强韧铝基复合材料铸件或铸锭。
本发明的装置及方法将易挥发元素与不易挥发元素分开设计配比，通过将不易挥发的元素先进行熔炼，加入增强相，进行强剪切搅拌制备出铝基复合材料，然后往铝基复合材料中再加入易挥发元素合金，进行短时间的搅拌，促进成分均匀化，最后得到高强韧铝基复合材料。该装置及方法可以克服传统的真空搅拌铸造高强韧铝基复合材料时造成的易挥发强化元素的大量挥发，造成成分难以控制以及性能的波动的技术困难，也大大降低成本。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的相关技术人员应当理解：可以对本发明进行修改或者同等替换，但不脱离本发明精神和范围的任何修改和局部替换均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (4)

1.一种高强韧铸造铝基复合材料的制备方法，包含以下步骤：对高强韧铸造铝基复合材料进行材料设计，所述的高强韧铸造铝基复合材料由易挥发元素、不易挥发元素、增强材料和铝组成，易挥发元素包括镁、锌和锂中的一种或几种，不易挥发元素包括铝、铜、硅、锰、镍、铁和铬中的一种或几种，增强材料为SiC、Al2O3、B4C、AlN、Si3N4和Si的一种或几种；首先进行熔炼和熔体处理，将不易挥发的元素和铝一起进行熔炼，得到铝合金熔体；其次进行铝基复合材料制备，在铝合金熔体中加入增强相，进行强剪切搅拌得到铝基复合材料；然后进行加料搅拌，往铝基复合材料中再加入易挥发元素合金，进行短时间的搅拌，促进成分均匀化；最后进行铸造成形，得到高强韧铝基复合材料；所述的加料搅拌包括如下步骤：打开放气阀，充入氩气，使密封炉内绝对真空度保持在1-50000Pa，通过加料斗，将易挥发元素或合金送入制备坩埚中，待熔化完毕后，低强度搅动铝基复合材料熔体，搅拌强度200-1000r/min，搅拌时间1-5min，使易挥发合金元素均匀分布到熔体中，得到高强韧铝基复合材料熔体，关闭搅拌机构并升起；
所述的制备方法采用一种高强韧铸造铝基复合材料的制备装置，所述的装置包括搅拌机构、加料斗、密封炉、制备坩埚、加热器、坩埚旋转轴、模具、放气阀和供氩装置；所述的制备坩埚、加热器、坩埚旋转轴和模具设置于密封炉内，所述的搅拌机构设置在制备坩埚和密封炉的上方，可上下升降进入制备坩埚中，所述的加料斗穿过密封炉上盖设置在制备坩埚的侧上方，所述的加热器设置在制备坩埚的外周，所述的制备坩埚通过坩埚旋转轴与模具对接，所述的放气阀设置在密封炉上盖，所述的放气阀与设置在密封炉外的供氩装置相连接。
2.根据权利要求1所述的高强韧铸造铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的熔炼和熔体处理包括如下步骤：将不易挥发的合金元素与铝合金或纯铝一起放入制备坩埚内，对密封炉内抽真空，使炉内绝对真空度保持在0.01-1.00Pa；加热使合金熔化，熔化温度控制在680-830℃；然后除气，打渣。
3.根据权利要求1所述的高强韧铸造铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的铝基复合材料制备包括如下步骤：开启搅拌机构，调整搅拌速度为1000-3000r/min，搅动合金熔体，加入增强材料，增强材料加入体积分数为5-30%，增强材料加入速度为100-2000g/min，增强材料加入后继续搅拌熔体，搅拌时间为30-120min，制备得到铝基复合材料，关闭搅拌机构。
4.根据权利要求1所述的高强韧铸造铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的铸造成形包括如下步骤：复合材料熔体制备完毕后，调整熔体到铸造温度，铸造温度控制在610-760℃，通过旋转坩埚旋转轴，将制备坩埚中的复合材料熔体倾倒入模具中，铸造成高强韧铝基复合材料铸件或铸锭。
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