固体添加物增强金属基复合材料的制备方法及实现该制备方法的混合系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及固体添加物增强金属基复合材料的制备方法及实现该制备方法的混合系统。
【背景技术】
[0002]固体添加物增强金属基复合材料是指以铝、镁、钛等金属或合金为基体，以纤维、颗粒、晶须等固体添加物为增强体，均匀地分散于基体材料形成的两相或多相组合的材料体系复合而成的材料。在保留了金属基体的轻质、易加工成形、导电导热优良等性能的同时，通过加入的固体增强相特性还能够使材料具备高强度、高硬度、高耐磨性以及低线膨胀系数等优异性能。因此，该类复合材料在航空航天、轨道交通、汽车、以及国防军事、医疗、装备制造业等领域均具有重要应用前景。
[0003]目前制备固体添加物增强金属基复合材料的方法主要包括粉末冶金法、反应自生法、液态搅拌法以及半固态复合铸造法。粉末冶金方法直接将金属粉末与颗粒/短纤维增强相通过混粉机、球磨机等设备混合，再经过压制和高温烧结制备而成。其优点在于成形机理简单，能实现较大范围固体添加物与金属粉末的体积配比。但成形零件尺寸受液压机吨位限制，因此采用该方法成形大尺寸零件鲜有报道。此外，粉末冶金方法制备的颗粒增强金属基复合材料致密度底、颗粒与基体结合性相对较弱。某些金属粉末，例如铝粉，在球磨混合过程中还存在易氧化、易爆炸等问题。反应自生法是在基体中加入能反应生成预期增强颗粒的元素或化合物，获得的增强物与基体金属的界面结合良好，性质稳定，但增强颗粒大小、数量与工艺过程、反应元素加入量等密切相关且不易控制，生成的颗粒相类型也较为单一。液态搅拌方法主要为在熔炼后的金属液中加入固体添加物，并在一定搅拌工艺参数条件下进行搅拌混合，使固体添加物均勻地分布在金属熔体中，最后对该混合熔体进行铸造，制成铸锭、铸坯等，便于后续二次加工。液态搅拌方法存在两个难点，一是容器内的搅拌过程具有难以避免的死区，导致制备的材料不均匀；二是固体添加物在液态金属中容易团聚，需要进行较为复杂的预处理。目前较为常见的预处理方法包括将固体添加物先与金属基体粉末混合，再压制并切割成小块体，最后投入金属液并搅拌。上述工艺存在的问题制约了固体添加物增强金属基复合材料的大规模生产。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供固体添加物增强金属基复合材料的制备方法，该制备方法可大规模生产，克服现有技术的缺陷。
[0005]为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下:固体添加物增强金属基复合材料的制备方法，包括如下步骤:
[0006]I)将固体添加物加入固体添加物配送装置中，通过所述固体添加物配送装置将所述固体添加物均勾输送至金属液中，使所述固体添加物与所述金属液初步混合；
[0007]2)所述固体添加物和所述金属液的混合物经含超声波振动装置的微观弥散装置后，输送至由混合流道构成的宏观混合装置中均匀混合，即制得固体添加物增强金属基复合材料。
[0008]优选地，所述固体添加物选自碳化硅、碳化钛、碳化硼、碳化钨、氧化铝、氮化硅、硼化钛、氮化硼和石墨中的至少一种。固体添加物的形状可以是颗粒、晶须或者短纤维，体积分数范围为O?25%，该体积分数按照材料性能要求确定。
[0009]优选地，所述金属液选自铝、镁、锌中的至少一种。
[0010]优选地，所述混合流道为S形或树形。
[0011]本发明的另一个目的在于提供一种实现该固体添加物增强金属基复合材料制备方法的混合系统，该混合系统随流添加固体添加物并利用金属液在具有空间结构流道内的流动行为，实现颗粒或短纤维等增强相与基体金属液的混合方法。
[0012]本发明提供了实现固体添加物增强金属基复合材料的制备方法的固体添加物与基体金属液的混合系统，包括固体添加物配送装置和宏观混合装置，所述固体添加物配送装置设置有固体添加物储存容器及固体添加物推送装置，所述宏观混合装置包括混合流道；还包括微观弥散装置，所述微观弥散装置设置于所述固体添加物配送装置和所述宏观混合装置之间或者设置在所述宏观混合装置前段，所述混合流道为S形或树形。微观弥散装置用于将团聚的固体添加物分散，宏观混合装置用于实现固体添加物与金属液的均匀混入口 ο
[0013]所述S形混合流道适用于较低粘度的基体金属液以及较低体积分数的固体添加物/金属液配比。其结构可以是一个S形，也可以是多个S形按一定空间组合连接而成。混合流体在S形流道内流动时，离心力方向不断改变，且垂直于流动方向的每个截面具有不同流态的涡流，因此混合流体在流经S形通道时能够充分混合。
[0014]所述树形混合流道适用于较高粘度基体金属液或较高体积分数的固体添加物/金属液配比。其特征为由分散区和汇合区两部分组成的具有一定分形分叉结构的多支路流道，混合流体进入树形混合流道后首先被逐级分流成多组支流，各支流再重新配对并汇流，实现固体添加物/金属液的充分混合。
[0015]优选地，所述推送装置包括推送油缸，与所述推送油缸连接的活塞。固体添加物在推送油缸及活塞的作用下保持一定的相对密度，并通过旋转的螺杆输送至金属液流动通道。
[0016]所述固体添加物配送装置还包括与所述固体添加物储存容器连接的输送装置，所述输送装置包括螺杆、控制所述螺杆运动的伺服电机。
[0017]进一步的，所述输送装置还包括设置于所述螺杆外部的螺杆套。本发明可以通过调节螺杆转速、金属液流量、电磁栗功率以及温度控制实现固体添加物/基体金属液体积配比、基体金属液的物性等关键参数的实时调节。同时结合了固体添加物在基体金属液中的微观弥散与宏观混合，能够有效避免固体添加物在基体金属液中的团聚行为，同时金属流体宏观混合充分，大大降低了传统方法制备该类材料的偏析问题。
[0018]优选地，所述微观弥散装置包括超声振动装置，所述超声振动装置设置有超声振动杆。所述超声波振动杆可以是一组也可以是多组，设置于固体添加物配送装置之后，也可以设置于宏观混合装置的金属液流道内。
[0019]优选地，所述宏观混合装置包括与所述混合流道连接的电磁栗。所述电磁栗前置于混合流道，用于控制金属液流态，并增大金属液压力。
[0020]固体添加物与基体金属液的混合系统，不仅可应用于复合材料制备，其还可应用于压力铸造、挤压铸造和重力铸造。其可直接集成于压力铸造、挤压铸造以及重力铸造等工艺，实现制备与成形的一体化。
[0021]本发明的有益效果是:
[0022](I)本发明结合了固体添加物在基体金属液中的微观弥散与宏观混合，能够有效避免固体添加物在基体金属液中的团聚行为，同时金属流体宏观混合充分，大大降低了传统方法制备该类材料的偏析问题。
[0023](2)避免了固体添加物在加入金属液的预处理过程，在加入金属液后也避免了长时间的搅拌，降低了固体添加物与金属液的作用时间，减少了有害界面反应。
[0024](3)可以通过调节螺杆转速、金属液流量、电磁栗功率以及温度控制实现固体添加物/金属液体积配比、基体金属液的物性等关键参数的实时调节。
[0025](4)混合效率高，可以直接作为金属液保温炉至铸造浇注系统的中间环节，即作为在线混合方式集成于铸造工艺中，实现制备与成形的一体化。
【附图说明】
[0026]图1为实施例1中采用的包含S形流道的混合系统示意图；
[0027]图2为S形混合流道的两种空间组合示意图；
[0028]图3为实施例2中采用的包含树形流道的混合系统示意图；
[0029]图4为两种不同树形结构流道的示意图；
[0030]图5为实施例3中混合系统应用于压力铸造的示意图；
[0031]附图标记说明:1、推送油缸；2、固体添加物储存筒；3、固体添加物；4、伺服电机；5、螺杆套；6、螺杆；7、超声振动杆；8、电磁栗；9、混合流道；10、金属液；11、超声振动通道；
12、电磁阀；13、储液筒；14、熔炉；15、冲头；16、压室。
【具体实施方式】
[0032]下面结合具体实例，进一步阐明本发明。应该理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限定本发明的保护范围。在实际应用中技术人员根据本发明做出的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
[0033]除特别说明，本发明使用的设备为本技术领域常规市购，本发明采用的方法为本技术领域常规使用的方法。附图中所示的箭头方向为金属液和固体添加物的流向。
[0034]实施例1
[0035]固体添加物增强金属基复合材料的制备方法，包括如下步骤:
[0036]I)将固体添加物加入固体添加物配送装置中，通过固体添加物配送装置将固体添加物定量输送至金属液中，使固体添加物与金属液初步混合；
[0037]2)固体添加物和金属液的混合物经含超声波振动装置的微观弥散装置消除团聚，输送至由混合流道构成的宏观混合装置，在宏观混合装置中均匀混合，即制得固体添加物增强金属基复合材料。
[0038]金属液选自铝、镁、锌中的至少一种。固体添加物选自碳化硅、碳化钛、碳化硼、碳化钨、氧化铝、氮化硅、硼化钛、氮化硼和石墨中的至少一种。固体添加物的形状可以是颗粒、晶须或者短纤维，体积分数范围为O?25%，该体积分数按照材料性能要求确定，例如:在液态铝合金中加入10 %体积分数的碳化硅固体添加物。
[0039]在本发明中，通过固体添加物配送装置将固体添加物定量输送至金属液中，使固体添加物与金属液初