步混合，固体添加物和金属液存在很大的偏析，待固体添加物和金属液的混合物经过微观弥散与宏观混合以后，能够有效消除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。
[0040]如图1所示，实现该制备方法的固体添加物与基体金属液的混合系统，用于将固体添加物增强相加入基体金属液，并使之均匀的分散在基体金属液中。包括依次连接的固体添加物配送装置、微观弥散装置和宏观混合装置，固体添加物配送装置包括固体添加物储存筒2，固体添加物储存筒2 —端设置有推送装置，另一端与固体添加物的输送装置连接，输送装置包括螺杆6、控制螺杆6运动的伺服电机4和设置于螺杆6外部的螺杆套5，微观弥散装置包括与螺杆套5连接的超声振动通道11，超声振动通道11内设置有超声振动装置，宏观混合装置包括与超声振动通道连接的电磁栗8和与电磁栗8连接的混合流道9。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。电磁栗8前置于混合流道9，用于控制金属液流态，并增大金属液压力。
[0041]微观弥散装置可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，在本实施例中，微观弥散装置设置于固体添加物配送装置之后，也可以选择设置于宏观混合装置的金属液流道内，其均在本发明的保护范围之内。
[0042]固体添加物储存容器可以选择储存筒、储存缸或本领域技术人员可以想到的储存容器均在本发明的保护范围之内，在本实施例中优选固体添加物储存筒。
[0043]固体添加物3与金属液10的体积配比可以通过调节伺服电机4的转速进而改变螺杆6的转速来实现，同时储存于固体添加物储存容器2的固体添加物3能够在推送油缸I的作用下保持恒定的相对密度并输送至螺杆6，因此保证了固体添加物3的质量分数也为可控。
[0044]推送装置包括推送油缸1，与推送油缸I连接的活塞。固体添加物3在推送油缸I及活塞的作用下保持一定的相对密度，并通过旋转的螺杆6输送至金属液10流道。
[0045]超声振动装置包括设置于超声振动通道11内部的超声振动杆7。超声波振动杆7可以是一组也可以是多组，可以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。
[0046]混合流道9为S形或树形。两种混合流道内表面进行镀铬处理，在提高耐磨性及耐腐蚀性的同时降低流动阻力。混合流道可以是管材弯制或拼接而成，也可以采用模具钢并通过机加工内流道来实现。混合流道需采用一定的温度控制，可以是整体保温，也可以是在混合流道末尾区域逐渐降低温度，使金属液粘度上升从而易于保持固体添加物的相对位置。
[0047]在本实施例中混合流道为S形，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。
[0048]S形混合流道的几何结构可针对不同的基体金属液10的物性参数进行调整，包括混合流道的内通道水力半径、曲率以及S形结构的数目和空间分布。如图2(a)、(b)所示，分别为平面式S形混合流道及空间式混合流道示意图。
[0049]本发明的基本工作过程和原理为:金属液10在进入混合系统的同时，固体添加物3在螺杆6的驱动下进入超声振动通道11并与基体金属液10初步混合；随后团聚的固体添加物3在超声振动杆7的作用下打散，经由电磁栗8增压后进入混合流道9，在混合流道9内的流动过程中，由于S形结构不断改变了混合流体的离心力，且垂直于流动方向的每个截面具有不同流态的涡流，从而实现固体添加物3与金属液10的充分混合。
[0050]实施例2
[0051]技术特征与实施例1相同，区别在于:
[0052]图3为具有树形结构混合流道的混合系统示意图，混合流道9采用了具有分形特征的树形结构，此外超声振动通道11采用了立式结构，能够实现较高体积分数的固体添加物3与基体金属液10混合。
[0053]其混合的步骤如下:(I)根据所需配比的体积分数计算出基体金属液10的流量Q以及螺杆6转速；(2)将基体金属液10按照流量Q不间断的注入超声振动通道11，同时控制伺服电机4带动螺杆6按照给定转速将固体添加物3不间断的送入超声振动通道11，实现与基体金属液10的初步混合；(3)在超声振动杆7的作用下，将部分团聚的固体添加物3打散，实现微观弥散；(4)在电磁栗8的作用下，将混合流体增压并送入混合流道9 ; (5)利用树形混合流道9将混合流体先逐级分叉，再将不同支流逐级汇流，实现充分混合。
[0054]如图4(a)、(b)所示，分别为平面式树形混合流道及空间式混合流道示意图。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。
[0055]实施例3
[0056]图5为将实施例1中的混合系统附加于压力铸造过程的示意图。具体实施步骤如下:
[0057](I)根据铸件体积V(包含浇注系统)、压铸循环周期t计算出所需的基体金属液10流量Q以及相应的螺杆6转速、电磁阀12的开闭时间；
[0058](2)将基体金属液10从熔炉14中提取并输送至混合系统中，混合系统可为实施例1及2中的一种，这里采用实施例1中混合系统；
[0059](3)混合后的流体输送并临时储存于储液筒13，当一个压铸周期结束时，电磁阀12打开，混合流体流入压室16 ;
[0060](4)当流入压室16的混合流体体积达到铸件体积V时，关闭电磁阀12，压室16内的混合流体在冲头15的推动下注入压铸模。
[0061]本实施例并不局限于复合材料制备工艺及压力铸造成型工艺，亦可应用于挤压铸造、重力铸造等金属液态成形工艺。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。
【主权项】
1.固体添加物增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: 1)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； 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。2.根据权利要求1所述的固体添加物增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的固体添加物增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述金属液选自铝、镁、锌中的至少一种。4.根据权利要求1所述的固体添加物增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述混合流道为S形或树形。5.实现权利要求1所述的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，其特征在于，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。6.根据权利要求5所述的固体添加物与基体金属液的混合系统，其特征在于:所述推送装置包括推送油缸，与所述推送油缸连接的活塞。7.根据权利要求5所述的固体添加物与基体金属液的混合系统，其特征在于: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。8.根据权利要求7所述的固体添加物与基体金属液的混合系统，其特征在于:所述输送装置还包括设置于所述螺杆外部的螺杆套。9.根据权利要求5所述的固体添加物与基体金属液的混合系统，其特征在于: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。10.根据权利要求5所述的固体添加物与基体金属液的混合系统，其特征在于:所述宏观混合装置包括与所述混合流道连接的电磁栗。
【专利摘要】本发明涉及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：1)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；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，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。本发明结合固体添加物在基体金属液中的微观弥散与宏观混合，有效避免固体添加物在基体金属液中的团聚行为，使金属流体混合充分，大大降低传统方法制备该类材料的偏析问题。
【IPC分类】C22C1/02, C22C1/10
【公开号】CN105219984
【申请号】CN201510696347
【发明人】曹文炅, 蒋方明, 梁光兴
【申请人】中国科学院广州能源研究所
【公开日】2016年1月6日
【申请日】2015年10月22日