半固态金属浆料制备装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种半固态金属浆料制备装置和方法，包括供气装置、导气管、搅拌杆以及用于盛放金属熔体的承载容器；搅拌杆伸入承载容器中金属熔体内的一端为搅拌端，搅拌端内部具有空腔，供气装置用于在搅拌杆对金属熔体进行搅拌时通过导气管向搅拌端内部空腔内注入冷却气体，形成冷却与搅拌的处理方式，使得金属熔体在搅拌流动的过程中内部温度场分布基本均匀且不会有明显的过冷梯度，破坏了枝晶生长环境，从而获得液相基体中均匀分布着一定比例的近球状初生固相的半固态浆料。可见本发明实现了半固态浆料的连续快速制备，连续工作稳定可靠，能简化工艺，降低成本，提高效率，推动半固态金属加工技术的工业化应用。
【专利说明】
半固态金属浆料制备装置及方法
技术领域
[0001]本发明涉及半固态金属加工技术领域，尤其涉及一种半固态金属浆料制备装置及方法。
【背景技术】
[0002]20世纪70年代初，美国麻省理工学院M.C.Flemings等研究人员发明了半固态金属成形技术，从此，半固态金属浆料的制备和成形引起了世界各国学者的普遍关注和研究。半固态楽料的制备是半固态金属加工技术的基础与关键。据文献“Behav1r of metalalloys in the semisolid state”(M.C.Flemings, Metall Trans, 1991，22A:957-981)、“Method and apparatus for shaping semisolid metals”(A.Mitsuru,S.Hiroto, H.Yasunori, et al, EP Patent, 0745694A1, 1996)、“A novel technique to produce metalslurries for semisolid metal processing”，发明名称为“一种悬挂锥筒式半固态金属楽料制备及输送装置”、申请号为200810114097.3的中国专利，发明名称为“半固态金属及合金浆料或坯料的制备方法”、申请号为200410009296.X的中国专利，文献《金属材料半固态加工理论与技术》(康永林，毛卫民，胡壮麒著，科学出版社，2004)和文献《金属半固态加工技术》(谢水生，李兴刚，王浩，张莹，冶金工业出版社，2012)报道，获取半固态合金浆料有多种方法，如单螺旋搅拌法、双螺旋搅拌法、电磁搅拌法、气泡搅拌法、低过热度浇注和弱机械搅拌法、紊流效应法、化学晶粒细化法、超声波处理法、喷射沉积法、冷却斜槽法、连续流变转换法、旋转热焓平衡法等。但为了降低半固态金属浆料的制备成本和实现稳定连续可靠的工业化生产，各国学者、研究人员以及工业界仍在不断努力和探索，试图找到新的更好的半固态金属浆料的制备技术。
[0003]文献“ANovel Technique to Produce Metal Slurries for Sem1-Solid MetalProcessing，，(J.Wannasin, R.A.Martinez, M.C.Flemings, Proceedingsof the 9th onSem1-solid Processing of Alloys and Composites, Pusan, Korea, 2006, 366-369)提出:泰国Songkla大学的Wannasin、Martinez等提出了一种气泡扰动制备半固态金属楽料的新方法。其技术路线为:在合金熔体冷却过程中，将石墨壁上开有许多小孔的石墨搅拌杆浸入低过热度的合金熔体中，将气体通过石墨棒的小孔导入合金熔体中，在熔体浮力和旋转的石墨搅拌杆产生的离心力作用下，气泡将在熔体中上升并做螺旋形轨迹的运动，对熔体产生强对流弱搅拌作用，当合金熔体温度降至半固态温度区间时便可获得半固态浆料。在气泡扰动制备半固态浆料的工艺设备中，将带有许多小孔的石墨搅拌杆浸入到低过热度的合金熔体中并同时往石墨棒中通入气体，待合金熔体降至半固态温度区间即可。但该方法会导致部分气泡滞留在合金熔体中，且石墨棒的小孔容易堵塞，需要频繁清理。
[0004]文献“Sem1-solid processing of engineering alloys by atwin-screw rheo-moulding process.^ (S.Jij Z.Fan and M.J.Bevisj Mater Sci &Eng, 2001，299A:210-217)提出:双螺旋机械搅拌设备主要包括液态镁合金供料机构、双螺旋机械搅拌机构和中央控制机构。液态镁合金一旦进入搅拌系统，一边被双螺旋搅拌杆强烈剪切，一边被冷却到预期的固相分数；当镁合金半固态浆料到达输送阀时，初生固相已经转变为球状颗粒，并均匀分布在低熔点的液相中。但这种双螺旋机械搅拌流变射铸设备仅适合于镁合金的半固态流变成形。在双螺旋机械搅拌设备中，将过热合金熔体平稳导入双螺旋机械搅拌筒中即可。但该方法的不足之处是双螺旋结构存在螺杆工况差，消耗高，寿命短，仅适合于镁合金半固态浆料的制备，且清理拆卸麻烦的问题。
[0005]申请号为4434837的美国专利提出了流变铸造法(新MIT法)，又称为“旋转冷却针法”。该技术的核心思想为:将低过热度的合金液浇注到制备坩祸中，利用镀膜的铜棒对合金液进行短时弱机械搅拌，使合金熔体冷却至液相线温度以下，然后移走搅拌铜棒，让半固态合金熔体冷却至预定温度，从而获得较为理想的半固态浆料。在MIT工艺的设备中，将带有冷却作用的镀膜铜棒插入低过热度的熔体中进行短时弱机械搅拌即可。但该方法不适合于制备大容积半固态浆料和难以实现半固态金属浆料的连续稳定快速制备。
[0006]欧洲专利EP 0745691A1提出了 New Rheocasting技术，简称NRC。其技术路线为:首先将低过热的合金熔体流过一个倾斜板上，形成含有大量初生固相核心的半固态浆料，然后浇入浆料收集坩祸内，通过控制冷却强度使浆料中的初生固相以球形方式成长，再对半固态金属浆料进行温度调整，以获得尽可能均匀的温度场或固相分数，最终获得半固态金属楽料。在New Rheocasting工艺设备中，将过热金属恪体平稳地饶倒倾斜平板(倾斜圆管、或倾斜半圆管)上即可。但该方法容易造成倾斜板表面粘料，需要不断清理，费时费力且浪费合金。
[0007]此外还有申请号为200620018003.9的中国专利提出了一种熔体分散混合制浆装置；申请号为03132471.1中国专利提出了不等径弯道挤压-剪切诱导等温球晶化半固态坯复合制备法，申请号为200810114097.3提出了悬挂锥桶式半固态金属浆料制备装置；申请号为00109540.74中国专利提出了低过热度加弱电磁搅拌制浆技术，申请号为200710011510.9提出了波浪型倾斜版振动制浆装置，申请号为201120425807.1提出了一种轻合金半固态浆料制备装置等等。
[0008]以上各种制备半固态合金浆料的方法各有自己的特点，但也都存在各自的不足，大多数还只是停留在实验室研究阶段，仍需提出新的制浆装置和技术，以便简化工艺，降低成本，提高效率，推动半固态金属加工技术的工业化应用。
【发明内容】
[0009]本发明要解决的主要技术问题是，提供一种新的半固态金属浆料制备装置及方法。
[0010]为解决上述技术问题，本发明提供一种半固态金属浆料制备装置，包括:供气装置、导气管、搅拌杆以及用于盛放金属熔体的承载容器；所述搅拌杆伸入所述承载容器中金属熔体内的一端为搅拌端，所述搅拌端内部具有空腔，所述供气装置用于在所述搅拌杆对所述金属熔体进行搅拌时通过所述导气管向所述搅拌端内部空腔内注入冷却气体。
[0011 ] 在本发明的一种实施例中，所述搅拌杆为中空结构且中间的空腔在纵向上延伸至所述搅拌端；
[0012]或所述搅拌杆中间由一中空套筒和设置于所述中空套筒中心位置的实心柱构成，所述实心柱与所述中空套筒内壁之间形成空腔，且该空腔在纵向上延伸至所述搅拌端；
[0013]或所述搅拌杆的搅拌端为中空结构，其他部分为实心结构。
[0014]在本发明的一种实施例中，所述搅拌杆搅拌端以上部位还设有与所述空腔连通的通气口，所述导气管的入气口与所述供气装置的出气口连接，所述导气管的出气口与所述通气口连接或通过所述通气口伸入所述空腔，注入所述空腔内的冷却气体最终通过所述通气口流出所述空腔。
[0015]在本发明的一种实施例中，所述导气管的出气口通过所述注气口伸入所述空腔时，所述导气管伸入所述空腔部分的侧壁上设有与导气管管孔相通的喷射孔，所述冷却气体通过所述喷射孔向所述空腔内喷射。
[0016]在本发明的一种实施例中，所述搅拌杆的搅拌端外壁上还设有搅拌叶片。
[0017]在本发明的一种实施例中，所述搅拌杆的搅拌端伸入所述承载容器中金属熔体内时，其纵向轴线与水平面之间的夹角为30°?90°。
[0018]在本发明的一种实施例中，还包括搅拌控制装置，与所述搅拌杆连接，用于控制所述搅拌杆搅拌时的转速。
[0019]在本发明的一种实施例中，还包括温度检测装置，用于检测所述承载容器中金属熔体的温度。
[0020]在本发明的一种实施例中，所述导气管的内径为2mm?100mm。
[0021]为了解决上述问题，本发明还提供了一种利用如上所述的半固态金属浆料制备装置制备半固态金属浆料的方法，包括:
[0022]在所述承载容器中制备金属熔体，或将制备好的金属熔体加入所述承载容器中；
[0023]所述搅拌杆的搅拌端在所述承载容器中的金属熔体内按照预设转速和方向进行搅拌，且所述供气装置通过所述导气管按预设气体流量向所述空腔内注入冷却气体；
[0024]待所述承载容器中的金属熔体冷却至预定温度后，所述搅拌杆停止搅拌，所述供气装置停止向所述空腔内注入冷却气体。
[0025]在本发明的一种实施例中，所述预设转速为O?1000r/min。
[0026]在本发明的一种实施例中，所述预设气体流量为O?1000L/min。
[0027]在本发明的一种实施例中，所述预定温度等于所述金属熔体的金属体液相线温度t+Δ t, Λ t的取值范围为0°C?100°C。
[0028]本发明的有益效果是:
[0029]本发明提供的半固态金属浆料制备装置和方法包括供气装置、导气管、搅拌杆以及用于盛放金属熔体的承载容器；搅拌杆伸入承载容器中金属熔体内的一端为搅拌端，搅拌端内部具有空腔，供气装置用于在搅拌杆对金属熔体进行搅拌时通过导气管向搅拌端内部空腔内注入冷却气体，形成冷却与搅拌的处理方式，使得金属熔体在搅拌流动的过程中内部温度场分布基本均匀且不会有明显的过冷梯度，破坏了枝晶生长环境，从而获得液相基体中均匀分布一定比例的近球状初生固相的半固态浆料。可见本发明实现了半固态浆料的连续快速制备，连续工作稳定可靠，可以简化工艺，降低成本，提高效率，推动半固态金属加工技术的工业化应用。
【附图说明】
[0030]图1为本发明实施例一提供的搅拌杆结构示意图一；
[0031]图2为本发明实施例一提供的搅拌杆结构示意图二；
[0032]图3为本发明实施例一提供的搅拌杆结构示意图三；
[0033]图4为本发明实施例二提供的制备装置制备半固态金属浆料流程示意图；
[0034]图5为本发明实施例三提供的半固态金属浆料制备装置结构示意图；
[0035]图6为本发明实施例三提供的制备装置制备半固态金属浆料状态示意图一；
[0036]图7为本发明实施例三提供的制备装置制备半固态金属浆料状态示意图二；
[0037]图8为本发明实施例三提供的制备装置制备半固态金属浆料状态示意图三；
[0038]图9为本发明实施例三提供的A356铝合金半固态浆料金相显微组织示意图；
[0039]图10为本发明实施例三提供的ADC12铝合金半固态浆料金相显微组织示意图；
[0040]图11为本发明实施例三提供的7075铝合金半固态浆料金相显微组织示意图；
[0041]图12为本发明实施例三提供的AZ91D镁合金半固态浆料金相显微组织示意图。
【具体实施方式】
[0042]下面通过【具体实施方式】结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0043]实施例一:
[0044]本实施例示例了采用气冷搅拌杆技术来制备半固态浆料(具体可以是轻合金半固态浆料，也可以是其他类型的金属半固态浆料)，可以改善现有搅拌技术的不足，提高浆料制备质量和生产效率。具体的，本实施例中的半固态金属浆料制备装置包括供气装置、导气管、搅拌杆以及用于盛放金属熔体的承载容器；该承载容器可以是坩祸或者其他可以承受高温的器皿；该金属熔体具体可以是镁合金熔体、铝合金熔体、锌合金熔体及其复合材料熔体等；搅拌杆伸入承载容器中金属熔体内的一端为搅拌端，搅拌端内部具有空腔(内腔)，供气装置在搅拌杆对承载容器内的金属熔体进行搅拌时通过导气管向搅拌端内部空腔内注入冷却气体，形成冷却与搅拌协同处理方式，使得金属熔体在搅拌流动的过程中内部温度场分布基本均匀且不会有明显的过冷梯度，破坏了枝晶生长环境，从而获得液相基体中均匀分布一定比例的近球状初生固相的半固态浆料。
[0045]也即本实施例中的搅拌杆具有内部空腔，且该内部空腔至少延伸至搅拌杆的搅拌端。下面以几种具体的内空搅拌杆结构进行示例性的说明，应当理解的是并不仅限于以下几种结构。
[0046]请参见图1所示的搅拌杆11，搅拌杆11为中空结构，外部封闭；且该搅拌杆11中间的空腔111在纵向上延伸至搅拌端(该实例中为下端)，以保证冷却气体可以注入至搅拌端内部；在搅拌杆11的上端(理论上可以设置在搅拌端以上的任意部位)还设有与空腔连通的通气口 112，连接时，导气管的入气口与供气装置的出气口连接，导气管的出气口与通气口 112直接连接或通过该通气口 112伸入空腔111，注入空腔111内的冷却气体最终通过通气口 112流出空腔111。应当理解的是，本示例中导气管伸入空腔111的深度可以根据实际需要灵活调整设置，此处优选伸入空腔111的中部或中下部。
[0047]请参见图2所示的搅拌杆，搅拌杆为由中空套筒22和设置于中空套筒22中心位置的实心柱223构成；实心柱223与中空套筒22内壁之间形成空腔221，且该空腔221在纵向上延伸至搅拌杆的搅拌端(该示例中为下端)；以保证冷却气体可以注入至搅拌端内部；在搅拌杆11的上端(理论上可以设置在搅拌端以上的任意部位)还设有与空腔连通的通气口 222，连接时，导气管的入气口与供气装置的出气口连接，导气管的出气口与通气口222直接连接或通过该通气口 112伸入空腔221，注入空腔221内的冷却气体最终通过通气口 222流出空腔221。应当理解的是，该示例中导气管伸入空腔221的深度也可以根据实际需要灵活调整设置，此处优选伸入空腔221的中部或中下部。
[0048]请参见图3所示的搅拌杆33，搅拌杆33下端为搅拌端，搅拌端为中空结构具有腔体331，搅拌杆33的其他部分则为实心结构；在搅拌杆33的搅拌端以上部位还设有与空腔连通的通气口 332，连接时，导气管的入气口与供气装置的出气口连接，导气管的出气口与通气口 332直接连接或通过该通气口 332伸入空腔331，注入空腔111内的冷却气体最终通过通气口 332流出空腔331。应当理解的是，本示例中导气管伸入空腔331的深度也可以根据实际需要灵活调整设置，此处优选伸入空腔331的中部或中下部。
[0049]应当理解的是，本实施例中的搅拌杆上设置的通气口可以仅作为进气口用，而在搅拌杆上的其他位置设置至少一个与空腔相同的出气口以用于排气，设置的位置优选保证排出的气体不能进入承载容器中的金属熔体内。
[0050]本实施例中的搅拌杆优选为圆柱形，当然根据实际需要也可以调整为其他形状的搅拌杆。本实施例中搅拌杆具体可采用不锈钢、石墨、铸铁、磨具钢或镀膜铜合金等材料制成，且搅拌杆的搅拌端伸入承载容器中金属熔体内时，其纵向轴线与水平面之间的夹角为30°?90°，优选为90°。本实施例中，当导气管的出气口通过注气口伸入搅拌杆内部空腔时，优选伸入的导气管部分的纵向轴线与搅拌杆搅拌端的纵向轴线平行。
[0051]本实施例中，当导气管的出气口通过注气口伸入搅拌杆内部空腔时，还可在导气管伸入空腔部分的侧壁上设置至少一个与导气管管孔相通的喷射孔，此时冷却气体通过该喷射孔直接向搅拌杆内部空腔内喷射冷却气体，以提升效率和制冷效果；此时，还可考虑将导气管底部的出气口封闭也可。应当理解的是，本实施例中的冷却气体可以是各种能用于制冷的气体，例如空气或其他冷却气体。
[0052]在本实施例中，为了提升搅拌效率和效果，还可进一步在搅拌杆的搅拌端外壁上设置搅拌叶片，该搅拌叶片可以设置为一片或多片，优选在搅拌端外壁上均匀分布设置多片搅拌叶片。
[0053]本实施例中的半固态金属浆料制备装置还包括搅拌控制装置，与搅拌杆连接，用于控制搅拌杆搅拌时的转速，例如可以控制该转速为O?1000r/min。
[0054]本实施例中的半固态金属浆料制备装置还包括温度检测装置，用于检测承载容器中金属熔体的温度。该温度检测装置可以是各种温度检测电路，例如可以是包含热电偶的温度检测电路；通过该温度检测装置检测到承载容器中金属熔体的温度达到预设温度后，可以手动操作搅拌控制装置和供气装置分别停止搅动和供气，该温度检测装置也可与搅拌控制装置和供气装置连接，以在检测到承载容器中金属熔体的温度达到预设温度后，自动控制搅拌控制装置和供气装置分别停止搅动和供气。
[0055]应当理解的是，本实施例中搅拌杆以及导气管的各种尺寸都可以根据具体应用场景灵活设置，例如具体可以设置搅拌杆的壁厚为3mm?1mm ;导气管的内径为2mm?10mm;供气装置通过该导气管按预设气体流量向搅拌杆内部空腔内注入冷却气体，该预设气体流量为O?1000L/min。
[0056]实施例二:
[0057]本实施例在实施例一所示的半固态金属浆料制备装置上，示例一种利用该半固态金属浆料制备装置制备半固态金属浆料的方法，该半固态金属浆料可以是镁合金、铝合金、锌合金及其复合材料等类型的半固态浆料。该方法请参见图4所示，包括:
[0058]步骤401:在承载容器中制备金属熔体(此时则是在承载容器中经熔化、精炼等工艺加工得到金属熔体)，或将制备好的金属熔体加入承载容器中；
[0059]步骤402:控制搅拌杆的搅拌端在承载容器中的金属熔体内按照预设转速和方向进行搅拌，且供气装置通过导气管按预设气体流量向空腔内注入冷却气体，以实现冷却和搅拌的协同进行；该步骤中的预设转速为O?1000r/min，预设气体流量为O?1000L/min ；
[0060]该步骤中的控制搅拌杆可以通过搅拌控制装置控制，在要求不高的场景下甚至可以手动控制；搅拌方向可以自始至终沿着一个方向(例如顺时针或逆时针)进行，也可以在搅拌过程中调整转动方向；
[0061]步骤403:待承载容器中的金属熔体冷却至预定温度后，搅拌杆停止搅拌，且供气装置停止向空腔内注入冷却气体；具体可以通过温度检测装置检测承载容器中金属熔体的温度；通过该温度检测装置检测到承载容器中金属熔体的温度达到预设温度后，可以手动操作搅拌控制装置和供气装置分别停止搅动和供气，也可以通过温度检测装置在检测到承载容器中金属熔体的温度达到预设温度后，自动控制搅拌控制装置和供气装置分别停止搅动和供气；另外，该步骤中的预定温度设定为等于金属熔体的金属体液相线温度t+Δ t, At的取值范围为0°C?100°C。例如，假设金属熔体为A356铝合金熔体，对应的A356铝合金的液相线温度为615°C，此时的预定温度等于615°C + At,At的取值范围为(TC ?10cC0
[0062]实施例三:
[0063]为了更好的理解本发明，下面以一种具体的半固态金属浆料制备装置结合几种具体类型的金属溶剂对本发明进行进一步的示例性说明。
[0064]请参见图5所示，该半固态金属浆料制备装置包括供气装置1、导气管2、搅拌杆3(该示例采用图1所示结构的中空搅拌杆)以及用于盛放金属熔体4的坩祸5，搅拌杆3的搅拌端伸入坩祸5中的金属熔体4内，在搅拌杆3的搅拌端设置有搅拌叶片7，以提升搅拌效率和效果；还包括用于检测金属熔体4温度的热电偶6 ;在搅拌过程中，利用气冷和搅拌的原理，搅拌杆3搅拌的同时供气装置I将冷却气体(例如空气)通过导气管2注入搅拌杆3的内部空腔，注入的冷却气体从导气管2与搅拌杆3内壁之间的空隙流出，对搅拌杆3形成持续冷却，达到加速金属熔体4冷却并促进熔体形核的效果，当金属熔体4冷却至预定温度后停止搅拌和通气，便可获得液相基体中均匀分布一定比例的近球状初生固相8的半固态浆料。该半固态金属浆料制备装置构造简单，应用方便、效率高，可连续快速生产，安全可靠、适用于多种轻合金及其复合材料半固态浆料制备，尤其适合于制备大容积半固态浆料和工业化生产。
[0065]下面以几种具体的金属溶剂的加工过程对本发明做示例性说明:
[0066]A356铝合金溶体:
[0067]1、制合金熔体:
[0068]试验用A356铝合金的液相线和固相线温度分别为615°C和556°C，将铝合金锭放入到预热温度为350°C的坩祸电阻炉内，待合金液温度升温到720°C后进行精炼，用钟罩将烘干后的六氯乙烷压入熔体底部(加入量为合金液总重量的0.5% )，并轻轻摇动，进行熔体除气、除渣精炼处理，最后将合金熔体降温至650°C后保温；
[0069]2、搅拌冷却:
[0070]设搅拌杆垂直放置，搅拌杆转速200r/min，气体通入量245L/min，搅拌杆壁厚3mm，搅拌杆内腔直径15mm，通气管直径5mm，搅拌叶片为两片板状，通气搅拌25s后，停止搅拌通气，此时合金熔体温度处于半固态区间，其液相基体中均匀分布着一定比例的近球状初生固相，该搅拌冷却过程请参见图6-8所示，图6所示的初始搅拌冷却时金属熔体内还没有近球状初生固相8，图7所示搅拌冷却一段时间后在金属熔体中逐渐有近球状初生固相8产生，图8所示为搅拌25s后在金属熔体中产生的很多近球状初生固相8，至此A356铝合金半固态浆料制备完成，其浆料显微组织如图9所示，平均晶粒尺寸为61 μ m，形貌圆整且分布均匀。
[0071]ADC12铝合金溶体:
[0072]1、制合金熔体:
[0073]试验用ADC12铝合金的液相线和固相线温度分别为580°C和515°C，将铝合金锭放入到预热温度为300°C的坩祸电阻炉内，待合金液温度升温到700°C后进行精炼，用钟罩将烘干后的六氯乙烷压入熔体底部(加入量为合金液总重量的0.5% )，并轻轻摇动，进行熔体除气、除渣精炼处理，最后将合金熔体降温至630°C后保温；
[0074]2、搅拌冷却:
[0075]设搅拌杆垂直放置，螺杆转速300r/min，气体通入量245L/min，搅拌杆壁厚6mm，搅拌杆内腔直径15mm，通气管直径5mm，搅拌叶片为两片板状，通气搅拌20s后，停止搅拌通气，此时合金熔体温度处于半固态区间，其液相基体中均匀悬浮着一定比例的近球状初生固相，ADC12铝合金半固态浆料制备完成，其浆料组织如图10所示，平均晶粒尺寸仅为37 μ m，形貌圆整且分布均勾。
[0076]7075铝合金溶体:
[0077]1、制合金熔体:
[0078]试验用7075铝合金的液相线和固相线温度分别为635°C和477°C，将铝合金锭放入到预热温度为400°C的坩祸电阻炉内，待合金液温度升温到720°C后进行精炼，用钟罩将烘干后的六氯乙烷压入熔体底部(加入量为合金液总重量的0.5% )，并轻轻摇动，进行熔体除气、除渣精炼处理，最后将合金熔体降温至660°C后保温。
[0079]2、搅拌冷却:
[0080]设搅拌杆垂直放置，螺杆转速100r/min，气体通入量245L/min，搅拌杆壁厚4mm，搅拌杆内腔直径15mm，通气管直径5mm，搅拌叶片为两片板状，通气搅拌20s后，停止搅拌通气，此时，合金熔体温度处于半固态区间，7075铝合金半固态浆料制备完成，其浆料组织如图11所示，平均晶粒尺寸为43 μπι，形貌圆整且分布均匀。
[0081]AZ91D镁合金熔体:
[0082]1、制合金熔体:
[0083]试验用AZ91D镁合金的液相线和固相线温度分别为595°C和470°C，将铝合金锭放入到预热温度为350°C的坩祸电阻炉内，待合金液温度升温到700°C后进行精炼，熔炼过程中，炉内镁合金采用氩气和覆盖剂保护，清渣干净后，将合金熔体降温至620°C保温；
[0084]2、搅拌冷却:
[0085]设搅拌杆垂直放置，螺杆转速200r/min，气体通入量123L/min，搅拌杆壁厚5mm，搅拌杆内腔直径15mm，通气管直径5mm，搅拌叶片为两片板状，通气搅拌25s后，停止搅拌通气，此时，合金熔体温度处于半固态区间，其液相基体中均匀悬浮着一定比例的近球状初生固相，AZ91D镁合金半固态浆料制备完成，其浆料组织如图12所示，平均晶粒尺寸为45 μ m，形貌圆整且分布均匀。
[0086]可见，本发明提供的气冷搅拌杆连续快速制浆技术是机械搅拌制浆技术的进一步发展与完善，将搅拌与气冷技术融为一体，是一种先进的半固态金属浆料制备技术，相对于现有技术，其至少具备以下优点:
[0087]1、该半固态金属浆料制备装置结构简单，成本低，使用方便，可连续稳定工作，效率高，适用于镁合金、铝合金、锌合金及其复合材料等类型的半固态浆料的制备，金属熔体温度、搅拌速度、搅拌时间和气体通入量可做到精确控制，易于工业化推广；
[0088]2、搅拌杆在持续气冷过程中，加速了金属熔体冷却，促进了金属熔体形核，由于搅拌作用，熔体的温度场和浓度场可以快速达到均匀一致，在获得的半固态浆料中，初生固相形貌圆整、分布和大小均匀；
[0089]3、通过向搅拌杆内部注入冷却气体，在搅拌杆上同时完成了均匀搅拌和快速冷却工序，相比于现有搅拌技术，效率高、投资少；采用通气冷却，安全可靠；导气管可插入搅拌杆内腔，不与熔体接触，不会造成部分气体滞留在合金熔体中，更不会造成堵料积料问题；
[0090]4、冷却气体选择范围广，可以选择空气，可进一步大大降低制浆成本，同时具有环境友好特征；
[0091]5、该半固态金属浆料制备装置取消了复杂的低过热度浇注，大大降低了液相线浇注的难度，易于控制；取消了传统的双螺旋搅拌，解决了双螺旋结构存在螺杆工况差，消耗高，寿命短，清理拆卸麻烦，适用合金范围窄的问题；取消了倾斜板浇注和各种浇道浇注，避免了倾斜板及浇道表面粘料的难题，不需频繁清理，省时省力。
[0092]以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种半固态金属浆料制备装置，其特征在于，包括:供气装置、导气管、搅拌杆以及用于盛放金属熔体的承载容器；所述搅拌杆伸入所述承载容器中金属熔体内的一端为搅拌端，所述搅拌端内部具有空腔，所述供气装置用于在所述搅拌杆对所述金属熔体进行搅拌时通过所述导气管向所述搅拌端内部空腔内注入冷却气体。2.如权利要求1所述的半固态金属浆料制备装置，其特征在于，所述搅拌杆为中空结构且中间的空腔在纵向上延伸至所述搅拌端； 或所述搅拌杆中间由一中空套筒和设置于所述中空套筒中心位置的实心柱构成，所述实心柱与所述中空套筒内壁之间形成空腔，且该空腔在纵向上延伸至所述搅拌端； 或所述搅拌杆的搅拌端为中空结构，其他部分为实心结构。3.如权利要求2所述的半固态金属浆料制备装置，其特征在于，所述搅拌杆搅拌端以上部位还设有与所述空腔连通的通气口，所述导气管的入气口与所述供气装置的出气口连接，所述导气管的出气口与所述通气口连接或通过所述通气口伸入所述空腔，注入所述空腔内的冷却气体最终通过所述通气口流出所述空腔。4.如权利要求3所述的半固态金属浆料制备装置，其特征在于，所述导气管的出气口通过所述注气口伸入所述空腔时，所述导气管伸入所述空腔部分的侧壁上设有与导气管管孔相通的喷射孔，所述冷却气体通过所述喷射孔向所述空腔内喷射。5.如权利要求1-4任一项所述的半固态金属浆料制备装置，其特征在于，所述搅拌杆的搅拌端外壁上还设有搅拌叶片。6.如权利要求1-4任一项所述的半固态金属浆料制备装置，其特征在于，所述搅拌杆的搅拌端伸入所述承载容器中金属熔体内时，其纵向轴线与水平面之间的夹角为30°?90。。7.如权利要求1-4任一项所述的半固态金属浆料制备装置，其特征在于，还包括搅拌控制装置，与所述搅拌杆连接，用于控制所述搅拌杆搅拌时的转速。8.如权利要求1-4任一项所述的半固态金属浆料制备装置，其特征在于，还包括温度检测装置，用于检测所述承载容器中金属熔体的温度。9.如权利要求1-4任一项所述的半固态金属浆料制备装置，其特征在于，所述导气管的内径为2_?100mm。10.一种利用如权利要求1-9任一项所述的半固态金属浆料制备装置制备半固态金属浆料的方法，其特征在于，包括: 在所述承载容器中制备金属熔体，或将制备好的金属熔体加入所述承载容器中； 所述搅拌杆的搅拌端在所述承载容器中的金属熔体内按照预设转速和方向进行搅拌，且所述供气装置通过所述导气管按预设气体流量向所述空腔内注入冷却气体； 待所述承载容器中的金属熔体冷却至预定温度后，所述搅拌杆停止搅拌，所述供气装置停止向所述空腔内注入冷却气体。11.如权利要求10所述的制备半固态金属浆料的方法，其特征在于，所述预设转速为O ?1000r/min。12.如权利要求10或11所述的制备半固态金属浆料的方法，其特征在于，所述预设气体流量为O?1000L/min。13.如权利要求10或11所述的制备半固态金属浆料的方法，其特征在于，所述预定温度等于所述金属熔体的金属体液相线温度t+ Λ t，Λ t的取值范围为0°C?100°C。
【文档编号】B22D17/08GK105855498SQ201510031678
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2015年1月21日
【发明人】康永林, 祁明凡, 周冰, 彭典明, 郑华伟, 刘金
【申请人】中兴通讯股份有限公司