制备梯度材料的装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及材料领域，具体涉及制备梯度材料的装置。本实用新型的制备梯度材料的装置，包括超声发生装置、铸模和温度控制系统，所述超声发生装置包括超声工具头，所述温度控制系统包括温度控制测量仪、热电偶和加热/冷却系统，所述热电偶与所述铸模接触，所述温度控制测量仪接受所述热电偶的信号，测量所述铸模内的料浆的温度；并控制所述加热/冷却系统对所述铸模内的料浆加热或冷却。本实用新型的制备梯度材料的装置，通过温度控制系统测量并控制铸模内的料浆温度，操作过程简单、自动化程度高。本实用新型的制备梯度材料的装置，能制备梯度分布良好的铸态大块梯度材料（梯度组织厚度在1cm以上），制备出的梯度材料孔隙率低、致密度好。
【专利说明】制备梯度材料的装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及材料领域，具体涉及制备梯度材料的装置。
【背景技术】
[0002]功能梯度材料(Functionally Graded Materials,简称FGM),或梯度材料,是指构成材料的组成和显微结构沿厚度方向由一侧向另一侧呈连续梯度变化，从而使材料性质和功能也呈梯度变化的一种新型非均质复合材料。这种材料的概念自20世纪80年代提出后，由于其独特的性质，得到世界各国广泛关注。与传统均质复合材料相比，梯度材料具有很好的可设计性，能够充分发挥各单一材料的优点，弥补不足，使其具有原单一材料所不具备的崭新性能，比如较高机械强度、抗热冲击、耐高温性能等。
[0003]梯度材料制备技术的发展水平是梯度材料应用和发展的关键。超声技术因其环保绿色、耗能少、效率高，装置成本低、易于控制和维护，近年来在材料制备领域的应用研究成为热点。利用超声技术制备梯度材料包括以下步骤:先将金属材料加热熔化为金属液，再向金属液中加入第二相增强颗粒，然后对固液混合物施加超声波，在超声辐射力的作用下，第二相增强颗粒在金属液中产生定向，然后对金属液和第二相增强颗进行冷却，冷却后第二相增强颗粒在金属液中呈梯度分布。
[0004]中国发明专利CN101775518A公开了一种制备梯度材料的装置，包括制备容器、超声波发生装置、加热元件和支撑架，超声发生装置位于制备容器的下面，且所述超声波发生装置的发出端朝向制备容器的底面；支撑架位于制备容器的侧面，加热元件固定在位于制备容器一侧的支撑架表面上，所述加热元件与制备容器的距离为10?30mm。上述制备梯度材料的装置，需外设冷却装置和测量装置才能对制备容器中的料浆进行测量和冷却，操作过程复杂；同时，对金属液和第二相增强颗粒冷却时，金属由液态变为固态，金属体积减小，金属内部会产生缩孔，进而制备出的梯度材料孔隙率高。
实用新型内容
[0005]本实用新型的目的在于:针对上述制备梯度材料的装置，制备梯度材料的过程复杂且制备出的梯度材料孔隙率高的问题，提供一种制备过程简单、操作易于控制的制备梯度材料的装置，进一步地，提供一种制备出的梯度材料孔隙率低的梯度材料制备装置，本实用新型的目的还在于提供一种易于将凝固的梯度材料由铸模中取出的梯度材料制备装置。
[0006]为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为:
[0007]制备梯度材料的装置，包括超声发生装置、铸模和温度控制系统，所述超声发生装置包括超声工具头，所述温度控制系统包括温度控制测量仪、热电偶和加热/冷却系统，所述热电偶与所述铸模接触，所述温度控制测量仪接收所述热电偶的信号，测量所述铸模内的料浆的温度；并控制所述加热/冷却系统对所述铸模内的料浆加热或冷却。
[0008]本实用新型的制备梯度材料的装置，所述超声发生装置工作时，频率和功率的可变化范围大(功率变化范围为O?1500 W/cm2，频率的变化范围15?200KHZ)，超声波在较大功率功率(大于100 W/cm2)的作用下能在金属熔体中形成空化和声流效应,使增强相颗粒与金属熔体混合均匀，并除去增强相表面和金属熔体中的杂质和气泡；超声波的频率在20?200KHz时，能在不同深度的金属熔体中形成超声驻波场，在超声驻波场的声辐射力作用下，增强相颗粒在金属熔体中定向前移，形成梯度分布。制备梯度材料时，将熔融状态下的金属熔体浇入铸模中，并向金属熔体中加入增强相颗粒；启动超声发生装置，通过超声工具头对铸模内的金属熔体施加超声振动，调节超声波的功率和频率，在较大超声功率(大于100 W/cm2)的作用下，增强相颗粒表面的金属熔体形成空化效应作用，将增强相颗粒润湿；同时会金属熔体内形成强烈声流效应，增强相颗粒与金属熔体均匀混合；重新调节超声波的功率和频率，在金属熔体和增强相颗粒中形成超声驻波场，较小功率(小于100 W/cm2)作用下，增强相颗粒受超声辐射力的作用，在金属熔体中产生定向迁移，最后在金属熔体中成梯度分布，冷却后，制得性能良好的梯度材料。上述制备过程中，所述温度控制测量仪接收所述热电偶的信号，测量铸模中料浆的温度，当铸模中的料浆温度高于生产所需温度时，通过所述温度控制测量仪启动所述加热/冷却系统的冷却系统对所述铸模中料浆进行冷却，至生产所需温度；当铸模中的料浆温度低于生产所需温度时，通过所述温度控制测量仪启动所述加热/冷却系统的加热系统对所述铸模中料浆进行加热，至生产所需温度。通过所述温度控制系统，可以测量并调节铸模内的料浆的温度，并能使铸模中的温度在特定的速度下进行升温和降温。本实用新型的制备梯度材料的装置，通过温度控制系统测量并控制铸模内的料浆温度，温度测量与控制同时进行；操作过程简单、自动化程度高。
[0009]作为本实用新型的优选方案，所述超声发生装置还包括超声发生控制器、换能器和变幅杆；所述变幅杆上设有冷却系统。
[0010]本实用新型的制备梯度材料的装置，换能器的温度超过换能器材料的居里温度时，换能器会发生损坏，进而无法工作。利用本实用新型的装置制备梯度材料时，超声工具头浸入金属熔体，接收熔体的热量，并将热量传递给变幅杆，变幅杆与换能器连接，换能器接收变幅杆的热量升温；在所述变幅杆上设冷却系统，对变幅杆降温，变幅杆上的大部分热量由冷却系统带走，向换能器传递的热量很少，换能器的温度上升幅度很小，能长时间持续工作，不容易损坏。
[0011]优选的，所述冷却系统为内有冷却水流动的循环冷却水套，所述循环冷却水套与变幅杆过盈连接。内有冷却水流动的循环冷却水套将变幅杆包裹，变幅杆上的大量热量被冷却水吸收并带走，避免变幅杆上的热量传到换能器上，损坏换能器。
[0012]优选的，所述变幅杆包括变幅杆一和变幅杆二，所述变幅杆一和所述变幅杆二呈圆柱形，且变幅杆一的直径小于变幅杆二的直径，所述循环冷却水套与变幅杆一过盈连接，且与变幅杆二上端面接触。循环冷却水套位于变幅杆二的上端面处不易发生晃动，与变幅杆一连接稳固。
[0013]作为本实用新型的优选方案，所述超声工具头的直径与所述铸模的内径之比为0.5 ?I。
[0014]本实用新型的制备梯度材料的装置，在制备铸态大块梯度材料时，将所述超声工具头由所述铸模上端开口浸入金属熔体中，所述超声工具头的直径(外径)与所述铸模的内径比为0.5?I时，超声的定向驱动能力好，超声振动和超声辐射力的方向易控制，而且不会引起金属熔体表面有较大的波动。超声工具头的直径与所述铸模的内径比< 0.5时，超声的定向驱动能力差，铸模中的金属熔体容易发生晃动，金属熔体熔体表面的氧化层被破坏，金属熔体与空气的接触面积增大，金属熔体被氧化的部分增多，最终梯度材料的性能改变，如梯度分布不均，材料中有氧化夹杂，从而梯度材料的力学性能降低。
[0015]优选的，所述超声工具头的直径与所述铸模的内径之比为I。所述超声工具头位于所述铸模内时，能沿所述铸模轴向移动，超声工具头浸入熔体，超声的定向驱动能力最好，增强相颗粒在金属熔体中梯度分布连续性好；且避免了金属熔体表面的波动，氧化夹杂进入熔体内部，梯度材料的性能改变。
[0016]作为本实用新型的优选方案，所述超声工具头的直径与所述铸模的内径之比为1，所述铸模底部为顶板，所述顶板外设推动装置，所述推动装置推动所述顶板沿所述铸模轴向移动。
[0017]本实用新型的制备梯度材料的装置，金属熔体冷却过程中，部分金属开始由液态转变为固态，金属熔体的体积减小，金属熔体内部，特别是高含量增强相颗粒部位(增强相颗粒分布密集部位)可能产生缩孔。所述铸模底部为顶板，所述顶板外设推动装置，所述推动装置推动所述顶板沿所述铸模侧壁向上移动(轴向移动)，同时采用外部装置将超声工具头的位置固定；金属熔体在所述顶板和超声工具头的挤压作用下，金属熔体内部的缩孔受到较大的压力逐渐变小，部分消失，进一步地，制备的梯度材料孔隙率低。梯度材料制备完成后，梯度材料以固态的形式留在铸模内，采用外部装置固定铸模，启动推动装置，推动所述顶板沿铸模轴向移动，带动固态梯度材料沿铸模轴向向上移动，固态梯度材料与铸模分离后，用取件钳将其取出铸模。优选的，所述推动装置为液压缸。
[0018]作为本实用新型的优选方案，所述铸模底部设有顶出孔和顶出部件，所述顶出孔与所述顶出部件通过螺纹连接，所述顶出部件位于铸模内设有覆盖部，所述覆盖部覆盖所述顶出孔。
[0019]本实用新型的制备梯度材料的装置，所述铸模底部设有顶出孔和顶出部件，顶出孔与顶出部件通过螺纹连接，旋转顶出部件，顶出部件随螺纹沿所述铸模的轴向移动；所述顶出部件位于铸模内设有覆盖部，所述覆盖部覆盖所述顶出孔，制备梯度材料，金属熔体不会由所述顶出孔溢出所述铸模；金属熔体冷却后，梯度材料以固态的形式留在铸模内并且与铸模连接；旋转顶出部件，推动固态的梯度材料沿铸模轴向移动，固态梯度材料与铸模分离后，用取件钳将其取出铸模，操作过程省时、省力。
[0020]作为本实用新型的优选方案，所述顶出孔位于铸模底面的中心。顶出孔位于铸模底面的中心，将固态梯度材料推出铸模时，梯度材料距离顶出孔相同距离的位置受力均匀，不会损坏梯度材料。
[0021]优选的，所述顶出部件的覆盖部覆盖所述铸模整个底部。所述覆盖部覆盖所述铸模整个底部，金属熔体不会从铸模底部溢出；梯度材料制备完成时，在铸模底部推动固态梯度材料，梯度材料底部受力均匀，梯度材料被推出铸模后不会发生损坏。
[0022]优选的，超声工具头的材料为钛金属或铌金属。在制备铸态大块梯度材料时，所述超声工具头浸入金属熔体中，金属熔体温度高，超声工具头的材料选择钛金属或铌金属，超声工具头浸入金属熔体时传递声能效率高，超声工具头不易被金属熔体腐蚀。
[0023]综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是:
[0024]1、本实用新型的制备梯度材料的装置，通过温度控制系统测量并控制铸模内的料浆温度，温度测量与控制同时进行，操作过程简单、自动化程度高。
[0025]2、本实用新型的制备梯度材料的装置，所述铸模底部设有顶板，所述顶板外设推动装置，所述推动装置推动所述顶板沿所述铸模轴向移动，采用外部装置将超声工具头的位置固定；推动所述顶板沿铸模轴向向上移动，能降低并除去梯度材料内部的缩孔缺陷，制备的梯度材料孔隙率低；同时，所述顶板推动固体梯度材料离开铸模，操作省时、省力。
[0026]3.本实用新型的制备梯度材料的装置，能快速制备增强相颗粒在金属基材中梯度分布连续性好的大尺寸梯度材料(梯度组织厚度在Icm以上)。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1是本实用新型实施例1的结构示意图；
[0028]图2为本实用新型实施例2的结构示意图；
[0029]图3为本实用新型实施例2的零部件图(顶出部件6)。
[0030]图中标记:1-超声发生装置，101-超声发生控制器，102-换能器，103-变幅杆，1031-变幅杆一，1032-变幅杆二，104-超声工具头，2-铸模，3-温度控制系统，301温度控制测量仪，302-热电偶，303-加热/冷却系统，4-顶板，5-推动装置(液压缸)，6-顶出部件，7-循环冷却水套。
【具体实施方式】
[0031 ] 下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。
[0032]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0033]实施例1
[0034]如图1所示，本实用新型制备铸态大块梯度材料的装置，包括超声发生装置1、铸模2、温度控制系统3、顶板4、液压缸5和循环冷却水套7 ；
[0035]所述超声发生装置I包括超声发生控制器101、换能器102、变幅杆103、超声工具头104，所述变幅杆103包括变幅杆一 1031和变幅杆二 1032，变幅杆一 1031和变幅杆二1032均呈圆柱形，所述变幅杆一 1031的直径小于变幅杆二 1032的直径；所述循环冷却水套7与变幅杆一 1031过盈连接，且与变幅杆二 1032上端面接触；所述超声工具头104的直径与所述铸模2的内径比为I;
[0036]所述温度控制系统3包括温度控制测量仪301、热电偶302和加热/冷却系统303，所述热电偶302与铸模2接触，所述温度控制测量仪301接受所述热电偶302的信号，测量所述铸模2内的料浆的温度，所述温度控制测量仪301控制所述加热/冷却系统303对所述铸模2内的料浆加热或冷却；
[0037]所述顶板4位于铸模2的底部，与铸模2共同盛装金属熔体，所述液压缸5推动所述顶板4沿所述铸模2的侧壁轴向移动。
[0038]利用本实施例制备梯度材料时，将熔融状态下的金属熔体浇入铸模2中，并向金属熔体中加入增强相颗粒；启动超声发生装置1，通过超声工具头104对铸模2内的金属熔体施加超声振动，通过超声发生控制器101调节超声波的功率和频率(功率大于100 W/cm2)，在增强相颗粒表面的金属熔体中形成空化效应，增强相颗粒被金属熔体润湿；同时会在金属熔体内形成强烈声流效应，增强相颗粒与金属熔体均匀混合，并出去金属熔体中的杂质和气泡；重新调节超声波的功率和频率(功率小于100 W/cm2)，在金属熔体和增强相颗粒中形成超声驻波场，在超声驻波的超声辐射力的作用下，增强相颗粒在金属熔体中产生定向迁移，最后在金属熔体中成梯度分布，对金属熔体和增强相颗粒冷却，冷却过程中通过外部装置将超声工具头104固定(超声工具头104位置不变)，液压缸5推动顶板4沿铸模2的侧壁轴向向上移动，金属熔体冷却的过程中，由液态变为固态，体积减小，熔体内部会产生缩孔，在顶板4和超声工具头104的挤压力作用下，金属熔体内部缩孔逐渐变小，甚至消失，金属熔体逐渐冷却，将超声工具头104与金属熔体分离，金属熔体完全冷却后，即制得固态梯度材料，固态梯度材料位于铸模2中，启动液压缸5，推动顶板4沿铸模2侧壁向上运动(铸模2固定)，固态梯度材料与铸模2分离，然后用取件钳取出与铸模2分离的固态梯度材料。
[0039]制备梯度材料的过程中，超声工具头104和变幅杆103为高熔点材料，受金属熔体的热作用不会损坏，当换能器102的温度超过其制作材料的居里温度，换能器102就会发生损坏。向循环冷却水套7中通冷却水，对变幅杆103降温，调节冷却水的温度、流量以及冷却水套与变幅杆103的接触面积，可以降低并控制变幅杆103的温度，减少变幅杆103的热量向换能器102的传递，防止换能器102因温度升高而损坏，可延长超声发生装置的连续工作时间。
[0040]上述制备过程中，金属熔体的温度监测和测量通过所述控制系统3来实现。所述温度控制测量仪301接收所述热电偶302的信号，测量铸模2中料浆的温度，当铸模2中的料浆温度高于生产所需温度时，通过所述温度控制测量仪301启动所述加热/冷却系统303的冷却系统对所述铸模2中料浆进行冷却，至生产所需温度；当铸模2中的料浆温度低于生产所需温度时，通过所述温度控制测量仪301启动所述加热/冷却系统302的加热系统对所述铸模2中料浆进行加热，至生产所需温度。通过所述温度控制系统3，可以测量并调节铸模2内的料浆的温度，并能使铸模2中的温度在特定的速度下进行升温和降温。
[0041]实施例2
[0042]如图2所示，本实用新型制备铸态大块梯度材料的装置，包括超声发生装置1、铸丰旲2、温度控制系统3、顶出部件6和循环冷却水套7 ；
[0043]所述超声发生装置I包括超声发生控制器101、换能器102、变幅杆103、超声工具头104 ;所述变幅杆103包括变幅杆一 1031和变幅杆二 1032，变幅杆一 1031和变幅杆二1032均呈圆柱形，所述变幅杆一 1031的直径小于变幅杆二 1032的直径；所述循环冷却水套7与变幅杆一 1031过盈连接，且与变幅杆二 1032上端面接触；所述超声工具头104的直径与所述铸模2的内径比为I;
[0044]所述温度控制系统3包括温度控制测量仪301、热电偶302和加热/冷却系统303，所述热电偶302与铸模2接触，所述温度控制测量仪301接受所述热电偶302的信号，测量所述铸模2内的料浆的温度，所述温度控制测量仪301控制所述加热/冷却系统303对所述铸模2内的料浆加热或冷却；
[0045]所述顶出部件6位于所述铸模2底部，与铸模2底部中心的顶出孔通过螺纹连接，所述顶出部件6位于铸模2内设有覆盖部，所述覆盖部覆盖铸模2整个底部。[0046]利用本实施例制备梯度材料时，温度控制系统3和循环冷却水套7的工作原理与实施例1相同。
[0047]将熔融状态下的金属熔体浇入铸模2中，并向金属熔体中加入增强相颗粒；启动超声发生装置I，通过超声工具头104对铸模2内的金属熔体施加超声振动，通过超声发生控制器101调节超声波的功率和频率(功率大于100 W/cm2)，增强相颗粒表面的金属熔体受空化效应作用，将增强相颗粒润湿；同时超声振动会在金属熔体内形成强烈声流效应，增强相颗粒与金属熔体均匀混合，并出去金属熔体中的杂质和气泡；重新调节超声波的功率和频率(功率小于100 W/cm2)，在金属熔体和增强相颗粒混合物中形成超声驻波场，在超声驻波的超声辐射力的作用下，增强相颗粒在金属熔体中产生定向迁移，最后在金属熔体终成梯度分布，对金属熔体和增强相颗粒冷却，冷却后即制得固态梯度材料，固态梯度材料位于铸模2中，用手旋转所述顶出部件6，顶出部件6沿铸模2底部的顶出孔内螺纹逐渐上升，顶出部件6位于铸模2内部的覆盖部推动固态梯度材料沿铸模2内壁上移，固态梯度材料与铸模2分离，然后用取件钳取出固态梯度材料。
[0048]以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.制备梯度材料的装置，包括超声发生装置和铸模，所述超声发生装置包括超声工具头，其特征在于:所述装置还包括温度控制系统，所述温度控制系统包括温度控制测量仪、热电偶和加热/冷却系统，所述热电偶与所述铸模接触，所述温度控制测量仪接收所述热电偶的信号，测量所述铸模内的料浆的温度；并控制所述加热/冷却系统对所述铸模内的料浆加热或冷却。
2.根据权利要求1所述的制备梯度材料的装置，其特征在于:所述超声发生装置还包括超声发生控制器、换能器和变幅杆；所述变幅杆上设有冷却系统。
3.根据权利要求2所述的制备梯度材料的装置，其特征在于:所述冷却系统为内有冷却水流动的循环冷却水套，所述循环冷却水套与变幅杆过盈连接。
4.根据权利要求3所述的制备梯度材料的装置，其特征在于:所述变幅杆包括变幅杆一和变幅杆二，所述变幅杆一和所述变幅杆二呈圆柱形，且变幅杆一的直径小于变幅杆二的直径，所述循环冷却水套与变幅杆一过盈连接，且与变幅杆二上端面接触。
5.根据权利要求1或2所述的制备梯度材料的装置，其特征在于:所述超声工具头的直径与所述铸模的内径之比为0.5?I。
6.根据权利要求5所述的制备梯度材料的装置，其特征在于:所述超声工具头的直径与所述铸模的内径之比为I。
7.根据权利要求6所述的制备梯度材料的装置，其特征在于:所述铸模底部设有顶板，所述顶板外设推动装置，所述推动装置推动所述顶板沿所述铸模轴向移动。
8.根据权利要求7所述的制备梯度材料的装置，其特征在于:所述推动装置为液压缸。
9.根据权利要求1或2所述的制备梯度材料的装置，其特征在于:所述铸模底部设有顶出孔和顶出部件，所述顶出孔与所述顶出部件通过螺纹连接，所述顶出部件位于铸模内设有覆盖部，所述覆盖部覆盖所述顶出孔。
10.根据权利要求9所述的制备梯度材料的装置，其特征在于:所述顶出孔位于铸模底面的中心，所述覆盖部覆盖所述铸模整个底部。
【文档编号】B22D2/00GK203526525SQ201320664238
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年10月25日 优先权日:2013年10月25日
【发明者】赵君文, 张鲲, 戴光泽, 李微, 罗庆来, 韩靖 申请人:西南交通大学