制备铝基复合材料用半连续铸造装置的制作方法

本发明涉及一种制备铝基复合材料用半连续铸造装置，属于铝基复合材料制备技术领域。

背景技术：

铝基复合材料主要以纯铝或铝合金为基体，通过添加颗粒、纤维或晶须等物质以达到改善合金基体组织、提高材料性能的目的，常用的增强体有SiC、Al₂O₃、石墨烯和碳纳米管等。铝基复合材料主要制备方法有粉末冶金法、无压浸渗法、原位合成法和搅拌铸造法等。粉末冶金法是将增强体与金属粉均匀搅拌混合，然后进行球磨、干燥、压实和烧结等，但该方法生产成本高，且球磨过程中易造成增强体结构的破坏，降低了复合材料的性能。无压浸渗法是将不同比例混合均匀的粉体压制成预制件，然后在毛细管力作用下将熔融金属液渗入预制件，与其它复合工艺相比，无压渗透具有工艺简单、对设备的要求低、所制备的材料致密度高、可以近终成型等优点，但生产效率低，不利于批量生产。原位复合技术作为一种新的复合技术，主要是采用适当的工艺方法在金属基底上达到一种化学或者非化学的反应制备出增强相，技术生产成本高，不利于生产大尺寸构件。搅拌铸造法是在熔炼/保温炉内的熔融液态金属中加入增强体，通过搅拌使得增强体分散于熔体中，长时间搅拌使得熔体中混杂较多的氧化膜，在转注过程中停止搅拌时熔体中的增强体易上浮，并且为了便于施加搅拌装置炉体容量往往较小，不适合大规模连续生产。

铝合金半连续铸造法生产锭坯效率高、成本低，若能实现增强体在线添加，就能够实现铝基复合材料的大规模连续生产，大大提高铝基复合材料的生产效率、降低生产成本，近几年受到越来越多的科研人员的关注。专利CN201510695932.7采用在熔炼/保温炉与铸造平台之间设置中间包，在中间包中定量添加含有CNTs的杆或箔，施加电磁和超声搅拌获得含有CNTs增强体的铝熔体，经流槽进入结晶器内铸造出铝基复合材料；该方法中半连续铸造过程中增强体在铝熔体存在上浮的可能，增强体在熔体中的添加比例准确控制难度高。因此若在结晶器内在线均匀添加增强体到铝合金熔体中，随后紧接着半连续铸造，就能够得到铝基复合材料铸锭。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了实现在半连铸铸造过程中，于铝合金熔体的凝固前沿附近设置搅拌装置，便于连续定量添加增强体粉料和保护气体到凝固前沿附近，从而获得铝基复合材料铸锭，而提供一种制备铝基复合材料的半连续铸造装置。

本发明的技术解决方案是：一种制备铝基复合材料用半连续铸造装置，包括熔炼保温炉、搅拌装置、保温装置、结晶器、送料装置、送气装置、旋转驱动装置、连接机构以及流槽，所述熔炼保温炉上设有熔体出口，所述保温装置内设有通道，所述熔体出口和流槽的入口相连通，所述流槽的出口和保温装置的通道入口相连通，所述保温装置的通道出口和结晶器的入口相连通，所述保温装置上设有通孔，该通孔与结晶器入口相连通，所述搅拌装置插入该通孔中；搅拌装置呈中空状，所述旋转驱动装置与搅拌装置相连接，带动所述搅拌装置发生转动，所述送料装置和送气装置均与所述连接机构相连通，所述连接机构和搅拌装置相连通。

进一步地，上述制备铝基复合材料用半连续铸造装置，其中：所述连接机构包括回转接头和第二轴联器，所述回转接头的下端与第二联轴器上端相连通。

进一步地，上述制备铝基复合材料用半连续铸造装置，其中：所述送料装置包括第一电机、第一联轴器、密封垫、轴压板、加料斗、料筒、送料螺杆和转料管，所述加料斗安装于料筒上方，所述送料螺杆安装于料筒内，所述送料螺杆的其中一端位于所述料筒内，所述送料螺杆的的另外一端与第一电机相连接，所述转料管的其中一端与料筒相连通，所述转料管的另一端与所述回转接头相连通。

进一步地，上述制备铝基复合材料用半连续铸造装置，其中：所述送气装置包括进气管、可调流量计和快速接头，所述快速接头的一端与定压供气源相连通，所述快速接头的另一端与可调流量计的其中一端相连通，所述可调流量计的另一端和进气管的其中一端相连通，所述进气管的另一端与所述回转接头相连通。

更进一步地，上述制备铝基复合材料用半连续铸造装置，其中：所述旋转驱动装置包括第一皮带轮、第一联接轴、皮带、第二皮带轮、第二联接轴和第二电机，所述第一皮带轮安装于第一联接轴上，所述第二皮带轮安装于第二联接轴上，所述第二电机与第二联接轴相连接，所述第一皮带轮和第二皮带轮通过皮带连接，所述第一联接轴上端与所述第二联轴器下端相连通，且所述第一联接轴下端与搅拌装置相连通。

更进一步地，上述制备铝基复合材料用半连续铸造装置，其中：所述搅拌装置包括搅拌叶和旋转轴，所述搅拌叶安装于旋转轴下方，所述旋转轴呈中空状且上下两端均设有开口，所述第一联接轴的下端与旋转轴上端开口相连通。

更进一步地，上述制备铝基复合材料用半连续铸造装置，其中：所述保温装置包括上保温板镶块，上保温板和下保温板，所述下保温板安装于结晶器上方，所述保温装置的通道出口设置于下保温板上，所述上保温板位于下保温板上方，所述上保温板与下保温板之间具有空隙形成所述保温装置的通道，所述上保温板上设有用于供搅拌装置穿过的U型槽，所述上保温板的U型槽的槽口朝向流槽的出口，所述搅拌装置贯穿上保温板的U型槽和保温装置的通道出口，所述上保温板镶块镶嵌于上保温板的U型槽内并与上保温板的U型槽相配合，从而减少搅拌叶上方外漏液面，降低氧化膜卷入风险。

再进一步地，上述制备铝基复合材料用半连续铸造装置，其中：所述上保温板和下保温板之间设有一中保温板，该中保温板上设有用于供搅拌装置穿过的U型槽，所述中保温板上的U型槽的槽口朝向所述流槽的出口。

再进一步地，上述制备铝基复合材料用半连续铸造装置，其中：另设有一压板，该压板覆盖于上保温板和上保温板镶块的上方，且所述压板上也设有一用于供搅拌装置穿过的U型槽，所述压板上的U型槽的槽口朝向流槽的出口。

再进一步地，上述制备铝基复合材料用半连续铸造装置，其中：所述搅拌装置的搅拌叶位于所述保温装置的通道出口内。

本发明突出的实质性特点和显著的技术进步主要体现在：

（1）结晶器内腔设置了中空搅拌装置，搅拌装置底部为添加增强体的通道出口，实现了在铝合金熔体凝固前沿附近添加增强体，同时搅拌叶的高速旋转剪切能快速将增强体分散均匀。凝固前沿附近添加增强体能够大大减少增强体在熔体中上浮。

（2）结晶器组件中的保温装置结构独特设计，位于结晶器本体上方的保温装置与结晶器本体构成一个半封闭内腔，保温装置边部开孔与外部流槽出口对接，熔体液流通过该孔进入结晶器内，保温装置顶部开孔用于安装搅拌装置，开孔大小略大于搅拌装置的旋转轴直径，半连续铸造过程中流槽内熔体液面高于上述保温装置边部开孔，搅拌叶上方熔体与外界接触面积非常小，能够大大减轻搅拌过程中卷入氧化膜等缺陷。

（3）设计采用双向流通内管固定式回转接头连接送料装置、送气装置和搅拌装置，实现了将增强体料和载流保护气体一起送到中空旋转轴内的通道中，同时搅拌装置能够高速旋转，设计极为巧妙。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1是制备铝基复合材料用半连续铸造装置示意图；

图2是制备铝基复合材料用半连续铸造装置具体示意图；

图3是是保温装置示意图。

图中，各附图标记的含义为：图中，各附图标记的含义为：1—第一电机，2—第一联轴器，3—密封垫，4—轴压板，5—加料斗，6—料筒，7—送料螺杆，8—第一轴承，9—转料管，10—进气管，11—可调流量计，12—快速接头，13—回转接头，14—第二联轴器，15—第二轴承，16—第一皮带轮，17—第一联接轴，18—皮带，19—第二皮带轮，20—第二联接轴，21—第二电机，22—旋转轴，23—搅拌叶，24—压板，25—上保温板镶块，26—上保温板，27—中保温板，28—下保温板，29—结晶器本体，30—结晶器下板，31—结晶器内衬，32—流槽，33—铝熔体，34—液位水平线，35—气粉混合体，36—液相线，37—固液两相区，38—固相线，39—复合材料锭，40—引锭头，41—熔炼保温炉。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详述，以使本发明技术方案更易于理解和掌握。

如图1所示吗，本发明制备铝基复合材料用半连续铸造装置，包括熔炼保温炉41、搅拌装置、保温装置、结晶器、送料装置、送气装置、旋转驱动装置、连接机构以及流槽32，熔炼保温炉41的其中一侧侧壁的底部设有熔体出口，为了方便控制熔体流量，熔体出口处设有控流阀。保温装置内设有通道，该通道入口位于保温装置前侧，通道出口位于保温装置下侧，结晶器安装于保温装置下方，熔体出口和流槽32的入口相连通，所述流槽32的出口和保温装置的通道入口相连通，保温装置的通道出口和结晶器的入口相连通。保温装置上还设有一通孔，该通孔与结晶器入口相连通，所述搅拌装置插入该通孔中。搅拌装置呈中空状，其上下两端均设有开口，所述旋转驱动装置与搅拌装置相连接，所述送料装置和送气装置均与连接机构相连通，连接机构和搅拌装置相连通。

如图1和图2所示，送料装置包括第一电机1、第一联轴器2、密封垫3、轴压板24、加料斗5、料筒6、送料螺杆7、第一轴承8和转料管9，加料斗5安装于料筒6上方，送料螺杆7安装于料筒6内，送料螺杆7的内端位于料筒6内且靠近料筒6底部位置，且送料螺杆7的外端与第一轴承8相连接，送料螺杆7外端通过第一联轴器2和第一电机1相连。转料管9安装于料筒6底部，转料管9一端与料筒6相连通，转料管9另一端与后述的连接机构的回转接头13相连通。为了保证正常送料，送料螺杆7外端与料筒6端部之间设有密封垫3，密封垫3外周设有轴压板24。第一电机1转动从而驱动送料螺杆7在料筒6内转动，通过加料斗5不断添加增强体粉料，利用送料螺杆7的转动将加强体粉料向前输送到转料管9中，转动速度根据工艺要求所需送料量多少无极调速。第一电机1优选为变频电机。

如图1和图2所示，送气装置包括进气管10、可调流量计11和快速接头12，快速接头12的一端连接到定压供气源，快速接头12的另一端与可调流量计11的一端相连通，可调流量计11的另一端和进气管10的一端相连通，进气管10的另一端与后述连接机构的回转接头13相连通，回转接头13和搅拌装置相连通。实际操作过程中可根据工艺要求所需气量通过可调流量计11调节气体流量大小。

如图1和图2所示，旋转驱动装置包括第二轴承15、第一皮带轮16、第一联接轴17、皮带18、第二皮带轮19、第二联接轴20和第二电机21，第一皮带轮16安装于第一联接轴17上，第一联接轴17上下两边安装有第二轴承15，第二皮带轮19安装于第二联接轴20上，第二联接轴20上下两边安装有第二轴承15，第二电机21的机头与第二联接轴20相连接，第一皮带轮16和第二皮带轮19通过皮带18连接。第一联接轴17与后述连接机构的第二联轴器14的下端相连。

如图1所示，搅拌装置包括旋转轴22和搅拌叶23，旋转轴22和搅拌叶23为高纯石墨材质；搅拌叶23通过螺纹连接安装于旋转轴22下方，旋转轴22呈中空状且上下两端均设有开口。旋转轴22上端通过螺纹连接到旋转机构的第一联接轴17下端，使得第一联接轴17和旋转轴22上端开口相连通。

如图1和图2所示，连接机构包括回转接头13和第二联轴器14，回转接头13的下端法兰面连接至第二联轴器14上端，回转接头13为双向流通内管固定式，上部双向流通端口分别连接送料装置的转料管9和送气装置的进气管10，第二联轴器14下端于旋转驱动装置的第一联接轴17上端相连通，第一联接轴17下端连接搅拌装置的旋转轴22上端的开口相连接，以上所有零件均呈中空状，各个零件的内部中空部分作为气粉添加通道，实现了加料与搅拌一体化。送料装置、送气装置、旋转驱动装置和搅拌装置通过外部支架（图中未标注）联接成一个整体。第二电机21优选为伺服电机，可根据工艺要求所需转速无极调速。第二电机21转动，从而带动第二联接轴20转动，使得第二皮带轮19转动，第二皮带轮19转动通过皮带18带动第一皮带轮16转动，使得第一联接器17转动，从而带动旋转轴23转动。

如图1和图3所示，保温装置包括压板24、上保温板镶块25，上保温板26，中保温板27和下保温28，下保温板28上设有开口，该开口即为保温装置的通道出口，所述搅拌装置的搅拌叶23容纳于该下保温板28的开口内，合金熔体也经该开口流入结晶器内，上保温板26位于下保温板28上方，上保温板27与下保温板28之间具有空隙形成所述保温装置通道，上保温板26上设有一用于供搅拌装置穿过的U型槽，该U型槽的槽口朝向流槽32的出口。中保温板27夹于上保温板26和下保温板28之间，且中保温板27上也设有一用于供搅拌装置穿过的U型槽，该U型槽的槽口朝向流槽32的出口。上保温板镶块25镶嵌于上保温板26的U型槽内，上保温板镶块25的其中一自由端，设有与搅拌装置旋转轴22相配合的缺口，该缺口和上保温板26的U型槽相配合，从而夹紧旋转轴22，使得搅拌装置固定。压板24覆盖于上保温板26和上保温板镶块25的上方，且压板24上也设有一用于供搅拌装置穿过的U型槽，该U型槽的槽口朝向流槽32的出口。上保温板镶块25和上保温板26分体设计从而方便了搅拌装置的安装，搅拌装置安装过程如下：首先固定位于保温装置以下部分的结晶器，然后将下保温板28放置于结晶器本体29上，接着将搅拌装置插入下保温板28的开口内，使得搅拌装置的搅拌叶23限位于该下保温板28的开口内，再将中保温板27放置到下保温板28上，之后将上保温板26和上保温板镶块25依次放置到中保温板27上，使得搅拌装置固定，最后将压板24盖于上保温板26和上保温板镶块25上，使得保温装置与结晶器本体构成一个半封闭内腔。

如图1所示，结晶器包括结晶器本体29、结晶器下板30，结晶器内衬11和引锭头40，结晶器下板30安装于结晶器本体29外边缘的下方，结晶器内衬镶嵌于结晶器本体9内圈，引锭头40安装于结晶器本体29内腔的底部。

结合图1和图2以制备碳纳米管增强铝基复合材料为例对本发明应用作进一步阐述：

（1）添加适量的镀铜处理后的CNTs粉末到加料斗5中，将送气装置的快速接头12连接到外部的氮气供应装置；

（2）将铝合金在熔炼保温炉41内熔化精炼并保温，熔炼保温熔体温度控制在730-760℃，获得铝熔体33；

（3）将结晶器安装到铸造平台上，使得结晶器保温装置与流槽32衔接无缝，将结晶器上方的送料装置、送气装置、旋转驱动装置和搅拌装置整体放置到结晶器内合适位置。工装准备就绪后放流铝熔体，并控制铝熔体33流量使得流槽32内；铝熔体33的液位线水平34高于保温帽入流口；

（4）开启送料装置的第一电机1和旋转驱动装置的第二电机21，并设定送气装置的气体流量。

（5）放流后定量的CNTs粉末和定量的氮气输送到旋转轴22的空腔中，形成气粉混合体35，同时旋转轴22高速旋转带动搅拌叶23高速搅拌，气粉混合体35经旋转轴22下端开口进入铝熔体33中，经搅拌叶23高速剪切，迅速分散到保温腔内的铝熔体33中；在此之前结晶器中冷却水不断由结晶器出水口喷射到引锭头39四周，对于φ178mm圆锭，铸造速度为65~130mm/min，冷却水量3~6m3/h；CNTs分散熔体在结晶器内结晶形成液穴，将熔体分成液相区，固液两相区36，固液两相区36与固体铸锭38的分界线为凝固前沿线37；随着引锭头39不断下移，CNTs分散熔体在保温腔中源源不断被结晶器内衬31冷却，形成凝壳移出结晶器本体29，被结晶器喷出的冷却水强烈冷却，形成复合材料铸锭38。

进一步地，上述的碳纳米管增强铝基复合材料的制备方法，步骤（4）中的CNTs添加量为待增强改性的铝合金基体重量的0.5~2.0%，氮气流量为1~4L/min；步骤（5）中气粉混合体添加处为凝固前沿线附近，熔体温度为液相线温度±10℃左右；步骤（5）中的搅拌叶23位于合金熔体的凝固前沿以上0~100mm，转速为500~2000转/分，高速的搅拌剪切可以在极短时间内显著改善微细颗粒与熔体的润湿性。

这里需要说明的是，上述实施例仅以碳纳米管增强铝基复合材料为例，因此添加CNTs粉末，实际使用本发明时，可根据需要添加相应的增强体粉末，如SiC、Al₂O₃、石墨烯等。

通过以上描述可以看出，本发明制备铝基复合材料的半连续铸造装置，实现了在结晶器内的铝熔体凝固前沿附近添加增强体气粉混合体，凝固前沿附近铝熔体温度低、甚至半固态状态，粘度大能增大增强体粉体上浮阻力，并且熔体很快就结晶凝固，增强体粉体在铝熔体中停留时间短，增强体粉体收得率高；实现了定量的粉体和气体在搅拌装置内部通道内预混合，有利于增强体粉体自身的分散均匀，同时增强体粉体出口在搅拌装置底部，紧邻高速旋转的搅拌叶，搅拌叶的高速剪切能够将增强体粉体在熔体中很快分散；本发明装置通过控制半连续铸造过程中流槽内熔体液面高度高于保温装置入口，铸造过程中搅拌叶上方熔体与外界接触面积非常小，能够大大减轻搅拌过程中卷入氧化膜等缺陷。

当然，以上只是本发明的典型实例，除此之外，本发明还可以有其它多种具体实施方式，凡采用等同替换或等效变形形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。