用于制备铝基复合材料的熔炼装置的制作方法

本发明涉及材料成形领域，具体涉及一种用于制备铝基复合材料的熔炼装置。

背景技术：

颗粒增强铝基复合材料具有高比强度和比刚度、耐磨性能优良、低热膨胀系数、低密度、良好的尺寸稳定性和导热性等优异的力学性能，可广泛应用于航天航空、军事、汽车、电子、体育运动等领域。

颗粒增强铝基复合材料的制备方法主要包括粉末冶金法、压力浸渗法、喷射沉积法和搅拌铸造法。相比于其它方法，机械搅拌铸造法具有设备、工艺简单，操作方便，成本低等优点，是大规模生产的最有效的方法。

但是现有的通过机械搅拌铸造法制备颗粒增强铝基复合材料过程中，由于增强颗粒的比表能较大，极易团聚，且与铝基体的润湿性较差等原因，导致微小颗粒增强体难以在铝基体中均匀分布，容易产生严重的应力集中现象，影响了颗粒增强铝基复合材料的力学性能和物理性能，从而使其应用范围受到较大限制。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于制备铝基复合材料的熔炼装置，解决了现有技术的熔炼过程中增强颗粒难以在铝基体中均匀分布的技术问题以及提高生产效率。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种用于铝基复合材料的熔炼装置，包括：

坩埚，所述坩埚的上端部设有盖板，所述坩埚侧部设有与抽真空设备连接的抽真空口；

加料装置，所述加料装置包括第一投料斗和第二投料斗，所述第一投料斗和第二投料斗的底端与所述坩埚的内部空腔连通，其中第一投料斗为投放基体铝的料斗，所述第二投料斗为投放增强颗粒的料斗；

搅拌装置，所述搅拌装置能够对所述坩埚中的材料进行搅拌；

加热系统，所述加热系统对坩埚进行加热；

其中，所述坩埚内部空腔还设置了导流隔离套，所述导流隔离套沿着周向设置在所述搅拌装置的外部，且所述导流隔离套的上下两端设为开口；所述导流隔离套侧壁设有导流孔。

优选的，所述坩埚的底部设有排放孔。

优选的，所述排放孔设置在所述坩埚底部的中心位置，所述坩埚底部以排放孔为中心环向设有椭圆弧形凹底结构。

优选的，所述搅拌装置包括：

搅拌轴，所述搅拌轴位于所述坩埚的中心位置，所述搅拌轴的外侧壁设有搅拌桨叶；

驱动电机，所述驱动电机驱动所述搅拌轴转动。

优选的，所述搅拌轴沿着长度方向在外侧壁设有3～5层搅拌桨叶组，所述搅拌桨叶组包括3个搅拌桨叶，搅拌桨叶之间的夹角为120°，搅拌桨叶与水平的夹角为30°。

优选的，所述加热系统包括加热体，所述加热体分布在所述坩埚的外侧部。

优选的，所述坩埚侧部上端位置设有高点排渣口。

优选的，所述加热体的外部设有保温层。

优选的，所述第一投料斗和第二投料斗的上端均可拆卸设有密封盖，且所述第一投料斗和第二投料斗的侧壁上端部分均设置有第一进气口。

优选的，所述盖板上设置有第二进气口。

(三)有益效果

本发明提供了一种铝基复合材料的熔炼装置及熔炼方法。与现有技术相比，具备以下有益效果：

1、本发明的熔炼装置，在内部设置了导流隔离套，在搅拌装置的带动下，基体铝材从在导流隔离套外层环隙加入，待熔解后，启动搅拌桨，形成内部循环，铝液与增强粉体颗粒形成埋入式+搅拌剪切式+湍流交错式的多形态混合模式，达到了更好的混合效果。采用了隔离导流套，促成了熔、炼一体化，达到了熔炼分离的净化除杂的效果，启动搅拌浆循环后，氧化物等浮渣被导流隔离套截留在环隙外侧，然后通过排渣孔排除。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例用于制备铝基复合材料的熔炼装置的整体结构剖视图；

图2为图1的a-a剖视图；

图3为本发明实施例的坩埚结构剖视图；

图4为本发明实施例的搅拌装置的整体结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由于增强颗粒的比表能较大，极易团聚，且与铝基体的润湿性较差等原因，导致增强颗粒难以在铝基体中均匀分布，容易产生严重的应力集中现象，影响了增强铝基复合材料的力学性能和物理性能，从而使其应用范围受到较大限制。

熔炼是制备增强铝基复合材料的重要步骤，在搅拌熔炼过程中可能会导致铸件产生一系列的缺陷，如气孔、夹杂和氧化等。因此，如何提高增强颗粒均匀分散度和熔炼质量，以及降低气孔率一直都是微纳米颗粒增强铝基复合材料在实际生产中需要思考的问题。如果熔炼工艺得不到提升，微纳米颗粒增强铝基复合材料的性能将会受到限制。

并且现有的搅拌铸造法，设备结构不紧凑，连续化生产程度低，从而降低了生产效率。

为了解决上述问题本发明实施例提供了一种用于制备铝基复合材料的熔炼装置，如图1～4所示，包括：

坩埚100，所述坩埚100的上端部设有盖板103，具体实施过程中盖板103上设置有螺栓孔1031，利用螺栓贯穿所述螺栓孔1031将盖板103设置在坩埚100的上端部；所述坩埚100侧部设有与抽真空设备连接的抽真空口105；具体实施过程中抽真空口105与抽真空设备连接后对坩埚100的内部空腔进行抽真空；

加料装置，所述加料装置包括第一投料斗300和第二投料斗400，所述第一投料斗300和第二投料斗400的底端与所述坩埚100的内部空腔连通，其中第一投料斗300为投放基体铝的料斗，所述第二投料斗400为投放增强颗粒的料斗；

具体实施过程中，所述第二投料斗400的下端位置还可以设有电磁脉冲阀401，所述第二投料斗400的底端在坩埚100内还可以设有螺旋喷嘴402；其中第一投料斗300为投放基体铝的料斗，所述第二投料斗400为投放增强颗粒的料斗；具体实施过程中为了方便物料的投放，将第一投料斗300和第二投料斗400设置在盖板103上，并在盖板103上设置有第一通孔303和第二通孔403，所述第一投料斗300底端贯穿所述第一通孔303与所述坩埚100的内部空腔连同，所述第二投料斗400的底端贯穿所述第二通孔403与所述坩埚100的内部空腔连同。其中为了方便对第一投料斗300中基体铝材料投放的控制，在第一投料斗300的下端设置有第一料斗阀门301，来控制物料的投放速度和关启投放。

搅拌装置，所述搅拌装置能够对所述坩埚100中的材料进行搅拌；

加热系统，所述加热系统对坩埚100进行加热；

其中，所述坩埚100内部空腔还设置了导流隔离套500，所述导流隔离套500沿着周向设置在所述搅拌装置的外部，且所述导流隔离套500的上下两端设为开口；所述导流隔离套500侧壁设有导流孔501。

具体实施过程时通过支架与导流隔离套500的底部连接将导流隔离套500固定在坩埚100内部，搅拌装置位于上下开口的圆筒形导流隔离套500，并且由于所述导流隔离套500侧壁设有导流孔501。

上述实施例在具体过程中，将基体铝材放入料斗中，然后通过第一料斗阀门301控制，将基体铝材直接加入到坩埚100中升温熔解，温度控制在根据实际加入的金属熔融温度来定，一般控制过热50～100℃。升温过程要慢，分两到三个阶段进行。如，具体实施过程中可以为，第一阶段从0℃逐渐升温到300℃进行保温处理，第二阶段从300℃逐渐升温到500℃进行保温处理，第三阶段升温到过热温度，维持温度平稳。

待铝液完全熔解后，启动搅拌装置，将坩埚100温度升至过热50～100℃左右，同时开启抽真空设备对坩埚100进行抽真空，熔解后的铝液通过搅拌装置的搅拌，维持温度过热50～100℃不变。将浸润处理过的增强颗粒加入到第二投料斗400；启动搅拌装置，所述坩埚100的铝液和增强颗粒经过导流隔离套500的下开口以及导流孔501形成循环，铝液与增强颗粒形成埋入式+搅拌剪切式+湍流交错式的多形态混合模式，达到了更好的混合效果。

如果设置了电磁脉冲阀和螺旋喷嘴，则可以通过电磁脉冲阀401，间歇投加增强颗粒，投放过程中螺旋喷嘴402将增强颗粒喷射至铝液中。增强颗粒的投加方式采用了电磁脉冲阀控制间歇投加与螺旋喷嘴复合作用，达到了少量、多次，更有利于颗粒的均匀分布和混合，减少粉体颗粒团聚现象。

具体实施过程中，所述坩埚100的底部设有排放孔104，同时在坩埚100的侧部还设置了排放孔阀门107，控制排放孔104的关启。上述熔炼分散完成之后打开排放孔104，将熔液排出进行下一步操作，如铸造、挤压、浇铸成型等。通过该排放孔104结构，配合加料斗，能够达到连续化生产的目的，从而提高了生产效率。

坩埚100的底部设有排放孔104结构，配合加料斗，能够达到连续化生产的目的，从而提高了生产效率。

具体实施过程中，为了增加铝液与增强颗粒内循环的效果，如图3所示，所述排放孔104设置在所述坩埚100底部的中心位置，所述坩埚100底部以排放孔104为中心环向设有椭圆弧形凹底结构108。以排放孔104为基准在四周设置有椭圆弧凹陷结构108，该椭圆弧凹陷结构108以排放孔104和坩埚100的侧壁为高点，向坩埚100的下端凹陷。即该排放孔104向坩埚100内部凸起，排放孔104为中心四周凹陷的圆弧曲面干锅底部结构。

此椭圆弧凹陷结构108一方面能够由于铝液与增强颗粒循环，促进循环流动，与导流隔离套500配合，形成无死角流动循环，有利于均匀混合，充分实现均匀混合；

另一方面循环流动过程金属渣在重力作用下会下落到椭圆弧凹陷结构108的底部，可以将最后剩余残渣沉积在底部，起到沉降杂质的作用，不至于污染后续铸压工序的型材产品，从而不影响铝液与增强颗粒混合。

具体实施时，如图4所示，所述搅拌装置包括：

搅拌轴200，所述搅拌轴200位于所述坩埚100的中心位置，所述搅拌轴200的外侧壁设有搅拌桨叶202；

驱动电机201，所述驱动电机201驱动所述搅拌轴200转动。

为了使得结构更加紧凑将驱动电机201设置在盖板103上，并在盖板103上设置有转轴孔202，该盖板103外部设有冷却密封套，搅拌轴200的一端部与驱动电机201连接，另一端部贯穿所述转轴孔202延伸至坩埚100内部。

此外在具体实施中，也可以利用其他的搅拌装置，如磁力搅拌。

具体实施时，所述搅拌轴200沿着长度方向在外侧壁设有3～5层搅拌桨叶组，所述搅拌桨叶组包括3个搅拌桨叶202，搅拌桨叶202与搅拌桨叶202之间的夹角为120°，搅拌桨叶202与水平的夹角为30°。通过上述结构配合导流隔离套500，促进了铝液与增强颗粒循环，

提高搅拌混匀效果的同时，避免或降低在高速旋转中产生较大的漩涡，减少带入熔液内的气体含量，降低气孔率。

具体实施过程中，所述坩埚100的外侧部设置有加热体101。具体实施时，加热体101均匀分布在坩埚100的外侧部，加热更加均匀。为了实现保温效果，所述加热体101的外部设有保温层102。

具体实施时，所述坩埚100侧部上端位置设有高点排渣口106。打开高点排渣孔106封盖再进行排渣，通过重力引流的方式将浮渣排至渣桶。为了方便操作，将排渣口设置为卡扣式端面封盖。

该高点排渣口106在高于导流隔离套500上导流孔501的位置，有利于对浮渣的拦截在导流隔离套500的外侧环隙，同时又有利于高点排渣口106对渣液的排放；位置过高或过低都不能实现对浮渣的有效拦截隔离。

具体实施过程中，所述第一投料斗300和第二投料斗400的上端均可拆卸设有密封盖601，且所述第一投料斗300和第二投料斗400的侧壁上端部分均设置有第一进气口600。在具体实施时，通过第一进气口600向料斗中通惰性气体，并保持微正压状态。

具体实施过程中，所述盖板103上设置有第二进气口1033。

上述实施例第一进气口600和第二进气口1033均是为了通惰性气体，惰性气体的作用一方面是为了排出第一投料斗300、第二投料斗400、坩埚100内部以及物料中的空气，其次结合抽真空在坩埚100内形成真空和负压从而降低了物料在混合中出现气孔的概率。

具体实施过程中，在所述盖板103上还设置有窥视孔1032，便于实时观测坩埚100内的情况。

为了进一步说明本实施例的提供的熔炼装置，通过上述熔炼装置制备复合材料，选取传统的熔炼设备作为对比例：

实施例1：

s1:通过第一投料斗300将基体铝投放至坩埚100内部的空腔中；

s2:打开加热系统，对坩埚100进行加热，溶解基体铝；

s3:待基体铝完全熔解后，启动搅拌装置，初始搅拌速率为300r/min，后在800r/min继续搅拌；

s4:将坩埚100温度升至过热50℃左右，对于坩埚100内部的空腔进行抽真空；所述抽真空过程中继续搅拌

s5:熔解后的铝液通过搅拌，进行内部循环，维持温度过热50℃不变；维持时间为1h。

s6:打开第二投料斗400，将增强颗粒间歇的喷射投放至铝液中，继续搅拌；

s7:合金熔液混合均匀后，通入惰气，关闭搅拌装置和真空泵，打开排放孔104，将熔液排出。

实施例2：

s1:通过第一投料斗300将基体铝投放至坩埚100内部的空腔中；

s2:打开加热系统，对坩埚100进行加热，溶解基体铝；

s3:待基体铝完全熔解后，启动搅拌装置，初始搅拌速率为400r/min，后在900r/min继续搅拌；

s4:将坩埚100温度升至过热100℃左右，对于坩埚100内部的空腔进行抽真空；所述抽真空过程中继续搅拌

s5:熔解后的铝液通过搅拌，进行内部循环，维持温度过热100℃不变；维持时间为1.5h。

s6:打开第二投料斗400将增强颗粒间歇的喷射投放至铝液中，继续搅拌；

s7:合金熔液混合均匀后，通入惰气，关闭搅拌装置和真空泵，打开排放孔104，将熔液排出。

实施例3：

s1:通过第一投料斗300将基体铝投放至坩埚100内部的空腔中；

s2:打开加热系统，对坩埚100进行加热，溶解基体铝；

s3:待基体铝完全熔解后，启动搅拌装置，初始搅拌速率为350r/min，后在850r/min继续搅拌；

s4:将坩埚100温度升至过热70℃左右，对于坩埚100内部的空腔进行抽真空；所述抽真空过程中继续搅拌

s5:熔解后的铝液通过搅拌，进行内部循环，维持温度过热80℃不变；维持时间为1.2h。

s6:打开第二投料斗400将增强颗粒间歇的喷射投放至铝液中，继续搅拌；

s7:合金熔液混合均匀后，关闭投料电磁阀，通入惰气。关闭搅拌装置和真空泵，打开排放孔104，将熔液排出。

选取了传统的熔炼设备作为对比例，并对上述实施例1～3以及对比例制备的复合铝材料的机械性能进行检查，具体的检测方法为：

慢速率拉伸试验主要参照gb/t15970.7-2000《金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第7部分：慢应变速率试验》、hb7235-1995《慢应变速率应力腐蚀试验方法》、gb/t15970.1-1995《金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第1部分试验方法总则》等标准执行。取样时，样品的长度方向沿原料的挤压方向，宽度方向垂直于原料的挤压方向，厚度为板材的原始厚度。加工好的试样需经过320#、800#、1000#、1500#、2000#砂纸打磨光滑，保证试样表面无机加工痕迹和明显划痕，用酒精清洗试样表面待用。腐蚀介质采用室温25℃的3.5％nacl溶液，惰性介质选用硅油，应变速率为10^-6s^-1。

恒载荷拉伸应力腐蚀试验主要参照hb5254-1983《变形铝合金拉伸应力腐蚀实验方法》进行，采用与慢应变速率拉伸相同规格的试样。

检测结果如下表所示：

通过上述数据能够得到，本发明实施1～3制备的复合材料在抗拉强度、延伸率、断裂时长较对比例都表现出显著的优势。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。