一种用于制备金属基复合材料的连续铸造方法及其装置与流程

本发明涉及金属基复合材料的制备领域，尤其是涉及一种对金属基复合材料浆液进行连续铸造的铸造方法与铸造装置。

背景技术：

金属基复合材料以铝、镁、铁等金属或合金作为基体，通过添加颗粒、晶须、纤维等增强相，来达到设计材料组织成分、改善材料性能的目的，常见的增强相以陶瓷相颗粒为主，例如sic、al2o3等。金属基复合材料的制备方法有粉末冶金法、压力/无压力浸渗法、原位化学反应合成法和液态搅拌法等，相对于应用广泛、工艺成熟的粉末冶金工艺，和其他受材料成分性质所限应用困难的方法，液态搅拌法因其工艺流程短、成本低廉，通用性强而逐渐得到深入的研究和应用。但为了保证材料每个批次的成分组织都均匀一致、增强相颗粒随机分布不团聚，金属基复合材料不论采用哪种方法制备，都面对着受坯料、容器尺寸制约，单一批次制备量难以扩大的问题。目前即使是商业化程度极高的公司，单一批次的复合材料坯料也难以超过100kg级别，与普通金属材料、合金每批次均可制备上吨的工艺无法相比。

连续铸造方法是一种先进的金属铸造方法，该方法将熔融的金属液不断注入结晶器中，金属液在结晶器内冷却凝固，并依照结晶器铸口的形状设计从另一端拉出，避免了一般铸造过程中的成分偏析等组织不均匀的问题，同时能够得到适合后续加工的长板、长棒坯料。该方法效率高，耗能低，出产率高，方便产品的后续近终成型。目前针对常见的金属材料均有成熟的连续铸造工艺方案，能够实现大批量高效的制备。

然而，简单的将连续铸造方法应用于复合材料的制备却是非常困难的，其原因之一是复合材料混合浆料粘度大，拉出时易发生断离现象。具体是因为在连续铸造过程中，材料熔体经过多个模块——比如从熔融坩埚内转移到结晶器内，再经过冷凝模块、拉拔系统、准直系统等最终得到坯料。但复合材料中含有大量的固相颗粒(体积分数1％～40％)，使得浆料粘度增大，进而导致浆料通过各个模块的过程中面临阻力大、受力不匀等问题，且外部的拉动设备仅作用于已凝固的部分，应力较为集中，以上原因导致断离现象极易发生，而且增强相颗粒比例越高、增强相尺寸越小，浆料的粘度就越大，越难以稳定实现连续铸造。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种金属基复合材料坯料的连续铸造方法，以解决现有的连续铸造方法无法应用于复合材料制备的问题。

本发明还提供了一种金属基复合材料坯料的连续铸造装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种金属基复合材料坯料的连续铸造方法，包括以下步骤，

s10提供容器，容器包括内腔，以及分别与内腔连通的第一开口、第二开口；

s20使金属基复合材料浆液淹没第一开口，且金属基复合材料浆液的液面上方具有与第二开口连通的空腔；

s30通过第二开口向空腔内注入惰性压力气体，以将金属基复合材料浆液从第一开口中挤出；

s40对挤出的金属基复合材料浆液进行冷却以获得金属基复合材料坯料。

作为上述方案的进一步改进方式，在步骤s20之前，还包括制备金属基复合材料浆液的步骤s11，步骤s11包括：在容器内注入金属基体熔体，然后向金属基体熔体内加入陶瓷相颗粒，经搅拌后获得金属基复合材料浆液。

作为上述方案的进一步改进方式，在步骤s20之前，还包括制备金属基复合材料浆液的步骤s11，步骤s11包括：在外置的坩埚内注入金属基体熔体，然后向金属基体熔体内加入陶瓷相颗粒，经搅拌后获得金属基复合材料浆液，再将金属基复合材料浆液转移至容器内。

作为上述方案的进一步改进方式，将金属基复合材料浆液转移至容器内的方法为：

将坩埚倾转，使得坩埚内的金属基复合材料浆液注入容器；

或者，设置流道，该流道分别连接坩埚与容器；在坩埚与流道的连通处设置控制部件，操作该控制部件可使得流道处于断开状态或者连通状态。

作为上述方案的进一步改进方式，步骤s11中，搅拌参数为：搅拌温度为590-750℃，压力环境为3000pa以下的真空或氩气保护气氛，搅拌速度为200-700r/min，搅拌时间为15-45min。

作为上述方案的进一步改进方式，步骤s11中，陶瓷相颗粒与金属基体熔体的质量比为1:10至2:3。

作为上述方案的进一步改进方式，容器包括桶体与上盖，上盖可分离的连接在桶体上，其中，上盖与桶体分离时，内腔可通过第二开口与容器外部连通；上盖与桶体密封连接时，上盖封闭第二开口。

作为上述方案的进一步改进方式，桶体与上盖连接的密封面上设有密封槽，密封槽内嵌有铜制密封圈，当上盖与桶体密封连接时，桶体的密封面与上盖的密封面之间设有密封碳毡，铜制密封圈位于桶体的密封面与密封碳毡之间。

作为上述方案的进一步改进方式，设置至少两个处于不同搅拌阶段的坩埚，并依次将已完成搅拌的坩埚内的金属基复合材料浆液注入容器内。

作为上述方案的进一步改进方式，还包括在步骤s30的挤出过程中对容器内的金属基复合材料浆液进行搅拌的步骤，搅拌的方法为：设置搅拌爪对金属基复合材料浆液进行机械搅拌，和/或设置通电线圈对金属基复合材料浆液进行电磁搅拌。

作为上述方案的进一步改进方式，金属基复合材料浆液的固液凝固界面前沿所受压强恒定在设定范围内。

作为上述方案的进一步改进方式，固液凝固界面前沿所受压强为1.001-1.6个大气压。

作为上述方案的进一步改进方式，维持所述固液凝固界面前沿所受压强恒定的方法为：调整注入空腔内的惰性气体的气体量，使得自距离开始挤出之后的t时刻，空腔内的压强pt满足pt＝p0+gρvts1/s2，其中，p0为固液凝固界面前沿所受压强，ρ为浆液密度，v为浆液的挤出速度，s2为浆液的横截面积，s1为第一开口的横截面积。

一种金属基复合材料坯料的连续铸造装置，包括容器与气源，容器内具有内腔，以及分别与内腔连通的第一开口、第二开口，气源与容器连通，其中，当内腔内容纳金属基复合材料浆液，并使得金属基复合材料浆液淹没第一开口，且金属基复合材料浆液的液面上方具有与第二开口连通的空腔时，气源可向空腔内注入惰性压力气体，使得金属基复合材料浆液从第一开口中挤出。

本发明的有益效果是：

本发明将压力气体作为推动浆液挤出的动力源，压力通过液面均匀的施加在全部浆液上，相比于现有技术可以有效的减少断离现象，适用于复合材料的连续铸造，有助于提升复合材料的生产效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明连续铸造系统第一个实施例的示意图；

图2是桶体与上盖连接部位的放大示意图；

图3是本发明第二实施例的结构拆分图；

图4是本发明连续铸造方法第一实施例所制备的复合材料坯料的微观组织示意图；

图5是本发明连续铸造方法第二实施例所制备的复合材料坯料的微观组织示意图；

图6是本发明连续铸造方法第四实施例所制备的复合材料坯料的微观组织示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右、前、后等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。

此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

参照图1，示出了本发明连续铸造系统第一个实施例的示意图。如图所示，连续铸造系统包括容器1、气源2与冷凝器3。本实施例中容器1具有一内腔，以及分别与该内腔连通的第一开口101、第二开口102，第一开口101用于向容器1内添加材料，故其优选位于容器1的上方，且开口的面积较大，第二开口102用于供金属基复合材料浆液流出容器1，故其位于容器1的底部，且开口的面积较小。

本实施例中，容器1包括桶体11(结晶器)与上盖12，上盖12可分离的连接在桶体11上，上盖12与桶体11分离时，桶体11的内腔可通过第二开口102与容器1的外部连通；上盖12与桶体11密封连接时，上盖12封闭第二开口102。具体连接方式参照图1与图2，其中图2是桶体11与上盖12连接部位的放大示意图，上盖12的下端面具有环形的凹槽，该凹槽的内表面作为上盖12的密封面。桶体11的上端面具有环形的密封槽，该密封槽的内表面与该上端面作为桶体11的密封面，铜制密封圈13的下部分嵌入密封槽内，上部分从槽内伸出。当上盖12与桶体11接触时，上盖12的顶端嵌入桶体11的凹槽内，密封碳毡14位于二者之间，且分别与桶体11的上端面、上盖12的密封面紧密贴合，铜制密封圈13位于桶体的密封面与密封碳毡14之间。当上盖12与桶体11进一步进行紧固后，二者压紧密封碳毡14，结合铜制密封圈13实现桶体11与上盖12之间的密封连接。采用密封碳毡14与铜制密封圈13可以满足本发明高温环境下的密封要求。

气源2在本实施例中采用高压气瓶，与高压气瓶连接的气管通过上盖12顶部的开口伸入至容器1的内部。气瓶内的气体为惰性气体，以避免与容器内的金属基复合材料浆液反应。

冷凝器3位于容器1底部的外侧，其冷凝通道与第二开口102连通，从第二开口102流出的金属基复合材料浆液可在冷凝器3处进行冷凝以形成金属基复合材料坯料。

本实施例中，还包括有电磁搅拌线圈4，电磁搅拌线圈4在通电后可以对容器1内部的金属基复合材料浆液施加电磁力，以对金属基复合材料浆液进行电磁搅拌，有助于金属基复合材料浆液从容器1内流出。

本实施例中，还包括有矫直校平器5，矫直校平器5位于冷凝器4的下方，具体包括多组对辊，对辊转动可对冷凝形成的金属基复合材料坯料进行挤压，从而实现对从坯料的矫直校平。

在连续铸造系统的其他实施例中，也可以在桶体11上单独开设一个进气口，与高压气瓶连接的气管通过该进气口伸入至容器1的内部，此时，该进气口作为容器的第二开口。

在连续铸造系统的其他实施例中，也可以在容器内添加搅拌爪，以对金属基复合材料浆液进行机械搅拌。机械搅拌与电磁搅拌可以择一选用，也可以共同配合使用。

本发明还公开了一种连续铸造方法，参照图3，示出了本发明连续铸造方法的流程示意图，具体包括以下步骤：

第一步、准备包含有容器与气源的连续铸造系统，其中容器内具有内腔，以及分别与内腔连通的第一开口、第二开口，气源与容器连通。

第二步、向容器的内腔中注入金属基体熔体，然后向金属基体熔体内加入陶瓷相颗粒，经搅拌后获得金属基复合材料浆液，金属基复合材料浆液的高度满足下述条件：可淹没第一开口，且金属基复合材料浆液的液面上方具有与第二开口连通的空腔。其中，陶瓷相颗粒与金属基体熔体的质量比为1:10至2:3。搅拌参数为：搅拌温度为590-750℃，压力环境为3000pa以下的真空或氩气保护气氛，搅拌速度为200-700r/min，搅拌时间为15-45min。

第三步、通过气源向空腔中注入惰性气体，从而增加空腔内的气压，以将金属基复合材料浆液从第一开口中挤出。

第四步、对挤出的金属基复合材料浆液进行冷凝以获得金属基复合材料坯料。

现有技术中采用的是拉拔方案，即直接拉动已凝固的坯料，坯料再带动与之黏连的浆液，坯料与浆液之间的连接强度小。此外，由于固液凝固界面的面积远小于整个浆液截面的面积，拉力可以视为集中在浆液截面的局部区域，导致受力不均匀，以上原因导致很容易发生断离现象。本发明将压力气体作为推动浆液挤出的动力源，压力通过液面均匀的施加在全部浆液上，相比于现有技术可以有效的减少断离现象。

优选的，在挤出过程中，金属基复合材料浆液的固液凝固界面前沿所受的压强保持恒定，其中，所称的“保持恒定”既包括压强不变的情形，也包括压强一定范围内波动的情形，波动范围优选为1.001-1.6个大气压，优选为1.05-1.5个大气压。

为了实现浆液的稳定挤出，金属基复合材料浆液的固液凝固界面前沿所受的压强优选保持不变，而随着浆液的流出，液面逐步下降，固液凝固界面前沿所受的压强也将随着降低，因此，注入空腔内的惰性气体的气体量应当逐步增加，以弥补因浆液流出而损失的压力。为实现上述目的，惰性气体的增加应当满足：在浆液挤出速度不变的情形下，自距离开始挤出之后的t时刻，pt＝p0+gρvts1/s2，其中，pt为空腔内的压强，p0为固液凝固界面前沿所受压强，ρ为浆液密度，v为浆液的挤出速度，s2为浆液的横截面积，s1为第一开口的横截面积。

优选的，为了避免高压气流直接冲击浆液的液面，本发明在容器的气体入口处还设置有挡流板，高压气流经过挡流板的阻挡后可以显著降低流速。

在连续铸造方法的其他实施例中，金属基复合材料浆液的制备可以在外置的坩埚中完成，然后再将制备好的金属基复合材料浆液转移至容器内。转移金属基复合材料浆液的方法包括将坩埚倾转，使得坩埚内的金属基复合材料浆液注入容器，此时需要容器上具有可分离的上盖。进一步的，由于金属基复合材料浆液的制备步骤相比于挤出步骤需要花费更多的时间，因此可以设置多组处于不同搅拌阶段的坩埚，提高生产效率。

转移金属基复合材料浆液的方法还包括设置一流道，该流道分别连接坩埚与容器。同时在坩埚与流道的连通处设置阀门等控制部件，操作该控制部件可使得流道处于断开状态或者连通状态。当坩埚内的金属基复合材料浆液制备完成后，打开阀门即可使浆液注入容器，此时容器上可以不设置上盖，而是直接在封闭的桶体上开设流道口即可。

本文所称的“固液凝固界面”，是指第一开口处熔体浆料流经冷凝器，并不断降温直至凝固的过程中，液态浆料凝固成固态复合材料的交界面。本文所称的“固液凝固界面前沿”，是指固液凝固界面向液态熔体一侧的一小段区域。

以下通过具体实施例说明：

第一实施例

步骤1：每批次提供的陶瓷相颗粒为sic陶瓷颗粒6kg，平均粒径10微米，陶瓷颗粒经600℃保温4小时预处理后放入真空烘箱保温24h；金属基体熔体为a356牌号铝合金24kg，将酸洗干净的铝合金在真空环境下(＜100pa)加热熔化后稳定在590-610℃，耗时15min将全部sic陶瓷颗粒投入熔体并搅拌，搅拌转速为200-500r/min，令熔体形成稳定涡流将颗粒卷入熔体而又不产生飞溅，待全部粉体投入后再搅拌20min，形成复合材料混合浆料。

步骤2：将坩埚内混合均匀的复合材料浆料30kg转注至结晶器内，坩埚重新投料重复步骤1。

步骤3：使用交变电磁场在结晶器内进一步均匀搅拌复合材料浆料，使用的电磁场参数为：正弦波电流频率20hz，电流峰值强度10a；

步骤4：盖上上盖，并向结晶器内注入氩气，氩气初始流速为200ml/min，令结晶器内压力压强为1.1个大气压，然后打开结晶器下方的第二开口(出料口)，同时启动冷凝器和矫直校平器，以100mm/min的速度出料，出料过程中不断增加氩气的流量，令结晶器内压力压强逐渐增大至1.15个大气压。

本实施例中，由于步骤1和其后跟随的步骤2不断重复，从而能够不间断的向结晶器内补充复合材料浆料，步骤3始终进行，步骤4间歇进行，实现了该实施例的连续铸造。该实施例制备的复合材料坯料中陶瓷相的质量分数为20％，体积分数17.5％，本实施例所制备的复合材料坯料的微观结构如图4所示，从图中可以看出，复合材料的组织致密。

第二实施例

步骤1：每批次提供的陶瓷相颗粒为b4c陶瓷颗粒9.3kg，粒径分布10-44微米，陶瓷颗粒经400℃保温2小时预处理后放入真空烘箱保温24h；金属基体熔体为以al-ti10合金为形式投入的、含ti5％的铝合金20.7kg，将酒精擦拭干净的铝合金在真空环境下(＜100pa)加热熔化后稳定在640-680℃，耗时20min将全部b4c陶瓷颗粒投入熔体并搅拌，搅拌转速为300-600r/min，令熔体形成稳定涡流将颗粒卷入熔体而又不产生飞溅，待全部粉体投入后再搅拌30min，形成复合材料混合浆料。

步骤2：将坩埚内混合均匀的复合材料浆料30kg转注至结晶器内，坩埚重新投料重复步骤1。

步骤3：使用交变电磁场在结晶器内进一步均匀搅拌复合材料浆料，使用的电磁场参数为：正弦波电流频率30hz，电流峰值强度20a。

步骤4：盖上上盖，并向结晶器内注入氩气，氩气流速为400ml/min，令结晶器内压力为1.2个大气压，然后打开结晶器下方的第二开口(出料口)，同时启动冷凝器和矫直校平器，以60mm/min的速度出料，出料过程中不断增加氩气的流量，令结晶器内压强逐渐增大至1.25个大气压。

本实施例中，由于步骤1和其后跟随的步骤2不断重复，从而能够不间断的向结晶器内补充复合材料浆料，步骤3始终进行，步骤4间歇进行，实现了该实施例的连续铸造。该实施例制备的复合材料坯料中陶瓷相的质量分数为31％，体积分数33.5％，本实施例所制备的复合材料坯料的微观结构如图5所示，从图中可以看出复合材料的组织致密，无气孔等铸造缺陷，其中增强相颗粒分散均匀一致。

第三实施例

本实施例与第二实施例的区别在于步骤1中各组分的比例变化，以及步骤4中氩气流速和出料速度的变化。

步骤1中每批次提供的陶瓷相颗粒为b4c陶瓷4.5kg；金属基体为含ti2％的铝合金25.5kg。步骤4中氩气流速为800ml/min，令结晶器内压强为1.5个大气压，并以120mm/min的速度出料，出料过程中不断增加氩气的流量，令结晶器内压强逐渐增大至1.55个大气压。本实施例由于陶瓷增强相颗粒的质量分数减小为15％，体积分数16％，因此加压速度和出料速度均可以进行加快。

第四实施例

本实施例与第二实施例的区别在于步骤1中各组分的比例变化，省去步骤3中的电磁搅拌步骤，以及步骤4中氩气流速和出料速度的变化。

步骤1中每批次提供陶瓷相颗粒为b4c陶瓷3kg；金属基体为含ti1％的铝合金27kg。步骤4中氩气流速为1000ml/min，令结晶器内压力压强为1.5个大气压，并以200mm/min的速度出料，出料过程中不断增加氩气的流量，令结晶器内压力压强逐渐增大至1.55个大气压。本实施例由于陶瓷增强相颗粒的质量分数减小为10％，体积分数11％，熔体粘度低，加压速度和出料速度都可以进一步加快，步骤3中施加电磁搅拌的步骤也可以省略。本实施例所制备的复合材料坯料的微观结构如图6所示，从图中可以看出，虽然因为未施加电磁搅拌，坯料内部存在少量气孔，但是复合材料的组织致密，其中增强相颗粒分散均匀一致，即本方案仍然可以实施。

以上是对本发明的较佳实施进行的具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。