本发明涉及搅拌铸造，具体指一种基于湍流熔体原位反应的均质铸造装置及其使用方法。
背景技术：
1、随着应用领域对金属材料的需求不断提高，高均匀性金属合金及高均匀性金属基复合材料等受到高度重视，粉末冶金方式能实现材料的均匀性，但是其成本高、易污染、成型温度低于熔点的工艺特点限制了其发展。搅拌铸造技术有望在低成本的基础上获得高均匀性金属合金及其复合材料。
2、搅拌铸造是一种旨在增加金属流动性和均匀性的铸造技术。它通常使用机械搅拌浆来加速熔体的流动，从而实现铸造中的混合和均匀性。这种搅拌方式对于搅拌桨的材质要求高，一方面要耐高温，另一方面要不与熔体中的任何组分发生反应，且在金属熔体凝固的高粘度阶段很难确保整体的搅拌效果，搅拌速度高时，会在熔体中连续产生空泡，不利于铸锭的冶金质量提高。另一方面，针对高密度差的组分，机械搅拌浆式搅拌铸造虽然可以实现熔体状态下混合，但是很难通过快速凝固将熔体的混合状态保持到固体，因为搅拌浆一旦脱离熔体就会造成熔体的分层，不脱离又会被包裹到铸锭中影响铸锭的质量和得料率。
3、本发明人在先申请cn114749622a公开了一种双轴离心搅拌铸造装置以及混合金属熔炼铸造方法，主要利用公转结合自转实现离心运动，从而产生湍流结构，实现合金熔体中掺杂相的微、纳米级均匀分布。但是该装置仍有缺陷，无法实现在湍流结构中有秩序地进行原位反应、没有定向凝固、团聚体不分散、粘壁现象严重、难以脱模。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种基于湍流熔体原位反应的均质铸造装置及其使用方法，以解决金属合金及其复合材料低成本高效率的均质铸造技术问题。
2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
3、一种基于湍流熔体原位反应的均质铸造装置，包括：真空腔体、两个反应器、加料器、公转离心机和真空泵，两个所述反应器、加料器、公转离心机均置于所述真空腔体内，所述真空泵对所述真空腔体抽真空；所述公转离心机包括公转马达、公转转轴14和公转基座141，所述公转转轴14位于公转基座141的中心，所述公转马达通过第一传动机构驱动所述公转转轴14和所述公转基座141一起转动，两个所述反应器分别位于所述公转基座141的左右两侧，并且以所述公转转轴14为对称轴设置，两个所述反应器均朝向所述公转转轴14倾斜设置，所述加料器位于所述公转转轴14上方，且所述加料器与两个所述反应器27均连接；所述加料器包括组合室和组合管道，每个所述反应器均包括自转组件和非自转组件，所述自转组件包括湍流熔体反应铸造体1、转筒盖2、自转旋转筒11、自转转轴13和振幅器23；所述非自转组件包括振动器底座24和支撑轴25；所述振幅器23和所述振动器底座24共同构成周期振动器，所述自转组件和所述非自转组件之间具有相对转动，所述周期振动器随着所述自转组件的转动而产生周期轴向振动，所述自转旋转筒11的筒内设置所述湍流熔体反应铸造体1，所述转筒盖2与所述自转旋转筒11扣合连接，所述自转旋转筒11的底部与所述自转转轴13固定连接，湍流熔体反应铸造体1的底部与所述振幅器23固定连接，所述振幅器23活动设置在所述振动器底座24内部，所述振幅器23在相对所述振动器底座24转动过程中同时实现周期轴向振动，所述振动器底座24也位于所述自转旋转筒11的筒内，所述支撑轴25设置在所述自转转轴13内部，所述支撑轴25顶部与所述振动器底座24固定连接，所述支撑轴25底部与所述公转基座141固定连接，所述自转转轴13与所述公转基座141之间具有相对转动，左右两个所述自转转轴13均通过第二传动机构和自转电机连接；所述振动器底座24包括一个圆柱盒241和多个滚珠242，多个所述滚珠242均匀分布于所述圆柱盒241内底面上，所述振幅器23置于圆柱盒241内并且与多个所述滚珠242接触，所述振幅器23为圆盘状，所述振幅器23的上表面为平面，所述振幅器23的下表面设置多个中心对称的扇形挖空部231，一个所述扇形挖空部231与一个所述滚珠242对应，多个所述扇形挖空部231首尾依次相连，所述扇形挖空部231的圆周侧面是第一直角三角形232，所述扇形挖空部231尾端的径向截面是第二直角三角形233，所述第一直角三角形232和所述第二直角三角形233共用同一直角边，所述扇形挖空部231的扇形面置于所述滚珠242上，所述振幅器23的上表面与所述湍流熔体反应铸造体1的底面固定连接，所述振动器底座24下表面与所述支撑轴25的顶端固定连接，当所述自转转轴13旋转，通过所述自转旋转筒11和湍流熔体反应铸造体1带动振幅器23旋转，所述振幅器23在所述振动器底座24上相对旋转，在相对旋转过程中，所述扇形挖空部231的扇形面在所述滚珠242上相对滑动，并且由于第一直角三角形232和第二直角三角形233的存在，同时使得所述振幅器23在振动器底座24上轴向周期振动，带动所述湍流熔体反应铸造体1的轴向周期振动。
4、优选的，所述组合室包括气体室3、液体室4及固体室6，所述气体室3、液体室4及固体室6之间都通过卡槽依次上下可拆卸连接，所述固体室6位于所述公转转轴14的顶端，所述组合管道包括左右两个气体管道8、两个液体管道9和两个固体管道10，左右两个所述气体管道8的一端分别与所述气体室3的左右两侧连通，左右两个所述气体管道8的另一端分别与左右两个所述湍流熔体反应铸造体1连通，左右两个所述液体管道9的一端分别与所述液体室4的左右两侧连通，左右两个所述液体管道9的另一端分别与左右两个所述湍流熔体反应铸造体1连通，左右两个所述固体管道10的一端分别与所述固体室6的左右两侧连通，左右两个所述固体管道10的另一端分别与左右两个所述湍流熔体反应铸造体1连通，所述液体室4具有保温功能，将预添加液体5预热后放置在所述液体室4中，所述固体室6也具有保温功能，将预添加固体7预干燥和预热后放置在所述固体室6中，所述气体室3通过进气口26充入气体，所述气体室3的左右两侧设置控制阀门用于控制所述气体管道8的开闭，而所述液体室4和所述固体室6不需要设置控制阀门。
5、优选的，所述湍流熔体反应铸造体1包括凸台盖16、圆柱体、支撑组件、隔热材料18、石墨坩埚20和吸热体21，所述凸台盖16密封设置在所述圆柱体上面，所述圆柱体内设置所述支撑组件，所述支撑组件内设置所述石墨坩埚20和所述吸热体21，所述吸热体21设置在所述石墨坩埚20的正下方，对所述石墨坩埚20的底部进行吸热。
6、优选的，所述支撑组件包括支架组17、隔板组19、和支撑底台22，所述支架组17与所述隔板组19垂直交叉设置，所述隔板组19包括多层间隔同等距离的圆隔板，所述支架组17包括多个竖直设置的支撑棒，所述圆隔板均为内方外圆的板状，内方为挖空结构，所述支撑底台22设置在所述隔板组19下方，所述支撑底台22包括支撑平台221和下凸部222，所述下凸部222设置在所述支撑平台221的下面，所述下凸部222和所述支撑平台221同轴心一体成型设置或者固定连接，所述支撑平台221与所述圆隔板的外直径相同，所述下凸部222的外直径小于所述支撑平台221的外直径，所述支撑底台22轴心处设有凹圆槽223，所述多个竖直设置的支撑棒贯穿中间多层所述圆隔板，所述多个竖直设置的支撑棒的上下两端分别与顶层的所述圆隔板和所述支撑平台221固定连接，一部分所述支撑棒均匀分布在所述圆隔板的外圆边缘，另一部分的所述支撑棒均匀分布在所述圆隔板的内方边缘；所述石墨坩埚20外形为八棱柱状，内部为圆筒状，所述石墨坩埚20置于各层所述圆隔板的内方构成的正方体空间中，所述八棱柱状与所述正方体空间刚好配合，所述石墨坩埚20的八边形底部置于所述支撑平台221上，所述石墨坩埚20的八边形底部覆盖所述所述凹圆槽223，并且所述凹圆槽223内放置所述吸热体21，所述吸热体21与所述石墨坩埚20的八边形底部直接接触，用于对所述石墨坩埚20的八边形底部降温，所述隔热材料18填充在所述支架组17和所述隔板组19之间的空隙中，对所述石墨坩埚20起保温作用。
7、优选的，所述凸台盖16包括中心凸台161和圆周盖162，所述中心凸台161位于所述圆周盖162中心顶部，所述中心凸台161与所述石墨坩埚20相适配，所述圆周盖162用于封顶所述支撑组件，所述中心凸台161上设有出气口15、气体管道接口81、液体管道接口91和固体管道接口101，所述出气口15用于出气，所述气体管道8的一端插入所述气体管道接口81内并能够相对转动，所述液体管道9的一端插入所述液体管道接口91内并能够相对转动，所述固体管道10的一端插入所述固体管道接口101内并能够相对转动。
8、优选的，所述固体室6内部设置有旋转通道，旋转通道内设置卡槽，预添加固体7放置在所述卡槽内，使得所述预添加固体7在更高的临界转速下才能进入所述固体管道10，从而改变所述预添加液体5和所述预添加固体7进入所述湍流熔体反应铸造体1中的先后顺序。
9、优选的，所述液体室4和所述液体管道9均采用耐高温材料，提高所述预添加液体5的预热温度。
10、优选的，所述石墨坩埚20中原有熔体与所述预添加固体7及所述预添加液体5的体积之和小于石墨坩埚20容积的一半。
11、优选的，所述预添加固体7用金属箔包裹成球状，方便在公转开始后受离心力作用逐渐进入到所述湍流熔体反应铸造体1中。
12、优选的，所述吸热体21采用大热容的金属材料，方便多次重复使用。
13、优选的，所述扇形挖空部231中的所述同一直角边的长度，根据原有熔体与所述石墨坩埚20之间的粘壁程度而设计，粘壁越严重，长度越长，从而提高振动幅度。
14、本发明还提供一种基于湍流熔体原位反应的均质铸造装置的使用方法，包括如下步骤：
15、(1)进行预备工作：加热熔化所述石墨坩埚20中的原有熔体，预热预添加液体5，采用与所述原有熔体相同元素的金属箔包裹所需加入反应的预添加固体7；将所述振幅器23和所述振动器底座24装配成所述周期振动器12，放入所述自转旋转筒11底部，将所述支架组17、隔热材料18、隔板组19、吸热体21和支撑底台22装配到所述湍流熔体反应铸造体1中；
16、(2)装料过程：将所述预添加固体7放入所述固体室6中，将已经预热的所述预添加液体5放入所述液体室4中，将预添加气体充入到所述气体室3中，将所述气体室3、液体室4和固体室6从上至下依次装配好；将所述石墨坩埚20盖上所述凸台盖16连同内部的熔体一并装入所述湍流熔体反应铸造体1中，将所述湍流熔体反应铸造体1放入自转旋转筒11，并固定在周期振动器12上方，盖上所述转筒盖2，即实现所述反应器的组装；分别安装所述固体管道10、液体管道9和气体管道8到所述固体室6、液体室4和气体室3，将所述组合室安装到所述公转转轴14上，同时将所述固体管道10、液体管道9和气体管道8均转动连接到所述凸台盖16上，即实现所述加料器的组装；
17、(3)启动过程：启动真空泵，将装料完成的真空腔体的气压抽取到0.1pa以下；关闭真空泵，同步启动公转马达和自转电机分别带动所述公转转轴14和自转转轴13转动，随着转速的提高，所述液体室4和固体室6中的预添加液体5和所述预添加固体7分别通过所述液体管道9和固体管道10进入到所述石墨坩埚20内，打开所述控制阀门通入气体，将气体从所述气体室3和气体管道8通入到所述石墨坩埚20中；通过控制阀门控制气体的流入量及通入时间，通过所述固体室6内部的旋转通道和卡槽结构调整预添加固体7的添加时间；
18、(4)反应过程：随着转速的提高，所述石墨坩埚20中的混合熔体在公转和自转的共同作用下形成中心漩涡，当公转和自转速度均超过300转/分时，混合熔体逐渐进入到湍流状态，即中心漩涡内不断出现小漩涡和微型漩涡，极大加速了混合熔体内物质的交换和对流；此时，已经添加的固体、液体和气体将被湍流漩涡迅速卷入混合熔体中，并被各级漩涡不断分解和拆分，混合熔体内迅速进行多种原位反应；随着转速达到1500转/分以上，原位反应已经充分进行，反应产物均匀分散在现有熔体中；
19、(5)凝固过程：已经添加的固体、液体和气体都完成原位反应后，再次启动真空泵，在高转速保持一段时间后，现有熔体热量逐渐从石墨坩埚20底部传导到吸热体21中，最先凝固的是与吸热体21最接近的石墨坩埚20底部，现有熔体将从底部到顶部依次凝固，随着真空度的提高，现有熔体内溶解的气体也逐渐被排出，得到定向凝固的金属铸锭；所述周期振动器12随着自转速度提高而产生高频轴向振动，大幅缓解凝固的金属与石墨坩埚20壁之间的粘连。
20、(6)取料过程：完全凝固后，按装配的反过程依次卸载各部件，并将石墨坩埚20中的金属铸锭及吸热体21取出，进行水冷到室温，其余部件空冷即可。
21、优选的，根据不同原位反应需要，选择性使用气体室、固体室和液体室中的一种或两种或三种。
22、本发明工作原理是：在高速公转和自转共同作用下，反应器内混合熔体出现湍流状态，混合熔体内的物质流动大幅提高。此时，在公转离心力的作用下，加料器中的气体、固体和液体进入到反应器的金属熔体中，在添加的同时，实现即刻的搅拌混合和充分的原位反应。熔体内原位反应的同时，反应产物在湍流的作用下充分分散，转速越高，整体分散程度越好，且分散的尺度越小。反应完成后，熔体逐渐从底部到上部实现快速的定向凝固，且同步周期振动及抽真空，这样可以保持熔体中的分散状态，有利于高温熔体内部的溶解气体逐渐排出，提高铸锭的冶金质量，也有利于金属铸锭顺利脱模。
23、需要进一步说明的是，关于吸热体，虽然是一开始就放置到湍流熔体反应铸造体1中，等熔体进入后就存在冷却，但是，熔体需要在熔点以上温度放进去，因为有过热度的存在，即使冷却也不会立刻冷却下来，而当湍流熔体反应铸造体1自转和公转都转起来的时候，熔体的热交换才会加速，从而实现一边转一边凝固。
24、与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：
25、1、原位反应充分，反应产物尺寸均匀性好。该装置有利于固/液、液/液和气/液反应的进行及反应产物在金属熔体中的迅速分散，原位生成复合相或者原位实现添加复合相的界面改性。特别是部分反应动力很强的反应，该方案可以大幅降低局部反应产物过大的问题，从而提高反应产物的尺寸均匀性。由于是同步反应和分散过程，因此在湍流作用大幅提高物质交换的条件下，反应通常不受熔体粘度和扩散速度的限制，大幅提高了连续的反应机会，从而实现反应的充分进行。
26、2、周期振动与公转自转产生协同作用。公转和自转使得高温熔体进入湍流状态，形成大小漩涡，周期振动的引入使得熔体内的团聚体进一步破碎，三者协同产生更加充分的均质效果。
27、3、所述周期振动器的振动驱动力来源于自转，通过支撑轴设置在自转转轴的内部，自转转轴自转而支撑轴没有自转，从而产生相对运动，结合周期振动器巧妙的结构设计，通过自转运动来实现周期振动，从而所述湍流熔体反应铸造体不仅具有公转、自转还有周期振动，并且随着自转速度提高，轴向振动的频率越高，不仅实现熔体内团聚体破碎，还能大幅缓解凝固的金属与石墨坩埚壁之间的粘连，也有利于金属铸锭顺利脱模。
28、4、石墨坩埚底部设置有吸热体，能够实现从底部到顶部的定向凝固，获得定向及单晶组织结构，大幅提高材料的综合性能。
29、5、铸造速度快，铸造效率高。该装置能提供非常快的反应速度和熔体热交换速度，从启动旋转到完成凝固结束旋转一般只需要几分钟时间，与传统铸造需要几个小时的时间相比，效率大幅提高了。
30、6、将预添加固体和液体利用公转离心力“甩”出管道，从而进入石墨坩埚内，无需使用控制阀门，还能更好控制添加时间和添加顺序。
31、7、石墨坩埚设计成八棱柱状，置于所述石墨坩埚置于各层所述圆隔板的内方构成的正方体空间中，所述八棱柱状与所述正方体空间刚好配合，之所以将石墨坩埚不设计成正方体形状，其目的在于给石墨坩埚减轻重量。
32、8、支撑组件的支架组、隔板组和支撑底台的独特设计，具有稳定的支撑性能，既能实现侧面保温，又能实现定向凝固。