一种复相增强金属基复合材料的成形系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明属于高性能金属材料制备技术领域，具体涉及一种复相增强金属基复合材料的成形系统和方法。
【背景技术】
[0002]喷射成形是一种快速凝固成形工艺，其过程是将熔融金属雾化成10?200微米的金属熔滴，然后在高速气流的带动下，微小熔滴直接喷射在较冷的接收器上形成对应产品。与铸造工艺相比，所成形的材料具有细小等轴晶、均质无偏析的微观结构;与快速凝固粉末冶金工艺相比，喷射成形坯件具有氧含量低、综合力学性能优越、成形所需工序少及生产成本低等特点。此外，喷射坯件也不存在堆焊或热喷涂等液态表面加工技术中不可避免的表面缺陷，近年来喷射成形技术也被逐渐引入到制备金属基复合材料的领域。
[0003]喷射沉积技术最早由Lavernia(E.J.Lavernia et a I ,Mater.Sc1.Eng.,A, 1988,98:381)等率先引入到制备金属基复合材料的领域，提出了雾化共沉积技术，其基本原理是将增强相颗粒在气体带动下吹入到金属雾化锥中，增强颗粒与雾化熔滴一起在接收器上沉积成形，上述工艺存在问题主要是增强颗粒注入雾化锥过程中会对金属熔滴的沉积产生影响，同时颗粒分布的均匀性很难保证，从而影响材料的性能。同时当前对于喷射共沉积技术的研究主要集中于非连续增强体金属基复合材料，对连续增强体增强金属基复合材料的研究较少，而通过喷射成形技术制备颗粒和晶须复相增强未见报导。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种复相增强金属基复合材料的成形系统和方法，其能够有效提高喷射成形过程中金属熔体的雾化效率，提高增强相在基体中分布均匀性，同时能够降低晶须与基体材料的结合缺陷。本发明提供成形系统和方法的技术路线先进可靠、生产成本低、产品质量易于控制。
[0005]实现本发明的技术方案如下:
[0006]—种复相增强金属基复合材料的成形系统，包括气-固两相雾化喷射成形装置和热挤压装置两部分；
[0007]所述气-固两相雾化喷射成形装置包括真空室、中频电源、粉仓、球阀、气体减速器、储气瓶、控制器、过喷粉末收集器、接收器、雾化喷嘴、感应线圈、止通棒、直线电机、温度传感器、坩祸、电机控制器、温度显示终端、固定支架、隔板以及真空机;其中隔板设置于真空室内，将真空室隔成上下两部分;雾化喷嘴、感应线圈、止通棒、直线电机、温度传感器、坩祸及固定支架位于真空室的上半部分，其中坩祸通过其底部的螺纹通孔与雾化喷嘴相连，雾化喷嘴中心开有一金属导流通孔，感应线圈缠绕于坩祸的外侧，且与中频电源相连;直线电机固定于所述固定支架上，并与电机控制器相连;止通棒与直线电机连接，且止通棒与雾化喷嘴的中心导流通孔以及坩祸底部的螺纹通孔共轴，在直线电机的控制下能够沿其轴线上下移动，通过控制其锥形端与坩祸底部的螺纹通孔分离或贴合控制熔融金属的流下与否;温度传感器固定于所述固定支架上，并与温度显示终端相连，且温度传感器的感应端伸入到坩祸内；所述雾化喷嘴与置于真空室外部的储气瓶通过管路相连，气体减速器位于所述储气瓶的出口处，所述连接管路上设有粉仓，球阀位于所述粉仓的出口处;接收器置于真空室的下半部分，所述接收器具有绕轴线转动及沿轴向上下运动两个自由度，接收器与控制器相连，可以调节熔滴的飞行距离，使得到达沉积坯的熔滴的固相分数保持在60%?70%范围，过喷粉末收集器位于真空室的底部，真空机与所述真空室连通。
[0008]本发明为保证雾化沉积过程的顺利进行，熔体应保持一定的过热度，根据成形材料性质而有所不同，一般范围为30°C?200°C;喷嘴出气口形状可为Laval型，以加速气流。
[0009]所述热挤压装置包括凸模、挤压筒、挤压垫、凹模、垫板、感应电源、保温体、加热线圈以及温度探头。其中挤压筒固定于垫板上，凹模位于挤压筒内，且夹持于挤压筒与垫板之间;保温体环绕在挤压筒外部，加热线圈预封装于保温体内部，加热线圈通过导线与感应电源相连，温度探头深入到挤压筒内部，对其温度进行实时监控并向感应电源发出反馈信号控制感应电源的开关。
[0010]本发明挤压筒与垫板固连在一起且可拆卸，方便更换夹持在两者之间的凹模，通过更换具有不同直径挤压孔的凹模可以调节热挤压的挤压比，控制材料的变形程度;保温体环绕在挤压筒外部，保温体内部预封装有加热线圈，加热线圈通过导线与感应电源相连。温度探头深入到挤压筒内部对其温度进行实时监控并向感应电源发出反馈信号控制感应电源的开关。
[0011]—种基于复相增强金属基复合材料的成形系统的成形方法，用于在密封真空室中喷射成形颗粒增强金属基复合材料，并经过后续热挤压工艺获得颗粒和晶须复相增强金属基复合材料，具体步骤为:
[0012]步骤1:喷射沉积前真空室首先抽真空至小于50Pa，然后回充惰性保护气体(一般为氩气)至70?90kPa;
[0013]步骤2:将陶瓷颗粒和金属粉末按照设定比均匀混合放入粉仓备用，开启中频加热电源，对坩祸中的金属熔炼至一定过热度；
[0014]步骤3:启动直线电机拉起止通棒，使熔融金属沿雾化喷嘴的中心导流通孔流下进入雾化区域，同时启动储气瓶中的雾化气体，雾化气体与粉仓中流下的粉末混合后一起运动形成气-固两相均匀流，经过雾化喷嘴加速后对具有一定过热度的金属进行雾化，形成混合了增强颗粒和金属熔滴的雾化锥；
[0015]步骤4:控制器控制接收器绕竖直轴线转动并缓慢下移，保持接收距离和角度，雾化锥中的增强颗粒和雾化熔滴在雾化气体的带动下在接收器上沉积成形，形成增强相均布的沉积坯；
[0016]步骤5:将沉积坯加工成柱状的挤压件，在热挤压装置上进行挤压致密化，挤压过程中，金属粉末在强烈三向应力作用下被拉长，形成晶须增强体，同时挤压过程中陶瓷颗粒在基体中的分布规律也被进一步被均匀化。
[0017]本发明具有如下的有益效果:
[0018](I)本发明采用气-固两相均匀流作为雾化介质，在提高雾化效率的同时可以提高增强相分布的均匀性。
[0019](2)本发明的喷射成形装置和方法，可直接生产陶瓷颗粒和金属晶须复相增强金属基复合材料，晶须增强相的产生采用热挤压致密化的方式，在去除沉积孔隙的同时，获得了晶须增强相。
[0020](3)晶须增强相的成本较低，能够避免增强体与基体合金的界面反应，有很好的结合强度。
【附图说明】
[0021]图1是为本发明提供的气-固两相雾化喷射成形装置结构示意图。
[0022]图2是为本发明提供的热挤压装置结构示意图。
[0023]图中:I为真空室，2为中频电源，3为粉仓，4为球阀，5为气体减速器，6为储气瓶，7为控制器，8为过喷粉末收集器，9为接收器，10为雾化喷嘴，11为感应线圈，12为止通棒，13为直线电机，14为温度传感器，15为坩祸，16为电机控制器，17为温度显示终端，18为固定支架，19为隔板，20为真空机，21为凸模，22为挤压筒，23为挤压垫，24为挤压件，25为凹模，26为垫板，27为感应电源，28为保温体，29为线圈，30为温度探头。
具体实施例
[0024]现结合实施例、附图对本发明作进一步描述:
[0025]为实现上述目的，本发明按照喷射成形将金属液流雾化成细小颗粒并沉积成形的基本原理，结合挤压致密化后处理工艺，提出了一种复相增强金属基复合材料坯件的成形方法，基本原理是:(I)利用具有一定压力的惰性气体与增强颗粒混合并对其进行加速，利用混合了增强颗粒的高速惰性气体作为雾化介质，即为对金属熔体进行气-固两相雾化，与单独采用惰性气体雾化相比提高了雾化介质的密度、动量和冲击力，同时改变普通雾化的破碎机理，实现多种破碎模式，能够起到提高雾化效率、降低惰性气体的消耗量的效果。雾化完成后，增强颗粒均匀弥散在雾化熔滴中，最后增强颗粒与雾化熔滴一起在接收器上沉积凝固，获得增强颗粒均匀分布金属基复合材料坯体；(2)上述增强颗粒是陶瓷颗粒和金属粉末(如Al、N1、Ti等)的混合体，由于喷射成形本身工艺特点，成形材料一般具有I?10 %的孔隙，需要进行后续的致密化工艺才能作为功能材料使用，本发明选用热挤压方式进行致密化处理。热挤压过程中材料流经凹模中心孔时，金属粉末在强烈三向应力作用下被拉长为细长晶须，获得了连续纤维增强体，该过程中晶须材料一直包裹在基体材料内部，与外界环境无接触，因此不存在界面反应和氧化现象。
[0026]本实施例复相增强金属基复合材料的成形系统包括气-固两相雾化喷射成形装置和热挤压装置两部分。
[0027]如图1所示，气-固两相雾化喷射成形装置包括真空室1、中频电源2、粉仓3、球阀4、气体减速器5、储气瓶6、控制器7、过喷粉末收集器8、接收器9、雾化喷嘴10、感应线圈11、止通棒12、直线电机13、温度传感器14、坩祸15、电机控制器16、温度显示终端17、固定支架18、隔板19以及真空机20。真空罐I内部空间被隔板19分为相互贯通的上下两部分，上部是金属熔炼室，下部是雾化沉积室。其中雾化喷嘴1，感应线圈11、止通棒12，直线电机13，温度传感器14、坩祸15以及固定支架18位于真空室I的上半部分的熔炼室，坩祸2位于真空罐I上半部分的中心位置，