一种高强韧纳米颗粒增强铝基复合材料的制备装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种铝基复合材料，特指一种高强韧原位纳米颗粒增强铝基复合材料的制备装置和方法。其特征在于：基于设计的螺旋循环搅拌复合与挤压一体化装置，首先将铝基体合金放入螺旋循环搅拌复合装置中加热至一定的温度并熔化后，放入原位反应物，借助螺旋循环搅拌的作用实现原位纳米复合，然后将原位复合熔体直接通入螺旋挤压装置，并在螺旋挤压装置中冷却至较低温度，利用螺旋挤压装置中螺杆运动产生的大变形剪切作用，实现原位合成的纳米颗粒增强铝基复合材料中纳米颗粒“团簇”的破碎和基体晶粒的细化，最后通过挤出端模具成形获得所需形状的高强韧原位纳米颗粒增强铝基复合材料型材。

A Fabrication Device and Method of High Strength and Toughness Nanoparticles Reinforced Aluminum Matrix Composites

【技术实现步骤摘要】
一种高强韧纳米颗粒增强铝基复合材料的制备装置和方法
本专利技术涉及铝基复合材料，特指一种高强韧纳米颗粒增强铝基复合材料的制备装置和方法。
技术介绍
铝基复合材料的原位合成工艺是近些年发展的新技术，原位内生颗粒增强铝基复合材料具有增强体尺寸小、热稳定性好、界面结合强度高等优点，在航空、航天、汽车、机械等工业领域有广泛的应用。近些年的一些研究表明，当增强体颗粒尺寸减小至纳米级时，单位体积内纳米颗粒的表面积急剧增大、复合强化效果大幅提高，从而使纳米颗粒增强铝基复合材料具有更高的比强度、比模量和耐高温性能。但目前原位生成的纳米颗粒增强铝基复合材料仍然就有两大问题：(1)由于纳米颗粒巨大的界面能使得原位生成的纳米颗粒趋于团聚，导致复合材料的强韧性较低；(2)通常获得铸态铝基复合材料的晶粒粗大，强度提升有限。提高纳米颗粒的分布均匀，最大限度的降低复合材料铸造缺陷，细化复合材料的晶粒，已经成为目前同时提高原位纳米颗粒增强铝基复合材料的强韧性的重要途径。但是现有技术难以实现规模化连续生产，如国内公开号CN103668013B的专利技术专利“一种原位铝基复合材料超塑性预处理方法”，对所得铸态的原位纳米颗粒增强铝基复合材料进行搅拌摩擦加工技术(FSP)处理，使得纳米颗粒的分布变得均匀，得到超细晶铝基复合材料，实现强塑性同时提高，不过FSP工艺复杂，而且加工区域极其有限，难以实现工业应用。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对现有技术的不足，如原位纳米颗粒增强铝基复合材料中纳米颗粒趋于团聚：铸态晶粒尺寸较为粗大：纳米颗粒仅发挥增强体的强化作用，强度提升有限等，提出的一种实现高强韧铝基复合材料的制备方法及其制备装置，充分改善纳米颗粒的“团簇”，使其分布均匀，并极大地细化铝基复合材料的晶粒，大幅度提高复合材料的强韧性。本专利技术采用自主设计的螺旋循环搅拌复合与挤压一体化装置，一方面通过不断循环搅拌使成分更加均匀并促进原位纳米复合，另一方面在较低的温度下，利用螺旋挤压装置中的螺杆运动产生的大剪切作用使复合材料产生大变形，同步实现原位合成的纳米颗粒增强铝基复合材料中“团簇”的破碎和基体晶粒的细化，获得高强韧的原位纳米颗粒增强铝基复合材料型材。本专利技术设计的螺旋循环搅拌复合与挤压一体化装置,包括螺旋循环搅拌复合装置、螺旋挤压装置和模具，螺旋循环搅拌复合装置、螺旋挤压装置和模具依次连通；电机通过传动装置分别与螺旋循环搅拌复合装置和螺旋挤压装置的齿轮连接；螺旋循环搅拌复合装置和螺旋挤压装置的坩埚周围设有感应加热线圈；圆锥台状坩埚截面呈倒梯形；与齿轮连接的螺旋搅拌桨伸入螺旋循环搅拌复合装置的圆锥台状坩埚型腔内，与齿轮连接的螺旋挤压杆伸入螺旋挤压装置的圆锥台状坩埚型腔内；螺旋循环搅拌复合装置的型腔最下方设有滑块，实现复合熔体的螺旋循环搅拌或进入螺旋挤压装置的调节；循环管道位于螺旋循环搅拌复合装置坩埚的外部，螺旋循环搅拌复合装置的型腔的底部通过循环管道与型腔的顶部连通；螺旋挤压装置的挤出端与模具相连。所述的螺旋循环搅拌复合装置的坩埚为石墨坩埚；所述的螺旋挤压装置的坩埚为耐热模具钢坩埚。所述螺旋循环搅拌复合装置的坩埚、感应加热线圈、循环管道和滑块均位于承重保温外壁的内部。所述螺旋挤压装置的坩埚和感应加热线圈位于承重保温外壁的内部。本专利技术基于设计的螺旋循环搅拌复合与挤压一体化装置，通过以下的具体步骤进行：(1)首先将铝基体合金放入螺旋循环搅拌复合装置中加热至一定的温度并熔化后，放入原位反应物，借助螺旋搅拌桨螺旋循环搅拌的作用实现原位纳米复合，生成纳米增强体颗粒；(2)然后将原位复合熔体直接通入螺旋挤压装置，并在螺旋挤压装置中冷却至较低温度，利用螺旋挤压装置中螺旋挤压杆运动产生的大变形剪切作用，实现原位合成的纳米颗粒增强铝基复合材料中纳米颗粒“团簇”的破碎和基体晶粒的细化；(3)最后通过挤出端模具成形获得所需形状的高强韧原位纳米颗粒增强铝基复合材料型材。所述的螺旋循环搅拌复合与挤压一体化装置，是由螺旋循环搅拌复合装置和螺旋挤压装置两个部分组成，在螺旋循环搅拌复合装置中有滑块调节熔体循环和通入螺旋挤压装置。原位合成反应在螺旋循环搅拌复合装置内部发生，最后铝基复合材料由螺旋挤压装置挤出，从而实现材料的连续成型。所述的铝基体合金根据具体用途不同(导热、导电、高强、低膨胀、耐磨等)，可以选择纯铝、2系、5系、6系、7系等不同的铝合金，典型性代表：纯铝、2024、6061、6063、6082、6016、6111、7055等。所述的步骤(1)中，纳米增强体颗粒是由引入的不同反应物在熔体中原位反应生成的Al2O3，ZrB2，TiB2中的一至多种，增强体颗粒尺寸通常为2～100nm，热稳定性高，强度高，高温性能好，与基体界面结合强度高的原位纳米颗粒增强体，增强体占铝基复合材料的体积分数的0.2～25vol％。所述的步骤(1)中的一定温度是指原位反应的发生温度，通常在750℃～900℃之间，根据具体的反应体系做调整，原位反应是为了在熔体中引入纳米增强体颗粒形成元素化合物，反应时间通常为25～30min，反应过程中应伴有搅拌，最终在熔体中原位合成纳米陶瓷增强体；所述纳米增强体颗粒形成元素化合物为Co3O4，K2ZrF6，K2TiF6，KBF4，Na2B4O7，ZrO2，B2O3，Al2(SO4)3和K2ZrF6中的一至多种。所述的步骤(2)中冷却至较低温度通常指300～550℃，根据合金不同具体调节。在此温度下金属的流变应力较小，便于挤出成型，并借助剪切大变形破碎复合材料中纳米增强体的“团簇”，同时细化基体晶粒。所述的步骤(3)中挤出端模具是根据所需不同形状的型材设计的模具，模具材料为耐热模具钢，如H13钢、高速钢、高Gr钢等。所述的螺旋循环搅拌复合装置的螺旋搅拌桨和坩埚采用定制的耐高温且不参与反应的高纯石墨制成，其中搅拌桨螺旋节距20～30mm、桨叶厚为5～8mm、转速通常为10～50r/min，圆锥台状坩埚内腔顶端直径为300～1500mm底端直径为20～100mm。所述的螺旋挤压装置的螺旋挤压杆和坩埚采用耐热模具钢，如H13钢、高速钢、高Gr钢等制成，其中螺旋挤压杆的螺距30～50mm、螺纹厚度为10～20mm、转速通常为20～100r/min，圆锥台状坩埚内腔顶端直径为100～500mm底端直径为10～25mm。本专利技术方法是，首先通过螺旋循环搅拌复合装置不断循环搅拌，使成分均匀化，然后通过利用螺旋挤压装置中的螺杆运动产生的大剪切作用使复合材料产生大变形，实现原位合成的纳米颗粒增强铝基复合材料中“团簇”的破碎和基体晶粒的细化，从而充分改善了原位纳米颗粒增强铝基复合材料中纳米增强体颗粒的严重团聚的问题，使纳米增强体在基体中弥散均匀分布，同时又极大的降低铝基复合材料的晶粒的尺寸，细化复合材料中的粗大的析出相，最大程度的消除了铸造缺陷，提高复合材料的致密度和均匀性，并且同时提高原位纳米颗粒增强铝基复合材料的强度与韧性。此方法及制备装置操作简单、连续性强，适合大规模应用。附图说明图1为本专利技术的螺旋循环搅拌复合与挤压一体化装置示意图：1齿轮，2电机，3传动装置，4螺旋搅拌桨，5感应加热线圈，6石墨坩埚，7耐热模具钢坩埚，8滑块，9循环管道，10螺旋挤压杆，11挤压模具。图2为3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高强韧纳米颗粒增强铝基复合材料的制备装置，其特征在于，所述制备装置包括螺旋循环搅拌复合装置、螺旋挤压装置和模具，螺旋循环搅拌复合装置、螺旋挤压装置和模具依次连通；电机通过传动装置分别与螺旋循环搅拌复合装置和螺旋挤压装置的齿轮连接；螺旋循环搅拌复合装置和螺旋挤压装置的坩埚周围设有感应加热线圈；圆锥台状坩埚截面呈倒梯形；与齿轮连接的螺旋搅拌桨伸入螺旋循环搅拌复合装置的圆锥台状坩埚型腔内，与齿轮连接的螺旋挤压杆伸入螺旋挤压装置的圆锥台状坩埚型腔内；螺旋循环搅拌复合装置的型腔最下方设有滑块，实现复合熔体的螺旋循环搅拌或进入螺旋挤压装置的调节；循环管道位于螺旋循环搅拌复合装置坩埚的外部，螺旋循环搅拌复合装置的型腔的底部通过循环管道与型腔的顶部连通；螺旋挤压装置的挤出端与模具相连。

【技术特征摘要】
1.一种高强韧纳米颗粒增强铝基复合材料的制备装置，其特征在于，所述制备装置包括螺旋循环搅拌复合装置、螺旋挤压装置和模具，螺旋循环搅拌复合装置、螺旋挤压装置和模具依次连通；电机通过传动装置分别与螺旋循环搅拌复合装置和螺旋挤压装置的齿轮连接；螺旋循环搅拌复合装置和螺旋挤压装置的坩埚周围设有感应加热线圈；圆锥台状坩埚截面呈倒梯形；与齿轮连接的螺旋搅拌桨伸入螺旋循环搅拌复合装置的圆锥台状坩埚型腔内，与齿轮连接的螺旋挤压杆伸入螺旋挤压装置的圆锥台状坩埚型腔内；螺旋循环搅拌复合装置的型腔最下方设有滑块，实现复合熔体的螺旋循环搅拌或进入螺旋挤压装置的调节；循环管道位于螺旋循环搅拌复合装置坩埚的外部，螺旋循环搅拌复合装置的型腔的底部通过循环管道与型腔的顶部连通；螺旋挤压装置的挤出端与模具相连。2.如权利要求1所述的一种高强韧纳米颗粒增强铝基复合材料的制备装置，其特征在于，所述的螺旋循环搅拌复合装置的坩埚为石墨坩埚；所述的螺旋挤压装置的坩埚为耐热模具钢坩埚；所述挤出端模具材料为耐热模具钢。3.如权利要求1所述的一种高强韧纳米颗粒增强铝基复合材料的制备装置，其特征在于，所述螺旋循环搅拌复合装置的坩埚、感应加热线圈、循环管道和滑块均位于承重保温外壁的内部；所述螺旋挤压装置的坩埚和感应加热线圈位于承重保温外壁的内部。4.如权利要求1所述的一种高强韧纳米颗粒增强铝基复合材料的制备装置，其特征在于，所述的螺旋循环搅拌复合装置的螺旋搅拌桨和坩埚采用石墨制成，其中搅拌桨螺旋节距20～30mm、桨叶厚为5～8mm、转速通常为10～50r/min；圆锥台状坩埚内腔顶端直径为300～1500mm底端直径为20～100mm。5.如权利要求1所述的一种高强韧纳米颗粒增强铝基复合材料的制备装置，其特征在于，所述的螺旋挤压装置的螺旋挤压杆采用耐热模具钢，其中螺旋挤压杆的螺距30～50mm、螺纹厚度为10～20mm、转速通常为20～100r/min；圆锥台状坩埚内腔顶端直径为100～500mm底端直径为10...

【专利技术属性】
技术研发人员：怯喜周，武林，黄烁铭，彭艳杰，陈刚，赵玉涛，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32