一种用于制备金属基复合材料坯料的连续铸造方法技术

本发明专利技术涉及金属基复合材料的制备领域，公开了一种用于制备金属基复合材料坯料的连续铸造方法，方法包括以下步骤，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；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；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；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。本发明专利技术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。

A Continuous Casting Method and Device for Preparing Metal Matrix Composites

The invention relates to the preparation field of metal matrix composites, and discloses a continuous casting method and device for metal matrix composites billet. The method comprises the following steps: providing a container, including an inner chamber, as well as a first opening and a second opening connected respectively with the inner chamber; submerging the first opening of metal matrix composites slurry, and the liquid surface of metal matrix composites slurry. A cavity connected with the second opening is provided; inert pressure gas is injected into the cavity through the second opening to extrude the metal matrix composite slurry from the first opening; and the extruded metal matrix composite slurry is cooled to obtain the metal matrix composite blank. The pressure gas is used as the power source to push the slurry extrusion, and the pressure is applied to all the slurries through the uniform application of the liquid level. Compared with the existing technology, the breakage phenomenon can be effectively reduced, and it is suitable for continuous casting of composite materials and helps to improve the production efficiency of composite materials.

【技术实现步骤摘要】
一种用于制备金属基复合材料的连续铸造方法及其装置
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术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。本专利技术还提供了一种金属基复合材料坯料的连续铸造装置。本专利技术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。本专利技术的有益效果是：本专利技术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专利技术进一步说明。图1是本专利技术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是本专利技术第二实施例的结构拆分图；图4是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术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专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本专利技术的目的、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，本专利技术中所使用的上、下、左、右、前、后等描述仅仅是相对于附图中本专利技术各组成部分的相互位置关系来说的。此外，除非另有定义，本文所使用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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所述第一开口，且金属基复合材料浆液的液面上方具有与所述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，以将所述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。

【技术特征摘要】
1.一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所述第一开口，且金属基复合材料浆液的液面上方具有与所述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，以将所述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。2.根据权利要求1所述的金属基复合材料坯料的连续铸造方法，其特征在于，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：在所述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，经搅拌后获得所述金属基复合材料浆液。3.根据权利要求1所述的金属基复合材料坯料的连续铸造方法，其特征在于，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，经搅拌后获得所述金属基复合材料浆液，再将所述金属基复合材料浆液转移至所述容器内。4.根据权利要求3所述的金属基复合材料坯料的连续铸造方法，其特征在于，将所述金属基复合材料浆液转移至所述容器内的方法为：将所述坩埚倾转，使得坩埚内的金属基复合材料浆液注入所述容器；或者，设置流道，该流道分别连接所述坩埚与容器；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。5.根据权利要求2至4中任一项所述的金属基复合材料坯料的连续铸造方法，其特征在于，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。6.根据权利要求2至4中任一项所述的金属基复合材料胚料的连续铸造方法，其特征在于，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。7.根据权利要求1至4中任一项所述的金属基复合材料胚料的连续铸造方法，其特征在于，所述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，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：李丘林，束国刚，刘伟，王靓，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44