一种制备颗粒增强金属基复合材料的设备制造技术

一种制备颗粒增强金属基复合材料的设备，它包括：保温槽（７），在保温槽（７）内设有收集坩埚（９），坩埚内装有一副由相配合的动盘（１５）和定盘（１５）组成的磨盘，定盘固定在收集坩埚内，盘的中部设有一连杆（８），该连杆的一端接搅拌器（１４），连杆的中部连接动盘，定盘中设有一个熔化基材的加料口（１６－１）和一个增强材料的加料口（１６－３），该设备的底部设有出料口和导料管（１１）。本发明专利技术的优点在于磨盘对增强相颗粒进行碾磨处理，改善了其表面状况，强化了复合材料的界面结合，增强相在材料中的分散更为均匀，所制备的复合材料力学性能大幅度提高；可随意调整合金液与增强相的输入流量，制备出不同体积分数的复合材料；设备简单，制备速度快、制备成本低廉，而且该设备能够与现有的多种材料成形设备衔接，易于商业化生产。

Apparatus for preparing particle reinforced metal matrix composite

A process for preparing particle reinforced metal matrix composite device, it includes: (7), in the groove insulation insulation groove (7) is arranged in the collection of the crucible (9), a deputy from the crucible is matched with the movable plate (15) and the fixed plate (15) composed of fixed disk fixed on the disc, collect the crucible, the disc is arranged in the middle part of a connecting rod (8), and one end of the connecting rod connected with the stirrer (14), the connecting rod is connected with the middle plate, fixed disk is provided with a feed port of the melting of the substrate (16 - 1) and a reinforcing material feeding port (16 - 3), the bottom of the apparatus a discharge port and a feeding pipe (11). The invention has the advantages of grinding particles of the grinding process, improve its surface condition, strengthen the interface of composite materials with enhanced phase in the material dispersed more evenly, prepared by the mechanical properties of the composites increased greatly; adjustable liquid alloy and the reinforced phase input flow, system preparation of composite materials with different volume fraction; simple equipment, preparation speed, low manufacturing cost, and the device to a wide variety of existing materials forming equipment connection, easy commercial production.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于复合材料制备领域，特别提供了一种制备金属基复合材料的设备。技术背景近年来，轻金属结构材料(镁、铝等合金)的工程应用越来越受到重视，这主要得 益于该类材料的密度较小，所以在极为关注其产品自重的军事工业、汽车工业、电子工 业及航天航空工业等领域有极大的应用潜力。然而，轻金属结构材料较低的室温尤其是 高温力学性能及热性能却限制了其在上述领域中更广泛的应用。复合材料设计与制备技 术为突破这种应用限制提供了科学支持，采用轻金属基复合材料，既可以保持材料密度 小的优势，又能通过增强相的加入提高材料的力学性能。因此，同时具有低密度、高强 度、高模量和低热膨胀系数的轻金属基复合材料必将成为21世纪的高端应用结构材料， 有非常广泛的应用背景。在各种制备技术中，熔铸法被普遍认为是最适合工业化低成本制备金属基复合材料 的技术。最早出现的搅拌方法是旋涡法(F.A.Badia， D.F.Macdonald and J.R.Pearson, AFS Trans., 1971,vol79，p265 268)，工艺简单，但旋涡会使材料的吸气量增加，而且该方法 只适合于直径较大的颗粒(50 100^im);其后，Alcan公司于1988年专利技术了 Duralcon液 态金属搅拌法(US Patent 4759995)，在真空条件下，用多级叶片组成的搅拌器进行搅拌 混合，搅拌时液面只产生很小的旋涡，从而避免了气体的巻入，但是该方法也没有完全 解决增强颗粒与金属液之间的浸润问题，仍然存在增强相颗粒成团和偏聚的问题，此外， 该方法设备极为复杂，且只适用于直径大于10pm的颗粒。在国内，北京交通大学韩建 民等人(中国专利200510011526.0)专利技术了真空机械双搅拌铸造法。纵观熔铸法制备复 合材料的研究结果，可以看出仍存在以下两个关键问题1)增强相的均匀分散性问题 尚未完美解决。涡流搅拌及气体送粉引起的吸气、增强相与基体之间的不浸润性、增强 相的团聚等问题仍然存在；2)以往的制备方法往往只注重于增强相的均匀分散性，而 对增强相与基体间的界面结合状况考虑较少，事实上，金属基体与增强相之间的界面担 负着将载荷从基体传递至增强相的重任，是影响材料性能，进而制约材料应用一个重要 因素。
技术实现思路
本专利技术提供一种制备颗粒增强金属基复合材料的设备，采用本设备最终得到增强相 均匀分散、性能优良和成本低廉的复合材料。为达到上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案它包括保温槽，在保温槽内设 有收集坩埚，坩埚内装有一副相配合的动盘和定盘，定盘固定在收集坩埚内，盘的中部 穿有一连杆，该连杆的一端接搅拌器，连杆的中部连接动盘，定磨中设有一个熔化基材 的加料口和一个增强材料的加料口，该设备的底部设有出料口和导料管。本专利技术中，基体材料熔体和增强相同时通过一对旋转的磨盘，利用磨盘动盘和定盘之间的相对运动，使材料受到剪切和碾磨，以改善复合材料的界面状况和初步均匀分散，然后再用搅拌器对制备的复合材料进行二次均匀化处理，最终得到增强相均匀分散、性能优良和成本低廉的复合材料。动盘或定盘的截面形状为圆形、方形、椭圆形、菱形或其他形状，动盘和定盘的尺寸为5 1000mm。动盘和定盘啮合处形状为锯齿型、波浪型、螺旋型或其他形状。动 盘和定盘啮齿槽高为0.05~20mm，啮齿槽宽为0.05 20mm，啮齿槽的倾斜角为1~5度， 定盘和动盘的材质为耐热合金、高温合金、碳化硼或其他耐热耐磨耐高温合金或非金属 材料，或定盘和动盘盘身材料为普通耐热合金，高温合金或其他合金或非金属材料，而 啮合面材料为优质耐热合金、高温合金、碳化硼或其他金属或非金属耐热耐磨耐高温合 金，并经过喷涂、固体层积、渗碳、渗氮、渗硼或碳氮共渗等表面加工处理。定盘(15)和动盘(16)的材质为5Cr21Mn9Ni4N， 2Cr21Nil2N、 3Crl8Mnl2Si2N等奥氏体耐热钢，铁基、钴基和镍基等耐热耐高温合金或碳化硼等耐热耐高温材料。定盘(15)和动盘(16)啮合面材质为5Cr21Mn9Ni4N， 2Cr2皿12N、 3Crl8Mnl2Si2N等奥氏体耐热钢，铁基、钴基和镍基等耐热耐高温合金或碳化硼等耐热耐高温材料。与现有复合材料的制备技术和设备相比，本专利技术的优点在于(1) 磨盘对增强相颗粒进行碾磨处理，改善了其表面状况，强化了复合材料的界 面结合；(2) 增强相在材料中的分散更为均匀，所制备复合材料力学性能大幅度提高；；(3) 调整合金液与增强相的输入流量，可制备出不同体积分数的复合材料；(4) 制备工艺简单、加工速度快、加工成本大大降低，而且该设备能够与现有的 多种材料成形设备衔接，易于商业化生产。附图说明图1是本专利技术的颗粒增强金属基复合材料的设备示意图。 图2为磨盘定盘啮合面截面结构示意图。 图3为磨盘动盘啮合面截面结构示意图。图1中，1为基体材料熔化坩埚炉、2为熔化的基体材料、还有升降机构3、基 体材料静置坩埚4、阀门5、基体材料导流管6、保温槽7、连杆8、收集坩埚9、加热 件10、复合材料导流管11、阀门12、复合材料13、搅拌器14、磨盘动盘15、磨盘定 盘16、定位连接螺钉17、坩埚盖18、增强材料19、增强材料输送系统20和电机21。 图2、 3中，16-1为基体材料入口、 16-2连杆连接孔、16-3为增强材料入口。 具体实施例方式升降机构3用来自由调整基体材料熔化坩埚炉1的浇口与基体材料静置坩埚4之间 的距离以方便浇注，基体材料静置坩埚4的保温性能良好，能保证合金熔体有较高的控 温精度，控温精度为士5'C，基体材料静置坩埚4的底部开设阀门5与基体材料导流管6 相接，基体材料导流管6主要功能是从基体材料静置坩埚4中向磨盘动盘15和磨盘定 盘16中输送基体材料2，其下部通入磨盘动盘15和磨盘定盘16中心的啮合面处。增强材料输送系统20的主要功能是向磨盘动盘15和磨盘定盘16中输送增强材料， 其下部通入磨盘动盘15和磨盘定盘16中心的啮合面处。基体材料导流管6和增强材料 输送系统20可由保温性能良好的耐火材料、保温材料或非金属材料组成，也可通过铜、 钢等金属或非金属材料制作，并在外缠绕加热器，加热器可由电阻加热丝或电磁感应加 热器组成。收集坩埚9和坩埚盖18形成一个隔热的近乎密闭的保温系统置于保温材料7中，收 集坩埚9的外壁缠绕加热件10，该加热件为电阻加热丝或电磁感应方式。在收集柑埚9 的底部开口且设置一阀门12,阀门12用来控制制备完毕的复合材料向导流管的流动， 阀门12可通过手动或自动控制，复合材料导流管U连接于收集坩埚9的底部，复合材 料导流管ll的外部缠绕加热件，加热件可为电阻加热丝或电磁感应方式。磨盘由磨盘动盘15和磨盘定盘16组成，定盘和动盘的盘面截面如图2和图3所示， 动盘15和定盘16安装在连杆8的中心，在连杆8的顶端设置电机21，连杆8通过 电机21带动旋转，在连杆的底端为搅拌器14，搅拌器14与连杆8—起旋转，搅拌器为 叶片式旋转搅拌器、涡轮式旋转或其他形式的搅拌器。在电机21启动带动连杆8旋转 的时候，定盘16保持不动，动盘15和搅拌器14随连杆8—起旋转。旋转速度通过调 整电机21的转速来完成。在定盘16上设置定位连接螺钉17用来固定和连接定盘本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备颗粒增强金属基复合材料的设备，其特征在于：它包括：保温槽（７），在保温槽（７）内设有收集坩埚（９），坩埚内装有一副由相配合的动盘（１５）和定盘（１５）组成的磨盘，定盘固定在收集坩埚内，盘的中部设有一连杆（８），该连杆的一端接搅拌器（１４），连杆的中部连接动盘，定盘中设有一个熔化基材的加料口（１６－１）和一个增强材料的加料口（１６－３），该设备的底部设有出料口和导料管（１１）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐骏，张志峰，石力开，
申请(专利权)人：北京有色金属研究总院，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]