本发明专利技术属于铸造金属基复合材料技术领域，具体涉及一种金属基复合材料的制备装置、方法及材料。本发明专利技术公开的装置包含真空炉、搅拌装置与超声振动装置，其中，真空炉不仅保证了复合材料熔体搅拌浇铸过程的纯净，同时避免了搅拌和浇铸过程中发生卷气，而搅拌装置带来的强剪切搅拌作用实现了纳米颗粒的初步分散，保证了复合材料整体的一致性，与此同时，采用超声振动装置的空化效果打散熔体中存在的纳米颗粒团簇体，实现了有效的弥散分布，此外，铸模冷却装置与感应炉的相邻设计，可以精确调控纳米颗粒增强金属基复合材料的凝固特征，减少由于凝固速率慢导致的纳米颗粒团聚，而高过冷度促进了基体组织形核，最终制得组织细小、增强相弥散分布，不存在明显团聚的纳米颗粒增强金属基复合材料。并且该装置操作简单，适合工业化批量生产。批量生产。批量生产。
【技术实现步骤摘要】
金属基复合材料的制备装置、方法及材料
[0001]本专利技术属于铸造金属基复合材料
，具体涉及一种金属基复合材料的制备装置、方法及材料。
技术介绍
[0002]金属基复合材料(metal matrix composites)，简称MMCs，是以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工结合成的复合材料。其增强材料大多为无机非金属，如陶瓷、碳纳米管、石墨等，也可以用晶须。
[0003]铝基复合材料因具有比强度和比刚度高、耐疲劳、耐磨、阻尼性能好、热膨胀系数低等优异的理化性能，已成为最常用、最重要的金属基复合材料之一，其在交通运输、航空航天、电力输送、电子封装等领域具备广泛应用。例如日本Mazda公司制造的Al2O3/铝合金复合材料连杆，比钢质连杆轻35％，抗拉强度和疲劳强度分别达到560MPa和392MPa，且线性膨胀系数小。
[0004]为进一步提高铝基复合材料的性能，近年来科研工作者尝试将颗粒与铝合金粉混合用于制备颗粒增强铝基复合材料，制备方法包括如粉末冶金法、搅拌摩擦法、熔铸法、热喷涂法和其他创新方法。对于制备颗粒增强铝基复合材料而言，主要需考虑到以下几个方面问题：(1)需要实现颗粒增强相在铝基体中的均匀分布；(2)应避免增强相与铝之间发生不良界面反应并实现良好的界面结合；(3)制备方法应适于批量化生产。
[0005]为解决增强相与金属铝之间润湿性较差、两者间界面结合力较弱，增强相易发生团聚等问题，现有技术公开了在增强相镀覆铜、镍等金属层增加润湿性，或者采用超声波焊接技术，或者采用高能球磨、烧结、热挤压等方式方法，详见专利CN101914735A，CN109554565A。
[0006]然而上述方法存在工艺参数不可控，应用范围窄，工序繁琐、生产成本高，不适于批量化生产的技术问题。
技术实现思路
[0007]本专利技术的技术目的是至少解决现有技术制备金属基复合材料存在工艺参数不可控，应用范围窄，工序繁琐、生产成本高，不适于批量化生产等问题。
[0008]该目的是通过以下技术方案实现的：
[0009]第一方面，本专利技术公开了一种金属基复合材料的制备装置，所述装置包括：
[0010]真空炉、位于所述真空炉内部的感应炉与铸模冷却装置；其中，将感应炉设于真空炉内，不仅保证了复合材料熔体搅拌浇铸过程的纯净，同时避免了搅拌和浇铸过程中发生卷气。
[0011]所述感应炉上方布置有超声振动装置，所述超声振动装置包含工具头，所述超声振动装置用于带动所述工具头相较于所述感应炉在竖直方向做往复移动和/或周向转动；
[0012]所述感应炉的底部连接升降装置及第二传动装置，所述升降装置用于实现所述感
应炉在竖直方向的运动及带动所述感应炉的开口端朝向所述铸模空腔倾斜并将所述感应炉内合金熔体转移至所述铸模冷却装置内；所述第二传动装置用于带动所述感应炉进行周向转动；且所述工具头的周向转动方向与所述感应炉的周向转动方向不一致；
[0013]所述装置还包括搅拌装置。
[0014]在本专利技术的一些实施方式中，所述搅拌装置包含机械搅拌装置和电磁搅拌装置。而机械搅拌装置协同电磁搅拌装置带来的强剪切机械搅拌作用实现了纳米颗粒的初步分散，保证了复合材料整体的一致性。
[0015]在本专利技术的一些实施方式中，所述工具头为若干根，各所述工具头连接变幅杆一端，各所述变幅杆的另一端连接第一传动装置。
[0016]在本专利技术的一些实施方式中，所述工具头选择三根，三根所述工具头呈等边三角形排布，各所述工具头之间的距离为180～240mm，优选200mm。
[0017]在本专利技术的一些实施方式中，所述超声振动装置还包含连接所述变幅杆顶端的发生器，优选通过固定法兰相连；
[0018]所述发生器分别连接电刷与连接轴，所述连接轴连接所述第一传动装置；
[0019]所述第一传动装置包括第一电动丝杆，所述第一电动丝杆包括可沿竖直方向做往复运动的推杆一，所述推杆一连接水平布置的横梁，所述横梁与所述连接轴通过轴承连接。
[0020]在本专利技术的一些实施方式中，所述第二传动装置包括第二电动丝杆，所述第二电动丝杆的推杆二铰接旋转装置，所述旋转装置与所述感应炉卡扣连接；
[0021]所述升降装置包含若干个升降弹簧。
[0022]在本专利技术的一些实施方式中，所述超声振动装置还包括传动皮带，所述传动皮带连接传动轮；
[0023]所述真空炉连接抽真空装置。
[0024]在本专利技术的一些实施方式中，所述铸模冷却装置包含铸模空腔，所述铸模空腔由铸模侧壁围合形成，所述铸模侧壁上设有冷却通道；
[0025]在本专利技术的一些实施方式中，所述冷却通道上设有进水口与出水口。
[0026]第二方面，本专利技术公开了一种金属基复合材料的制备方法，所述方法在第一方面所述的装置中进行。
[0027]在本专利技术的一些实施方式中，所述方法包括如下步骤：
[0028]1)所述真空炉抽真空处理；
[0029]2)开启所述感应炉对合金原料加热熔化至液相线以上10～30℃制得合金熔体；
[0030]3)开启搅拌装置对所述合金熔体持续搅拌；
[0031]4)启动第二传动装置使感应炉周向转动，同时启动升降装置使感应炉内合金熔体的液面水平处与所述工具头顶端相接触并预热所述工具头，关闭升降装置，开启超声振动装置使所述工具头在合金熔体的液面水平处下方的100～200mm内做竖直方向的往复移动和周向转动；
[0032]5)停止超声振动装置，所述工具头停止周向转动并上升至原位，继续搅拌一段时间后关闭搅拌装置；
[0033]6)待所述合金熔体的温度降至液相线以上20℃时，打开所述铸模冷却装置的进水口与出水口待水冷均匀后，开启升降装置使所述感应炉的开口端朝向所述铸模冷却装置倾
斜并将所述感应炉内合金熔体转移至所述铸模冷却装置内；待转移完毕后所述感应炉回至原位继续重复上述步骤1)至6)。
[0034]在本专利技术的一些实施方式中，步骤3)中，所述搅拌装置的转速为800～1200rad/min，持续搅拌30～50min后关闭所述搅拌装置。
[0035]第三方面，本专利技术公开了一种金属基复合材料，所述材料由第一方面所述装置或第二方面所述方法制得，其中，所述材料包括铝基复合材料、镁基复合材料、铜基复合材料、铁基复合材料、锌基复合材料、镍基复合材料、钴基复合材料、钛基复合材料中的一种或两种或多种。
[0036]在本专利技术的一些实施方式中，所述金属基复合材料为SiC、Al2O3、TiB2、CNTs中的任意一种作为纳米颗粒复合在铝合金中制得纳米颗粒增强金属基复合材料。
[0037]本专利技术公开技术方案的有益效果主要体现在如下：
[0038]1、本专利技术设计的制备装置包含抽真空装置，不仅保证了复合材料熔体搅拌浇铸过程的纯净，同时避免了搅拌和浇铸过程中发生卷气，而机械搅拌装置协同电磁搅拌装置带来的强剪切机械搅拌作用实现本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种金属基复合材料的制备装置，其特征在于，所述装置包括：真空炉(100)、位于所述真空炉(100)内部的感应炉(200)与铸模冷却装置(300)；所述感应炉(200)上方布置有超声振动装置(400)，所述超声振动装置(400)包含工具头(400
‑
1)，所述超声振动装置(400)用于带动所述工具头(400
‑
1)相较于所述感应炉(200)在竖直方向做往复移动和/或周向转动；所述感应炉(200)的底部(200
‑
1)连接升降装置(500)及第二传动装置(600)，所述升降装置(500)用于实现所述感应炉(200)在竖直方向的运动及带动所述感应炉(200)的开口端(200
‑
2)朝向所述铸模冷却装置(300)倾斜并将所述感应炉(200)内合金熔体转移至所述铸模冷却装置(300)内；所述第二传动装置(600)用于带动所述感应炉(200)进行周向转动；且所述工具头(400
‑
1)的周向转动方向与所述感应炉(200)的周向转动方向不一致；所述装置还包括搅拌装置(700)。2.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述搅拌装置(700)包含机械搅拌装置(700
‑
1)和电磁搅拌装置(700
‑
2)；所述工具头(400
‑
1)为若干根，各所述工具头(400
‑
1)连接变幅杆(400
‑
2)一端，各所述变幅杆(400
‑
2)的另一端连接第一传动装置(400
‑
3)。3.根据权利要求2所述装置，其特征在于，所述工具头(400
‑
1)选择三根，三根所述工具头(400
‑
1)呈等边三角形排布，各所述工具头(400
‑
1)之间的距离为180～240mm，优选200mm。4.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述超声振动装置(400)还包含连接所述变幅杆(400
‑
2)顶端的发生器(400
‑
4)，优选通过固定法兰(400
‑
7)相连；所述发生器(400
‑
4)分别连接电刷(400
‑
5)与连接轴(400
‑
6)，所述连接轴(400
‑
6)连接所述第一传动装置(400
‑
3)；所述第一传动装置(400
‑
3)包括第一电动丝杆(400
‑
31)，所述第一电动丝杆(400
‑
31)包括可沿竖直方向做往复运动的推杆一(400
‑
32)，所述推杆一(400
‑
32)连接水平布置的横梁(400
‑
33)，所述横梁(400
‑
33)与所述连接轴(400
‑
6)通过轴承(400
‑
34)连接。5.根据权利要求1所述装置，其特征在于...
【专利技术属性】
技术研发人员：肖赢，徐骏，张桢林，张一弛，
申请(专利权)人：湖南文昌新材科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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