一種復(fù)相增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的成形系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高性能金屬材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種復(fù)相增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的成形系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]噴射成形是一種快速凝固成形工藝，其過(guò)程是將熔融金屬霧化成10?200微米的金屬熔滴，然后在高速氣流的帶動(dòng)下，微小熔滴直接噴射在較冷的接收器上形成對(duì)應(yīng)產(chǎn)品。與鑄造工藝相比，所成形的材料具有細(xì)小等軸晶、均質(zhì)無(wú)偏析的微觀結(jié)構(gòu);與快速凝固粉末冶金工藝相比，噴射成形坯件具有氧含量低、綜合力學(xué)性能優(yōu)越、成形所需工序少及生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)。此外，噴射坯件也不存在堆焊或熱噴涂等液態(tài)表面加工技術(shù)中不可避免的表面缺陷，近年來(lái)噴射成形技術(shù)也被逐漸引入到制備金屬基復(fù)合材料的領(lǐng)域。
[0003]噴射沉積技術(shù)最早由Lavernia(E.J.Lavernia et a I ,Mater.Sc1.Eng.,A, 1988,98:381)等率先引入到制備金屬基復(fù)合材料的領(lǐng)域，提出了霧化共沉積技術(shù)，其基本原理是將增強(qiáng)相顆粒在氣體帶動(dòng)下吹入到金屬霧化錐中，增強(qiáng)顆粒與霧化熔滴一起在接收器上沉積成形，上述工藝存在問(wèn)題主要是增強(qiáng)顆粒注入霧化錐過(guò)程中會(huì)對(duì)金屬熔滴的沉積產(chǎn)生影響，同時(shí)顆粒分布的均勻性很難保證，從而影響材料的性能。同時(shí)當(dāng)前對(duì)于噴射共沉積技術(shù)的研究主要集中于非連續(xù)增強(qiáng)體金屬基復(fù)合材料，對(duì)連續(xù)增強(qiáng)體增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的研究較少，而通過(guò)噴射成形技術(shù)制備顆粒和晶須復(fù)相增強(qiáng)未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種復(fù)相增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的成形系統(tǒng)和方法，其能夠有效提高噴射成形過(guò)程中金屬熔體的霧化效率，提高增強(qiáng)相在基體中分布均勻性，同時(shí)能夠降低晶須與基體材料的結(jié)合缺陷。本發(fā)明提供成形系統(tǒng)和方法的技術(shù)路線先進(jìn)可靠、生產(chǎn)成本低、產(chǎn)品質(zhì)量易于控制。
[0005]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0006]—種復(fù)相增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的成形系統(tǒng)，包括氣-固兩相霧化噴射成形裝置和熱擠壓裝置兩部分；
[0007]所述氣-固兩相霧化噴射成形裝置包括真空室、中頻電源、粉倉(cāng)、球閥、氣體減速器、儲(chǔ)氣瓶、控制器、過(guò)噴粉末收集器、接收器、霧化噴嘴、感應(yīng)線圈、止通棒、直線電機(jī)、溫度傳感器、坩禍、電機(jī)控制器、溫度顯示終端、固定支架、隔板以及真空機(jī);其中隔板設(shè)置于真空室內(nèi)，將真空室隔成上下兩部分;霧化噴嘴、感應(yīng)線圈、止通棒、直線電機(jī)、溫度傳感器、坩禍及固定支架位于真空室的上半部分，其中坩禍通過(guò)其底部的螺紋通孔與霧化噴嘴相連，霧化噴嘴中心開(kāi)有一金屬導(dǎo)流通孔，感應(yīng)線圈纏繞于坩禍的外側(cè)，且與中頻電源相連;直線電機(jī)固定于所述固定支架上，并與電機(jī)控制器相連;止通棒與直線電機(jī)連接，且止通棒與霧化噴嘴的中心導(dǎo)流通孔以及坩禍底部的螺紋通孔共軸，在直線電機(jī)的控制下能夠沿其軸線上下移動(dòng)，通過(guò)控制其錐形端與坩禍底部的螺紋通孔分離或貼合控制熔融金屬的流下與否;溫度傳感器固定于所述固定支架上，并與溫度顯示終端相連，且溫度傳感器的感應(yīng)端伸入到坩禍內(nèi)；所述霧化噴嘴與置于真空室外部的儲(chǔ)氣瓶通過(guò)管路相連，氣體減速器位于所述儲(chǔ)氣瓶的出口處，所述連接管路上設(shè)有粉倉(cāng)，球閥位于所述粉倉(cāng)的出口處;接收器置于真空室的下半部分，所述接收器具有繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)及沿軸向上下運(yùn)動(dòng)兩個(gè)自由度，接收器與控制器相連，可以調(diào)節(jié)熔滴的飛行距離，使得到達(dá)沉積坯的熔滴的固相分?jǐn)?shù)保持在60%?70%范圍，過(guò)噴粉末收集器位于真空室的底部，真空機(jī)與所述真空室連通。
[0008]本發(fā)明為保證霧化沉積過(guò)程的順利進(jìn)行，熔體應(yīng)保持一定的過(guò)熱度，根據(jù)成形材料性質(zhì)而有所不同，一般范圍為30°C?200°C;噴嘴出氣口形狀可為L(zhǎng)aval型，以加速氣流。
[0009]所述熱擠壓裝置包括凸模、擠壓筒、擠壓墊、凹模、墊板、感應(yīng)電源、保溫體、加熱線圈以及溫度探頭。其中擠壓筒固定于墊板上，凹模位于擠壓筒內(nèi)，且?jiàn)A持于擠壓筒與墊板之間;保溫體環(huán)繞在擠壓筒外部，加熱線圈預(yù)封裝于保溫體內(nèi)部，加熱線圈通過(guò)導(dǎo)線與感應(yīng)電源相連，溫度探頭深入到擠壓筒內(nèi)部，對(duì)其溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并向感應(yīng)電源發(fā)出反饋信號(hào)控制感應(yīng)電源的開(kāi)關(guān)。
[0010]本發(fā)明擠壓筒與墊板固連在一起且可拆卸，方便更換夾持在兩者之間的凹模，通過(guò)更換具有不同直徑擠壓孔的凹模可以調(diào)節(jié)熱擠壓的擠壓比，控制材料的變形程度;保溫體環(huán)繞在擠壓筒外部，保溫體內(nèi)部預(yù)封裝有加熱線圈，加熱線圈通過(guò)導(dǎo)線與感應(yīng)電源相連。溫度探頭深入到擠壓筒內(nèi)部對(duì)其溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并向感應(yīng)電源發(fā)出反饋信號(hào)控制感應(yīng)電源的開(kāi)關(guān)。
[0011]—種基于復(fù)相增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的成形系統(tǒng)的成形方法，用于在密封真空室中噴射成形顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，并經(jīng)過(guò)后續(xù)熱擠壓工藝獲得顆粒和晶須復(fù)相增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，具體步驟為:
[0012]步驟1:噴射沉積前真空室首先抽真空至小于50Pa，然后回充惰性保護(hù)氣體(一般為氬氣)至70?90kPa;
[0013]步驟2:將陶瓷顆粒和金屬粉末按照設(shè)定比均勻混合放入粉倉(cāng)備用，開(kāi)啟中頻加熱電源，對(duì)坩禍中的金屬熔煉至一定過(guò)熱度；
[0014]步驟3:啟動(dòng)直線電機(jī)拉起止通棒，使熔融金屬沿霧化噴嘴的中心導(dǎo)流通孔流下進(jìn)入霧化區(qū)域，同時(shí)啟動(dòng)儲(chǔ)氣瓶中的霧化氣體，霧化氣體與粉倉(cāng)中流下的粉末混合后一起運(yùn)動(dòng)形成氣-固兩相均勻流，經(jīng)過(guò)霧化噴嘴加速后對(duì)具有一定過(guò)熱度的金屬進(jìn)行霧化，形成混合了增強(qiáng)顆粒和金屬熔滴的霧化錐；
[0015]步驟4:控制器控制接收器繞豎直軸線轉(zhuǎn)動(dòng)并緩慢下移，保持接收距離和角度，霧化錐中的增強(qiáng)顆粒和霧化熔滴在霧化氣體的帶動(dòng)下在接收器上沉積成形，形成增強(qiáng)相均布的沉積坯；
[0016]步驟5:將沉積坯加工成柱狀的擠壓件，在熱擠壓裝置上進(jìn)行擠壓致密化，擠壓過(guò)程中，金屬粉末在強(qiáng)烈三向應(yīng)力作用下被拉長(zhǎng)，形成晶須增強(qiáng)體，同時(shí)擠壓過(guò)程中陶瓷顆粒在基體中的分布規(guī)律也被進(jìn)一步被均勻化。
[0017]本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0018](I)本發(fā)明采用氣-固兩相均勻流作為霧化介質(zhì)，在提高霧化效率的同時(shí)可以提高增強(qiáng)相分布的均勻性。
[0019](2)本發(fā)明的噴射成形裝置和方法，可直接生產(chǎn)陶瓷顆粒和金屬晶須復(fù)相增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，晶須增強(qiáng)相的產(chǎn)生采用熱擠壓致密化的方式，在去除沉積孔隙的同時(shí)，獲得了晶須增強(qiáng)相。
[0020](3)晶須增強(qiáng)相的成本較低，能夠避免增強(qiáng)體與基體合金的界面反應(yīng)，有很好的結(jié)合強(qiáng)度。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1是為本發(fā)明提供的氣-固兩相霧化噴射成形裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2是為本發(fā)明提供的熱擠壓裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖中:I為真空室，2為中頻電源，3為粉倉(cāng)，4為球閥，5為氣體減速器，6為儲(chǔ)氣瓶，7為控制器，8為過(guò)噴粉末收集器，9為接收器，10為霧化噴嘴，11為感應(yīng)線圈，12為止通棒，13為直線電機(jī)，14為溫度傳感器，15為坩禍，16為電機(jī)控制器，17為溫度顯示終端，18為固定支架，19為隔板，20為真空機(jī)，21為凸模，22為擠壓筒，23為擠壓墊，24為擠壓件，25為凹模，26為墊板，27為感應(yīng)電源，28為保溫體，29為線圈，30為溫度探頭。
具體實(shí)施例
[0024]現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
[0025]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明按照噴射成形將金屬液流霧化成細(xì)小顆粒并沉積成形的基本原理，結(jié)合擠壓致密化后處理工藝，提出了一種復(fù)相增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料坯件的成形方法，基本原理是:(I)利用具有一定壓力的惰性氣體與增強(qiáng)顆?；旌喜?duì)其進(jìn)行加速，利用混合了增強(qiáng)顆粒的高速惰性氣體作為霧化介質(zhì)，即為對(duì)金屬熔體進(jìn)行氣-固兩相霧化，與單獨(dú)采用惰性氣體霧化相比提高了霧化介質(zhì)的密度、動(dòng)量和沖擊力，同時(shí)改變普通霧化的破碎機(jī)理，實(shí)現(xiàn)多種破碎模式，能夠起到提高霧化效率、降低惰性氣體的消耗量的效果。霧化完成后，增強(qiáng)顆粒均勻彌散在霧化熔滴中，最后增強(qiáng)顆粒與霧化熔滴一起在接收器上沉積凝固，獲得增強(qiáng)顆粒均勻分布金屬基復(fù)合材料坯體；(2)上述增強(qiáng)顆粒是陶瓷顆粒和金屬粉末(如Al、N1、Ti等)的混合體，由于噴射成形本身工藝特點(diǎn)，成形材料一般具有I?10 %的孔隙，需要進(jìn)行后續(xù)的致密化工藝才能作為功能材料使用，本發(fā)明選用熱擠壓方式進(jìn)行致密化處理。熱擠壓過(guò)程中材料流經(jīng)凹模中心孔時(shí)，金屬粉末在強(qiáng)烈三向應(yīng)力作用下被拉長(zhǎng)為細(xì)長(zhǎng)晶須，獲得了連續(xù)纖維增強(qiáng)體，該過(guò)程中晶須材料一直包裹在基體材料內(nèi)部，與外界環(huán)境無(wú)接觸，因此不存在界面反應(yīng)和氧化現(xiàn)象。
[0026]本實(shí)施例復(fù)相增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的成形系統(tǒng)包括氣-固兩相霧化噴射成形裝置和熱擠壓裝置兩部分。
[0027]如圖1所示，氣-固兩相霧化噴射成形裝置包括真空室1、中頻電源2、粉倉(cāng)3、球閥4、氣體減速器5、儲(chǔ)氣瓶6、控制器7、過(guò)噴粉末收集器8、接收器9、霧化噴嘴10、感應(yīng)線圈11、止通棒12、直線電機(jī)13、溫度傳感器14、坩禍15、電機(jī)控制器16、溫度顯示終端17、固定支架18、隔板19以及真空機(jī)20。真空罐I內(nèi)部空間被隔板19分為相互貫通的上下兩部分，上部是金屬熔煉室，下部是霧化沉積室。其中霧化噴嘴1，感應(yīng)線圈11、止通棒12，直線電機(jī)13，溫度傳感器14、坩禍15以及固定支架18位于真空室I的上半部分的熔煉室，坩禍2位于真空罐I上半部分的中心位置，