权利要求
送丝机(1);
炉体(2)，所述炉体(2)与送丝机(1)之间设置有感应加热线圈(11)，所述炉体(2)内部设置有搅拌组件(22);
流床(3)，所述流床(3)上设置有若干超声振动组件(31);
若干铸型机(4)，其包括沿熔体流动方向依次设置的电磁搅拌机构(41)以及结晶器(42)，所述电磁搅拌机构(41)与流床(3)连通;
所述结晶器(42)包括沿熔体流动方向依次设置的塑体石墨环(421)以及多孔石墨环(422)，所述多孔石墨环(422)内部形成连通通道用于流通并输出介质以在多孔石墨环(422)内环表面形成约束熔体的膜状介质层。
2.根据权利要求1所述的一种铝基复合材料半连续铸棒的制备装置，其特征在于，所述送丝机(1)包括电机(12)以及传送轴(13)，所述传送轴(13)与电机(12)的输出轴固定连接，丝材卷绕在传送轴(13)上。
3.根据权利要求1所述的一种铝基复合材料半连续铸棒的制备装置，其特征在于，所述流床(3)包括汇流盘(32)以及分流盘(33)，所述汇流盘(32)的底壁深度大于分流盘(33)的底壁深度。
4.根据权利要求1所述的一种铝基复合材料半连续铸棒的制备装置，其特征在于，所述超声振动组件(31)包括第一超声探头(311)以及第二超声探头(312)，若干所述第一超声探头(311)设置于流床(3)的底壁，所述第二超声探头(312)从铸型机(4)顶部伸入熔体至电磁搅拌机构(41)。
5.根据权利要求1所述的一种铝基复合材料半连续铸棒的制备装置，其特征在于，所述电磁搅拌机构(41)包括石墨导流管(411)以及电磁搅拌线圈(412)，所述石墨导流管(411)与流床(3)连通，所述电磁搅拌线圈(412)设置于石墨导流管(411)的外围。
6.根据权利要求1所述的一种铝基复合材料半连续铸棒的制备装置，其特征在于，所述多孔石墨环(422)包括通水进口以及通气进口，通水进口以及通气进口均与多孔石墨环(422)内部的连通通道连通。
7.根据权利要求1所述的一种铝基复合材料半连续铸棒的制备装置，其特征在于，所述塑体石墨环(421)沿熔体流动方向形成口径逐渐减小的缩口状结构。
8.根据权利要求1所述的一种铝基复合材料半连续铸棒的制备装置，其特征在于，所述流床(3)设置有加热组件(34)。
9.一种铝基复合材料半连续铸棒的制备方法，采用如权利要求1至8任一项所述的制备装置进行制备，其特征在于，包括以下步骤：
S1、铝合金熔体在惰性气体氛围下升温至液相线上20℃~50℃，将铝基复合材料丝材加热至480℃~520℃送入熔体并搅拌;
S2、搅拌后的熔体流入铸型机(4)的过程中进行超声振动处理，振动频率为25kHz~34kHz，功率密度为0.3W/cm2~0.35W/cm2;
S3、熔体进入铸型机(4)开始铸造，启动电磁搅拌机构(41)使熔体处于旋转搅拌状态，熔体在塑体石墨环(421)区域进行初步冷却凝壳;
S4、铸造长度在200mm~400mm时，多孔石墨环(422)开启送水和通气并在内环形成介质膜，气压控制在0.4MPa~0.6MPa，冷却水流量控制为450L/min~550L/min，连铸速度控制在190mm/min~260mm/min;
S5、在二次冷却水作用下进行持续冷却，铸造过程结束获得铝基复合材料铸棒。
说明书
技术领域
[0001]本发明属于复合材料生产领域，具体是一种铝基复合材料半连续铸棒的制备装置及方法。
背景技术
[0002]金属基复合材料是满足信息时代高速发展所提出的新型材料。金属基复合材料在发挥基体材料优良性能的基础上还具有其它组原材料的特点，特别是它能充分发挥各组成材料的协同作用。颗粒增强铝基复合材料是金属基复合材料中具有广泛应用前景的一种新型高性能材料，由于其优异的高温性能、高耐磨性、高比刚度等力学性能和良好的可加工性等优点，已经在航空航天、汽车、军工、电力运输、机械制造等行业结构材料或功能结构材料得到了广泛的应用。铝基复合材料前期铸棒或铸锭的铸造成型工艺决定了铸坯的质量，对复合材料的后续加工及最终性能会产生重要的影响。
[0003]随着铝基复合材料的研究深入和应用领域的扩大，铝基复合材料铸棒(铸锭)的需求也不断增加。目前，比较成功的铝基复合材料制备方法有粉末冶金法、铝液浸渗法和搅拌铸造法。铝基复合材料粉末冶金法制备大尺寸铸锭，需要热等静压设备，设备昂贵、生产工艺复杂、成本高。铝液浸渗法是一种低成本的金属基复合材料方法，但随着锭坯尺寸变大，方法的适应性变得困难。
[0004]公开号为CN1727505A的专利提供了一种原位颗粒增强铝基复合材料的制备方法，该方法将原位颗粒增强铝基复合材料熔体浇铸到铸模中获得铝基复合材料铸锭，受到铸模尺寸以及铸模冷却能力的限制，难以制备晶粒细小、颗粒分布均匀的大尺寸铸锭，该专利的技术方案难以在大规模工业化生产中推广生产。
[0005]公开号为CN103240402A的专利提供了一种颗粒增强铝基复合材料铸锭的生产方法，该方法将小球型多孔体自然堆积于铸造模具内腔，用真空-压力浸渗金属液的方法生产铸坯，该方法制备的颗粒增强铝基复合材料铸坯致密度较低，导致材料后续加工产品性能偏低。
发明内容
[0006]本发明的目的在于提供一种铝基复合材料半连续铸棒的制备装置及方法，以解决上述现有技术中提出的问题。
[0007]提供一种铝基复合材料半连续铸棒的制备装置，包括：
送丝机;
炉体，所述炉体与送丝机之间设置有感应加热线圈，所述炉体内部设置有搅拌组件;
流床，所述流床上设置有若干超声振动组件;
若干铸型机，其包括沿熔体流动方向依次设置的电磁搅拌机构以及结晶器，所述电磁搅拌机构与流床连通;所述结晶器包括沿熔体流动方向依次设置的塑体石墨环以及多孔石墨环，所述多孔石墨环内部形成连通通道用于流通并输出介质以在多孔石墨环内环表面形成约束熔体的膜状介质层。
[0008]作为本发明进一步的方案：所述炉体侧壁设置有出液口。
[0009]作为本发明进一步的方案：所述送丝机包括电机以及传送轴，所述传送轴与电机的输出轴固定连接，丝材卷绕在传送轴上。送丝机送丝时，电机驱动传送轴旋转，将卷绕在传送轴上的丝材自然垂落，实现匀速送丝，精确控制送料量。
[0010]作为本发明进一步的方案：所述炉体连通有惰性气体输送组件。使炉体内的铝合金熔体与铝基复合材料丝材在惰性气体氛围下混合搅拌形成铝基复合材料熔体，防止熔体氧化。
[0011]作为本发明进一步的方案：所述流床包括汇流盘以及分流盘，所述汇流盘的底壁深度大于分流盘的底壁深度。在汇流盘上积聚的熔体深度较深，炉体上的出液口开启后，熔体灌注在汇流盘上获得缓冲，避免熔体飞溅。分流盘上的熔体深度较浅，避免超声振动组件的超声波衰减导致表层熔体无法进行振动搅拌作用。
[0012]作为本发明进一步的方案：所述超声振动组件包括第一超声探头以及第二超声探头，若干所述第一超声探头设置于流床的底壁，所述第二超声探头从铸型机顶部伸入熔体至电磁搅拌机构。第一超声探头在流床区域对熔体进行超声振动作用，第二超声探头在铸型机内的电磁搅拌区域对熔体进行超声振动作用，有效避免增强相在该部分区域发生剧烈团聚现象。
[0013]作为本发明进一步的方案：所述电磁搅拌机构包括石墨导流管以及电磁搅拌线圈，所述石墨导流管与流床连通，所述电磁搅拌线圈设置于石墨导流管的外围。石墨导流管所用的石墨材料性质稳定，在冷却铸造前形成一段搅拌区域并进行初步铸型。电磁搅拌线圈通过电磁感应作用对熔体进行电磁搅拌，使增强相与铝合金熔体在进入结晶器前实现均匀弥散分布。此外，电磁搅拌的过程中能补偿熔体热量，控制熔体的铸造温度在合适范围内。
[0014]作为本发明进一步的方案：所述多孔石墨环包括通水进口以及通气进口，通水进口以及通气进口均与多孔石墨环内部的连通通道连通。通水进口向多孔石墨环输入冷却水，通气进口向多孔石墨环输入气体，冷却水和气体在多孔石墨环内混合后输出形成“汽膜”，气体通过气压对熔体形成约束，冷却水对熔体进行冷却，实现非接触式铸棒铸造。
[0015]作为本发明进一步的方案：所述塑体石墨环沿熔体流动方向形成口径逐渐减小的缩口状结构。熔体经过塑体石墨环的初步冷却后形成凝壳，此时该区域的熔体处于半液相半固相的状态，具备了一定的强度，经过缩口结构的限位和口径过渡增强了熔体与铸棒之间过渡区域的连接强度，避免铸棒持续生成后过渡区域断裂，影响成品质量。
[0016]作为本发明进一步的方案：所述流床设置有加热组件。加热组件用于在熔体输入至流床前对流床进行预热，避免熔体快速降温导致凝固。
[0017]本发明另一方面提供了一种铝基复合材料半连续铸棒的制备方法，采用上述制备装置进行制备，包括以下步骤：
S1、炉体内铝合金熔体在惰性气体氛围下升温至液相线上20℃~50℃，启动送丝机将铝基复合材料丝材经过感应加热线圈加热至480℃~520℃送入熔体进行搅拌;
S2、打开炉体的出液口，熔体经过流床流入铸型机的过程中启动超声振动组件，振动频率为25kHz~34kHz，功率密度为0.3W/cm2~0.35W/cm2;
S3、熔体进入铸型机开始铸造，启动电磁搅拌机构使熔体处于旋转搅拌状态，熔体在塑体石墨环区域进行初步冷却凝壳;
S4、铸造长度在200mm~400mm时，多孔石墨环开启送水和通气并在内环形成介质膜，气压控制在0.4MPa~0.6MPa，冷却水流量控制为450L/min~550L/min，连铸速度控制在190mm/min~260mm/min;
S5、在二次冷却水作用下进行持续冷却，铸造过程结束获得铝基复合材料铸棒。
[0018]作为本发明进一步的方案：在步骤S2中，打开炉体出液口之前，流床通过加热组件预热至300℃~500℃。在该温度下熔体与流床接触后不会发生急速降温情况，并在熔体输送向铸型机前有效维持熔体温度。
[0019]作为本发明进一步的方案：熔体在电磁搅拌机构区域搅拌的过程中铸造温度控制在630℃~ 650℃。
[0020]与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明通过设计一套熔料-多级搅拌分散-结晶的制备装置，将铝基复合材料的搅拌混合工艺与结晶铸棒工艺结合，通过惰性气体保护下的强剪切搅拌实现铝基复合材料熔体的制备，通过在流床区域施加超声振动以及在铸型机内施加电磁搅拌使得增强相弥散分布，通过结晶器铸型以获得增强相分散均匀、复合材料铸棒内外组织一致的高质量铝基复合材料铸棒。
[0021]2、熔体经过搅拌后先经过塑体石墨环进行初步冷却凝壳。多孔石墨环输出形成的膜状介质层对熔体实现定型和持续冷却，形成铝基复合材料铸棒。
附图说明
[0022]为了更清楚地说明本附图实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本附图的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
[0023]图1为铝基复合材料半连续铸棒的制备装置的整体结构示意图;
图2为本发明提供的铸型机的结构示意图;
图3为由实施例1制备的3wt%CNTs/6061铝基复合材料铸棒的显微组织图;
图4为普通连铸工艺制备的3wt%CNTs/6061铝基复合材料铸棒的显微组织图。
[0024]图中：1、送丝机;11、感应加热线圈;12、电机;13、传送轴;2、炉体;21、出液口;22、搅拌组件;3、流床;31、超声振动组件;311、第一超声探头;312、第二超声探头;32、汇流盘;33、分流盘;34、加热组件;4、铸型机;41、电磁搅拌机构;411、石墨导流管;412、电磁搅拌线圈;42、结晶器;421、塑体石墨环;422、多孔石墨环;5、惰性气体输送组件。
具体实施方式
[0025]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0026]显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本发明应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本发明揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本发明公开的内容不充分。
[0027]但是会有省略不必要的详细说明的情况。例如，有省略对已众所周知的事项的详细说明、实际相同结构的重复说明的情况。这是为了避免以下的说明不必要地变得冗长，便于本领域技术人员的理解。此外，附图及以下说明是为了本领域技术人员充分理解本发明而提供的，并不旨在限定权利要求书所记载的主题。
[0028]请参阅图1-图2所示，本发明实施例中，一种铝基复合材料半连续铸棒的制备装置，包括送丝机1、炉体2、流床3以及若干铸型机4。炉体2与送丝机1之间设置有感应加热线圈11，炉体2侧壁设置有出液口21，炉体2内部设置有搅拌组件22。流床3上设置有若干超声振动组件31。若干铸型机4包括沿熔体流动方向依次设置的电磁搅拌机构41以及结晶器42，电磁搅拌机构41与流床3连通。
[0029]制备时，开启送丝机1将高体分铝基复合材料丝材送入感应加热线圈11进行感应加热，丝材从感应加热线圈11送出后进入炉体2内与熔体混合，同时开启搅拌组件22进行强剪切搅拌。炉体2连通有惰性气体输送组件5，丝材与铝合金熔体在惰性气体氛围下进行混合，避免氧化。送丝机1包括电机12以及传送轴13，电机12启动带动传送轴13旋转使卷绕在传送轴13上的丝材定速输送。该机构可以根据生产的复合材料铸棒中增强体所占比例控制高体分铝基复合材料丝材加入熔体的速度。
[0030]完成复合材料熔体制备后，流床3通过加热组件34提前预热至300℃~500℃，打开出液口21使熔体倾倒在流床3上，经过预热后的流床3对熔体起到保温作用，避免熔体初凝。加热组件34可使用电阻加热的方式从流床3底部加热。流床3包括汇流盘32以及分流盘33，具有较深底壁的汇流盘32对倾倒的熔体起到缓冲作用，避免熔体飞溅，具有较浅底壁的分流盘33可具有0.5°~3°的倾角将熔体往各个铸型机4方向引导。
[0031]熔体在流床3上的流经区域设置有多个超声振动组件31，在该区域范围对熔体起到强烈的振动作用，有效避免增强相在该区域发生剧烈团聚现象。熔体进入铸型机4后首先通过电磁搅拌机构41进行电磁搅拌，使增强相与铝合金熔体在进入结晶器42前实现均匀弥散分布，并利用电磁感应作用对熔体实现热量补偿。
[0032]进一步地，超声振动组件31包括第一超声探头311以及第二超声探头312。若干第一超声探头311设置于流床3的底壁，第二超声探头312从铸型机4顶部伸入熔体至电磁搅拌机构41。第一超声探头311在流床3区域对熔体进行超声振动作用，第二超声探头312在铸型机4内的电磁搅拌区域对熔体进行超声振动作用，使熔体在铸造前始终避免发生团聚以维持均匀的弥散状态。
[0033]电磁搅拌机构41由石墨导流管411以及电磁搅拌线圈412组成，石墨导流管411由石墨材料制成，与熔体之间不发生反应且不易粘附，且不会干涉电磁搅拌线圈412的电磁搅拌作用。
[0034]熔体经过电磁搅拌机构41的搅拌后进入结晶器42进行降温铸型。结晶器42包括塑体石墨环421以及多孔石墨环422，塑体石墨环421以及多孔石墨环422均由石墨材料制成。熔体先经过塑体石墨环421进行初步冷却凝壳，再经过多孔石墨环422进行持续冷却铸棒。多孔石墨环422内部具有多孔道结构并在内环上具有多个输出孔，输出的介质在内环形成的膜状介质层能对熔体形成约束作用，防止熔体与多孔石墨环422接触。同时持续输出的介质能带走熔体表面热量，对熔体进行持续降温。
[0035]在另一个实施例中，结晶器42可以由两个石墨环组成，位于上部的石墨环与塑体石墨环421功能作用相同，两个石墨环之间设置通孔，通孔引导介质的输出方向沿着下部石墨环的表面并在下部石墨环的内环表面形成汽膜。该介质输出方法所使用的石墨环结构简单，气压控制更为稳定，但由于冷却水与气体缺乏多孔结构的混合，混合均匀度不佳，所形成的汽膜状态不稳定，相比于多孔石墨环422对熔体的冷却均匀度不佳。
[0036]具体地，介质包括气体和冷却水，气体通过多孔石墨环422上的通气进口进入，冷却水通过多孔石墨环422上的通水进口进入，气体和冷却水在多孔石墨环422内部的多孔结构下混合，并在多孔石墨环422内环壁上的输出孔输出形成汽膜。气体通过气压对熔体形成约束，冷却水对熔体进行冷却，实现非接触式铸棒铸造。
[0037]进一步地，塑体石墨环421沿熔体流动方向形成口径逐渐减小的缩口状结构。熔体经过塑体石墨环421的初步冷却后形成凝壳，此时该区域的熔体处于半液相半固相的状态，具备了一定的强度，经过缩口结构的限位和口径过渡增强了熔体与铸棒之间过渡区域的连接强度，避免铸棒持续生成后过渡区域断裂，影响成品质量。
[0038]实施例1
步骤S1：炉体2内6061铝合金熔体在惰性气体氛围下升温至640℃，开启送丝机1将10wt%CNTs/Al铝基复合材料丝材送入感应加热线圈11，并将丝材加热至500℃后送入熔体，同时开启炉体2侧壁的搅拌组件22进行充分混合得到3wt%CNTs/6061铝基复合材料熔体。
[0039]步骤S2：打开出液口21进行连铸，熔体经过流床3流入铸型机4的过程中启动第一超声探头311和第二超声探头312，振动频率为30kHz，功率密度为0.3W/cm2。
[0040]步骤S3：熔体进入铸型机4开始铸造，启动电磁搅拌机构41使熔体处于旋转搅拌状态，熔体进入结晶器42前温度控制在630℃，然后熔体进入塑体石墨环421区域进行初步冷却凝壳。
[0041]步骤S4：铸造长度在300mm时，多孔石墨环422通入冷却水和气体并在多孔石墨环422的内环形成汽膜，气压控制在0.5MPa，冷却水流量控制为550L/min，连铸速度控制在200mm/min。
[0042]步骤S5：在二次冷却水作用下进行持续冷却，铸造过程结束获得碳纳米管均匀分散的碳纳米管增强铝基复合材料铸棒。
[0043]请参阅图3和图4所示，图3为采用本发明制备装置和制备方法制备的3wt%CNTs/6061铝基复合材料铸棒的显微组织，图4为采用普通连铸工艺制备的3wt%CNTs/6061铝基复合材料铸棒的显微组织，相较于图4中的显微组织状态，本发明获得的铝基复合材料铸棒的增强相均匀弥散分布，组织得到明显改善。
[0044]需要说明的是，本发明不限定于上述实施方式。上述实施方式仅为示例，在本发明的技术方案范围内具有与技术思想实质相同的构成、发挥相同作用效果的实施方式均包含在本发明的技术范围内。此外，在不脱离本发明主旨的范围内，对实施方式施加本领域技术人员能够想到的各种变形、将实施方式中的一部分构成要素加以组合而构筑的其它方式也包含在本发明的范围内。
说明书附图(4)
