原位颗粒增强铝基复合材料的半连续铸造方法与流程

本发明涉及复合材料成形技术领域，具体地说，是一种原位颗粒增强铝基复合材料的半连续铸造方法。

背景技术：

铝基复合材料具有高比强度、高比模量和高比刚度，在航空航天、国防、工业等领域有着广泛的应用。颗粒增强铝基复合材料根据加工工艺的不同，分为颗粒增强铸造铝基复合材料和颗粒增强变形铝基复合材料。变形铝基复合材料的强度和延伸率等要明显高于铸造铝基复合材料。变形铝基复合材料的制备工艺是首先通过铸造获得复合材料铸锭，然后经过塑性成形加工得到复合材料型材、锻件等。前期锭坯的铸造成形工艺决定了锭坯的质量，对复合材料的后续加工及最终性能会产生重要的影响。因此铝基复合材料铸锭成形是变形铝基复合材料“控形控性”的基础。

经对现有技术文献的检索发现，公开号为CN1727505的中国专利，公开日为2006年2月1日，专利的发明名称为：原位颗粒增强铝基复合材料的制备方法。该专利是采用KBF₄、K₂TiF₆与铝反应制备原位颗粒增强铝基复合材料，该专利中将原位颗粒增强铝基复合材料熔体浇注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，该专利申请披露的技术方案难以在大规模工业化生产中推广应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种原位颗粒增强铝基复合材料的半连续铸造方法。本发明的方法具有装置简单，操作简便等优点，可制备晶粒细小、颗粒分布均匀的大尺寸原位颗粒增强铝基复合材料铸锭，适于铝基复合材料的大规模工业化生产，具有很好的实践应用价值。

本发明的目的在于提供一种原位颗粒增强铝基复合材料的半连续铸造方法，包括以下步骤：

步骤一，取原位陶瓷颗粒增强铝基复合材料，熔化，保温，得复合材料熔体；

步骤二，将复合材料熔体注入结晶器中，同时进行超声处理；

步骤三，当熔体在石墨环处凝固后，引锭头下降，同时开启冷却水对铸棒进行冷却；

步骤四，当引锭头下降到刮水板位置时，刮水板开始与铸棒表面接触，将冷却水从铸棒表面刮去；

步骤五，随着引锭头下降，铸棒缓慢进入加热炉中退火；

步骤六，铸造完成，吊起铸棒，得到铝基复合材料半连续铸棒。

优选地，其特征是，步骤一中，所述保温为在720-850℃下保温。

优选地，步骤二中，所述超声处理的频率为13-23kHz。

优选地，步骤二中，所述超声处理的功率为0.5-1.5kW。

优选地，步骤三中，所述引锭头下降的速度为每分钟20-60mm。

优选地，根据权利要求1所述的原位颗粒增强铝基复合材料的半连续铸造方法，其特征是，步骤四中，所述刮水板位于石墨环下方15-35mm。

优选地，根据权利要求1所述的原位颗粒增强铝基复合材料的半连续铸造方法，其特征是，步骤四中，所述冷却水的压力为0.1-0.3MPa。

优选地，根据权利要求1所述的原位颗粒增强铝基复合材料的半连续铸造方法，其特征是，步骤四中，所述冷却水的水温为20-40℃。

优选地，根据权利要求1所述的原位颗粒增强铝基复合材料的半连续铸造方法，其特征是，步骤五中，所述加热炉的温度为350-450℃。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明的方法通过对复合材料熔体进行超声处理，使原位颗粒在熔体中的分布更加均匀，同时对基体的晶粒也起到细化作用。将石墨环冷却与水冷相结合，保证了复合材料晶粒细小。采用刮水板将冷却水刮去，有助于降低表面与内部的温度梯度，减少热应力，避免铸锭开裂。在结晶器下方放置加热炉，能够及时对铸棒进行退火，降低铸造应力。本发明的半连续铸锭制备方法装置简单、易于控制、效率高，可实现晶粒细小、颗粒分布均匀的大尺寸铝基复合材料铸锭，为后续的塑性成形提供了性能稳定的锭坯。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例中半连续铸造方法使用装置的结构示意图；

图中，1为超声处理器，2为复合材料熔体，3为耐火材料，4为结晶器，5为石墨环，6为冷却水，7为刮水板，8为复合材料铸棒，9为加热炉，10为引锭头。

图2为，本发明实施例制备的铸棒的SEM照片图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例涉及一种原位颗粒增强铝基复合材料的半连续铸造方法，具体而言是制备直径为250mm的5％TiB₂/7075原位颗粒增强铝基复合材料铸棒。

本实施例的方法是用的装置结构示意图如图1所示，图中，1为超声处理器，2为复合材料熔体，3为耐火材料，4为结晶器，5为石墨环，6为冷却水，7为刮水板，8为复合材料铸棒，9为加热炉，10为引锭头。使用所述装置进行半连续铸造的方法包括如下步骤：

将5％TiB₂/7075原位颗粒增强铝基复合材料熔化，在720℃保温；

将复合材料熔体2注入结晶器4中，同时开始用超声处理器1进行超声处理，超声频率13kHz，功率0.5kW；所述结晶器4内部设置有耐火材料3；

当复合材料熔体2在石墨环5处凝固结壳后，引锭头10以20mm/min速度下降，同时开启冷却水6，对铸棒8进行冷却，冷却水温20℃，水压为0.1MPa；

刮水板7在石墨环下方15mm处开始与铸棒8表面接触，将冷却水从铸棒表面刮去；

引锭头继续下降，铸棒缓慢进入加热炉9中，加热炉温度为350℃；

铸造完成后，吊起铸棒，得到直径150mm的5％TiB₂/7075铝基复合材料半连续铸棒。

实施例2

本实施例涉及一种原位颗粒增强铝基复合材料的半连续铸造方法，具体而言是制备直径450mm的8％TiB₂/7050原位颗粒增强铝基复合材料铸棒。

本实施例的方法包括如下步骤：

将5％TiB₂/7075原位颗粒增强铝基复合材料熔化，在785℃保温；

将复合材料熔体注入结晶器中，同时开始超声处理，超声频率18kHz；功率1kW；

当熔体在石墨环处凝固结壳后，引锭头以40mm/min速度下降，同时开启冷却水，对铸棒进行冷却，冷却水温32℃，水压为0.2MPa；

刮水板在石墨环下方25mm处开始与铸棒表面接触，将冷却水从铸棒表面刮去；

引锭头继续下降，铸棒缓慢进入加热炉中，加热炉温度为400℃；

铸造完成后，吊起铸棒，得到直径350mm的8％TiB₂/7050铝基复合材料半连续铸棒。

实施例3

本实施例涉及一种原位颗粒增强铝基复合材料的半连续铸造方法，具体而言是制备直径800mm的10％TiB₂/7055原位颗粒增强铝基复合材料铸棒。

本实施例的方法包括如下步骤：

将10％TiB₂/7055原位颗粒增强铝基复合材料熔化，在850℃保温；

将复合材料熔体注入结晶器中，同时开始超声处理，超声频率23kHz，功率1.5kW；

当熔体在石墨环处凝固结壳后，引锭头以60mm/min速度下降，同时开启冷却水，对铸棒进行冷却，冷却水温40℃，水压为0.3MPa；

刮水板在石墨环下方35mm处开始与铸棒表面接触，将冷却水从铸棒表面刮去；

引锭头继续下降，铸棒缓慢进入加热炉中，加热炉温度为450℃，铸造完成后，吊起铸棒，得到直径600mm的10％TiB₂/7055铝基复合材料半连续铸棒。

综上所述，本发明的半连续铸锭制备方法装置简单、易于控制、效率高，可实现晶粒细小、颗粒分布均匀的大尺寸铝基复合材料铸锭，为后续的塑性成形提供了性能稳定的锭坯。本发明的方法通过对复合材料熔体进行超声处理，使原位颗粒在熔体中的分布更加均匀，同时对基体的晶粒也起到细化作用。将石墨环冷却与水冷相结合，保证了复合材料晶粒细小。采用刮水板将冷却水刮去，有助于降低表面与内部的温度梯度，减少热应力，避免铸锭开裂。在结晶器下方放置加热炉，能够及时对铸棒进行退火，降低铸造应力。本发明的半连续铸锭制备方法装置简单、易于控制、效率高，可实现晶粒细小、颗粒分布均匀的大尺寸铝基复合材料铸锭，铸棒SEM照片如附图2所示，能够为后续的塑性成形提供了性能稳定的锭坯。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。