一种泡沫金属材料分层浇铸-整体成型设备及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于冶金铸造技术领域，尤其涉及一种泡沫金属材料组件(含铸件和结构件)的分层浇铸-整体成型制备方法。
【背景技术】
[0002]泡沫铝合金成型件的制造成本很高。受现有工艺能力、装备能力限制，在制造泡沫铝合金铸坯时，需要采用不同的工艺和设备分别制造泡沫金属液、铸件芯模、铸件外模。作为成型产品的泡沫铝合金铸件和作为承重件使用的泡沫金属三明治结构件目前尚无法直接。泡沫铝合金三明治结构件也是采用多种工艺和设备分别制备不同的组件，再通过切割、拼装、焊接、联接的方式组装成三明治结构件。第一步是采用吹气或者发泡方式制备大块泡沫金属块体材料，采用以大切小的方式将块体材料切割成特定形状的泡沫金属芯板备用；第二步是采用熔铸-铣面-轧制-分切-热处理方式制备表面包覆用密实(致密无孔隙)铝合金板材，采用以大切小的方式将密实(致密无孔隙)铝合金板材切割成特定形状和尺寸的蒙皮包覆板备用；最后通过组合、拼装、焊接、联接的方式将特定形状的泡沫金属芯板和特定形状和尺寸的蒙皮包覆板组装成三明治结构件。由于制备泡沫金属铸件和三明治结构件需要采用不同的工艺和设备分别制备泡沫金属液、纯净的合金金属液、泡沫金属熔铸芯模、泡沫金属外模、泡沫金属块体、密实(致密无孔隙)包覆金属板材等，所需的生产设备多、生产流程长，生产过程中需要控制的工艺环节极多。制备泡沫金属液时，需要合金熔炼设备、增粘搅拌设备、合金发泡设备、吹气设备、熔体转移设备、泡沫体成型设备、泡沫体切割设备等。熔模法制备泡沫金属芯模时，需要设计并制备空隙结构合适的聚脂泡沫体、专用的耐火材料浆化设备、芯模坯体风干设备、芯模坯体煅烧设备。渗流法制备泡沫金属芯模需要专用的盐类粉碎、选分、配粒、混合设备，盐坯压制设备、盐坯加热设备、双室炉、真空吸铸设备等。制备密实(致密无孔隙)合金板材需要大型合金熔炼设备、大型铸造设备、大型铸坯铣面设备、大型锯床、大型加热炉、大型热轧机、大型冷轧机、大型退火炉、大型坯料转运设备、大型板坯分切设备等。由于工艺繁杂、工艺流程极长、需要控制的工艺环节多，产品质量不稳定，成材率极低。生产线所需的设备繁多，占地面积大，固定资产投资极大，生产成本极高。
【发明内容】
[0003]本发明的目的就是针对现有技术存在的问题，提供一种泡沫金属材料分层浇铸-整体成型设备及方法。
[0004]上述目的是通过下述方案实现的:
一种泡沫金属材料铸件和结构件的分层浇铸-整体成型设备，其特征在于，所述设备包括:熔炼炉组、浆料制备炉组、多个分层浇铸装置；所述熔炼炉组包括多个熔炼炉，每个所述熔炼炉分别对应浆料制备炉组中的一个炉体；所述浆料制备炉组中的每一个炉体分别对应一个分层浇铸装置；每个所述分层浇铸装置包括浇铸驱动装置、分层浇铸炉体，该浇铸炉体上设有高压泡沫金属液输入口、金属液输入口、高压气体加入口、降压气体排放口、冷却介质进出口和浇铸口 ；所述多个分层浇铸装置并列放置。
[0005]一种使用上述的设备进行浇铸-整体成型的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤:
第一步:由组件设计与制备控制系统进行泡沫金属组件形状设计、结构设计、合金成分设计，合金熔炼、制备浆料、熔体增粘、熔体增压、熔体吹气、熔体发泡、定量浇铸、同步浇铸-同步冷却-同步降压、整体成型工艺设计；
第二步:熔炼炉组根据第一步提供的设计方案，进行合金配料，在每一个熔炼炉中制备纯铝铝液或纯金属合金液；
第三步:将第二步得到的纯铝铝液或合金液转入浆料制备炉组，将熔炼的各种纯铝液或合金液制备成半固态浆料，或者加入增粘剂增粘；
第四步:将半固态浆料或增粘后的合金增压，往增压后的半固态浆料或增粘后的合金中通入中高压气体，或者加入钛化氢发泡剂发泡；
第五步:分层浇铸装置以纯铝铝液或者纯金属合金液，或者半固态浆料一增压一吹气合金液，或者增粘一增压一吹气合金液，或者增粘一增压一钛化氢发泡的合金液为原料，进行泡沫金属组件分层浇铸-整体成型，一次成型整体泡沫金属组件。
[0006]本发明的有益效果:本发明可以实现泡沫铝整体铸件或者整体结构件一次成型，直接成型具有三明治、复合三明治结构特点，多功能梯度复合泡沫铝组件，极大地简化了生产过程，节约设备投资。
【附图说明】
[0007]图1是本发明的原理示意图；
图2是本发明的设备结构示意图；
图3是分层浇铸装置的结构示意图；
图4是使用本发明制备的三明治结构件示意图；
图5是使用本发明制备的一种多层铸件结构示意图；
图6是使用本发明制备的另一种多层铸件结构示意图；
图7是使用本发明制备的另一种多层铸件结构示意图。
【具体实施方式】
[0008]一种泡沫金属材料铸件和结构件的分层浇铸-整体成型制备方法，参见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7。
[0009]本发明所述的分层浇铸-整体成型方法，是集泡沫金属组件形状设计、结构设计、合金成分设计、合金配制、半固态浆料制备、合金液增粘、合金熔体增压、合金熔体吹气或者发泡、纯铝或合金浇铸、泡沫体合金液同步浇铸-同步降压-同步冷却，通过分层浇铸-整体成型，实现整体泡沫金属组件的近终成型制造技术。
[0010]本发明所述的分层浇铸-整体成型方法共分五步完成，见图2。
[0011]第一步:由组件设计与制备控制中心2 a进行泡沫金属组件形状设计、结构设计、合金成分设计，合金熔炼、制备浆料、熔体增粘、熔体增压、熔体吹气、熔体发泡、定量浇铸、同步浇铸-同步冷却-同步降压、整体成型工艺设计。 第二步:熔炼炉组2 b根据2 a提供的设计方案，进行合金配料，制备纯铝铝液和纯金属合金液。分别在熔炼炉2bl、2b2、2b3中熔炼合金1、合金2、合金3，依次类推，熔炼合金4、合金5等等。
[0012]第三步:将纯铝铝液和合金液转入浆料制备炉组2 c，在2 c I炉中制备合金I半固态浆料，分别在2 c 2、2 c 3炉中进行合金2和合金3增粘，依次类推，将熔炼的各种合金制备成半固态浆料，或者加入增粘剂增粘。
[0013]第四步:将2 c 1、2 c 2、2 c 3炉组中的半固态浆料和增粘后的合金增压，往增压后的浆料和增粘后的合金中通入中高压气体，或者加入钛化氢发泡剂发泡。
[0014]第五步:分层浇铸装置2 d以纯铝铝液或者纯金属合金液，或者半固态浆料一增压一吹气合金液，或者增粘一增压一吹气合金液(吹气气体介质可以是H2、N2、C02、H20、惰性气体或者上述气体的混合物，下同)，或者增粘一增压一钛化氢发泡的合金液为原料，其中，一号浇铸机2 d I以经过增压一吹气的半固态浆料为原料，二号浇铸机2 d 2以增粘一增压一吹气的合金液为原料，三号浇铸机2 d 3以增粘一增压一发泡的合金液为原料，进行泡沫金属组件(含铸件和结构件，下同)分层浇铸-整体成型，一次成型整体泡沫金属组件。分层浇铸-整体成型泡沫金属组件工艺过程见图2。
[0015]泡沫金属材料组件的分层浇铸-整体成型过程，由专用的分层浇铸装置完成，分层浇铸装置示意图见图3，该装置通过定量浇铸、同步浇铸一同步降压一同步冷却工艺控制泡沫体孔型和泡沫体孔隙率。分层浇铸-整体成型装置由浇铸驱动装置3 a和浇铸装置3b两部分组成，浇铸装置3 b由高压泡沫金属液输入口( 3 b I )、金属液输入口( 3 b 2 )、高压气体加入口( 3 b 3 )、降压气体排放口( 3 b 4 )、半固态高压泡沫金属(3 b 5 )、冷却介质进出口( 3 b 6)、分层浇铸口( 3 b 7)等部分组成。浆料制备一增粘与增压一吹气一发泡炉组2 c中制备的泡沫金属液，由高压泡沫金属液输入口( 3 b I )输入浇注装置3b中，由高压气体加入口( 3 b 3)向半固态高压泡沫金属(3 b 5)中鼓入二次中高压气体(鼓入气体压力0.0 3 -1 5 MP a，气体介质可以是H2、N2、C02、H20、惰性气体或者上述气体的混合物)，冷却介质通过冷却介质进出口( 3 b 6)对半固态高压泡沫金属(3 b 5)进行冷却，进一步提高半固态高压泡沫金属(3 b 5)中固相份数，提高固液泡沫粘度，打开降压气体排放口( 3 b 4 )给高压固液泡沫(3 b 5 )降压，同时，高压气体加入口( 3 b 3 )再次向高压固液泡沫(3 b 5 )施压，将高压固液泡沫(3 b 5 )从分层浇铸口( 3 b 7 )中吹出，形成降压后的半固态泡沫(3 b 8)，半固态泡沫(3 b 8 )喷涂于分层饶铸铸件3 c表面实现分层浇铸，凝聚于半固态泡沫(3 b 8)中的高压气泡压力得到释放，体积迅速膨胀，形成高孔隙率泡沫体。通过控制高压固液泡沫(3 b 5)中气体压力、固液泡沫粘度和降压速率，可以得到开孔泡沫体2el或者闭孔泡沫体2e2，见图3中的3c。当气体压力较高、固液泡沫粘度较低和降压速率较快时，得到开孔泡沫体，见图5。当气体压力较低、固液泡沫粘度较高和降压速率较慢时，得到闭孔泡沫体，见图4。熔炼炉组2 b制备的纯铝铝液和纯金属合金液通过金属液输入口( 3 b 2 )进入分层浇铸装置3 b，由分层浇铸口( 3 b 7 )中吹出直接浇铸表面密实(致密无孔隙)层(见图4中的4a、图5中的5a)或者泡沫体密实(致密无孔隙)加强层(见图7中的7 d )。
[0016]实施例1:
一种铝合金泡沫三明治盘件，要求抗拉强度达到8 M P