用于制备梯度复合材料铸件的装置及方法与流程

本发明涉及复合材料制备技术领域，具体涉及一种用于制备梯度复合材料铸件的装置及方法。

背景技术：

颗粒增强铝基复合材料具有比强度、比刚度高、高耐磨性、高的减振性等许多优点。增强颗粒可以改善基体的屈服强度及极限抗压强度，但使基体的延展性变差。增强颗粒能在保持较低含量下明显提高基体的弹性模量、屈服强度、抗磨性及高温蠕变性，因而逐渐受到重视。而对于很多的应用场合，由于其使用环境的苛刻，单一均质的复合材料已难以满足实际的需要，因此开发出了铝基梯度复合材料。

近年来层状功能梯度铝基复合材料引起了越来越多研究者的广泛关注，功能梯度材料是指组分、结构、性能等沿厚度方向呈连续梯度变化，从而使材料性质和功能也呈梯度变化，能满足更多复杂工况条件的要求，实现某一特殊功能的新型复合材料，因此，它能有效克服传统材料的不足。同时，功能梯度复合材料还可以有针对性地设计各层材料的组分及含量，以此来使内应力更好地分布，因此在梯度防护方面发挥了重要的作用。

目前，层状功能梯度材料的制备方法一般包括粉末冶金、离心铸造和激光熔覆的技术。但粉末冶金技术很难制备高质量的高体积分数颗粒增强金属基复合材料；离心铸造由于离心力方向的限制，难以制备层状铺陈的非环状材料；激光熔覆的技术成本高，技术难度大。现有技术中有些是采用电场辅助烧结技术，利用直流脉冲电流的加压烧结方法制备了具有多层次梯度结构的功能梯度铝基复合材料；有些是采用铸造铝合金与增强体骨架高温挤铸成型后经机械加工及热处理后，制备了功能梯度铝基复合材料刹车盘；有些是采用压力浸渗技术一体化制备梯度功能b4c/al复合材料。然而上述方法均存在以下缺点：(1)均需提前对增强体进行处理，制备预制骨架等结构；(2)工序繁琐，生产成本高，且多存在增强体与基体结合不良好的情况。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种用于制备梯度复合材料铸件的装置及方法，该装置为制浆成形一体化装置，其中制浆装置通过设计流道方向交错变换的第一内流道和第二内流道，使得熔体和增强颗粒充分混合，得到分散均匀的复合材料熔体浆料；通过控制系统控制成形系统的温度，实现型腔中各部位熔体温度场不同，达到逐层凝固的效果，得到同时具备复合材料和合金优异性能的高品质铸件，以解决现有技术中复合材料铸件的制备成本高，且增强颗粒与基体润湿性不好的技术问题。

为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供了一种用于制备梯度复合材料铸件的装置。

该用于制备梯度复合材料铸件的装置包括：

制浆装置，包括上下配合且转动连接的上模结构和下模结构，所述上模结构至少包括上模本体和第一流道组，所述第一流道组设置在所述上模本体的底部侧面上，所述第一流道组至少包括多个第一内流道，并且所述多个第一内流道的流出角度不同；所述下模结构至少包括下模本体和第二流道组，所述第二流道组设置在所述下模本体的顶部侧面上，所述第二流道组至少包括多个第二内流道，所述多个第二内流道与所述多个第一内流道在所述上模本体和下模本体的分型面上分别对应且交叉连通；

成形系统，包括模具和浇道系统，所述模具包括相互配合的上模和下模，所述上模和下模闭合后形成型腔；所述下模本体通过所述浇道系统连通所述型腔；

控制系统，包括传动机构和温控系统，所述传动机构外接所述上模本体，用于控制所述上模本体和下模本体的相对转动；所述温控系统用于控制所述型腔内熔体的温度场呈梯度变化。

进一步的，所述上模结构还包括输送组件和至少两个开口，所述开口开设在所述上模本体的顶部侧面上；所述输送组件包括：

多个竖流道，所述多个竖流道分别沿所述上模本体的高度方向设置，所述多个竖流道的下端分别连通所述多个第一内流道；

混合腔，所述混合腔位于所述多个竖流道上方，且其分别与所述多个竖流道的上端连通；所述两个开口分别与所述混合腔连通。

进一步的，所述第一流道组还包括开设在所述上模本体上的第一环道以及多个第一外流道；所述多个第一内流道和多个第一外流道分别位于所述第一环道的内外两侧且间隔设置；所述多个第一内流道和多个第一外流道分别连通所述第一环道；

所述第二流道组还包括开设在所述下模本体上的第二环道以及多个第二外流道，所述多个第二内流道和多个第二外流道分别位于所述第二环道的内外两侧且间隔设置；所述多个第二内流道和多个第二外流道分别连通所述第二环道，所述第二环道与所述第一环道连通配合。

进一步的，所述上模本体和所述下模本体均呈圆盘状，且二者通过转动轴同轴转动；

所述传动机构包括电机、传动皮带和联轴器，所述电机的输出轴端通过所述传动皮带与所述联轴器传动连接，所述联轴器设置在所述上模本体上。

进一步的，所述下模结构还包括底座，所述底座连接所述下模本体的底部侧面；所述底座上设有限位台，并且所述限位台为所述底座的边沿沿其高度方向向外延伸形成；

所述下模本体连接在所述底座的中部，并且所述下模本体与所述限位台之间形成收集通道；所述限位台上设有连通所述通道的流出嘴。

进一步的，所述模具还包括多个冒口，所述多个冒口设置在所述上模上且分别与所述型腔连通；

所述浇道系统包括浇口、与所述浇口连通的直流道，以及与所述直流道连通的横流道；所述横流道连通所述型腔；所述浇口通过输料槽连通所述流出嘴。

进一步的，温控装置包括第一加热机构、第二加热机构、保温机构和冷却机构，所述第一加热结构用于对所述上模本体和下模本体进行加热；所述第二加热机构至少设置在所述浇口、直流道和所述多个冒口中的一个外部；所述保温机构至少设置在所述上模以及形成浇口、冒口、竖直道和横流道的侧壁中的一个上，并且所述保温机构为设置在其上的至少一层保温层；所述冷却机构连接所述下模，用于底部熔体的快速冷却。

进一步的，所述第一加热机构包括多个第一加热器和第二加热器，所述多个第一加热器分别分布在所述混合腔和多个竖流道外侧；所述多个第二加热器设置在所述底座上，且其与所述下模本体对应设置。

进一步的，所述第二加热机构包括多个第三加热器和第四加热器，所述多个第三加热器分别设置在所述浇口和直流道的外部，所述多个第四加热器分别设置在所述多个冒口的外部；

所述冷却机构为设置在所述下模上的多个冷却通道。

为了实现上述目的，根据本发明的第二方面，提供了一种梯度复合材料铸件的制备方法。

该梯度复合材料铸件的制备方法包括以下步骤：

(1)提供熔体和增强颗粒；

(2)将所述熔体和增强颗粒通过制浆装置进行充分混合，得到复合材料熔体；

(3)将所述复合材料熔体注入成形系统进行充型，通过实时控制增强颗粒与熔体的浇入比例制备得到功能梯度复合材料铸件。

本发明解决了现有增强颗粒与基体润湿性不好等问题，且具有较高的经济性，工艺简单，可以制备具有梯度结构的复合材料铸件。

本发明可以获得具有细小组织的复合材料工作表面，实现铸件表面的高耐磨性，随着熔体的继续充型，可以逐渐收缩进料阀，减少甚至停止颗粒增强相的加入，获得具有高强韧的结构铸件部分，从而获得同时具备复合材料和合金优异性能的高品质铸件。

本发明中的装置和方法也适用于镁基复合材料、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、钛基复合材料等复合材料铸件的制备。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例中用于制备梯度复合材料铸件的装置；

图2为本发明实施例中上模结构底部侧面的仰视图；

图3为本发明实施例中下模结构顶部侧面的俯视图。

图中：

1、上模本体；2、第一内流道；3、下模本体；4、第二内流道；5、上模；6、下模；7、型腔；8、竖流道；9、混合腔；10、第一加热器；11、第一环道；12、第一外流道；13、第二环道；14、第二外流道；15、转动轴；16、电机；17、传动皮带；18、保温层；19、底座；20、第二加热器；21、浇口；22、横流道；23、冒口；24、输料槽；25、第三加热器；26、第四加热器；27、冷却通道；28、加料斗；29、进料管；30、进料阀；31、进气管；32、气罐；33、动密封件；34、容器；35、输送管；36、紧固件；37、密封壳体；38、收集通道。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明公开了一种用于制备梯度复合材料铸件的装置，结合图1、图2和图3所示，该装置包括制浆装置、成形系统和控制系统，

其中：

制浆装置包括上下配合且转动连接的上模结构和下模结构，上模结构至少包括上模本体1和第一流道组，第一流道组设置在上模本体1的底部侧面上，第一流道组至少包括多个第一内流道2，并且多个第一内流道2的流出角度不同；下模结构至少包括下模本体3和第二流道组，第二流道组设置在下模本体3的顶部侧面上，第二流道组至少包括多个第二内流道4，多个第二内流道4与多个第一内流道2在上模本体1和下模本体3的分型面上分别对应且交叉连通；

成形系统主要由模具和浇道系统组成，模具包括相互配合的上模5和下模6，上模5和下模6闭合后形成型腔7；下模本体3通过浇道系统连通型腔7；

控制系统主要由传动机构和温控系统组成，传动机构外接上模本体1，用于控制上模本体1和下模本体3的相对转动；温控系统用于控制型腔7内熔体的温度场呈梯度变化。

在上述实施例中，增强颗粒和合金熔体同时加入到混合腔9中，在上模本体1旋转作用下进行初步混合，随后熔体在重力作用下沿着混合腔9底部四个竖浇道8流下，流入到第一内流道2中，再到第一环道11中重新混合，在上模本体1和下模本体3反复旋转碾磨作用下，沿着第一外流道12和第二外流道14流出，由于第一内流道2与第二内流道4设计角度不同，熔体经过第一内流道2和第二内流道4发生多次偏转，混合更加均匀，经过反复碾磨混合的复合材料浆料在重力作用下流到收集通道38中；之后熔体再经过输送槽以及浇口注入型腔7内，由于成形系统的上模及横流道等均采用金属-保温层-金属结构，在浇、冒口位置处设置加热器，下模中通入冷却水，在模具中各位置形成温度梯度，实现复合材料的逐层凝固。

作为本发明的另一种实施例，上模结构还包括输送组件和至少两个开口，开口主要用于增强颗粒和熔体的注入，可以根据实际操作设置开口的数量，在本发明的实施例中，采用两个开口分别进行增强颗粒和熔体的注入，如图1所示，两个开口开设在上模本体1的顶部侧面上，输送组件沿上模本体1的高度方向设置，并且通过输送组件连通第一内流道2和开口，具体地：输送组件由混合腔9和多个竖流道8组成，多个竖流道8分别沿上模本体1的高度方向设置，多个竖流道8的下端分别连通多个第一内流道2；混合腔9位于多个竖流道8上方，并且多个竖流道8的上端分别与混合腔9连通；两个开口分别与混合腔9连通，熔体和增强颗粒分别通过两个开口注入混合腔9内，并在上模本体1与下模本体3相对旋转的作用下在混合腔9内进行初步混合，之后再通过多个竖流道8流入相对应的第一内流道2。

作为本发明的另一种实施例，该用于制备梯度复合材料铸件的装置还包括加料装置，加料装置主要包括第一进料机构和第二进料机构，第一进料机构和第二进料机构分别连通两个开口，第一进料机构采用气体加压的方式通过其中一个开口输送增强颗粒，第二进料机构通过另一个开口进行熔体的输送；具体地：

第一进料机构主要由加料斗28、进料管29、进料阀30、进气管31和气罐32组成，如图1所示，进料管29的一端连通其中一个开口，并且进料管29通过动密封件33与开口密封且转动连接，进料管29的另一端通过进料阀30连通加料斗28；气罐32通过进气管31连通进料管29，可以通过气罐32上的进气阀控制通入气体气压，也即可以采用气体加压的方式将增强颗粒输送至混合腔9内；

第二进料机构主要由容器34和输送管35组成，输送管35的两端分别连通容器34和另一个开口，并且输送管35与开口也通过动密封件33密封且转动连接；熔体通过输送管35及开口注入混合腔9内。

作为本发明的另一种实施例，第一流道组还包括开设在上模本体1上的第一环道11以及多个第一外流道12；具体地，如图2所示，多个第一内流道2和多个第一外流道12分别位于第一环道11的内外两侧，并且多个第一内流道2和多个第一外流道12分别连通第一环道11，熔体在重力作用下沿着混合腔9底部的多个竖浇道8流入到第一内流道2内，再流入第一环道11中重新混合，在上模本体1和下模本体3的反复旋转碾磨作用下，沿着第一外流道12流出；多个第一内流道2与多个第一外流道12间隔设置，也即多个第一内流道2与多个第一外流道12非直接连通，以尽量避免熔体经第一内流道2直接通过第一外流道12流出。

作为本发明的另一种实施例第二流道组还包括开设在下模本体3上的第二环道13以及多个第二外流道14；具体地，如图3所示，多个第二内流道4和多个第二外流道14分别位于第二环道13的内外两侧，并且多个第二内流道4和多个第二外流道14分别连通第二环道13，第一内流道2与第二内流道4交叉连通配合，第二环道13与第一环道11连通配合，熔体经第一内流道2与第二内流道4流入第一环道11与第二环道13内并进行再次混合，并且多个第二内流道4与多个第二外流道14间隔设置，也即多个第二内流道4与多个第二外流道14非直接连通，以尽量避免熔体经第二内流道4直接通过第二外流道14流出。

作为本发明的另一种实施例，多个第一内流道2和第一外流道12分别沿第一环道11的径向分布，如图2所示，第一外流道12的两端分别连通第一环道11和上模本体1的外侧壁；第一内流道2的两端分别连通第一环道11和竖流道8。

作为本发明的另一种实施例，多个第二内流道4和第二外流道14分别沿第二环道13的径向分布，如图3所示，第二外流道14的两端分别连通第二环道13和下模本体3的外侧壁；第二内流道4的一端连通第二环道13，第二内流道4的另一端为封闭端。

作为本发明的另一种实施例，上模本体1和下模本体3均呈圆盘状，结合图1、图2和图3所示，上模本体1和下模本体3通过转动轴15同轴转动，具体地，转动轴15位于上模本体1和下模本体3的中心位置。

作为本发明的另一种实施例，传动机构包括电机16、传动皮带17和联轴器18，如图1所示，电机16的输出轴端通过传动皮带17与联轴器18传动连接，联轴器18设置在上模本体1上，电机16驱动传动皮带17转动从而驱动上模本体1与下模本体3之间的旋转运动。

作为本发明的另一种实施例，下模结构还包括底座19，如图1所示，底座19可以通过紧固件36连接下模本体3的底部侧面，紧固件36可以为销钉，以形成对下模本体3以及上模本体1的有效支撑；进一步地，底座19上设有限位台，并且限位台为底座19的边沿沿其高度方向向外延伸形成，限位台主要用于防止熔体流到外面；下模本体3连接在底座19的中部，并且下模本体3与限位台之间形成收集通道38，熔体经第一外流道12和第二外流道14流出后直接流入通道内，最后经设置在限位台上的流出嘴流出。

作为本发明的另一种实施例，该用于制备梯度复合材料铸件的装置还包括密封装置，密封装置包括密封壳体37，如图1所示，密封壳体37罩设在底座19上，具体地，密封壳体37通过固定件(如螺栓)紧固在底座19的限位台上；并且密封壳体37与上模本体1转动且密封连接，如可以采用动密封件33，既可以实现密封的功能又同时实现转动连接，当然也可以采用能够实现动密封件功能的其它连接件。

在本发的实施例中，密封壳体37上设有进气口，密封壳体37通过进气口外接气源系统，如外接惰性气罐，通过密封壳体37的设置以及惰性气体保护能够避免熔体与空气的直接接触而导致其被氧化。

作为本发明的另一种实施例，模具还包括多个冒口23，如图1所示，多个冒口23设置在上模5上，并且多个冒口23分别与型腔7连通。

作为本发明的另一种实施例，浇道系统主要由浇口21、直流道和横流道22组成，如图1所示，直流道的上端连通浇口21，并且浇口21通过输料槽24连通流出嘴；直流道的下端连通横流道22的一端，横流道22的另一端连通型腔7；通过制浆装置制备得到分散均匀的复合材料熔体，该熔体经由输料槽24并通过浇口21注入型腔7，熔体经过直流道以及横流道22流入型腔7并开始充型，而当熔体开始涌入冒口23时停止浇铸。

作为本发明的另一种实施例，温控装置主要由第一加热机构、第二加热机构、保温机构和冷却机构组成，第二加热机构设置在浇口21、直流道和多个冒口23中的一个或多个外部，通过第二加热机构可以对模具进行加热，从而能够对顶部熔体进行加热；保温机构可以设置在上模5以及形成浇口21、冒口23、竖直道和横流道22的侧壁中的一个或多个上，并且保温机构为设置在上述结构处的至少一层保温层18，可以理解为当上模5上设有保温机构时，保温机构为设置在上模5上的至少一层保温层18，保温层18的设置主要用于对中部熔体进行保温，减少熔体中热量向外扩散；冷却机构连接下模6，用于底部熔体的快速冷却，获得晶粒细小的组织。

在本发明实施例中，通过第二加热机构、保温机构以及冷却机构的设置，使得整个成形系统右下至上形成温度梯度，从而使得熔体由下至上的冷却速度逐渐减慢，最终可以得到具有梯度组织的复合材料铸件。而且，还可以通过调节不同位置处保温层18的厚度大小，来控制熔体充型时的温度场梯度，比如保温层18的厚度右下至上逐渐增大。

作为本发明的另一种实施例，第一加热机构包括多个第一加热器10和多个第二加热器20，如图1所示，多个第一加热器10分别分布在混合腔9和多个竖流道8外侧，用于对注入的熔体进行保温或加热处理，以免熔体在流动过程中产生凝固；多个第二加热器20安装在底座19上，并且多个第二加热器20均与下模本体3对应设置，用于对下模本体3进行加热，以免熔体在流动过程中产生凝固。

作为本发明的另一种实施例，上模5以及形成浇口21、冒口23、竖直道和横流道22的侧壁上均设有保温机构，保温机构的具体设置方式为：上模5以及形成浇口21、冒口23、竖直道和横流道22的侧壁均为多层结构，并且多层结构由下到上依次为底部第一金属层、保温层18和顶部第二金属层，也即将保温层18设置在中间，可以通过调节保温层18的厚度大小控制熔体充型时的温度场梯度。

作为本发明的另一种实施例，保温层18的保温材料为保温棉。

作为本发明的另一种实施例，第二加热机构包括多个第三加热器25和第四加热器26，如图1所示，多个第三加热器25分别设置在浇口21和直流道的外部，多个第四加热器26分别设置在多个冒口23的外部；第三加热器25以及第四加热器26的设置用于对模具进行加热，以维持充型熔体的温度，可以避免熔体在浇口21以及冒口23处发生堵塞。

在本发明的实施例中，第三加热器25和第四加热器26可以为加热线圈，当然也可以为其它能够实现加热线圈目的的加热结构。

作为本发明的另一种实施例，冷却机构为设置在下模6上的多个冷却通道27，如图1所示，通过冷却通道27的设置可以循环冷却液(如冷却水)，加速熔体的凝固，在底部获得晶粒细小的组织。

作为本发明的另一种实施例，该成形系统还包括加压机构和升降机构(未图示)，其中：

加压机构位于浇口21和冒口23上方，并且加压机构分别与浇口21和冒口23配合，用于对熔体进行保温并加压；

升降机构连接加压机构，主要用于驱动加压机构的上下往复运动，从而实现加压机构对熔体进行适当加压，帮助补缩，减少成型铸件中的缺陷。

作为本发明的另一种实施例，升降机构主要由电机、丝杆、螺母和横梁组成，丝杆的下端与驱动电机的输出轴端传动连接，螺母与丝杆螺纹连接配合，横梁连接螺母。因此，启动电机转动，从而驱动丝杆转动，横梁在螺母的带动下沿着丝杆进行上升或下降运动，也即通过丝杆控制浇口压头和冒口压头的上升或下降。

作为本发明的另一种实施例，加压机构主要由浇口压头和多个冒口压头组成，浇口压头和冒口压头分别通过紧固件固定在横梁上，并且浇口压头与浇口21配合，浇口压头用于对浇口21处的熔体进行保温加压，对熔体进行适当加压可以帮助补缩，减少成型铸件中的缺陷，冒口压头与冒口23配合，冒口压头用于对冒口23处的熔体进行保温加压，对熔体进行适当加压可以帮助补缩，减少成型铸件中的缺陷；浇口压头和冒口压头与横梁的连接处分别设有弹性件，弹性件的设置起到一定的缓冲减震的作用。

在本发明的实施例中，紧固件可以为螺栓，简单实用。当然也可以根据需要将其替换为能够起到相同作用的紧固结构。

在本发明的实施例中，弹性件为弹簧。

作为本发明的另一种实施例，浇口压头和冒口压头内分别设有加热器，加热器的设置可以保持充型熔体的温度，以及实现对熔体的加温加压。

在本发明的实施例中，加热器可以为加热电阻棒，当然也可以为其它能够实现加热电阻棒目的的加热结构。

本发明还公开了一种梯度复合材料铸件的制备方法，该制备方法是利用上述的制备装置，以下将通过具体实施例对该制备方法进行详细说明。

实施例1：

制备梯度al2o3/a390复合材料铸件。

将a390合金升温至710℃，得到合金熔体；

打开第一加热器和第二加热器，将上模结构和下模结构升温至700℃，以免熔体在流动过程中产生凝固；

升温结束后打开电机，控制上模本体相对于下模本体旋转；

向密封壳体内通入惰性气体，排出空气；

打开第三加热器和第四加热器，将上模升温至400℃；

向冷却通道内输送循环冷却水，以对底部熔体进行快速冷却；

打开进料阀，向混合腔内输送预热至700℃的al2o3颗粒，同时注入上述710℃的a390合金，控制二者的流入比例为2：3，得到40％al2o3/a390复合材料的铸件工作面，逐渐收缩进料阀直至关闭，待浆料充满整个型腔时停止浇铸；

冷却凝固后得到梯度al2o3/a390复合材料铸件。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语“包括”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列部件不必限于清楚地列出的那些部件，而是可包括没有清楚地列出的或对于部件固有的其它部件。

在本发明中，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或者组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或者位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或者连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明中涉及的“第一”、“第二”等的描述，该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。