[發(fā)明專利]一種高強韌納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料的制備裝置和方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910342032.2
• 申請日: 2019-04-26
• 公開（公告）號: CN110144478B
• 公開（公告）日: 2021-02-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 怯喜周;武林;黃爍銘;彭艷杰;陳剛;趙玉濤
• 申請（專利權(quán)）人: 江蘇大學(xué)
• 主分類號: C22C1/10
• 分類號: C22C1/10;C22C1/02;C22C21/00;C22C32/00;B01F13/10;B01F7/24
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本發(fā)明涉及一種鋁基復(fù)合材料，特指一種高強韌原位納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料的制備裝置和方法。其特征在于：基于設(shè)計的螺旋循環(huán)攪拌復(fù)合與擠壓一體化裝置，首先將鋁基體合金放入螺旋循環(huán)攪拌復(fù)合裝置中加熱至一定的溫度并熔化后，放入原位反應(yīng)物，借助螺旋循環(huán)攪拌的作用實現(xiàn)原位納米復(fù)合，然后將原位復(fù)合熔體直接通入螺旋擠壓裝置，并在螺旋擠壓裝置中冷卻至較低溫度，利用螺旋擠壓裝置中螺桿運動產(chǎn)生的大變形剪切作用，實現(xiàn)原位合成的納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料中納米顆粒“團簇”的破碎和基體晶粒的細化，最后通過擠出端模具成形獲得所需形狀的高強韌原位納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料型材。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋁基復(fù)合材料，特指一種高強韌納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料的制備裝置和方法。

背景技術(shù)

鋁基復(fù)合材料的原位合成工藝是近些年發(fā)展的新技術(shù)，原位內(nèi)生顆粒增強鋁基復(fù)合材料具有增強體尺寸小、熱穩(wěn)定性好、界面結(jié)合強度高等優(yōu)點，在航空、航天、汽車、機械等工業(yè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。近些年的一些研究表明，當(dāng)增強體顆粒尺寸減小至納米級時，單位體積內(nèi)納米顆粒的表面積急劇增大、復(fù)合強化效果大幅提高，從而使納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料具有更高的比強度、比模量和耐高溫性能。但目前原位生成的納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料仍然就有兩大問題：(1)由于納米顆粒巨大的界面能使得原位生成的納米顆粒趨于團聚，導(dǎo)致復(fù)合材料的強韌性較低；(2)通常獲得鑄態(tài)鋁基復(fù)合材料的晶粒粗大，強度提升有限。

提高納米顆粒的分布均勻，最大限度的降低復(fù)合材料鑄造缺陷，細化復(fù)合材料的晶粒，已經(jīng)成為目前同時提高原位納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料的強韌性的重要途徑。但是現(xiàn)有技術(shù)難以實現(xiàn)規(guī)模化連續(xù)生產(chǎn)，如國內(nèi)公開號CN103668013B的發(fā)明專利“一種原位鋁基復(fù)合材料超塑性預(yù)處理方法”，對所得鑄態(tài)的原位納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料進行攪拌摩擦加工技術(shù)(FSP)處理，使得納米顆粒的分布變得均勻，得到超細晶鋁基復(fù)合材料，實現(xiàn)強塑性同時提高，不過FSP工藝復(fù)雜，而且加工區(qū)域極其有限，難以實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，如原位納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料中納米顆粒趨于團聚：鑄態(tài)晶粒尺寸較為粗大：納米顆粒僅發(fā)揮增強體的強化作用，強度提升有限等，提出的一種實現(xiàn)高強韌鋁基復(fù)合材料的制備方法及其制備裝置，充分改善納米顆粒的“團簇”，使其分布均勻，并極大地細化鋁基復(fù)合材料的晶粒，大幅度提高復(fù)合材料的強韌性。

本發(fā)明采用自主設(shè)計的螺旋循環(huán)攪拌復(fù)合與擠壓一體化裝置，一方面通過不斷循環(huán)攪拌使成分更加均勻并促進原位納米復(fù)合，另一方面在較低的溫度下，利用螺旋擠壓裝置中的螺桿運動產(chǎn)生的大剪切作用使復(fù)合材料產(chǎn)生大變形，同步實現(xiàn)原位合成的納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料中“團簇”的破碎和基體晶粒的細化，獲得高強韌的原位納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料型材。

本發(fā)明設(shè)計的螺旋循環(huán)攪拌復(fù)合與擠壓一體化裝置,包括螺旋循環(huán)攪拌復(fù)合裝置、螺旋擠壓裝置和模具，螺旋循環(huán)攪拌復(fù)合裝置、螺旋擠壓裝置和模具依次連通；電機通過傳動裝置分別與螺旋循環(huán)攪拌復(fù)合裝置和螺旋擠壓裝置的齒輪連接；螺旋循環(huán)攪拌復(fù)合裝置和螺旋擠壓裝置的坩堝周圍設(shè)有感應(yīng)加熱線圈；圓錐臺狀坩堝截面呈倒梯形；與齒輪連接的螺旋攪拌槳伸入螺旋循環(huán)攪拌復(fù)合裝置的圓錐臺狀坩堝型腔內(nèi)，與齒輪連接的螺旋擠壓桿伸入螺旋擠壓裝置的圓錐臺狀坩堝型腔內(nèi)；螺旋循環(huán)攪拌復(fù)合裝置的型腔最下方設(shè)有滑塊，實現(xiàn)復(fù)合熔體的螺旋循環(huán)攪拌或進入螺旋擠壓裝置的調(diào)節(jié)；循環(huán)管道位于螺旋循環(huán)攪拌復(fù)合裝置坩堝的外部，螺旋循環(huán)攪拌復(fù)合裝置的型腔的底部通過循環(huán)管道與型腔的頂部連通；螺旋擠壓裝置的擠出端與模具相連。

所述的螺旋循環(huán)攪拌復(fù)合裝置的坩堝為石墨坩堝；所述的螺旋擠壓裝置的坩堝為耐熱模具鋼坩堝。

所述螺旋循環(huán)攪拌復(fù)合裝置的坩堝、感應(yīng)加熱線圈、循環(huán)管道和滑塊均位于承重保溫外壁的內(nèi)部。

所述螺旋擠壓裝置的坩堝和感應(yīng)加熱線圈位于承重保溫外壁的內(nèi)部。

本發(fā)明基于設(shè)計的螺旋循環(huán)攪拌復(fù)合與擠壓一體化裝置，通過以下的具體步驟進行：