[發明專利]一種徑向功能梯度復合材料鑄造設備和方法

有效

• 申請號: 202010948432.0
• 申請日: 2020-09-10
• 公開（公告）號: CN111974961B
• 公開（公告）日: 2022-04-29
• 發明（設計）人: 楊耀華;劉雪峰;李昂
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: B22D11/14
• 分類號: B22D11/14;B22D11/115
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 皋吉甫

1.一種徑向功能梯度復合材料鑄造設備，其特征在于，所述鑄造設備由熔煉坩堝、電磁感應線圈、電磁分離流道、鑄型、冷卻裝置和牽引機構組成，

所述熔煉坩堝用于熔化被鑄金屬形成金屬熔體，并對金屬熔體的溫度進行控制；

所述電磁分離流道上部與所述熔煉坩堝連通，由不與被鑄金屬熔體反應且不會屏蔽電磁場的材料制成，外部環繞所述電磁感應線圈，感應線圈產生的磁場控制電磁分離流道內金屬熔體的溫度并實現增強相分離，將增強相形成及遷移過程與功能梯度復合材料凝固過程分離；

所述鑄型設置在電磁分離流道下部，用于控制徑向功能梯度復合材料的凝固和成形；

所述冷卻裝置設置在鑄型下部，用于對金屬鑄坯進行強制冷卻，使所述鑄型中熱量沿著金屬熔體軸向和徑向散失，鑄坯沿著逆熱流方向凝固生長，增強相隨金屬熔體凝固形成功能梯度復合材料；

所述牽引機構沿著鑄坯拉制方向安裝在冷卻裝置后部，用于對功能梯度復合材料進行連續拉制。

2.根據權利要求1所述的徑向功能梯度復合材料鑄造設備，其特征在于，所述熔煉坩堝能夠由中間包取代，以便于進行連續生產。

3.根據權利要求1所述的徑向功能梯度復合材料鑄造設備，其特征在于，所述電磁分離流道設置于所述熔煉坩堝上部、下部或側部，當電磁分離流道設置于所述熔煉坩堝上部或側部時，金屬熔體在液體靜壓力作用下流入電磁分離流道中；當電磁分離流道設置于所述熔煉坩堝下部時，金屬熔體在重力作用下流入電磁分離流道中，所述電磁分離流道的數量為一個或多個。

4.根據權利要求1所述的徑向功能梯度復合材料鑄造設備，其特征在于，所述鑄型采用冷卻鑄型、加熱鑄型、兩相區鑄型、低熱鑄型、梯溫鑄型或熱-冷組合鑄型中的任何一種。

5.根據權利要求1所述的徑向功能梯度復合材料鑄造設備，其特征在于，所述冷卻裝置包括：一次冷卻裝置和/或二次冷卻裝置，所述一次冷卻裝置設置在鑄型出口附近，所述二次冷卻裝置設置在一次冷卻裝置和牽引機構之間。

6.一種徑向功能梯度復合材料鑄造方法，所述鑄造方法基于根據權利要求1至5中任一項所述的徑向功能梯度復合材料鑄造設備，所述鑄造方法包括如下步驟：

步驟1：被鑄金屬在熔煉坩堝中加熱熔化形成金屬熔體，并從熔煉坩堝流入電磁分離流道；

步驟2：通過電磁感應線圈實現對電磁分離流道內金屬熔體溫度的控制，進而對增強相的形成過程進行調控，同時增強相在電磁力作用下在所述電磁分離流道內向金屬熔體表面運動，在所述電磁分離流道出口處形成中心增強相較少、外表面增強相較多的金屬熔體混合體；

步驟3：所述鑄型和冷卻裝置實現徑向功能梯度復合材料凝固成形，冷卻裝置對金屬熔體混合體進行強制冷卻，熱量沿著金屬熔體軸向和徑向散失，金屬熔體混合體沿著逆熱流方向凝固生長，增強相隨金屬熔體凝固形成徑向功能梯度復合材料；

步驟4：在牽引機構的作用下，已凝固的功能梯度復合材料被連續移出鑄型，實現連續制備徑向功能梯度復合材料鑄坯。

7.根據權利要求6所述的徑向功能梯度復合材料鑄造方法，其特征在于，步驟1中形成金屬熔體后，向所述金屬熔體添加增強相形成金屬熔體混合體，并從熔煉坩堝流入電磁分離流道。

8.根據權利要求6所述的徑向功能梯度復合材料鑄造方法，其特征在于，步驟1中，所述熔煉坩堝放置于真空或充入惰性氣體保護的環境中。

9.根據權利要求6所述的徑向功能梯度復合材料鑄造方法，其特征在于，步驟2中，所述電磁分離流道內金屬熔體混合體的溫度、所述增強相的形成及運動通過所述電磁感應線圈功率和頻率進行調控，功率為：1~100 kW，頻率為：1~100 kHz。

10.根據權利要求6所述的徑向功能梯度復合材料鑄造方法，其特征在于，所述功能梯度復合材料的冷卻速度由鑄型溫度、冷卻裝置的冷卻強度以及牽引機構的拉坯速度控制，鑄造成形過程采用人工控制或計算機控制，鑄造方法為下拉式、上引式、水平式、弧形式或傾斜式中的任意一種。