一種鋁基復合材料制造方法與設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明采用金屬鋁液與納米級碳粉均勻混合為膠體溶液，在快速冷卻條件下，利用模具壓鑄成型，制造一種新型非晶金屬或具有類似非晶金屬特性的微晶金屬鋁復合材料，其技術(shù)屬于新材料制造領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]非晶金屬又稱為液體金屬、或玻璃金屬。熔融狀態(tài)的金屬液體在極速(百萬分之一秒)冷卻狀況下，金屬液體中的原子來不及移動形成有序晶格就以無序狀態(tài)凝固成固體。這種固體被稱之為非晶金屬。由于非晶金屬固體內(nèi)部原子分布具有液體的特征，也稱為玻璃態(tài)特征，所以，非晶金屬內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)與普通金屬內(nèi)部原子有序排列構(gòu)成晶格的微觀結(jié)構(gòu)迥異。這種金屬內(nèi)部原子分布狀態(tài)的改變，直接導致金屬性能發(fā)生了令人吃驚的變異。譬如，非晶金屬不存在晶格，也就沒有晶格之間的滑動和晶格缺陷，因而非晶金屬沒有普通金屬的延展性。正因為非晶金屬具有質(zhì)地緊密、均勻、無結(jié)構(gòu)性缺陷的玻璃態(tài)特性，決定了非晶金屬具有普通金屬難以媲美的剛性、韌性、彈性和化學穩(wěn)定性。此外，非晶金屬在受熱融化時，沒有固定的熔點，像玻璃一樣，先軟化，再由稠變稀，經(jīng)過一個溫度上升區(qū)間后，才能完全液化。并且，非晶金屬在液化過程中具有較好的流動性和填充性，經(jīng)冷卻固化后、因沒有晶體形成，故原子排列狀態(tài)仍然與液態(tài)時相同，所以，體積保持不變。這種特性使得非晶金屬可以在一定溫度區(qū)間內(nèi)，像玻璃、塑料材料一樣，利用模具精確成型。
[0003]由于采用極速冷卻方法獲得的非晶金屬，不但成本高昂且很難獲得大體積的非晶金屬。通常這種方法只能用于制造薄片狀或粉末狀的非晶金屬。大體積的非晶金屬又稱大塊非晶金屬合金?，F(xiàn)有的大塊非晶金屬合金制造技術(shù)是利用幾種原子體積相差較大的金屬，按照一定的配比混合，在加熱熔融為液態(tài)時，由于金屬原子體積相差較大定向移動困難，所以在凝固時難以組合形成有序晶格。因此，通過設(shè)計恰當?shù)慕饘俳M分和配比，就可以在非極速冷卻條件下，得到原子呈無序狀態(tài)的大塊非晶金屬合金。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]原子呈無序排列的非晶金屬材料具有晶態(tài)金屬材料難以媲美的力學性能和化學穩(wěn)定性。通過在鋁融液中均勻混合比重低于鋁而熔點高于鋁的一種或幾種物質(zhì)的固體微小顆粒、使金屬鋁液在凝固過程中，原子運動受阻，難以順利排列，接近無序狀態(tài)，快速固化成為一種具有非晶金屬性能特點的的新型復合材料。即提高金屬鋁基材料的性能，又獲得了比金屬鋁更輕、更強的新一代結(jié)構(gòu)材料。
[0005]本發(fā)明采用在惰性氣體保護下，高頻熔爐將金屬鋁熔化為液體，并按照設(shè)計的鋁原子與碳原子混合比例，向保持設(shè)定溫度的鋁液中定量加入納米級碳粉。高頻熔爐可以使金屬鋁快速熔化，利用惰性氣體保護，避免了鋁原子及碳原子與空氣接觸發(fā)生化學反應(yīng)。
[0006]采用在機械攪拌同時，引入超聲波震蕩，使固態(tài)納米級碳粉與液態(tài)鋁充分混合至均勻膠體狀態(tài)。機械攪拌可以避免固態(tài)碳粉浮在鋁液上面，超聲波震蕩可以使鋁液與碳粉均勻混合并形成膠體。
[0007]采用壓鑄機將定量的鋁液與碳粉均勻混合膠體快速高壓注入導熱良好的金屬模具中。在高壓下，既可以快速擠出膠體中的微量氣體，又可以使膠體快速進入模具。利用超低溫狀態(tài)的液氫在模具內(nèi)部通道循環(huán)，可以使膠體快速冷卻固化形成具有非晶金屬性能的鋁碳復合材料產(chǎn)品。
【附圖說明】
[0008]圖1是本發(fā)明的設(shè)備結(jié)構(gòu)圖。該設(shè)備由膠體化系統(tǒng)、冷卻固化成型系統(tǒng)和空氣隔離系統(tǒng)組成。膠體化系統(tǒng)包括:顆粒狀金屬鋁原料進料裝置(I)、納米級碳粉原料進料裝置
(2)、圓柱體耐熱陶瓷坩禍(3)、高頻線圈(4)、具有恒溫功能的高頻電源(5)、機械攪拌裝置
(6)、超聲波震蕩裝置(7)、鋁液與碳粉均勻混合形成的膠體(8)、膠體(8)定量閥門(9)。冷卻固化成型系統(tǒng)包括:壓鑄機(19)及壓鑄機(19)的管狀進料倉(10)、液壓桿(11)、金屬模具(12)、金屬模具(12)內(nèi)部的液氫循環(huán)通道(13)，循環(huán)液氫供給裝置(14)，鋁碳復合材料鑄件(20)?？諝飧綦x系統(tǒng)包括:密封罩(15)、惰性氣體供氣源(16)、惰性氣體導管供氣口
(17)、排氣口 (18) ο
【具體實施方式】
[0009]本發(fā)明優(yōu)選實施方案為:將圓柱體耐熱陶瓷坩禍(3)安裝固定在壓鑄機(19)的水平管狀進料倉(10)上方，再將耐熱陶瓷坩禍(3)底部采用耐高溫陶瓷制造的膠體(8)定量閥門(9)控制的膠體⑶輸送管道，與壓鑄機(19)的管狀進料倉(10)開口對接。將高頻線圈(4)纏繞在耐熱陶瓷坩禍(3)外側(cè)并與高頻電源(5)連接。將顆粒狀金屬鋁原料進料裝置(I)、納米級碳粉原料進料裝置(2)、超聲波震蕩裝置(7)、機械攪拌裝置(6)安裝固定在耐熱陶瓷坩禍(3)上方，輸送原料的管道及機械攪拌裝置(6)的旋轉(zhuǎn)槳深入到耐熱陶瓷坩禍⑶內(nèi)。金屬模具(12)采用導熱良好的銅材或其合金制造，金屬模具(12)內(nèi)部鉆有若干相互聯(lián)通的洞作為液氫循環(huán)通道(13)。金屬模具(12)內(nèi)部的液氫循環(huán)通道(13)利用導管與循環(huán)液氫供給裝置(14)連通。采用密封罩(15)、將壓鑄機(19)及耐熱陶瓷坩禍
(3)熔爐與外界空氣隔離。惰性氣體供氣源(16)供氣導管出口(17)安裝在密封罩(15)底部，密封罩(15)上方安裝排氣口(18)，利于將較輕的空氣從密封罩(15)內(nèi)排干凈。循環(huán)液氫供給裝置(14)、高頻電源(5)、及循環(huán)液氫供給裝置(14)均安裝在密封罩(15)外部，利于操作。
[0010]工藝流程如下:啟動惰性氣體供氣源(16)通過惰性氣體供氣口(17)向密封罩(15)通入氬氣，直至將密封罩(15)內(nèi)空氣全部從排氣口(18)排出。并使密封罩(15)內(nèi)惰性氣體保持穩(wěn)定的正壓。
[0011]==》啟動顆粒狀金屬鋁原料進料裝置(I)將鋁原料按照設(shè)計定量要求輸送到耐熱陶瓷坩禍(3)內(nèi)。啟動高頻電源(5)使高頻線圈(4)工作將耐熱陶瓷坩禍(3)內(nèi)的鋁原料受熱熔化為液體。停止高頻線圈(4)加熱，啟動恒溫裝置(5)，保持坩禍(3)內(nèi)的液態(tài)鋁恒溫。
[0012]==》啟動機械攪拌裝置(6)同時啟動納米級碳粉原料進料裝置(2)將碳粉原料按照設(shè)計定量要求輸送到耐熱陶瓷坩禍(3)內(nèi)，隨后啟動超聲波震蕩裝置(7)，將鋁液與固體碳粉混合均勻形成膠體(8)。
[0013]==》啟動膠體(8)定量閥門(9)將膠體(8)按照設(shè)計定量要求輸送到壓鑄機
(19)的進料倉(10)內(nèi)。
[0014]= = ))啟動壓鑄機(19)，將膠體⑶壓入金屬模具(12)。與此同時啟動循環(huán)液氫供給裝置(14)，將液氫輸入金屬模具(12)內(nèi)部的液氫循環(huán)通道(13)，使膠體(8)在一秒鐘左右固化為鋁碳復合材料鑄件(20)。
[0015]==))壓鑄機(19)打開金屬模具(12)，頂出鋁碳復合材料鑄件(20)。
【主權(quán)項】
1.本發(fā)明采用高頻電爐、可控溫度的模具、膠體溶液快速固化及惰性氣體保護技術(shù)，利用機械攪拌和超聲波震蕩兩種方法，使金屬鋁液與納米級碳粉達到液、固兩相均質(zhì)化膠體狀態(tài)，經(jīng)快速冷卻壓鑄成型，制造一種具有類似非晶金屬特性的微晶化金屬鋁基復合材料。其技術(shù)屬于新材料領(lǐng)域。與現(xiàn)有金屬鋁及其合金材料相比，該微晶化金屬鋁基復合材料不僅比重更低，而且具有更高的力學性能和更好的抗化學腐蝕性能。適用于各種飛行器、運載工具制造行業(yè)。 本發(fā)明獨有的，與現(xiàn)有技術(shù)不同的技術(shù)特征為: (1)利用碳的熔點高于鋁的特點，將納米級碳顆粒均勻混合在鋁液中形成膠體(8)狀態(tài)，使鋁液在快速冷卻凝固時，鋁原子移動受阻，難以形成普通的金屬晶體，只能固化為類似非晶金屬特性的微晶金屬鋁碳復合材料(20)，即鋁基復合材料。 (2)同時采用機械攪拌裝置(6)和超聲波震蕩裝置(7)兩種方法，使鋁液與納米級碳粉液固兩相達到均質(zhì)化膠體(8)狀態(tài)。 除獨有的，與現(xiàn)有技術(shù)不同的技術(shù)特征外，本發(fā)明還要求保護以下技術(shù)范圍: (3)利用一種或幾種低熔點金屬物質(zhì)在熔化時加入一種或幾種高熔點納米級金屬或非金屬物質(zhì)固體顆粒均勻混合為膠體(8)，經(jīng)快速冷卻后固化，制造具有微晶金屬或非晶金屬性能的復合材料(20)。 (4)采用包括但不限于使用機械攪拌裝置(6)和超聲波震蕩裝置(7)，使金屬液體與其它納米級金屬或非金屬高恪點物質(zhì)顆粒混合溶液膠體(8)化的技術(shù)，制造復合材料產(chǎn)品(20) ο例如使用耐高溫膠體磨使金屬液體與其它高熔點物質(zhì)顆粒溶液膠體(8)化。 (5)采用包括但不限于使用具有超低溫冷卻系統(tǒng)(14)的金屬模具(12)將膠體(8)快速凝固成型，制造具有微晶金屬性能的金屬與金屬或金屬與非金屬復合材料(20)。
【專利摘要】本發(fā)明采用高頻電爐、可控溫度的模具、膠體溶液快速固化及惰性氣體保護技術(shù)，利用機械攪拌和超聲波震蕩兩種方法，使金屬鋁液與納米級碳粉達到液、固兩相均質(zhì)化膠體狀態(tài)，經(jīng)快速冷卻壓鑄成型，制造一種具有類似非晶金屬特性的微晶化金屬鋁基復合材料。其技術(shù)屬于新材料領(lǐng)域。與現(xiàn)有金屬鋁及其合金材料相比，該微晶化金屬鋁基復合材料不僅比重更低，而且具有更高的力學性能和更好的抗化學腐蝕性能。適用于各種飛行器、運載工具制造行業(yè)。
【IPC分類】B22D27/08, C22C45/08, C22C1/10, C22C21/00, B22D17/00
【公開號】CN105087993
【申請?zhí)枴緾N201510324496
【發(fā)明人】劉南林
【申請人】劉南林
【公開日】2015年11月25日
【申請日】2015年6月5日