一種鋁基復合材料制造方法與設備的制造方法
【技術領域】
[0001]本發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，其技術屬于新材料制造領域。
【背景技術】
[0002]非晶金屬又稱為液體金屬、或玻璃金屬。熔融狀態的金屬液體在極速(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部原子分布具有液體的特征，也稱為玻璃態特征，所以，非晶金屬內部的微觀結構與普通金屬內部原子有序排列構成晶格的微觀結構迥異。這種金屬內部原子分布狀態的改變，直接導致金屬性能發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地緊密、均勻、無結構性缺陷的玻璃態特性，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，經過一個溫度上升區間后，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，經冷卻固化后、因沒有晶體形成，故原子排列狀態仍然與液態時相同，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間內，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。現有的大塊非晶金屬合金制造技術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，通過設計恰當的金屬組分和配比，就可以在非極速冷卻條件下，得到原子呈無序狀態的大塊非晶金屬合金。
【發明內容】
[0004]原子呈無序排列的非晶金屬材料具有晶態金屬材料難以媲美的力學性能和化學穩定性。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，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、更強的新一代結構材料。
[0005]本發明采用在惰性氣體保護下，高頻熔爐將金屬鋁熔化為液體，并按照設計的鋁原子與碳原子混合比例，向保持設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生化學反應。
[0006]采用在機械攪拌同時，引入超聲波震蕩，使固態納米級碳粉與液態鋁充分混合至均勻膠體狀態。機械攪拌可以避免固態碳粉浮在鋁液上面，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。利用超低溫狀態的液氫在模具內部通道循環，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品。
【附圖說明】
[0008]圖1是本發明的設備結構圖。該設備由膠體化系統、冷卻固化成型系統和空氣隔離系統組成。膠體化系統包括: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)內部的液氫循環通道(13)，循環液氫供給裝置(14)，鋁碳復合材料鑄件(20)。空氣隔離系統包括: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]本發明優選實施方案為: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)的旋轉槳深入到耐熱陶瓷坩禍⑶內。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)內部鉆有若干相互聯通的洞作為液氫循環通道(13)。金屬模具(12)內部的液氫循環通道(13)利用導管與循環液氫供給裝置(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)內排干凈。循環液氫供給裝置(14)、高頻電源(5)、及循環液氫供給裝置(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)內空氣全部從排氣口(18)排出。并使密封罩(15)內惰性氣體保持穩定的正壓。
[0011]==》啟動顆粒狀金屬鋁原料進料裝置(I)將鋁原料按照設計定量要求輸送到耐熱陶瓷坩禍(3)內。啟動高頻電源(5)使高頻線圈(4)工作將耐熱陶瓷坩禍(3)內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)內的液態鋁恒溫。
[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)將碳粉原料按照設計定量要求輸送到耐熱陶瓷坩禍(3)內，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)按照設計定量要求輸送到壓鑄機
(19)的進料倉(10)內。
[0014]= = ))啟動壓鑄機(19)，將膠體⑶壓入金屬模具(12)。與此同時啟動循環液氫供給裝置(14)，將液氫輸入金屬模具(12)內部的液氫循環通道(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)。
【主權項】
1.本發明采用高頻電爐、可控溫度的模具、膠體溶液快速固化及惰性氣體保護技術，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、固兩相均質化膠體狀態，經快速冷卻壓鑄成型，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。其技術屬于新材料領域。與現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。 本發明獨有的，與現有技術不同的技術特征為: (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，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化膠體(8)狀態。 除獨有的，與現有技術不同的技術特征外，本發明還要求保護以下技術范圍: (3)利用一種或幾種低熔點金屬物質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固體顆粒均勻混合為膠體(8)，經快速冷卻后固化，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顆粒混合溶液膠體(8)化的技術，制造復合材料產品(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(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，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、固兩相均質化膠體狀態，經快速冷卻壓鑄成型，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。其技術屬于新材料領域。與現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。
【IPC分類】B22D27/08, C22C45/08, C22C1/10, C22C21/00, B22D17/00
【公開號】CN105087993
【申請號】CN201510324496
【發明人】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