一种机械-电磁搅拌装置与机械-电磁搅拌方法

技术领域

本发明涉及材料加工技术领域，尤其涉及一种机械-电磁搅拌装置与机械-电磁搅拌方法。

背景技术

通常，金属基复合材料以铝、镁、铁等金属或合金作为基体，通过添加颗粒、晶须与纤维等增强相，以达到设计材料组织成分与改善材料性能的目的。常见的增强相以陶瓷相颗粒为主，例如SiC、B₄C等。现有的金属基复合材料的制备方法有粉末冶金法、压力/无压力浸渗法、原位化学反应合成法及液态搅拌法等。相对于应用广泛、工艺成熟的粉末冶金法及其他受材料成分性质限制而应用困难的方法，液态搅拌法因其工艺流程短、成本低廉及通用性强而逐渐得到深入的研究与广泛的应用。然而，利用传统的机械搅拌法制备金属基复合材料时增强相的体积分数一般很难超过20％。究其原因是大量的陶瓷颗粒投入与其浸润性差的金属熔体后，很容易粘附在搅拌容器与搅拌器的表面或漂浮在熔体的表面，且陶瓷颗粒极易团聚，即使增加搅拌功率也难以打散毫米尺寸的粉团，最终导致复合材料的均匀度、体积分数含量达不到设计要求而制备失败。使用外置电磁场等外场作用帮助颗粒相的分散和控制偏聚团簇也是本领域内的公知方法，但电磁场在金属熔体中必然产生集肤效应，仅使用电磁场搅拌金属熔体时，其作用强度在径向衰减快，在大体积熔体中电磁场的分布均匀性差，且电磁场输入功率有很大部分转化为焦耳热，上述问题均制约了电磁搅拌的应用。目前也存在将机械搅拌与电磁场搅拌结合的方案，但是，现有的机械搅拌与电磁场搅拌结合的方案都是形成旋转磁场，作为搅拌分散的直接或辅助驱动力，因其机制为额外添加或增强现有的旋转运动，所以对停滞区与死区的控制作用有限。并且当增强相的体积分数较大时，由于陶瓷相在金属熔体中分散的极不均匀，造成制得的坯料内部陶瓷相的分布偏差极大，无法达到制备要求。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种机械-电磁搅拌装置与机械-电磁搅拌方法，通过设置行波磁场，在停滞区与死区直接施加竖直方向、指向熔体内部的力，将停滞区与死区内的熔体直接推出，令其与其他位置的熔体发生交换，进而保证熔体内增强相分布的均匀性，且能制备出具有高体积分数增强相的复合材料。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供了一种机械-电磁搅拌装置，包括搅拌罐、机械搅拌系统与电磁搅拌系统，所述机械搅拌系统包括位于所述搅拌罐内部的搅拌主轴与搅拌叶片，所述搅拌叶片能够绕所述搅拌主轴的轴心旋转；

所述电磁搅拌系统包括位于所述搅拌罐外部的线圈组，所述线圈组用于产生行波磁场，以驱动位于所述机械搅拌系统的搅拌停滞区与搅拌死区内的熔体分别与其他区域的熔体进行交换。

作为上述技术方案的改进，所述搅拌叶片包括第一面、第二面与第三面，所述第一面与所述第二面均与所述轴心平行，所述第三面分别与所述第一面、所述第二面倾斜相交，所述第一面与所述第二面相交于第一侧边，所述第一面还包括位于所述第一面底部的第二侧边，所述第三面与所述第一面的相交线的两端分别位于所述第一侧边与所述第二侧边上，所述第三面与所述第二面的相交线与所述第一侧边之间的夹角为30°～60°。

作为上述技术方案的进一步改进，所述搅拌叶片的顶部沿该搅拌叶片的长度方向设有若干的凸起，所述凸起上设有与所述第一面平行的第四面。

作为上述技术方案的进一步改进，所述搅拌停滞区位于所述搅拌叶片的上方，所述搅拌死区位于所述搅拌主轴的正下方。

作为上述技术方案的进一步改进，所述线圈组包括位于所述搅拌停滞区外的第一线圈组，以及位于所述搅拌死区外的第二线圈组。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第一线圈组产生的行波磁场的方向为竖直向下，所述第二线圈组产生的行波磁场的方向为竖直向上。

作为上述技术方案的进一步改进，位于所述搅拌停滞区的熔体与位于所述搅拌死区的熔体相向运动进行位置交换。

作为上述技术方案的进一步改进，所述行波磁场的强度范围为16-500mT。

作为上述技术方案的进一步改进，所述机械搅拌系统的搅拌转速范围为200-500r/min，总搅拌时间为40min。

还提供了一种机械-电磁搅拌方法，包括以下步骤，

S10提供搅拌罐，所述搅拌罐包括内腔；

S20设置机械搅拌系统与电磁搅拌系统，所述机械搅拌系统包括搅拌主轴与搅拌叶片，所述搅拌叶片能够绕所述搅拌主轴的轴心旋转，所述电磁搅拌系统包括线圈组，所述线圈组至少能够在所述机械搅拌系统的搅拌停滞区与搅拌死区分别产生行波磁场；

S30向所述搅拌罐内倒入金属基体材料并加热至完全熔化；

S40用所述机械搅拌系统与所述电磁搅拌系统对所述搅拌罐内的金属基体材料进行搅拌混合；

S50向所述搅拌罐内加入增强相粉体并继续搅拌。

作为上述技术方案的进一步改进，设置所述机械搅拌系统的方法为：将所述搅拌叶片固定于所述搅拌主轴的底部，切掉所述搅拌叶片的顶角以形成斜面，并在所述搅拌叶片的顶部沿该搅拌叶片的长度方向设置若干的凸起。

作为上述技术方案的进一步改进，设置所述线圈组的方法为：在所述搅拌停滞区外设置第一线圈组，在所述搅拌死区外设置第二线圈组，所述第一线圈组产生的行波磁场的方向为竖直向下，所述第二线圈组产生的行波磁场的方向为竖直向上。

本发明的有益效果是：通过设置行波磁场，在停滞区与死区直接施加竖直方向、指向熔体内部的力，将停滞区与死区内的熔体直接推出，令其与其他位置的熔体发生交换，进而保证熔体内增强相分布的均匀性，且能制备出具有高体积分数增强相的复合材料。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是常见搅拌系统的搅拌停滞区与搅拌死区的模拟图；

图2是本发明实施例中机械-电磁搅拌装置的结构示意图；

图3是本发明实施例中搅拌叶片的正视图；

图4是本发明实施例中搅拌叶片的仰视图；

图5是本发明实施例中搅拌叶片的立体示意图；

图6是本发明实施例中搅拌叶片的侧视图；

图7是实施例4中制得的复合材料的微观组织图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右、前、后等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。

此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

参照图2，示出了本发明实施例中机械-电磁搅拌装置的结构示意图。该搅拌装置包括搅拌罐1，机械搅拌系统2与电磁搅拌系统3。该搅拌装置用于制备以陶瓷颗粒为增强相的金属基复合材料的浆料。

机械搅拌系统2包括搅拌主轴21与搅拌叶片22，其均位于搅拌罐1的内部。搅拌罐1为圆柱形。搅拌叶片22固定于搅拌主轴21的底部，并与搅拌主轴21的方向垂直。搅拌叶片22位于接近搅拌罐1底部的位置。搅拌叶片22能够绕搅拌主轴21的轴心高速旋转，从而对搅拌罐1内的熔体进行搅拌混合。

参照图3-6，示出了本发明实施例中搅拌叶片的主视图、仰视图、立体示意图及侧视图。搅拌叶片22整体近似为矩形体，搅拌叶片22的顶部设有一轴孔226，轴孔用于与搅拌主轴21固定连接，当搅拌主轴21与未示出的外部动力装置连接后，动力装置可以驱动搅拌叶片22绕搅拌主轴的轴心旋转。

当搅拌叶片22旋转时，其前侧面221、后侧面(后侧面在图中未示出，其与前侧面221相对设置)直接推动流体而起到主要的搅拌功能，将其记为第一面。搅拌叶片22的右侧面222、左侧面(左侧面在图中未示出，其与右侧面222相对设置)较少的推动流体，将其记为第二面，相邻的第一面与第二面之间相交于第一侧边223，第一面221还包括位于第一面底部的第二侧边224。

搅拌叶片22上还设有第三面，第三面分别与第一面、第二面倾斜相交，本实施例中的搅拌叶片22以搅拌主轴的轴心中心对称，故以图5中可视的前侧面221、右侧面222以及和二者相交的第三面225为例进行说明。具体的，前侧面221与右侧面222垂直相交于第一侧边223，前侧面221还包括位于前侧面221底部的第二侧边224，第三面225分别与前侧面221、右侧面222倾斜相交，其中，第三面225与前侧面221的相交线的两端分别位于第一侧边223与第二侧边224上，第三面225与右侧面222的相交线与第一侧边223之间的夹角α为30°～60°。

在搅拌叶片22的顶部设置有若干沿该搅拌叶片的长度方向分布的凸起23，凸起23上设有与第一面平行的第四面231，其中，位于轴孔226同一侧的凸起23，其第四面231的朝向相同；分别位于轴孔226两侧的凸起23，其第四面231的朝向相反，以适应搅拌叶片22的旋转搅拌动作。通过设置凸起23，能够在不显著增加搅拌叶片横截面积并导致层流的前提下，增加叶片对颗粒团簇的撞击概率，有助于增强相陶瓷颗粒的进一步均匀分散。搅拌叶片22的顶部沿该该搅拌叶片的宽度方向设有至少两排凸起23，且各排凸起23的高度依次增加，从而使得漫过前排凸起的熔体能够撞击到后排的凸起，避免前排凸起对后排凸起造成阻挡。

继续参照图2，对电磁搅拌系统进行如下说明。当仅设置机械搅拌系统2时，由于大量的陶瓷颗粒增强相投入与其润湿性较差的金属熔体内后，极其容易粘附在搅拌罐1的内壁、搅拌主轴21与搅拌叶片22上，或者漂浮在熔体表面，且陶瓷颗粒极易出现团聚，因此，在搅拌叶片上方接近熔体表面的位置会出现搅拌停滞区4，在搅拌主轴的正下方区域内会出现搅拌死区5。在增强相的比例较高时，搅拌停滞区4与搅拌死区5的影响更大，使最终制得的坯料内部增强相的分布偏差极大。最终导致复合材料的均匀度或体积分数达不到设计要求而使制备失败。

因此，在本发明中还同时设置了电磁搅拌系统3，用以与机械搅拌系统2相结合，消除搅拌停滞区4与搅拌死区5的影响，将熔体搅拌均匀。

电磁搅拌系统3包括设置于搅拌停滞区4外部的第一线圈组31与设置于搅拌死区5外部的第二线圈组32。对线圈施加交变电流，使熔体内产生交变的行波磁场。第一线圈组31产生的行波磁场的方向向下，第二线圈组32产生的行波磁场的方向向上。熔体内的金属粒子在机械搅拌系统1的搅拌作用下处于运动状态，故而会在磁场中运动而受到洛伦兹力。而陶瓷颗粒则会被周围的金属粒子裹挟离开原位置，第一线圈组31施加的行波磁场将使位于搅拌停滞区4的陶瓷颗粒被金属粒子裹挟朝下运动，第二线圈组32施加的行波磁场将使位于搅拌死区5的陶瓷颗粒被金属粒子裹挟朝上运动，从而使沉积的陶瓷颗粒离开搅拌停滞区4与搅拌死区5，与中间部位的熔体进行对流与交换，使熔体内部成分混合均匀。

经实验得知，电磁系统需要选择高强度的行波磁场，磁场强度范围为16-500mT。

在现有公知技术中，有选用旋转磁场与机械搅拌系统结合的搅拌装置，但是，旋转磁场主要通过驱使金属液做圆周运动，打碎熔体中先凝固的枝晶，枝晶撞击陶瓷颗粒团簇，来辅助机械搅拌系统进行搅拌。由于其机制为额外添加或增强现有的旋转运动，因此，其对搅拌停滞区与搅拌死区的控制作用有限，仅适用于制备陶瓷颗粒体积分数较低时的复合材料。实验证明，当陶瓷颗粒的体积分数达到25％时，由于陶瓷颗粒分散的不均匀，滞留于搅拌死区的陶瓷颗粒的体积分数已超过40％，并发生粘连，使得制得的复合材料内部的陶瓷颗粒增强相分布极不均匀，制得的材料无法实际应用。

而在本发明中，位于搅拌停滞区与搅拌死区的陶瓷颗粒受到的是竖直方向并朝向熔体中间部位的力，也就是说，在机械搅拌系统施加周向旋转运动的基础上又增加了竖直方向的运动，上部搅拌停滞区的粒子朝下运动，下部搅拌死区的粒子朝上运动，从而加强熔体内部的对流交换，因此，即使陶瓷颗粒增强相的体积分数较大时，也可以达到不错的均匀效果。

下面通过具体的实施例对本发明进行进一步的说明：

实施例1：

在本实施例中，增强相陶瓷颗粒选用B₄C陶瓷，质量为9.3kg，粒径为10-44微米，陶瓷颗粒经400℃保温2小时的预处理后放入真空烘箱保温24h，金属基体熔体为含Ti5％的铝合金，质量为20.7kg。将酸洗干净的铝合金在真空环境下(＜100Pa)加热熔化后稳定在650-680℃。耗时20min将全部B₄C陶瓷颗粒投入熔体中并同时通过机械搅拌系统进行搅拌，搅拌转速为200-500R/min，在将全部粉体投入熔体后，继续搅拌20分钟。

搅拌罐体选择圆柱形罐体，直径为260mm，搅拌叶片直径为200mm，搅拌过程中未施加电磁场，搅拌结束后发现有大量粉体悬浮在浆料表面没有成功卷入，捞出4公斤悬浮粉体后发现浆料表面旋转速度很慢，说明搅拌叶片附近存在层流但没有足够的轴向流动。综上，制备失败。

实施例2：

本实施例中的原材料选择、处理工艺及机械搅拌参数与实施例1中一致。其与实施例1的区别在于：在熔体底部的搅拌死区外设置电磁线圈，在搅拌死区实现行波磁场，磁场强度为300mT。搅拌过程中熔体出现稳定涡流，但熔体表面仍有部分粉体残余，倒出浆料后搅拌罐的底部没有粉体残余。综上，制备失败。

实施例3：

本实施例中的原材料选择、处理工艺及机械搅拌参数与实施例1一致。其与实施例1的区别在于：在熔体顶部的搅拌停滞区外设置电磁线圈，在搅拌停滞区实现行波磁场，磁场强度为300mT。搅拌过程中熔体出现稳定涡流，熔体表面粉体残余极少，但倒出浆料后搅拌罐底部残余3kg左右的粉体。综上，制备失败。

实施例4：

本实施例中的原材料选择、处理工艺及机械搅拌参数与实施例1一致。其与实施例1的区别在于：在熔体底部的搅拌死区与顶部的搅拌停滞区外部均设置电磁线圈，在这些区域实现行波磁场，磁场强度为300mT。搅拌过程中熔体涡流较前述各实施例更强且更稳定，熔体表面没有粉体残余，倒出浆料后搅拌罐的底部也没有粉体残余。最终制得质量分数为31％，体积分数为33.5％的B₄C陶瓷增强Al基体复合材料。

实施例5：

本实施例中的原材料选择为：增强相陶瓷颗粒选用SiC陶瓷，质量为8.5kg，平均粒径10微米，陶瓷颗粒经600℃保温4小时的预处理后放入真空烘箱保温24h，金属基体熔体选用A356牌号铝合金，质量为21.5kg。将酸洗干净的铝合金在真空环境下(＜100Pa)加热熔化后稳定在590-610℃，耗时15min将全部SiC陶瓷颗粒投入熔体中并同时通过机械搅拌系统进行搅拌，搅拌转速为200-500R/min，令熔体形成稳定的涡流，能将陶瓷颗粒卷入熔体而又不产生飞溅，待全部粉体投入后再搅拌20min。在熔体底部的搅拌死区与顶部的搅拌停滞区外部均设置电磁线圈，在这些区域实现行波磁场，磁场强度为200mT。搅拌过程中熔体涡流较前述各实施例更强而稳定，熔体表面没有粉体残余，倒出浆料后搅拌罐底部也没有粉体残余。最终制得质量分数为28.3％、体积分数为25％的SiC陶瓷增强Al基体复合材料。

上述各实施例进一步证明了利用本发明中的机械-电磁搅拌装置与方法可以消除搅拌过程中出现的搅拌停滞区与搅拌死区，使熔体内的成分混合更加均匀，并能制备出具有高体积分数增强相的金属基复合材料。

以上是对本发明的较佳实施进行的具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。