[实用新型]一种自动化合金流变浆料制备及流变成型的装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种自动化新型电磁搅拌流变浆料制备及流变成型的装置，属于金属材料及其加工成形技术领域。

背景技术

凝固组织的细化、均匀化是提高金属材料性能和品质的关键环节，是实现金属材料短流程近终形成形加工的技术基础。但是受金属材料固有的凝固特性限制，组织通常呈现“三晶带”的分布特点，存在晶粒粗大、成分偏析、组织不均匀等问题，对大体积合金熔体凝固而言尤为明显。因此，如何获得细小、圆整、均匀分布的凝固组织一直是材料学者们研究的热点问题。针对这个科学问题，国内外均尝试采用施加外场（电磁搅拌、机械搅拌、超声震动、气流搅拌等）干预合金熔体的凝固过程，通过施加外场使合金熔体产生强烈扰动，促使合金熔体的温度场、成分场更加均匀，进而使合金熔体在整个熔体范围内同时大量形核，从而实现对合金熔体凝固组织的精确控制，获得细小均匀的凝固组织，最终细化晶粒组织。

电磁搅拌法具有能量的高密度性和清洁性、优越的响应性和可控性、易于自动化、能量利用率高等优点，所以率先实现产业化并获得较为广泛的商业应用。美国专利4434837和4229210及中国专利200420112702.0、200510086377.4和201220715064.6都公开了几种制备合金浆料或坯料的电磁搅拌方法，其主要原理是利用强烈的电磁搅拌使合金熔体产生流动，获得相对均匀的温度场和成分场，最终细化合金的晶粒组织。但是由于电磁感应的集肤效应的存在导致搅拌作用仅仅集中在表面的一个很小的薄层，而使中心大面积的金属液搅拌效果很差，从而使得金属液无法获得均匀的搅拌，从心部到边部的合金熔体的温度场和成分场分布不均匀，频率越高，集肤效应越明显，距离断面外表层的距离越大，则感应电流的衰减越剧烈。因此大部分电磁搅拌装置和方法均是采取降低频率的方法减弱集肤效应，但是低的频率不仅减弱了搅拌强度，同时需增设变频装置，会增加设备投资成本，增加合金浆料的制备成本。中国专利200810116181提出了一种环缝式电磁搅拌装置和方法，该装置在熔体心部放置一个芯棒，形成熔体缝隙，在搅拌缝隙宽度可调的环缝式制浆系统内实现浆料的搅拌。环缝不仅避开了磁感应强度较低的部分，可有效避免电磁感应趋肤效应导致的搅拌力的不均匀性，将交变电磁场趋肤效应劣势转变为优势，充分利用趋肤效应层磁感应强度高的优点，同时增加了熔体心部的散热面积，使浆料获得的更加均匀的温度场和成分场，使用工频电流便可以实现均匀的搅拌，因此减少了变频设备，减少成本。但由于缝隙的宽度有限，只能处理小体积熔体，熔体处理量有限，同时电磁搅拌的固有特性，电磁力在熔体中是按周向分布的，熔体的流动也是沿周向运动，以层流为主，这就不可避免的产生了沿径向和轴向分布的温度梯度和成分梯度。美国专利5135564也提出了一种类似的电磁搅拌设备和方法，该设备主要是通过旋转的磁场和可上下移动的芯棒来控制熔体的搅拌，避开熔体受电磁力较小的地方和增加熔体的散热，但是电磁搅拌所产生的熔体搅拌效果都是沿周向运动的，以层流为主，很难产生熔体的径向和轴向流动，也就同样不可避免的产生了沿径向和轴向分布的温度梯度和成分梯度，上下移动的芯棒虽说可以增强熔体上下的流动，但是效果有限，同时该设备相当复杂，操作困难，生产成本较高。

机械搅拌的优点是剪切速率高、搅拌强度大、使液态金属产生剧烈的紊流，获得较为均匀的温度场和成分场。美国专利6745818B1及中国专利201310026955.X和201110339603.0都公开了几种机械搅拌熔体处理的设备和方法，基本上都是利用由电机带动搅拌杆来实现熔体的搅动，获得均匀的温度场和成分场，细化组织。但不足之处是机械搅拌杆多为金属材料，容易污染熔体，带入杂质，同时机械搅拌装置容易被腐蚀，消耗高，寿命短，检修率高，不适合大批量零件的生产，同时搅拌设备庞大，成本高。

超声震动的优点主要是设备成本低，使金属熔体产生对流，形成均匀的温度场和成分场，细化组织。中国专利200910061766.X、200710168664.9和200710168738.9提出了几种超声震动的设备和方法。但不足之处为声波能量衰减剧烈，超声工具头腐蚀严重。

气体搅拌法的优点也是设备较为简单，能产生一定的熔体扰动，获得相对均匀的温度场和成分场，细化组织。美国专利6645323B2和中国专利201310101881.1提出了几种气体搅拌的设备。但是不足之处为气体的搅拌强度相对较低，金属熔体的均匀性难以达到很好，尤其是对于大体积熔体。