[发明专利]多组元径向功能梯度材料设备的熔体流速调节系统及方法

说明书

本发明属于材料制备领域，公开了一种多组元径向功能梯度材料设备的熔体流速调节系统及其方法，该调节系统包括：原料存储罐、混合漏斗、螺旋杆熔炼机、离心铸造机、温度传感器及控制平台。方法通过控制梯度熔炼得到的成分多组元连续变化的熔体并建立熔体流速与变化组元间的数学关系模型，结合实时反馈数据以适合的速度连续不断将熔体送入离心铸造旋转铸型中，熔体迅速充型并快速凝固，得到成分沿径向连续变化熔体的顺序凝固。本发明具有实时反馈、控制灵活、易于操作，且通过该方法可以实现不同成分合金、树脂、玻璃等材料的径向成分梯度变化大尺寸管材、棒材、实/空心碟、盘的制备，简化了制备流程，降低了时间成本，提高了成品质量及制备效率。

技术领域

本发明属于材料加工制备领域，尤其涉及一种用于化学成分沿径向连续梯度变化的大尺寸多组元合金、树脂、玻璃等材料的管材、棒材、实/空心碟、盘的多组元径向功能梯度材料设备的熔体流速调节系统及方法。

背景技术

航天、核聚变等苛刻服役条件下成分均一的材料以无法满足需求，为克服环境骤变对材料性能的变化需求，复合材料应运而生。传统的复合材料通过热压、焊接等手段制备，由于材料各部分间差异较大，存在着易产生缺陷性能较差等问题。功能梯度材料是指材料的组成、结构、孔隙率等要素由一侧向另一侧连续变化，使材料的物理、化学、力学等性能发生连续变化，从而适应不同环境要求的具有特殊功能的一类新型复合材料。一般认为，功能梯度材料及零部件无法通过常规冶金方法制备。目前，功能梯度材料主要通过气相沉积、等离子喷涂、磁控溅射、粉末冶金、激光熔覆、增材制造等方法制备，然而现存技术存在着制备材料尺寸受限、生产成本高效率低、易产生宏观开裂、无法按需设计成分等问题。

发明内容

本发明公开了多组元径向功能梯度材料设备的熔体流速调节系统及方法，以解决现有技术的上述以及其他潜在问题中任一问题。

为了解决上述问题，本发明的公开了一种多组元径向功能梯度材料设备的熔体流速调节系统，所述调节系统包括：原料存储罐、混合漏斗、螺旋杆熔炼机、离心铸造机、温度传感器及控制平台；

所述原料存储罐，用于存储制备多组元径向梯度材料的原料；

其中，原料储存罐中的进料机构，可以通过控制平台对进料机构的旋转速度进行调控，通过控制进料机构的旋转速度改变进入漏斗的原料配比。

所述混合漏斗，用于对从存储罐中进入的物料进行混合并控制原料以不同速度进入螺旋杆熔炼机；所述混合漏斗一端与所述原料储存罐连接；

所述螺旋杆熔炼机，用于将混合漏斗中不同化学配比的原料按进料顺序先后融化防止熔体长程扩散，并控制以适合速度控制流出；所述螺旋杆熔炼机一端与所述混合漏斗的出料口连接；

其中，所述螺旋杆熔炼机中螺杆紧贴熔腔内壁且垂直向下旋转，可有效避免成分梯度连续变化熔体的长程扩散作用而发生混熔现象；

所述离心铸造机，用于将成分梯度变化的熔体通过离心铸造方式凝固成为管材；所述离心铸造机一端与螺旋杆熔炼机出料口连接；所述螺旋杆熔炼机尾端出料口设置流速控制阀，以调节熔体流速。

所述温度传感器，用于监控离心铸造离心机腔体的外表面温度，并发送给控制平台；所述温度传感器置于离心铸造熔腔外侧；

所述控制平台，用于根据所需制备成分径向梯度管材的成分梯度以及各组元梯度材料厚度，结合温度传感器反馈的实时数据，将求出螺杆末端熔体的最佳流速并反馈给送料端；

本发明的另一目的是提供一种采用上述的调节系统制备大尺寸多组元径向功能梯度材料的方法，该方法具体包括以下步骤：

S1)按照设计所需制备多组元径向功能梯度材料的成分以及管壁厚度选取所需原料，并将各个原料分别置于各个原料存储罐中备用；

S2)控制平台根据所需制备多组元径向功能梯度材料的成分以及管壁厚度，将借助数学模型求出熔体的流速V，在该流速下熔体即入即凝；