本發(fā)明涉及梯度金屬制備，尤其涉及一種梯度金屬坯制備裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、梯度材料從嚴(yán)格意義上講，應(yīng)該稱作“梯度功能復(fù)合材料”(簡(jiǎn)稱fgm)，又稱傾斜功能材料，是兩種或多種材料復(fù)合且成分和結(jié)構(gòu)呈連續(xù)梯度變化的一種新型復(fù)合材料。

2、一般材料中分散相是均勻分布的，材料的整體性能是同一的。但是在有些情況下，人們常常希望同一材料的兩側(cè)具有不同的性質(zhì)或功能，而且希望具有不同性能的兩側(cè)完美結(jié)合，在苛刻的使用條件下不會(huì)因性能不匹配而發(fā)生破壞。以航天飛機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)中最有代表性的超音速燃燒沖壓式發(fā)動(dòng)機(jī)為例，燃燒氣體的溫度通常超過2000℃，對(duì)燃燒室壁會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱沖擊；而燃燒室壁的另一側(cè)卻要經(jīng)受作為燃料用的液氫的冷卻作用(通常溫度為－200℃左右)，即燃燒室壁接觸燃燒氣體的一側(cè)要承受極高的溫度，接觸液氫的一側(cè)要承受極低的溫度，一般的材料顯然滿足不了這一要求。于是，人們想到將金屬和陶瓷結(jié)合起來使用，用陶瓷應(yīng)對(duì)高溫，用金屬應(yīng)對(duì)低溫。但是，采用傳統(tǒng)技術(shù)將金屬和陶瓷結(jié)合時(shí)，由于兩者的界面熱力學(xué)特性匹配不好，在極大的熱應(yīng)力下會(huì)遭到破壞。

3、針對(duì)上述情況，1984年日本科學(xué)家平井敏雄首先提出了梯度功能材料的新設(shè)想和新概念，并展開研究。這種全新的材料設(shè)計(jì)的基本思想是：根據(jù)需要選擇使用兩種具有不同性能的材料，通過連續(xù)地改變兩種材料的組成和結(jié)構(gòu)，使其內(nèi)部界面消失，從而得到功能對(duì)應(yīng)組成和結(jié)構(gòu)變化而漸變的非均質(zhì)材料，以減輕或克服兩種材料結(jié)合部位性能不匹配的問題。例如，對(duì)上述的燃燒室壁，在陶瓷和金屬之間通過連續(xù)控制內(nèi)部組成和微細(xì)結(jié)構(gòu)變化，使兩種材料之間不出現(xiàn)界面，從而使整體材料具有耐熱應(yīng)力強(qiáng)度同時(shí)機(jī)械強(qiáng)度也較好的新功能。

4、目前，已開發(fā)的梯度材料制備方法主要有：化學(xué)氣相沉積法、物理蒸發(fā)法、等離子噴涂法、顆粒梯度排列法、自蔓延高溫合成法、液膜直接成法及薄膜浸滲成型法等。其應(yīng)用已擴(kuò)大到核能源、電子、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域，其材料組成也由金屬－陶瓷發(fā)展成為金屬－合金、非金屬－非金屬、非金屬－陶瓷、高分子膜－高分子膜等多種組合，種類繁多，應(yīng)用前景十分廣闊。

5、公開號(hào)為cn?113976885?a的中國專利申請(qǐng)公開了“一種鎢銅功能梯度材料的制備方法”，制備步驟為：一、將鎢粉和誘導(dǎo)銅粉按照不同的質(zhì)量比例混合配制得到一系列梯度鎢粉質(zhì)量含量的鎢銅合金粉：二、裝套密封后經(jīng)冷等靜壓壓制得到多層鎢銅梯度材料壓坯：三、將多層鎢銅梯度材料壓坯中鎢粉含量最低的一端與銅塊拼接后放進(jìn)行熔滲﹣焊接，得到鎢銅功能梯度材料燒結(jié)坯；四、裝套后經(jīng)熱等靜壓處理得到鎢銅功能梯度材料。其通過控制鎢銅合金粉的質(zhì)量配比，使得鎢銅梯度材料壓坯中各壓層中均預(yù)留孔隙且孔隙率不相同，然后與銅塊拼接進(jìn)行熔滲﹣焊接，利用銅塊熔滲依次進(jìn)入各層孔隙中將不同的鎢銅功能梯度材料連接，提高了鎢銅功能梯度材料的層間結(jié)合強(qiáng)度，降低熱應(yīng)力并延長(zhǎng)使用壽命。但是其梯度材料采用金屬粉通過等靜壓實(shí)現(xiàn)，所得到的金屬料雜質(zhì)含量高、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，不是一種理想的梯度金屬坯料。

6、公開號(hào)為cn113664217a的中國專利申請(qǐng)公開了“一種結(jié)構(gòu)功能梯度材料的制備方法”，包括如下步驟：采用增材制造技術(shù)制備結(jié)構(gòu)功能梯度材料"骨架"；安裝成型基板，充入保護(hù)氣體；導(dǎo)入"骨架"三維數(shù)模，成型"骨架"結(jié)構(gòu)，對(duì)清理后的"骨架"進(jìn)行真空熱處理；采用化學(xué)腐蝕溶液對(duì)"骨架"表面及支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，將處理后的"骨架"和填充材料裝入模具包套中，進(jìn)行熱等靜壓處理從而制備結(jié)構(gòu)功能梯度材料。其存在的問題是所得梯度材料并非材料整體截面上的梯度變化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種梯度金屬坯制備裝置及方法，采用2個(gè)金屬液罐分別盛裝不同材質(zhì)的金屬液，采用混勻水口與連鑄機(jī)配合澆鑄，采用控制系統(tǒng)自動(dòng)控制2個(gè)水口滑板閥的開度，保證了所制備的梯度金屬坯料為嚴(yán)格意義上的梯度金屬坯。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、一種梯度金屬坯制備裝置，包括金屬液罐一、金屬液罐二、混勻水口、連鑄機(jī)及控制系統(tǒng)；所述混勻水口為y形結(jié)構(gòu)，由上部的水口通道一、水口通道二及下部的混勻通道組成；所述金屬液罐一底部的出液口通過水口滑板閥一與水口通道一相連，金屬液罐二底部的出液口通過水口滑板閥二與水口通道二相連；所述混勻通道的上段為紊流段，下段為收縮段；紊流段的內(nèi)壁上沿金屬液流動(dòng)方向沒多個(gè)紊流擋塊；收縮段的下端伸入連鑄機(jī)的結(jié)晶器內(nèi)并設(shè)有混合金屬液出口；所述水口滑板閥一及水口滑板閥二的控制端均連接控制系統(tǒng)。

4、進(jìn)一步的，所述多個(gè)紊流擋塊沿圓周方向交錯(cuò)設(shè)置或兩兩相對(duì)設(shè)置。

5、一種梯度金屬坯制備方法，包括：

6、1)澆注開始時(shí)，同時(shí)開啟金屬液罐一對(duì)應(yīng)的水口滑板閥一和金屬液罐二對(duì)應(yīng)的水口滑板閥二，由控制系統(tǒng)控制水口滑板閥一的開度及水口滑板閥二的開度；

7、2)金屬液罐一和金屬液罐二盛裝不同材質(zhì)的金屬液，兩種金屬液經(jīng)混勻水口充分混合均勻；具體過程是：兩種金屬液流進(jìn)入混勻通道后，在紊流擋塊的阻擋作用下形成紊流，經(jīng)多次紊流作用后實(shí)現(xiàn)混勻；然后混合金屬液經(jīng)收縮段由散流變?yōu)榧鳎詈笞曰靹蛩趦蓚?cè)的金屬液出口流出至結(jié)晶器內(nèi)；

8、3)澆注時(shí)，金屬液罐一與金屬液罐二的澆注流量之比始終處于連續(xù)且勻速變化過程中，即澆注流量之比由開始澆注時(shí)的1:0連續(xù)且勻速地調(diào)整至0:1，然后澆注流量之比再由0:1連續(xù)且勻速地調(diào)整至1:0，如此反復(fù)直至澆注過程結(jié)束。

9、進(jìn)一步的，開始澆注時(shí)，先保持金屬液罐一與金屬液罐二的澆注流量之比為0:1一段時(shí)間，作為切割時(shí)兩塊鑄坯之間的過渡段，過渡段鑄坯的長(zhǎng)度為0.1～0.5m。

10、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

11、1)設(shè)備簡(jiǎn)單，投資少，在現(xiàn)有連鑄生產(chǎn)線基礎(chǔ)上略加改造即可投入生產(chǎn)；

12、2)裝置操作簡(jiǎn)便、易于維護(hù)，使用成本低；

13、3)所制得的梯度金屬坯料為嚴(yán)格意義上的梯度金屬坯。

技術(shù)特征：

1.一種梯度金屬坯制備裝置，其特征在于，包括金屬液罐一、金屬液罐二、混勻水口、連鑄機(jī)及控制系統(tǒng)；所述混勻水口為y形結(jié)構(gòu)，由上部的水口通道一、水口通道二及下部的混勻通道組成；所述金屬液罐一底部的出液口通過水口滑板閥一與水口通道一相連，金屬液罐二底部的出液口通過水口滑板閥二與水口通道二相連；所述混勻通道的上段為紊流段，下段為收縮段；紊流段的內(nèi)壁上沿金屬液流動(dòng)方向沒多個(gè)紊流擋塊；收縮段的下端伸入連鑄機(jī)的結(jié)晶器內(nèi)并設(shè)有混合金屬液出口；所述水口滑板閥一及水口滑板閥二的控制端均連接控制系統(tǒng)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種梯度金屬坯制備裝置，其特征在于，所述多個(gè)紊流擋塊沿圓周方向交錯(cuò)設(shè)置或兩兩相對(duì)設(shè)置。

3.一種基于如權(quán)利要求1或2所述裝置的梯度金屬坯制備方法，其特征在于，包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種梯度金屬坯制備方法，其特征在于，開始澆注時(shí)，先保持金屬液罐一與金屬液罐二的澆注流量之比為0:1一段時(shí)間，作為切割時(shí)兩塊鑄坯之間的過渡段，過渡段鑄坯的長(zhǎng)度為0.1～0.5m。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種梯度金屬坯制備裝置及方法，所述裝置包括金屬液罐一、金屬液罐二、混勻水口、連鑄機(jī)及控制系統(tǒng)；混勻水口為Y形結(jié)構(gòu)，由上部的水口通道一、水口通道二及下部的混勻通道組成；混勻通道的上段為紊流段，下段為收縮段；澆注時(shí)，金屬液罐一與金屬液罐二的澆注流量之比始終處于連續(xù)且勻速變化過程中。本發(fā)明采用2個(gè)金屬液罐分別盛裝不同材質(zhì)的金屬液，采用混勻水口與連鑄機(jī)配合澆鑄，采用控制系統(tǒng)自動(dòng)控制2個(gè)水口滑板閥的開度，保證了所制備的梯度金屬坯料為嚴(yán)格意義上的梯度金屬坯。

技術(shù)研發(fā)人員：黃玉平,廖相巍,趙成林,李德軍,金喆
受保護(hù)的技術(shù)使用者：鞍鋼股份有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21