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

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因性能不匹配而發(fā)生破壞。以航天飛機的推進系統(tǒng)中最有代表性的超音速燃燒沖壓式發(fā)動機為例，燃燒氣體的溫度通常超過2000℃，對燃燒室壁會產(chǎn)生強烈的熱沖擊；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，用陶瓷應對高溫，用金屬應對低溫。但是，采用傳統(tǒng)技術(shù)將金屬和陶瓷結(jié)合時，由于兩者的界面熱力學特性匹配不好，在極大的熱應力下會遭到破壞。

3、針對上述情況，1984年日本科學家平井敏雄首先提出了梯度功能材料的新設想和新概念，并展開研究。這種全新的材料設計的基本思想是：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，從而得到功能對應組成和結(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力強度同時機械強度也較好的新功能。

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。其應用已擴大到核能源、電子、化學、生物醫(yī)學工程等領域，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，應用前景十分廣闊。

5、公開號為cn?113976885?a的中國專利申請公開了“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留孔隙且孔隙率不相同，然后與銅塊拼接進行熔滲﹣焊接，利用銅塊熔滲依次進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)合強度，降低熱應力并延長使用壽命。但是其梯度材料采用金屬粉通過等靜壓實現(xiàn)，所得到的金屬料雜質(zhì)含量高、結(jié)構(gòu)強度低，不是一種理想的梯度金屬坯料。

6、公開號為cn113664217a的中國專利申請公開了“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，充入保護氣體；導入"骨架"三維數(shù)模，成型"骨架"結(jié)構(gòu)，對清理后的"骨架"進行真空熱處理；采用化學腐蝕溶液對"骨架"表面及支撐結(jié)構(gòu)進行處理，將處理后的"骨架"和填充材料裝入模具包套中，進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配合澆鑄，采用控制系統(tǒng)自動控制2個水口滑板閥的開度，保證了所制備的梯度金屬坯料為嚴格意義上的梯度金屬坯。

2、為了達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實現(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)壁上沿金屬液流動方向沒多個紊流擋塊；收縮段的下端伸入連鑄機的結(jié)晶器內(nèi)并設有混合金屬液出口；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、進一步的，所述多個紊流擋塊沿圓周方向交錯設置或兩兩相對設置。

5、一種梯度金屬坯制備方法，包括：

6、1)澆注開始時，同時開啟金屬液罐一對應的水口滑板閥一和金屬液罐二對應的水口滑板閥二，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)多次紊流作用后實現(xiàn)混勻；然后混合金屬液經(jīng)收縮段由散流變?yōu)榧?，最后自混勻水口兩?cè)的金屬液出口流出至結(jié)晶器內(nèi)；

8、3)澆注時，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，如此反復直至澆注過程結(jié)束。

9、進一步的，開始澆注時，先保持金屬液罐一與金屬液罐二的澆注流量之比為0:1一段時間，作為切割時兩塊鑄坯之間的過渡段，過渡段鑄坯的長度為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)設備簡單，投資少，在現(xiàn)有連鑄生產(chǎn)線基礎上略加改造即可投入生產(chǎn)；

12、2)裝置操作簡便、易于維護，使用成本低；

13、3)所制得的梯度金屬坯料為嚴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)壁上沿金屬液流動方向沒多個紊流擋塊；收縮段的下端伸入連鑄機的結(jié)晶器內(nèi)并設有混合金屬液出口；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，所述多個紊流擋塊沿圓周方向交錯設置或兩兩相對設置。

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，先保持金屬液罐一與金屬液罐二的澆注流量之比為0:1一段時間，作為切割時兩塊鑄坯之間的過渡段，過渡段鑄坯的長度為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，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配合澆鑄，采用控制系統(tǒng)自動控制2個水口滑板閥的開度，保證了所制備的梯度金屬坯料為嚴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