制备铝合金半固态复合浆料的搅拌装置、搅拌方法和应用

1.本发明涉及铝合金半固态浆料制备技术领域，尤其涉及制备铝合金半固态复合浆料的搅拌装置、搅拌方法和应用。


背景技术：

2.半固态金属铸造成型工艺技术(ssm)已经有20多年的研究与发展历史，是一种将含有树枝晶的固液混合物在液相线与固相线之间的温度范围内加工成型的材料成型技术，被誉为“21世纪最有发展前途的绿色工业技术”，半固态成型技术可以显著降低加工成本，提高生产效率，最终实现近净成型。
3.搅拌铸造工艺是最早开始采用的制备半固态浆料的方法，也是目前应用最为广泛的方法，金属材料在凝固过程中经过强力搅拌，使得初生枝晶骨架被打碎，成为近球状组织，具有优异的成型性能。采用半固态成型技术生产的产品具有高质量、高性能和高合金化的特点。
4.机械搅拌法根据生产方式可以分为间歇式和连续式两种，主要是利用搅拌器产生的机械外力剪切合金熔体，打碎枝晶，使合金熔体组织均匀从而获得半固态浆料。超声波振动法是通过超声波发生器的探头浸入熔融金属表面以下几毫米，通过声流效应和声空化效应促进熔融金属形核，并使生长的枝晶壁破碎，从而获得几乎球状的微观结构，声流效应又会将已发生破碎的枝晶壁均匀分散到熔体内部。
5.然而，实际在机械搅拌法生产半固态浆料及金属基复合材料时会存在机械搅拌无法到达的死区，且容易出现上下层温差过大等缺陷，对浆料的均匀性产生影响。而超声振动在金属熔体中衰减严重，不易到达较深或较广的区域。靠近变幅杆区域的组织细化，远离变幅杆的区域组织晶粒较粗大，使得处理合金熔体组织不均匀。
6.为此，本发明提供一种能够制备出均匀细晶且夹渣少的浆料的制备铝合金半固态及铝基复合浆料的搅拌装置、搅拌方法和应用。


技术实现要素：

7.为了解决上述现有技术中的不足，本发明提供制备铝合金半固态复合浆料的搅拌装置、搅拌方法和应用。本发明的搅拌装置通过机构化设计，可控性强，能够使超声振动与机械搅拌同时作用于同一区域，且能够精准控制时间机械搅拌与超声振动同时作用，从而极大程度的改善了半固态浆料和纳米陶瓷增强铝基复合材料的质量，使得制备出的浆料细晶均匀且夹渣少。
8.本发明的制备铝合金半固态复合浆料的搅拌装置、搅拌方法和应用是通过以下技术方案实现的：
9.本发明的第一个目的是提供一种用于制备铝合金半固态及铝基复合浆料的搅拌装置，包括超声机构，所述超声机构包括：
10.筒体，其内部具有空腔，所述空腔沿其竖直方向设置，且其底部开设有通孔，所述
通孔与所述空腔连通；
11.搅拌杆，其上端穿过所述通孔设置于所述空腔内，且其下端设置有搅拌桨；
12.安装基座，设置于所述筒体的上端，其内部设置有安装槽，所述安装槽与所述空腔连通；
13.双节万向联轴器，安装于所述安装槽内，其一端与所述搅拌杆的上端传动连接，其另一端传动连接有驱动机构；
14.超声波变幅杆，固定设置于所述安装基座上端，且电性连接有超声波发生器；且其与所述搅拌杆同轴设置。
15.进一步地，所述安装基座的一侧开设有安装孔，所述安装孔与所述安装槽连通，所述安装孔用于供所述驱动机构的输出轴与所述双节万向联轴器传动连接。
16.进一步地，所述筒体侧壁上开设有加料口，所述加料口与所述空腔连通，所述加料口用于向铝液中添加第二相组织。
17.进一步地，所述驱动机构包括底座和所述底座上设置的驱动电机，所述驱动电机的输出轴与所述双节万向联轴器传动连接。
18.进一步地，所述筒体内沿竖直方向设置有两个角接触球轴承，且两个所述角接触球轴承的内圈分别与所述搅拌杆的上端和下端卡接，从而实现对所述搅拌杆的限位。
19.进一步地，所述搅拌桨包括正向搅拌桨和反向搅拌桨，所述正向搅拌桨与所述反向搅拌桨同轴设置于所述搅拌杆的下端。
20.进一步地，所述筒体与所述安装基座通过螺栓可拆卸连接。
21.进一步地，所述超声波变幅杆焊接于所述安装基座上端。
22.进一步地，所述正向搅拌桨与所述反向搅拌桨均通过无头内六角机米螺丝安装于所述搅拌杆的底部。
23.进一步地，所述正向搅拌桨与水平方向之间所呈的夹角为40～50
°
；
24.所述反向搅拌桨与水平方向之间所呈的夹角为130～140
°
。
25.进一步地，所述双节万向联轴器的单节最大允许旋转角度为45
°
，最大总允许旋转角度为90度。
26.进一步地，所述搅拌杆的上端设置有连接柱，所述连接柱的半径小于所述搅拌杆的半径；
27.所述连接柱上开设有第一键槽，所述第一键槽通过止动销与所述万向联轴器连接，用于保证所述搅拌杆与所述双节万向联轴器同步旋转。
28.进一步地，所述搅拌杆为钛合金搅拌杆；所述正向搅拌桨为钛合金正向搅拌桨，所述反向搅拌桨为钛合金反向搅拌桨。
29.进一步地，所述底座上设置有轴承支座，所述轴承支座内设置有深沟球轴承，所述传动杆穿过所述深沟球轴承与所述双节万向联轴器连接；所述角接触球轴承为氮化硅角接触球轴承。
30.进一步地，所述连接柱与所述搅拌杆上端呈的阶梯结构处可作为轴肩起轴向定位作用。
31.进一步地，位于所述搅拌杆上端的角接触球轴承对所述搅拌杆进行轴向定位，位于所述搅拌杆下端的角接触球轴承对所述搅拌杆的径向进行定位，轴向不进行约束。
32.本发明的第二个目的是提供一种基于上述搅拌装置的制备铝合金半固态复合浆料中的搅拌方法，包括以下步骤：
33.将上述搅拌装置吊装在电阻炉上方，并将铝合金样品放入坩埚中，随后将盛有铝合金样品的坩埚置于电阻炉进行加热；待铝合金样品呈熔融状态时，调整搅拌杆与坩埚之间的相对距离，使得搅拌杆伸入熔融铝合金液面以下4～6mm；
34.驱动搅拌杆转动的同时开启超声波发生器，使得搅拌杆的机械搅拌在超声波发生器提供的超声场中心处进行，随后加入第二相组织物，通过机械搅拌和超声振动的共同作用使得第二相组织物均匀分散到熔融铝合金液中，与其均匀反应使得最终形成显微组织优良、力学性能优异、光学性能良好的高质量高强度石墨烯铝基复合材料浆料。
35.本发明的第三个目的是提供一种上述搅拌装置在制备铝合金半固态复合浆料中的应用。
36.本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
37.本发明提供一种超声搅拌复合机械搅拌制备铝合金半固态及铝基复合浆料装置，通过将本发明的装置吊装在电阻炉上方，炉中装有盛放着铝合金样品的坩埚，将电阻炉打开加热直至设定温度，等到铝合金呈熔融状态时，根据坩埚大小(高度)调整搅拌桨与坩埚之间的相对距离，使得搅拌杆伸入熔融铝合金液面以下5mm左右，开启驱动电机，使其带动传动杆转动，进而传动杆带动双节万向联轴器转动，经双节万向联轴器改变传动方向使其动力传递到搅拌杆上，使双节万向联轴器带动搅拌杆转动，进而使搅拌杆上设置的搅拌桨随之转动，对坩埚中的铝液进行搅拌，在开启驱动电机的同时开启超声机构，由于超声机构与搅拌杆同轴设置，使得搅拌杆的机械搅拌在超声机构提供的超声场中心处进行，随后加入第二相组织物(如石墨烯)，通过机械搅拌和超声振动的共同作用使得第二相组织物均匀分散到铝液中，与其均匀反应使得最终形成显微组织优良、力学性能优异、光学性能良好的高质量高强度石墨烯铝基复合材料浆料实现均匀搅拌。
38.本发明的装置能够同时对浆料进行超声搅拌和机械搅拌，最终制备出性能优良，组织均匀，晶粒细小的半固态及铝基复合浆料。通过更换搅拌杆、搅拌桨可适用于不同大小的坩埚设备；同时筒体与安装基座的可拆卸连接，方便清理依附在超声探头上的废料残渣。
39.本发明的装置设计机构化，装置操作简便，且浆料质量远高于传统单一机械搅拌或者单一超声搅拌的设备。
附图说明
40.图1为本发明实施例1的搅拌装置的整体结构示意图；
41.图2为本发明实施例2的筒体的内部结构示意图；
42.图3为本发明实施例1的搅拌机构的结构示意图。
具体实施方式
43.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
44.实施例1
45.请参阅图1～图3，本实施例提供一种用于制备铝合金半固态及铝基复合浆料的搅
拌装置，包括筒体1、搅拌杆2、安装基座3、双节万向联轴器4和超声波变幅杆5。本实施例的筒体1其内部具有空腔，底部开设有与上述空腔连通的通孔11，搅拌杆2的上端穿过通孔11设置于空腔内，搅拌杆2的下端设置有搅拌桨。安装基座3设置于筒体1的上端，安装基座3的内部设置有安装槽，且安装槽的结构双节万向联轴器的结构相匹配，且安装槽与上述空腔连通。双节万向联轴器4安装于上述安装槽内，双节万向联轴器4一端与搅拌杆2的上端传动连接，其另一端与驱动电机7的输出轴71传动连接，驱动电机7设置于底座8上。超声波变幅杆5焊接于安装基座3上端，且电性连接有超声波发生器；且超声波变幅杆5与搅拌杆2同轴设置。
46.通过将本发明的装置吊装在电阻炉上方，炉中装有盛放着铝合金样品的坩埚，将电阻炉打开加热直至设定温度，等到铝合金呈熔融状态时，根据坩埚大小(高度)调整搅拌杆与坩埚之间的相对距离，使得搅拌杆2伸入熔融铝合金液面以下4～6mm，接通驱动电机7电源，开启驱动电机7，驱动电机的输出轴带动双节万向联轴器4转动，经双节万向联轴器4改变传动方向使其动力传递到搅拌杆2上，使双节万向联轴器4带动搅拌杆2转动，进而使搅拌杆2上设置的正向搅拌桨21和反向搅拌桨22随之转动，对坩埚中的铝液进行搅拌，在开启驱动电机7的同时开启超声波发生器，由于超声机构与搅拌杆2同轴设置，使得搅拌杆2的机械搅拌在超声波发生器提供的超声场中心处进行，随后加入第二相组织物(如石墨烯)，通过机械搅拌和超声振动的共同作用使得第二相组织物均匀分散到铝液中，与其均匀反应使得最终形成显微组织优良、力学性能优异、光学性能良好的高质量高强度石墨烯铝基复合材料浆料实现均匀搅拌。
47.实施例2
48.请参阅图1～图3，本实施例提供一种用于制备铝合金半固态及铝基复合浆料的搅拌装置。
49.为了确保能够驱动搅拌杆2转动，本实施例在安装基座3的一侧开设有安装孔31，安装孔31与安装槽连通，安装孔31用于供所述驱动机构的输出轴与所述双节万向联轴器4传动连接。
50.实施例3
51.本实施例在实施例1的基础上，为了确保使得第二相组织物均匀分散到铝液中，本实施例的搅拌杆2与空腔壁之间存在空隙，且在筒体1侧壁上开设有加料口12，加料口12与上述空隙连通，通过加料口12可以将第二相组织物，如石墨烯加入至空隙内，通过同时开启驱动电机7、与超声波变幅杆5连接的超声波发生器，使得机械搅拌在超声场中心进行，进而保证机械搅拌与超声振动同时作用，有利于形成晶粒细小，组织均匀，显微组织优异的浆料。
52.本实施例加入的石墨烯颗粒从加料口12匀速缓慢推送进入筒体1与搅拌杆2之间，通过重力作用使其经筒体1下端的通孔11自然添加到坩埚中的铝液中，且在添加过程中，石墨烯颗粒经搅拌杆2转动产生的离心力与机械搅拌以及超声振动的共同作用使其均匀分散到铝液中。在混合过程中，铝液与石墨烯经机械搅拌与坩埚壁反复剪切挤压碰撞，起到破碎枝晶、细化晶粒的效果，同时超声振动产生的声空化效应、声流效应和高能机械波使石墨烯不易聚集，均匀分布，最终形成显微组织优良、力学性能优异、光学性能良好的高质量高强度石墨烯铝基复合材料浆料。
53.实施例4
54.在实施例2的基础上，为了保证搅拌杆2在搅拌过程中，能够稳定的进行搅拌，本实施例在安装基座3内沿竖直方向设置有两个角接触球轴承13，且两个角接触球轴承13的内圈分别与搅拌杆2的上端和下端卡接，进而避免了搅拌杆2在搅拌过程中始终沿同一轴线转动，避免了其位置的偏移，进而保证了搅拌杆2在搅拌过程中稳定的进行。
55.实施例5
56.在实施例2的基础上，为了保证超声作用与搅拌作用的协同作用，本实施例将超声波变幅杆5焊接与安装基座3上端。
57.实施例6
58.在实施例1的基础上，为了便于根据需求对搅拌杆2进行替换，本实施例将正向搅拌桨21与反向搅拌桨22均通过无头内六角机米螺丝25安装于搅拌杆2下端的第二键槽中，从而将正向搅拌桨21与反向搅拌桨22拆卸后，便于将搅拌杆2取出后进行更换。
59.实施例7
60.在实施例1的基础上，为了便于将加入的第二相组织物，如石墨烯与坩埚中的铝液充分混匀，本实施例的正向搅拌桨21与水平方向之间所呈的夹角为40～50
°
，且反向搅拌桨22与水平方向之间所呈的夹角为130～140
°
，通过将搅拌桨倾斜设置可有效的增加扫掠面积，提高搅拌效果的同时也加快了搅拌进程。
61.实施例8
62.在实施例1的基础上，为了保证搅拌杆2能够随双节万向联轴器4同步旋转，本实施例在搅拌杆2上端设置有同轴的连接柱23，连接柱23的半径大于搅拌杆2的半径，使得连接柱23与搅拌杆2的上端呈阶梯结构，该阶梯结构处可作为轴肩起轴向定位作用。并且位于搅拌杆2上端的角接触球轴承13对搅拌杆2进行轴向定位，位于搅拌杆2下端的角接触球轴承13对搅拌杆2的径向进行定位，轴向不进行约束从而实现对搅拌杆2的限位。
63.实施例9
64.在实施例1的基础上，为了保证输出轴71在转动过程能够带动双节万向联轴器4同步且始终沿同一轴线稳定的转动，本实施例的底座1上设置有轴承支座9，轴承支座9内设置有深沟球轴承91，输出轴71穿过所述深沟球轴承91与双节万向联轴器4连接。
65.实施例10
66.在实施例2的基础上，为了便于根据实际需求更换不同尺寸的搅拌杆2，本实施例的筒体1和安装基座3通过螺栓6可拆卸连接。
67.实施例11
68.本实施例提供一种本发明的搅拌装置在制备铝合金半固态及铝基复合浆料中的应用。
69.本实施例炉中装有盛放着铝合金样品的坩埚，将电阻炉打开加热直至设定温度，等到铝合金呈熔融状态时，根据坩埚大小(高度)调整搅拌桨与坩埚之间的相对距离，使得搅拌杆2伸入熔融铝合金液面以下5mm左右，接通驱动电机7电源，开启驱动电机7，转速设定为500-700r/min，使其带动输出轴71转动，进而输出轴71带动双节万向联轴器4转动，双节万向联轴器4进而带动搅拌杆2及其上设置的搅拌桨转动，对坩埚中的铝液进行搅拌，在开启驱动电机7的同时，开启超声机构3，随后加入第二相组织物，如石墨烯，通过机械搅拌和
超声振动的共同作用使得第二相组织物均匀分散到铝液中，与其均匀反应使得最终形成显微组织优良、力学性能优异、光学性能良好的高质量高强度石墨烯铝基复合材料浆料实现均匀搅拌。
70.本实施例的双节万向联轴器为钛合金双节万向联轴器，且本实施例的钛合金双节万向联轴器的单节最大允许旋转角度为45
°
，最大总允许旋转角度为90度。
71.本实施例的搅拌杆2为钛合金搅拌杆2，且本实施例的钛合金搅拌杆2上端的连接柱23为钛合金连接柱；本实施例的搅拌桨均为钛合金搅拌桨。
72.本实施例的角接触球轴承13为氮化硅角接触球轴承。
73.本实施例的螺栓6为钛合金内六角圆柱头螺栓。
74.本实施例的安装基座3为钛合金安装基座。
75.本实施例的筒体1为钛合金筒体。
76.本实施例的无头内六角机米螺丝25为钛合金无头内六角机米螺丝。
77.显然，上述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

技术特征：
1.一种制备铝合金半固态复合浆料的搅拌装置，其特征在于，包括：筒体(1)，其内部具有空腔，且其底部开设有通孔(11)，所述通孔(11)与所述空腔连通；搅拌杆(2)，其上端穿过所述通孔(11)设置于所述空腔内，且其下端设置有搅拌桨；安装基座(3)，设置于所述筒体(1)的上端，其内部设置有安装槽，所述安装槽与所述空腔连通；双节万向联轴器(4)，安装于所述安装槽内，其一端与所述搅拌杆(2)的上端传动连接，其另一端传动连接有驱动机构；超声波变幅杆(5)，固定设置于所述安装基座(3)上端，且电性连接有超声波发生器；且其与所述搅拌杆(2)同轴设置。2.如权利要求1所述的搅拌装置，其特征在于，所述安装基座(3)的一侧开设有安装孔(31)，所述安装孔(31)与所述安装槽连通，所述安装孔(31)用于供所述驱动机构的输出轴与所述双节万向联轴器(4)传动连接。3.如权利要求1所述的搅拌装置，其特征在于，所述筒体(1)侧壁上开设有加料口(12)，所述加料口(12)与所述空腔连通，所述加料口(12)用于向铝液中添加第二相组织。4.如权利要求1所述的搅拌装置，其特征在于，所述筒体(1)内沿竖直方向设置有两个角接触球轴承(13)，且两个所述角接触球轴承(13)的内圈分别与所述搅拌杆(2)的上端和下端卡接。5.如权利要求1所述的搅拌装置，其特征在于，所述搅拌桨包括正向搅拌桨(21)和反向搅拌桨(22)，所述正向搅拌桨(21)与所述反向搅拌桨(22)同轴设置于所述搅拌杆(2)的下端。6.如权利要求5所述的搅拌装置，其特征在于，所述正向搅拌桨(21)与水平方向之间所呈的夹角为40～50
°
；所述反向搅拌桨(22)与水平方向之间所呈的夹角为130～140
°
。7.如权利要求1所述的搅拌装置，其特征在于，所述双节万向联轴器(4)的单节最大允许旋转角度为45
°
，最大总允许旋转角度为90度。8.如权利要求1所述的搅拌装置，其特征在于，所述搅拌杆(2)的上端设置有连接柱(23)，所述连接柱(23)的半径大于所述搅拌杆(2)的半径；所述连接柱(23)上开设有第一键槽(24)，所述第一键槽(24)通过止动销与所述双节万向联轴器(4)连接。9.一种制备铝合金半固态复合浆料中的搅拌方法，其特征在于，包括以下步骤：将权利要求1-8任意一项所述的搅拌装置吊装在电阻炉上方，并将铝合金样品放入坩埚中，随后将盛有铝合金样品的坩埚置于电阻炉进行加热；待铝合金样品呈熔融状态时，调整搅拌杆与坩埚之间的相对距离，使得搅拌杆2伸入熔融铝合金液面以下4～6mm；驱动搅拌杆转动的同时开启超声波发生器，使得搅拌杆2的机械搅拌在超声波发生器提供的超声场中心处进行，随后加入第二相组织物，通过机械搅拌和超声振动的共同作用使得第二相组织物均匀分散到熔融铝合金液中，与其均匀反应得到第二相组织物铝基复合材料浆料。10.一种权利要求1-8任意一项所述的搅拌装置在制备铝合金半固态复合浆料中的应用。

技术总结
本发明属于铝合金半固态浆料制备技术领域，公开了制备铝合金半固态复合浆料的搅拌装置、搅拌方法和应用，所述装置包括底座、搅拌机构、以及超声机构；所述搅拌机构设置于所述底座上，且所述搅拌机构包括驱动电机、传动杆、双节万向联轴器以及搅拌杆；所述驱动电机设置于所述底座上；所述传动杆水平设置于所述底座上方，其一端与所述驱动电机连接，另一端通过所述双节万向联轴器与所述搅拌杆传动连接；所述搅拌杆竖直设置且其下端设置有搅拌桨；所述超声机构与所述搅拌杆同轴设置。本发明的搅拌装置能够同时对浆料进行超声搅拌和机械搅拌，最终制备出性能优良，组织均匀，晶粒细小的半固态及铝基复合浆料。态及铝基复合浆料。态及铝基复合浆料。


技术研发人员：张晋 崔瀚中 杨洲 范龙毅 管仁国
受保护的技术使用者：大连交通大学
技术研发日：2021.11.30
技术公布日：2022/3/8