一种金属基复合材料成型系统及成型方法
阅读说明：本技术 一种金属基复合材料成型系统及成型方法 (Metal matrix composite material forming system and forming method ) 是由 张晔 陈叶娣 王德厚 张周杰 刘成阳 卢浩宇 葛庆贺 于 2021-08-27 设计创作，主要内容包括：一种金属基复合材料成型系统及成型方法,属于材料成型技术领域。本发明解决了现有技术实际生产出的金属基复合材料整体质量相对较差、金属材料的融合程度也不高的问题。第一高炉与分层浇筑平台之间通过第一引流管道连接,粉材喷洒设备布置在分层浇筑平台的上方,用于在分层浇筑过程中将增强材料定向喷洒在半凝固状态下的金属熔体表面,分层浇筑平台与锻造平台之间通过第一传送装置连接,锻造平台与第二高炉之间通过第二传送装置连接,第二高炉与注模成型平台之间通过第二引流管道连接,加热设备与锻造平台之间以及拉伸设备与锻造平台之间分别通过第三传送装置及第四传送装置连接。(A metal matrix composite material molding system and a molding method belong to the technical field of material molding. The invention solves the problems that the metal-based composite material actually produced by the prior art has relatively poor overall quality and low fusion degree of metal materials. First blast furnace and layering are pour and are connected through first drainage pipeline between the platform, powder spraying equipment arranges the top at layering platform of pouring, be used for pouring the in-process in the layering with reinforcing material directional spray metal melt surface under the semi-solid state, it pours and is connected through first conveyer between platform and the forging platform to layering, be connected through second conveyer between forging platform and the second blast furnace, be connected through second drainage pipeline between second blast furnace and the injection molding platform, be connected through third conveyer and fourth conveyer between heating equipment and the forging platform and respectively between tensile equipment and the forging platform.)
技术领域
本发明涉及一种金属基复合材料成型系统及成型方法，属于材料成型技术领域。
背景技术
金属基复合材料(MMC)，是以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工结合成的复合材料；其增强材料大多为无机非金属，如陶瓷、碳、石墨及硼等, 也可以用金属丝；它与聚合物基复合材料、陶瓷基复合材料以及碳/碳复合材料一起构成现代复合材料体系，其特点在力学方面为横向及剪切强度较高，韧性及疲劳等综合力学性能较好，同时还具有导热、导电、耐磨、热膨胀系数小、阻尼性好、不吸湿、不老化和无污染等优点；金属基复合材料按增强体的类别来分类，如纤维增强(包括连续和短切)、晶须增强和颗粒增强等，按金属或合金基体的不同，金属基复合材料可分为铝基、镁基、铜基、钛基、高温合金基、金属间化合物基以及难熔金属基复合材料等。
很多金属基复合材料都是由几种金属材料复合加工而成的，最为常用的复合方式就是直接将增强材料直接加注至金属熔体中，从而使两种或多种金属物质进行融合，最终通过注模的方式形成金属基复合棒材或板材，这种加工方式虽然简单快捷，但实际生产出的金属基复合材料其整体质量相对较差，金属材料的融合程度也不高，材料在后续使用的过程中其整体的综合性能也达不到设计要求。
发明内容
本发明是为了解决上述技术问题，进而提供了一种金属基复合材料成型系统及成型方法。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种金属基复合材料成型系统，它包括第一高炉、粉材喷洒设备、分层浇筑平台、锻造平台、加热设备、拉伸设备、第二高炉以及注模成型平台，其中，第一高炉与分层浇筑平台之间通过第一引流管道连接，粉材喷洒设备布置在分层浇筑平台的上方，用于在分层浇筑过程中将增强材料定向喷洒在半凝固状态下的金属熔体表面，分层浇筑平台与锻造平台之间通过第一传送装置连接，锻造平台与第二高炉之间通过第二传送装置连接，第二高炉与注模成型平台之间通过第二引流管道连接，加热设备与锻造平台之间以及拉伸设备与锻造平台之间分别通过第三传送装置及第四传送装置连接。
进一步地，锻造平台包括锻造设备和压延设备。
进一步地，所述第三传送装置及所述第四传送装置均为机械手。
一种采用上述成型系统的成型方法，它包括如下步骤：
步骤一、将金属基材利用第一高炉进行熔化，使其形成金属流体，然后将金属流体通过第一引流管道引流至分层浇筑平台中的分层浇筑模具中，金属流体分多层进行浇筑，每浇筑一层后，待该层金属流体呈半凝固状态后，利用粉材喷洒设备喷洒一层增强材料；
步骤二、待浇筑完成后，复合材料凝固形成待加工件，将待加工件传送至锻造平台，然后移动到加热设备中进行再加热，直至待加工件达到锻造条件后，将待加工件传送至锻造平台，进行锻造加工；
步骤三、在锻造加工完成后，再利用拉伸设备对锻造后的待加工件进行拉伸处理；
步骤四、待加工件进行反复加热、锻造及拉伸加工后，传送至第二高炉中进行加热，至待加工件呈半流体状态后停止加热；
步骤五、将半流体状态的复合材料引流至注模成型平台中，进行注模成型。
进一步地，步骤一中在对金属流体进行分层浇筑时，所浇筑的层数范围为3-5层。
进一步地，步骤一中在对金属流体进行分层浇筑时，所浇筑的层数为3层或5层。
进一步地，步骤一中，每浇筑一层后，等待5-6分钟至该层金属流体呈半凝固状态。
进一步地，步骤一中，向半凝固状态下的金属流体表面喷洒增强材料时，采用定向喷洒的方式，粉材喷洒设备向一个方向移动，使增强材料均匀覆盖在金属流体表面。
进一步地，步骤一中，所喷洒的每一层增强材料厚度均为2-3mm。
进一步地，步骤四中，将待加工件传送至第二高炉中进行加热前，加热、锻造及拉伸加工循环至少三次。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
基于本申请的成型系统，结合本申请的成型方法，在提高生产出的金属基复合材料整体质量的同时，将增强材料与金属基材进行充分融合，从而使加工出来的金属基复合材料整体的综合性能得到了很大提高，使得材料在后续使用的过程中其整体的综合性能充分满足设计的要求。
附图说明
图1为本申请的系统结构布置示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，一种金属基复合材料成型系统，它包括第一高炉、粉材喷洒设备、分层浇筑平台、锻造平台、加热设备、拉伸设备、第二高炉以及注模成型平台，其中，第一高炉与分层浇筑平台之间通过第一引流管道连接，粉材喷洒设备布置在分层浇筑平台的上方，用于在分层浇筑过程中将增强材料定向喷洒在半凝固状态下的金属熔体表面，分层浇筑平台与锻造平台之间通过第一传送装置连接，锻造平台与第二高炉之间通过第二传送装置连接，第二高炉与注模成型平台之间通过第二引流管道连接，加热设备与锻造平台之间以及拉伸设备与锻造平台之间分别通过第三传送装置及第四传送装置连接。
利用第一高炉将金属基材进行熔化，使其形成金属流体；
利用分层浇筑平台进行分层浇筑，每浇筑一层后，待金属流体呈半凝固状态后，利用粉材喷洒设备向半凝固状态下的金属流体喷洒一层增强材料，使得增强材料能够均匀附着在金属熔体表面，从而使增强材料能够用于金属熔体充分熔合，也便于后续的锻造加工；
经分层浇筑平台浇筑完成后的复合材料传送至锻造平台，锻造前通过加热设备进行加热处理，锻造后通过拉伸设备进行拉伸处理；
锻造、拉伸后的复合材料送至第二高炉中进行高温加热至半流体状态，最终送入注模成型平台中进行注模成型工序。可以根据实际需要，利用注模成型平台将其加工成金属基复合板材、管材、棒材或其它相关零件。
引流管道及传送装置对应用于设备之间的流体或材料的传送工作。
本申请中所采用的第一高炉、粉材喷洒设备、分层浇筑平台、锻造平台、加热设备、拉伸设备、第二高炉以及注模成型平台等设备本身均为现有技术，其中第一高炉及第二高炉均为高温熔融设备；粉材喷洒设备优选为全自动喷涂设备，优选滑动式结构设计，即有专门的喷洒轨道，以使得粉材喷涂更均匀；分层浇筑平台即一种加工平台，平台上有铸造模具，实现分层浇筑；各设备的具体结构不是本申请的发明点，因此不再赘述。
通过本申请的成型系统，在提高生产出的金属基复合材料整体质量的同时，将增强材料与金属基材进行充分融合，从而使加工出来的金属基复合材料整体的综合性能得到了很大提高，使得材料在后续使用的过程中其整体的综合性能充分满足设计的要求。
锻造平台包括锻造设备和压延设备。通过锻造设备和压延设备可以完成复合材料的锻压和压延工作。经过反复锻造和压延后的金属基材其整体的强度会更高，同时添加的增强材料也会分布更加均匀。
所述第三传送装置及所述第四传送装置均为机械手。第三传送装置用于凝固后复合材料的传送和夹持传递工作。第四传送装置根据所夹持运输的产品大小，优选中大型机械手，主要用于将成形后大的金属基材导入拉伸设备中进行拉伸加工。
一种采用上述成型系统的成型方法，它包括如下步骤：
步骤一、将金属基材利用第一高炉进行熔化，使其形成金属流体，然后将金属流体通过第一引流管道引流至分层浇筑平台中的分层浇筑模具中，金属流体分多层进行浇筑，每浇筑一层后，待该层金属流体呈半凝固状态后，利用粉材喷洒设备喷洒一层增强材料；金属流体呈半凝固状态即为金属流体即将成型的状态。因不同金属的熔点不同，因此没有具体的温度限制。在对金属流体进行分层浇筑时，所浇筑的层数范围为3-5层。优选为3层或5层。如此设计，可使增强材料能够更均匀的添加并分布在金属基材中。
每浇筑一层后，等待5-6分钟至该层金属流体呈半凝固状态。此时间范围下的半凝固状态的金属流体最适合喷洒增强材料及下一层浇筑。
向半凝固状态下的金属流体表面喷洒增强材料时，采用定向喷洒的方式，粉材喷洒设备向一个方向移动，使增强材料均匀覆盖在金属流体表面。
所喷洒的每一层增强材料厚度均为2-3mm。通过使喷洒增强材料的厚度控制在 2-3mm，从可以将增强材料与金属基材进行充分的分层融合。
步骤二、待浇筑完成后，复合材料凝固形成待加工件，将待加工件传送至锻造平台，然后移动到加热设备中进行再加热，直至待加工件达到锻造条件后，将待加工件传送至锻造平台，进行锻造加工；
步骤三、在锻造加工完成后，再利用拉伸设备对锻造后的待加工件进行拉伸处理；
步骤四、待加工件进行反复加热、锻造及拉伸加工后，传送至第二高炉中进行加热，至待加工件呈半流体状态后停止加热；第二高炉在加热锻造后的复合材料时需将其融化至半流体状态，通过利用第二高炉将加热锻造后的复合材料融化至半流体状态，既方便后续的注模成型工作，同时也可以防止完全融化后的多种金属材料发生分离。因拉伸设备的位置关系，经拉伸工序后，通过第四传送装置将待加工件传送至锻造平台，再传送至第二高炉中。将待加工件传送至第二高炉中进行加热前，加热、锻造及拉伸加工循环至少三次。往复加热、锻造及拉伸的时间为20-30min。
步骤五、将半流体状态的复合材料引流至注模成型平台中，进行注模成型。
基于本申请的成型系统，结合本申请的成型方法，将增强材料与金属基材进行充分融合，从而使加工出来的金属基复合材料整体的综合性能得到了很大提高，即与现有技术相比，能够加工出更高质量的金属基复合材料。
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