基本信息
- 项目名称：
- 一种制备半固态金属陶瓷复合材料自定量均匀混
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 金属陶瓷是在金属基体中加入陶瓷颗粒粉体制得 又称弥散增强材料，其独特的性能具有广泛的使用价值，而该作品可以实现克服现有制作方法的缺点，使用比较轻便灵活，同时节约能源、经济环保，还可以按一定比例进行混合。能够实现自定量均匀混合的，制备组织均匀、颗粒细小的，金属陶瓷复合材料。利用该装置能有效改善金属与陶瓷之间的混合均匀性和界面相容性，提高金属陶瓷复合材料结构和性能稳定性。
- 详细介绍：
- 1.研究内容与方法 我们团队的研究是设计一种能够实现自动定量均匀添加增强颗粒的制备颗粒增强金属基复合材料的装置，研究内容包括颗粒的添加过程和金属基复合材料的半固态铸造过程。 本研究的方法包括利用绘图软件创新机械设计、利用专业理论分析复合材料的半固态成形原理、动手制作实验模型、机械加工实验装置、利用设计和制作的装置进行实验置备获得金属陶瓷复合材料。 2 研究目标和创新： 本研究的目标是设计并制作一种能实现增强颗粒自定量均匀混合的制备金属陶瓷复合材料的装置。 其创新点是克服了机械搅拌法存在若干缺点如比较笨重、操作困难、生产效率低等以及电磁搅拌法设备投资大，工艺比较复杂，成本较高的缺点，并且使用比较轻便灵活。 3 均匀混合装置的简单介绍 （1）基本原理： 整个装置运作的核心部件则是利用《液压与气压传动》课所学的液压齿轮泵工作原理，搅拌过程主要依靠两个相互啮合的齿轮来实现，人性化的设计突出以人为本的理念，方便使用与维护。 （2）整个装置的设计考虑 由于金属容易被氧化，为避免杂质气体的进入影响制备质量，需要将整个装置的工作部分密封起来，因此外面的方形外罩起到了与外界隔离的作用。同时方形外壳顶部直接开三个口，两个长方形的口通入粉末及金属液，而圆形的口则用来通入保护气氮气。中心部分是装置的核心，由两个相互啮合的齿轮组成其搅拌作用。外壳底部是一个长方形槽，槽的一端开口，并与外界连通，从槽内流出的混合液便可以直接用于铸造及试样的分析使用，方便又经济！ 4 系统的结构 （1）装置材料 由于本装置工作时跟液态铝接触，所以要求部分零件要能够耐高温。为经济又能达到目的决定采用在零件上涂上绝热耐高温材料 。在装置中需在两齿轮、液态铝浇道内壁还有底座上的流道内壁涂上一层绝热耐高温材料RCC。底座采用铸铁材料，材料稳定不易变形。对于上外壳、浇道、漏斗、氮气入口、手柄和支架都采用45钢。齿轮基体采用碳素结构钢，实验原理图见图1 图1 制备金属陶瓷复合材料的均匀混合装置 （2）结构及功能 A 竖直向下的圆管：氮气入口，由于金属容易被氧化，避免杂质气体的进入影响制备质量，用氮气作保护气。 B扁平管道：陶瓷粉末入口，提供陶瓷粉末。 C弯曲的扁平流道：金属液流流经的通道；作用：使金属液顺利地冲击齿轮，从而为DE轮的转动提供动力。 D主动轮：接收弯曲的扁平流道中流出的金属液，并在一定外界条件下（金属液的重力冲击或手动搅拌）优先开始转动，进而带动E的转动。 注：D和E是与实际齿轮不同，但类似于齿轮的啮合方式相啮合的一对齿轮。D轮齿深较大，而且齿较细长，E轮齿轮齿深较小，而且齿厚较大。两轮都为空心轮可减小其推动力，从而易于旋转；作用：D齿轮齿细长起主要搅拌作用，E齿轮齿厚大，易于增大粉末的接触面积，另外E齿轮上还要有密封的端盖。 E粉轮(从动搅拌轮）：接收扁平管道中落出的陶瓷粉末，在D的带动下转动实现固液混合。 F玻璃窗：操作人员可以透过窗口清晰的看到内部组织结构及操作情况。 G手柄：辅助动力装置，当齿轮不易转动时，可以用手柄辅助齿轮转动。 H圆形出口（混合后金属液出口）：混合液流出的通道，可直接用于浇注或取样分析。 5 工艺过程 试验工艺流程如图2 通入氮气作保护气 图2 均匀搅拌的工艺过程 ①往密封的容器中通入氮气适当时间 ②控制陶瓷粉及金属液的流量，并同时开始添加。 ③金属液从弯曲的扁平流道中流出，并冲击下部啮合的DE轮，使DE轮转动，同时控制从扁平管道中流出粉末的量，使其按一定比例混合。齿轮转动实现混合目的。若转动过程不太灵活可以摇动辅助手柄使其连续转动。 ④混合液在齿轮下部的槽中由出口流出，可以进行后续操作（试样分析或铸造等）
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品设计目的 （1） 设计出一种能够实现自定量均匀混合的，制备组织均匀、颗粒细小的，金属陶瓷复合材料的装置。 （2） 利用该装置能有效改善金属与陶瓷之间的混合均匀性和界面相容性，提高金属陶瓷复合材料结构和性能稳定性。 作品设计思路 （1） 将金属半固态融液与增强相陶瓷分体颗粒同步给料，提高两相混合均匀性。 （2） 通过陶瓷颗粒表面改性及金属融液流动性控制，改善两相界面结合性能，提高产品的稳定性。 创新点 （1）使用新型陶瓷金属复合材料，利用半固态成型技术。 （2）该装置可以实现金属半固态溶液与增强相陶瓷粉体颗粒同步给料，提高了混合的均匀性。 （3）可以实现自动控制金属液与金属粉末的比例，从而改善两相界面结合性能，提高产品的稳定性。 技术关键 （1）解决金属半固态溶液与增强相陶瓷粉末的成分控制，实现稳定性。 （2）解决金属半固态溶液与增强相陶瓷粉末的给料同时性，从而提高均匀性。 （3）解决搅拌齿轮与相互部件之间的配合、装置的密封等，实现实用性。 技术指标 （1）实现金属半固态溶液与增强相陶瓷粉末以实际生产需要（自定量）的不同比例实现混合，保证金属与陶瓷之间的混合均匀性和界面相容性。 （2）实现金属半固态溶液与增强相陶瓷粉末同时给料，混合均匀。
科学性、先进性
- 技术分析 （1）不需加任何晶粒细化剂即可获得细晶粒组织，消除了传统铸造中的柱状晶和粗大树枝晶。 （2）成型温度低,可节省能源。 （3）凝固速度加快，生产率提高工艺周期缩短 实用性分析 （1）往密封容器中通入氮气，是考虑到金属液容易被氧化，减少杂质的介入； （2）在易凝固部位缠绕电阻丝，是考虑到在搅拌过程中可能出现的凝固现象； （3）辅助手柄的设计，确保实验的正常进行，为装置的实用性提供了保证，并为研制新型复合材料提供了前提。 前景分析: （1）半固态金属陶瓷复合材料成形技术具有高效、优质、节能和近终成形等优点，可以满足现代航空复合材料\汽车制造数码产品对高性能复合材料的高致密度、高强度、高可靠性、高生产率和低成本等要求，具有广阔的发展前景。 (2)该装置可以按一定比例进行混合，使用比较轻便灵活，同时节约能源、经济环保，有非常广阔的市场前景。
获奖情况及鉴定结果
- 利用本装置已经制备得到SiC颗粒增强半固态铝基复合材料 本研究将向国际权威期刊投稿 在校科技创新大赛中获得二等奖
作品所处阶段
- 该装置设计加工完毕，在实验室制备得到SiC颗粒增强半固态铝基复合材料。
技术转让方式
- 技术转让的说明书及其作品的使用权
作品可展示的形式
- 实物
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术指标 （1）实现金属半固态溶液与增强相陶瓷粉末以实际生产需要（自定量）的不同比例实现混合，保证金属与陶瓷之间的混合均匀性和界面相容性。 （2）实现金属半固态溶液与增强相陶瓷粉末同时给料，混合均匀。 前景分析 （1）半固态金属陶瓷复合材料成形技术具有高效、优质、节能和近终成形等优点，可以满足现代航空复合材料\汽车制造数码产品对高性能复合材料的高致密度、高强度、高可靠性、高生产率和低成本等要求，具有广阔的发展前景。 (2)该装置可以按一定比例进行混合，使用比较轻便灵活，同时节约能源、经济环保，有非常广阔的市场前景。
同类课题研究水平概述
- 在高技术迅速发展的今天，为了满足现代尖端技术的苛刻要求，世界先进工业国家都把新材料的开发研究作为重点，这是因为新材料或性能改进的材料，是支持现有工业和开发新型工业的生命线，特别是某些新型功能材料的问世，将会促进一系列新技术的迅猛发展。这个问题在宇航工业中显得尤为突出和重要，目前在宇航制造业以高性能，超轻质，耐高温复合材料为代表的新材料，是当今世界各国开发研究幂为括跃的新领域之一。近年来，复合材料作为高性能结构材料，随着航空航天技术的进步，获得了惊人的发展，特别是金属增强基复合材料，因其具有比强度，比刚度高，抗疲劳和高温性能好等许多特点．已成为目前各国主要研究的对象。 目前的研究成果 1 制备方面的现有成果 以液态金属法制备金属基复合材料的成熟工艺主要有渗透铸造法、液态搅拌法和液态挤压法。 制作预制体可以克服增强相分布不均的问题，但同时也带来了工艺复杂化、成本增加且不能大规模应用的弊端；压力浸渗和液态挤压工艺可以部分地改善增强材料和基体间界面浸润性差的问题并能减少二者界面反应的机会，但也增加了操作难度且使工艺和设备复杂化，不便于应用到大规模的生产中；离心铸造法只能用于制备特定形状的简单零件。液态搅拌铸造法是一种适合于工业规模生产金属基复合材料的方法，但由于界面间润湿性较差且增强体在基体中分布不均，所以难于复合出高性能的材料。 2 材料方面的研究成果 （1）各种不同金属基体的无压渗透制备技术及自生复合材料技术。 （2）挤压或低压条件下陶瓷材料增强金属基体的复合材料零件的成形技术。 （3）纳米陶瓷颗粒增强金属基体的制备技术，获得超高强度的轻合金基复合材料。
