[发明专利]一种径向功能梯度复合材料铸造设备和方法

权利要求书

1.一种径向功能梯度复合材料铸造设备，其特征在于，所述铸造设备由熔炼坩埚、电磁感应线圈、电磁分离流道、铸型、冷却装置和牵引机构组成，

所述熔炼坩埚用于熔化被铸金属形成金属熔体，并对金属熔体的温度进行控制；

所述电磁分离流道上部与所述熔炼坩埚连通，由不与被铸金属熔体反应且不会屏蔽电磁场的材料制成，外部环绕所述电磁感应线圈，感应线圈产生的磁场控制电磁分离流道内金属熔体的温度并实现增强相分离，将增强相形成及迁移过程与功能梯度复合材料凝固过程分离；

所述铸型设置在电磁分离流道下部，用于控制径向功能梯度复合材料的凝固和成形；

所述冷却装置设置在铸型下部，用于对金属铸坯进行强制冷却，使所述铸型中热量沿着金属熔体轴向和径向散失，铸坯沿着逆热流方向凝固生长，增强相随金属熔体凝固形成功能梯度复合材料；

所述牵引机构沿着铸坯拉制方向安装在冷却装置后部，用于对功能梯度复合材料进行连续拉制。

2.根据权利要求1所述的径向功能梯度复合材料铸造设备，其特征在于，所述熔炼坩埚能够由中间包取代，以便于进行连续生产。

3.根据权利要求1所述的径向功能梯度复合材料铸造设备，其特征在于，所述电磁分离流道设置于所述熔炼坩埚上部、下部或侧部，当电磁分离流道设置于所述熔炼坩埚上部或侧部时，金属熔体在液体静压力作用下流入电磁分离流道中；当电磁分离流道设置于所述熔炼坩埚下部时，金属熔体在重力作用下流入电磁分离流道中，所述电磁分离流道的数量为一个或多个。

4.根据权利要求1所述的径向功能梯度复合材料铸造设备，其特征在于，所述铸型采用冷却铸型、加热铸型、两相区铸型、低热铸型、梯温铸型或热-冷组合铸型中的任何一种。

5.根据权利要求1所述的径向功能梯度复合材料铸造设备，其特征在于，所述冷却装置包括：一次冷却装置和/或二次冷却装置，所述一次冷却装置设置在铸型出口附近，所述二次冷却装置设置在一次冷却装置和牵引机构之间。

6.一种径向功能梯度复合材料铸造方法，所述铸造方法基于根据权利要求1至5中任一项所述的径向功能梯度复合材料铸造设备，所述铸造方法包括如下步骤：

步骤1：被铸金属在熔炼坩埚中加热熔化形成金属熔体，并从熔炼坩埚流入电磁分离流道；

步骤2：通过电磁感应线圈实现对电磁分离流道内金属熔体温度的控制，进而对增强相的形成过程进行调控，同时增强相在电磁力作用下在所述电磁分离流道内向金属熔体表面运动，在所述电磁分离流道出口处形成中心增强相较少、外表面增强相较多的金属熔体混合体；

步骤3：所述铸型和冷却装置实现径向功能梯度复合材料凝固成形，冷却装置对金属熔体混合体进行强制冷却，热量沿着金属熔体轴向和径向散失，金属熔体混合体沿着逆热流方向凝固生长，增强相随金属熔体凝固形成径向功能梯度复合材料；

步骤4：在牵引机构的作用下，已凝固的功能梯度复合材料被连续移出铸型，实现连续制备径向功能梯度复合材料铸坯。

7.根据权利要求6所述的径向功能梯度复合材料铸造方法，其特征在于，步骤1中形成金属熔体后，向所述金属熔体添加增强相形成金属熔体混合体，并从熔炼坩埚流入电磁分离流道。

8.根据权利要求6所述的径向功能梯度复合材料铸造方法，其特征在于，步骤1中，所述熔炼坩埚放置于真空或充入惰性气体保护的环境中。

9.根据权利要求6所述的径向功能梯度复合材料铸造方法，其特征在于，步骤2中，所述电磁分离流道内金属熔体混合体的温度、所述增强相的形成及运动通过所述电磁感应线圈功率和频率进行调控，功率为：1~100 kW，频率为：1~100 kHz。

10.根据权利要求6所述的径向功能梯度复合材料铸造方法，其特征在于，所述功能梯度复合材料的冷却速度由铸型温度、冷却装置的冷却强度以及牵引机构的拉坯速度控制，铸造成形过程采用人工控制或计算机控制，铸造方法为下拉式、上引式、水平式、弧形式或倾斜式中的任意一种。