[发明专利]一种表面增强梯度复合材料铸造设备和方法

权利要求书

1.一种表面增强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、辅助电磁分离芯棒、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；

所述电磁分离流道与所述熔炼坩埚连通，电磁分离流道外部设置有连通高频电源的所述电磁感应线圈，电磁分离流道由不会屏蔽磁场且不与熔体反应的材料加工而成，通过调节所述电磁感应线圈的功率和频率，能够控制电磁分离流道内部熔体温度和增强相的运动，将增强相形成及迁移过程与梯度复合材料凝固过程分离；

所述辅助电磁分离芯棒与电磁分离流道同轴放置，由不与金属熔体反应的材料加工而成，沿金属熔体流动方向根据横截面形状不同分为两段，辅助电磁分离芯棒前段的横截面形状与电磁分离流道相同，但外轮廓尺寸小于电磁分离流道内腔尺寸，形成供金属熔体通过的缝隙，辅助电磁分离芯棒后段为圆锥体，通过调节辅助电磁分离芯棒与电磁分离流道间的缝隙，改变增强相在金属熔体表面的分布；

所述铸型设置在电磁分离流道下部，用于控制表面增强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表面增强梯度复合材料；

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

2.根据权利要求1所述的表面增强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所述的表面增强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所述的表面增强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.据权利要求1所述的表面增强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。

6.一种表面增强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中任一项所述的表面增强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，在电磁力和电磁分离流道与辅助电磁分离芯棒之间缝隙的共同作用下，使增强相分布于金属熔体表面，在所述电磁分离流道出口处形成外表面增强相集中分布且向内部缓慢减少、内部无增强相的金属熔体混合体；

步骤3：所述铸型和冷却装置实现表面增强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表面增强梯度复合材料；

步骤4：在牵引机构的作用下，已凝固的表面增强梯度复合材料被连续移出铸型，实现连续制备表面增强梯度复合材料铸坯。

7.根据权利要求6所述的表面增强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所述的表面增强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。