2HPO4气溶胶及其使用方法附图说明" src="/d/file/p/2020/11-24/86e3a64cabd5d04e1dfc1d356c925529.gif" />
一种用于铝硅系合金半固态制浆的Cs2HPO4气溶胶及其使用方法
技术领域
本发明涉及金属材料制备领域，具体涉及一种用于铝硅系合金半固态制浆的Cs2HPO4气溶胶及其使用方法。
背景技术
金属半固态加工技术是21世纪前沿性金属加工技术。金属半固态加工是金属在凝固过程中，进行强烈搅拌或通过控制凝固条件，抑制树枝晶生长或破碎所生成的树枝晶，形成具有等轴、均匀、细小的初生相，均匀分布于液相中的悬浮半固态浆料。当固相率达到60％时半固态浆料仍具有较好的流动性，可加工出结构复杂，力学性能接近于锻件产品，具有较好的发展和开拓前景。半固态浆料是半固态工艺技术的核心，优质的半固态浆料需要满足以下要求：①整个半固态浆料的温度均匀且在固相线与液相线温度之间，即半固态浆料是含有固相与液相的混合体；②半固态浆料的固相颗粒均匀地分散在整个液相中；③固相颗粒的形貌为球状或近球状，而非传统凝固过程中形成的树枝状。
目前半固态浆料制备最常用的方法有以下几种：①机械搅拌法-通过控制搅拌温度、搅拌速率和冷却速率等工艺参数，使初生树枝状晶粒被打碎，熔体温度趋于均匀，从而促使初生相成为近球形的结构；②电磁搅拌法-主要借助电磁力改变凝固过程中熔体的流动、传热和传质，达到细化晶粒、改善铸坯质量的目的；③连续流变转换法-金属液在反应器内相互混合并经流动管道内壁充分冷却换热之后能形成大量的形核核心，确保在进入收集坩埚之前温度能达到半固态区间；④低过热度倾斜板浇注法-将金属液浇注到与水平线成一定角度倾斜板上，金属在倾斜板向下流动过程中，合金液内部的枝晶在受到一定的剪切作用被打碎，同时合金液在倾斜板上受到在一定程度的冷却作用，获得较低过热度的熔体流入收集装置，再经过适当冷却速度进行凝固，凝固过程中长大的初生固相呈近球状，均匀分布在低熔点的残余液相中，对收集的金属浆料控温处理，获得尽可能均匀或固相率高的浆料；⑤旋转热焓平衡法-使低过热度金属液倾斜浇入特制坩埚中并与之产生充分的热传递，在较短时间内达到热平衡从而得到具有一定固相率的半固态浆料。
上述方法虽然在研究及实际生产中取得很好的运用效果，但是搅拌类制浆方法存在搅拌盲区，导致搅拌不充分，搅拌过程中熔体流场分布不均匀，形核率过低，制备出来的浆料初生相均匀性较差；连续流变转换法工艺复杂，管道容易堵塞且清理困难，低过热度倾斜板法控温困难，且需要考虑倾斜板的倾斜角度，板的长度等因素影响，熔体与空气接触面积大，氧化夹杂严重，难于保证浆料质量；旋转热焓平衡法，需要较好传热控制，工艺复杂，生产周期长，不适宜推广。大部分半固态浆料生产工艺稳定性差，受外界干扰因素影响大，大规模生产难以保证质量，获得良好的半固态浆料是金属半固态成形的基础和关键，开发新的合金半固态浆料工艺显的尤为亟需。
气溶胶是一种气体分散体系，由固体或液体小质点分散并悬浮在气体介质中形成的胶体分散系，其分散相为0.001～100um的固体或液体小质点。
发明内容
本发明针对半固态工艺中铝合金浆料制备过程中存在的问题与难点，发明了一种用于铝硅系合金半固态制浆的Cs2HPO4气溶胶及其使用方法，该方法利用气溶胶分散相在遇到体积较大的颗粒物时会被其吸附到表面，对颗粒物形成包覆的作用。Cs2HPO4在与固液混合物接触过程中有很好的流动性和表面张力，不与铝合金中的其它组分及炉子材料起化学反应，能被液相中的颗粒物吸附到表面形成一层严密的膜层，该膜层能起到很好的隔绝溶质交换和热交换作用。Cs2HPO4存在一定的热稳定性，随着初生固相的长大放热，初生固相表面膜层破碎脱落且与熔体中的杂质结合沉到熔体底部起到净化熔体的作用。基于Cs2HPO4自身特性，将其分散于气体溶剂中制成气溶胶，与半固态制浆工艺相结合，开发一种新的小粒径盐气溶胶法铝硅系合金半固态浆料制备方法具有很好的可行性和显著的创新性。
一种用于铝硅系合金半固态制浆的Cs2HPO4气溶胶，包括气溶胶溶质和气溶胶溶剂，气溶胶溶质占用于铝硅系合金半固态制浆的Cs2HPO4气溶胶的质量分数为94～96％；
所述的气溶胶溶质为Cs2HPO4粉体(磷酸氢铯粉体)，Cs2HPO4粉体直径为200±30nm；
所述的气溶胶溶剂为Ar，CO2，Kr混合气体，在相同温度及压强条件下各气体对应的体积占比CO2为31～34％，Kr为20～23％，余量为氩气。
所述的气溶胶溶剂中，采用的气体质量纯度均为5N及以上。采用的Cs2HPO4粉体为分析纯及以上。
本发明的一种用于铝硅系合金半固态制浆的Cs2HPO4气溶胶的制备方法，为容量法，具体包括以下步骤：
向装有Cs2HPO4粉体的容器中充入相同温度和压强下的上述体积配比的Ar，CO2，Kr混合气体，同时容器中Cs2HPO4粉体加入量占用于铝硅系合金半固态制浆的Cs2HPO4气溶胶的质量分数为94～96％，得到用于铝硅系合金半固态制浆的Cs2HPO4气溶胶。
其中，装有Cs2HPO4粉体的容器为负压密闭容器，其相对压强为-75～-50KPa。
本发明的一种用于铝硅系合金半固态制浆的Cs2HPO4气溶胶的使用方法，包括以下步骤：
在保护气氛下，将用于铝硅系合金半固态制浆的Cs2HPO4气溶胶充入半固态温度区间的铝硅合金熔体中。
其中，在使用中间包式装置制浆的条件下，铝硅合金熔体与Cs2HPO4气溶胶体积消耗量配比，优选为每千克铝硅合金熔体对应加入Cs2HPO4气溶胶体积为1～3.5L。
进一步的，所述的半固态温度区间的铝硅合金熔体的制备方法为：
按照铝硅合金原料配比，称量原料，将原料混合均匀，并熔炼至熔融状态后，在半固态温度区间保温。
进一步的，半固态温度区间为590～630℃。
进一步的，用于铝硅系合金半固态制浆的Cs2HPO4气溶胶的使用方法中，将用于铝硅系合金半固态制浆的Cs2HPO4气溶胶加热至520～550℃，然后导入半固态温度区间的铝硅合金熔体内部，待中间包内气溶胶和熔体充分接触30～40min，恒温静置3-5min，在活性成分Cs2HPO4作用下完成制浆过程，得到铝硅系合金半固态浆料。
所述的导入为：通过气溶胶导入装置以100～200mL/min流量导入半固态温度区间的铝硅合金熔体内部。
本发明的一种用于铝硅系合金半固态制浆的Cs2HPO4气溶胶及其使用方法，其有益效果在于：
铝硅系合金半固态浆料制备方法，打破了必须通过外力破碎枝晶的传统浆料制备工艺，其制浆过程主要依赖于气溶胶中的活性成分Cs2HPO4粉体的扩散作用，气溶胶导入半固态区间合金熔体中与之充分接触，均匀的弥散分布，通过吸附作用在初生固相与液相界面形成连续致密的无机盐膜层，该膜层有效隔绝溶质交换和热交换，加速凝固过程，同时抑制晶粒长大，促进初生固相的球化，细化半固态凝固晶粒大小的作用，其原理如图1所示，气溶胶有效成分对熔体的包覆效果，达到抑制固相长大及细化晶粒，制备出高质量铝硅系合金半固态浆料。
该方法适用于铝硅合金半固态浆料的制备，可有效解决传统铝合金半固态浆料制备过程中的均匀性差，工艺复杂，能耗高等问题。本发明可显著提升铝硅系半固态浆料的熔体质量，因此具有很高的生产实用价值。
附图说明
图1为本发明用于铝硅系合金半固态制浆的Cs2HPO4气溶胶半固态制浆的原理示意图；
图2为本发明实施例1的铝硅系合金半固态制浆工艺示意图；
图3为本发明实施例2的铝硅系合金半固态制浆工艺示意图；
图4为本发明实施例3的铝硅系合金半固态制浆工艺示意图；
图5为本发明实施例3制备的铝硅系合金半固态浆料浇铸后产品微观组织图；
以上图中，1-熔体，2-气溶胶团，3-气溶胶通道，4-控温加热装置，5-气溶胶导入装置。
具体实施方式
以下实施例以本发明技术方案为基础进行实施，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
采用本发明制备2Kg-牌号6A02铝硅系合金半固态浆
气溶胶溶剂原料气体采用纯度均为5N的CO2，Ar，Kr；气溶胶溶质为分析纯Cs2HPO4粉体，分析纯Cs2HPO4粉体直径为200nm。
采用容量法配制Cs2HPO4气溶胶，将装有一定量分析纯Cs2HPO4粉体且相对压强为-65KPa的100L密闭容器中充入上述相同温度及压强条件下体积占比为31:49:20的CO2，Ar，Kr，Cs2HPO4粉体加入量在气溶胶中的质量分数占比为94％，制备得到用于铝硅系合金半固态制浆的Cs2HPO4气溶胶。
称取2Kg经打磨去氧化层的6A02合金，将制备好的用于铝硅系合金半固态制浆的Cs2HPO4气溶胶加热到530℃。将6A02合金完全熔炼至熔融状态，得到熔体1，恒温630℃保温5min，扒渣后加入预热到580℃的中间包，工艺示意图如图2所示，打开设置在中间包底部的气溶胶通道3阀门，通过中间包内的气溶胶导入装置5以100mL/min流速持续通入Cs2HPO4气溶胶。同时打开控温加热装置4，使中间包内熔体1在620℃条件下保持恒温。待持续通入的气溶胶团2与中间包内的熔体作用35min后，停止通入气溶胶，恒温静置3min，即可获得铝硅系合金半固态浆料。
实施例2
采用本发明制备2Kg-牌号6A51铝合金半固态浆料
气溶胶溶剂原料气体采用纯度均为5.8N的CO2，Ar，Kr；气溶胶溶质为分析纯Cs2HPO4粉体，分析纯Cs2HPO4粉体直径为210nm。
采用容量法配制Cs2HPO4气溶胶，将装有一定量分析纯Cs2HPO4粉体且相对压强为-75KPa的100L密闭容器中充入上述相同温度及压强条件下体积占比为32:46:22的CO2，Ar，Kr，Cs2HPO4粉体加入量在气溶胶中的质量分数占比为95％，制备得到用于铝硅系合金半固态制浆的Cs2HPO4气溶胶。
称取2Kg经打磨去氧化层的6A51合金，将制备好的，制备得到用于铝硅系合金半固态制浆的Cs2HPO4气溶胶加热到530℃。将6A51合金完全熔炼至熔融状态，得到熔体1，恒温610℃保温5min，扒渣后加入到预热到570℃的中间包内，工艺示意图如图3所示，打开设置在中间包侧壁的气溶胶通道3阀门，通过中间包内的气溶胶导入装置以200mL/min流速持续通入用于铝硅系合金半固态制浆的Cs2HPO4气溶胶。同时打开控温加热装置4，并使中间包在600℃条件下保温。待持续通入的气溶胶团2与中间包内的熔体作用30min后，停止通入气溶胶，恒温静置4min，即可获得铝合金半固态浆料。
实施例3
采用本发明制备2Kg-牌号A356铝合金半固态浆料
气溶胶溶剂采用纯度为6N的CO2，Ar，Kr；气溶胶溶质为分析纯Cs2HPO4粉体，分析纯Cs2HPO4粉体直径为220nm。
采用容量法配制Cs2HPO4气溶胶，将装有一定量分析纯Cs2HPO4粉体且相对压强为-60KPa的100L密闭容器中充入上述相同温度及压强条件下物质的量占比为33:45:22的CO2，Ar，Kr，Cs2HPO4粉体加入量在气溶胶中的质量分数占比为95％，制备得到用于铝硅系合金半固态制浆的Cs2HPO4气溶胶。
称取2Kg经打磨去氧化层的A356合金，将制备好的用于铝硅系合金半固态制浆的Cs2HPO4气溶胶加热到530℃。将A356合金完全熔炼至熔融状态，得到熔体1，恒温600℃保温5min，扒渣后加入到预热到570℃的中间包内，工艺示意图如图4所示，打开设置在熔体中的气溶胶通道3阀门，通过中间包内的气溶胶导入装置以150mL/min流速持续通入用于铝硅系合金半固态制浆的Cs2HPO4气溶胶。同时打开控温加热装置4，并使中间包在590℃条件下保温。待持续通入的气溶胶团2与中间包内的熔体作用40min后，停止通入气溶胶，恒温静置5min，即可获得合金半固态浆料。将制备得到的浆料浇铸到模具中，待冷却到室温取样进行微观组织观察，其结果如图5所示，晶粒近球形明显，分布均匀，是半固态组织。
