《一種製備半固態合金流變漿料或坯料的裝置》是北京有色金屬研究總院於2008年7月4日申請的發明專利，該專利的申請號為2008101161819，公布號為CN101618438，公布日為2010年1月6日，發明人是徐駿、張志峰、白月龍、石力開，該專利屬於半固態金屬加工技術領域。
《一種製備半固態合金流變漿料或坯料的裝置》主要由電磁攪拌器、保溫層、外部冷卻控制器、閥門、導流管、製備坩堝、保溫坩堝蓋、靜置坩堝、熔化坩堝和熱電偶，在製備坩堝的中部設有一內部冷卻控制器，且內部冷卻控制器的外壁與製備坩堝的內側壁形成間隙。可以連線壓鑄機：壓鑄型定模、壓鑄型動模、壓射室、沖頭；連線擠壓機：擠壓模右型、擠壓模左型、擠壓筒、擠壓桿；連線連鑄機：中間包、結晶器、冷卻水噴嘴、牽引機構；連線鍛造機：鍛造模具型腔和鍛造模組成。
2014年11月6日，《一種製備半固態合金流變漿料或坯料的裝置》獲得第十六屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種製備半固態合金流變漿料或坯料的裝置》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種製備半固態合金流變漿料或坯料的裝置
- 公布號：CN101618438
- 公布日：2010年1月6日
- 申請號：2008101161819
- 申請日：2008年7月4日
- 申請人：北京有色金屬研究總院
- 地址：北京市新街口外大街2號
- 發明人：徐駿、張志峰、白月龍、石力開
- 分類號：B22D1/00（2006.01）I、B22D11/112（2006.01）I、B22D17/20（2006.01）I、C22C1/00（2006.01）I
- 代理機構：北京北新智誠智慧財產權代理有限公司
- 類別：發明專利
- 代理人：程鳳儒
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
自從二十世紀七十年代美國麻省理工學院的Fle分鐘gs教授發明了半固態金屬成形技術以來，半固態金屬漿料的製備和成形技術作為一種新型的技術立即引起了世界各國的廣泛關注，紛紛投入大量的人力、物力和財力對此技術進行相關的研究和開發，2008年7月前許多金屬漿料的製備方法已經發明出來，相關報導的主要有：電磁攪拌法；機械攪拌法；雙螺旋攪拌法，單螺旋攪拌法；低過熱度澆注和弱電磁攪拌法；氣泡法，低過熱度傾斜板澆注法，熔體混合法等製漿方法。同樣的也開發出許多半固態合金的成形技術，主要的有：傳統的機械攪拌式流變成形技術；雙螺旋機械攪拌式流變成形技術；近液相線澆注式流變成形技術；低過熱度傾斜板澆注式流變成形技術；低過熱度澆注和弱電磁攪拌式流變成形技術；低過熱度澆注和弱機械攪拌式流變成形技術等。而在上述發明的半固態漿料製漿方法和流變成形方法中，電磁攪拌漿料製備技術具有不污染合金、合金漿料純淨，控制參數易於調節，可以連續生產流變漿料或連續鑄錠等優點，因此已經投入商業化生產且獲得了較大範圍的套用，成為生產半固態金屬及合金漿料主要的製備方式，但是由於電磁感應趨膚效應的存在，使漿料內部所受的電磁攪拌力存在明顯的區別，漿料表層受到的攪拌力大而內部小，導致製備的半固態漿料組織分布不均勻。因此半固態製漿行業普遍將電磁感應存在的趨膚效應看作為一種不利的因素而極力加以避免，製漿生產中也往往採用降低電磁攪拌頻率、增加電磁場的趨膚深度的手段來克服趨膚效應對漿料組織的不利影響，試圖獲得較為理想的半固態漿料組織。
在電磁攪拌製備半固態金屬及合金漿料或坯料的方法和設備中，美國4434837號專利和4229210都公開了幾種製備半固態金屬及合金漿料和坯料的電磁攪拌方法，其主要原理是利用強烈的電磁攪拌打碎初生枝晶，抑制初生晶粒向枝晶狀生長，從而製備出球狀或粒狀初生晶粒的半固態金屬及合金漿料。在上述專利公開的有關電磁攪拌方法和設備中，未提到漿料內部的冷卻問題，也未提到內部冷卻機構。但是在採用上述專利公開的電磁攪拌方法製備半固態漿料時，漿料溫度場的分布不均勻，漿料的外層散熱快，而漿料內部中心散熱慢，導致初生晶粒在空間和時間上的產生存在明顯的差別，漿料外層初生晶粒先析出，而漿料內部初生晶粒後析出，這樣最終會導致漿料組織的不均勻性，對於大尺寸和大規格的漿料或坯料更為如此。而且由於電磁感應磁場的趨膚效應，使磁場強度從漿料的外緣到中心呈指數式遞減，導致漿料的外層受到的攪拌作用強，而在漿料的中心受到的攪拌作用很弱，因此在採用此方法得到的漿料或坯料組織中，組織分布很不均勻，外層細小，而內層粗大，且組織形態也不相同，外層的初生晶粒呈球狀或粒狀，而中心呈樹枝晶或薔薇狀，因此採用上述方法製備的半固態漿料或坯料的尺寸也受到了限制，很難製備出優質的大尺寸和大規格的半固態金屬及合金漿料或坯料，對於半固態金屬或合金棒料，直徑一般不超過150，因此如何克服電磁攪拌的上述缺點、製備出組織均勻、細小的半固態金屬及合金漿料或坯料，尤其是製備出大規格大尺寸的半固態金屬及合金漿料或坯料，將具有十分重要的意義和現實價值。
中國專利200420112702.0也提出了一種複合電磁攪拌法連續製備半固態金屬漿料的裝置，該裝置的主要結構和原理是：在中間包內施加電磁攪拌，使中間包過熱的液體整體均勻降溫到液相線溫度，在導流管外均施加強烈電磁攪拌，金屬液流可獲得充分快速的冷卻，使形核數量大幅增加，凝固組織明顯細化。採用上述設備製備半固態金屬漿料，可解決2008年7月前已有技術中由於單純靜置保溫控制澆注金屬液體接近液相線溫度難操作性以及由此帶來的金屬液體過熱度太低時流動性變差的技術難題，也可避免了由於製漿室尺寸較大、金屬液體攪拌不均勻導致冷卻不均勻及凝固組織不均勻的問題。在該設備中，採用了複合電磁攪拌技術，未提及到漿料的內部冷卻機構。但是在採用該裝置製備半固態金屬漿料時，雖採用了強烈的複合電磁攪拌技術有助於半固態合金漿料的流動，但是漿料溫度場的不均勻性和漿料組織的不均勻性仍然明顯存在，同樣也只能生產尺寸不大的半固態金屬漿料或坯料，無法生產大規格的半固態合金漿料或坯料，而且該設備的電磁攪拌裝備採用了變頻裝置，購置成本較高，結構複雜，因此也限制了該設備的推廣套用。
總之，2008年7月前，中國國內外採用的電磁攪拌方法製備半固態金屬及合金漿料或坯料的設備及裝置中，即使採用低頻攪拌等多種措施，也由於趨膚效應和漿料固有的散熱特性的存在，漿料的溫度場分布和組織的分布仍存在較大的不均勻性，不易生產出優質的半固態漿料或坯料，限制了該技術的進一步發展和套用，因此如何克服這些問題就成為擴大電磁攪拌技術製備半固態金屬漿料套用範圍的關鍵。
發明內容
專利目的
與專利背景和2008年7月前採用的電磁攪拌方法中試圖避免趨膚效應相反，《一種製備半固態合金流變漿料或坯料的裝置》的目的是提供一種製備半固態金屬流變漿料或坯料的裝置，該裝置充分利用了電磁攪拌的趨膚效應，通過該裝置得到的半固態漿料組織均勻，細小，形態好，有利於生產出合格優質的大規格半固態合金坯料或漿料。
技術方案
《一種製備半固態合金流變漿料或坯料的裝置》所述裝置包括有製備坩堝，在該製備坩堝的外周由里到外依次設定有外部冷卻控制器、保溫系統、電磁攪拌器；在該製備坩堝上部設定靜置坩堝，該靜置坩堝通過其底部的導流管穿過製備坩堝上的保溫蓋與製備坩堝相通，在該靜置坩堝上部設定有熔化坩堝；並在製備坩堝的底部設有導流管，所述的製備坩堝的底部的導流管和所述的熔化坩堝的底部的導流管均具有閥門；其特徵在於：所述的製備坩堝的中部設有一內部冷卻控制器，且內部冷卻控制器的外壁與製備坩堝的內側壁形成間隙。
工藝發明的製備半固態金屬流變漿料或坯料的裝置充分利用了電磁攪拌的趨膚效應，其主要原理是：根據電磁感應原理，磁場強度從漿料表面向里按指數曲線遞減，越靠近漿料表面，磁感應強度越大，越靠近漿料內部，磁感應強度越小，在大於趨膚深度的部位，磁感應強度很小，也就是說為了使漿料受到較強的攪拌力，漿料內部區域的磁感應強度應足夠的大，為此，可以將全部半固態合金熔體置於從漿料表面向里寬度不超過趨膚深度的區域內進行攪拌，也即攪拌區域為一狹長縫隙，使漿料形成一層厚度可適當調整的“薄膜”進行攪拌，該縫隙寬度最大為趨膚深度，當然為了達到強的攪拌強度，可進行調整縮小縫隙的寬度，縫隙越小，滲透入漿料內部的磁感應強度越強，攪拌越劇烈，攪拌也越均勻，然後將攪拌得到的半固態合金漿料儲存下來進行流變成形，或製成坯料進行觸變成性能。
根據該原理，該發明在製漿室中設定可通入冷卻介質的內部冷卻控制器，通過調整內部冷卻控制器的外壁與製備坩堝的內側壁之間形成的間隙，可使半固態合金熔體在電磁攪拌力的作用下在此縫隙中進行較為強烈的攪拌，同時內部冷卻控制器中通入的冷卻介質可使漿料的散熱更加均勻，溫度場的分布也更加均勻，得到的漿料組織分布也更為理想。
採用該發明的裝置，可以克服電磁攪拌裝置採用變頻系統帶來的結構龐大複雜，投資成本高等缺點，在生產中只要採用工頻就可進行電磁攪拌，而不需要採用低頻攪拌，也不需要變頻系統，這對降低企業的投資成本和降低半固態零部件的生產成本，擴大半固態的套用範圍具有很大的現實意義和實用價值。
該發明的製備半固態流變漿料或坯料的裝置的導流管可以連線壓鑄機、擠壓機、連鑄機、鍛造機，進行流變壓鑄、流變擠壓鑄造、流變連鑄、進行流變鍛造，其連線方式如下：
該發明的製備半固態流變漿料或坯料的裝置的導流管連線壓鑄機的結構如下：所述的製備坩堝底部的導流管連通壓鑄機的壓射室，在壓射室的一側內設定沖頭，壓射室的另一側連線壓鑄型定模和壓鑄型動模。
該發明的製備半固態流變漿料或坯料的裝置的導流管連線擠壓機的結構如下：所述的製備坩堝底部的導流管連通擠壓機的擠壓筒，擠壓筒的一側內設定擠壓桿，擠壓筒的另一側連線擠壓模右型和擠壓模左型。
該發明的製備半固態流變漿料或坯料的裝置的導流管連線連鑄機的結構如下：所述的製備坩堝底部的導流管連通連鑄機的中間包，中間包連通結晶器，在結晶器的出口外的四周均布若干個冷卻水噴嘴，並在結晶器的出口外的下部裝置有牽引機構。
該發明的製備半固態流變漿料或坯料的裝置的導流管連線鍛造機的結構如下：所述的製備坩堝底部的導流管連通鍛造模中的鍛造模型腔。
在該發明的製備半固態金屬流變漿料或坯料的裝置中，所述的內部冷卻控制器為其內通有冷卻介質的冷卻通道，冷卻通道是由中心管和其外套管組成，中心管的上口為冷卻介質輸入口，中心管的下口與外套管相通，中心管構成冷卻介質輸入通道；外套管的上口為冷卻介質輸出口，外套管構成冷卻介質輸出通道。
在該發明的製備半固態金屬流變漿料或坯料的裝置中，所述的冷卻介質輸入通道沿著徑向方向的形狀即中心管的橫截面為圓形、橢圓形、方形或梯形；所述的冷卻介質輸入通道即中心管沿著軸向方向的形狀為直管形狀或彎曲管形狀。
在該發明的製備半固態金屬流變漿料或坯料的裝置中，所述的冷卻介質輸出通道沿著徑向方向的外觀形狀即外套管的橫截面的外形為圓形、橢圓形、方形或梯形；所述的冷卻介質輸出通道即外套管沿著軸向方向的形狀為直管形狀、蛇形管形狀、螺旋管形狀、波浪管形狀或其他彎曲管形狀；或是外套管的內壁沿著軸向方向的形狀為直管壁形狀而其外壁沿著軸向方向的形狀為螺旋形或波浪形。考慮到外套管制成蛇形管形狀、螺旋管形狀、波浪管形狀或其他彎曲管形狀，情況比較複雜，製作加工難度大；從製作方便上考慮，還是優選將外套管的內壁製成沿著軸向方向的形狀為直管壁形狀，而其外壁製成沿著軸向方向的形狀為螺旋形或波浪形。
在該發明的製備半固態金屬流變漿料或坯料的裝置中，所述的冷卻介質輸入通道即中心管的內徑為2～1000毫米，冷卻介質輸出通道即外套管的內徑為5～1000毫米。
在該發明的製備半固態金屬流變漿料或坯料的裝置中，內部冷卻控制器的外壁即冷卻介質輸出通道的外壁與製備坩堝的內側壁之間形成的間隙為0.5～300毫米。
在該發明的製備半固態金屬流變漿料或坯料的裝置中，所述的冷卻介質輸出通道的外壁沿著軸向方向的形狀為螺旋形，其螺距為5～100毫米，螺紋高為2～100毫米。
在該發明的製備半固態金屬流變漿料或坯料的裝置中，所述的冷卻介質輸出通道的外壁沿著軸向方向的形狀為波浪形，其波距為5～100毫米，波紋高為2～100毫米。
在該發明的製備半固態金屬流變漿料或坯料的裝置中冷卻通道內通入的冷卻介質為空氣、氮氣、氬氣、自來水或其他冷卻液體，冷卻介質的溫度為室溫。
當內部冷卻控制器中的冷卻介質為氣體的情況下，其進口壓力為0.001兆帕-0.5兆帕，當內部冷卻控制器中的冷卻介質為液體的情況下，其進口壓力為0.001兆帕-1.2兆帕；當外部冷卻控制器中的冷卻介質為氣體的情況下，其進口壓力為0.001兆帕-0.5兆帕，當外部冷卻控制器中的冷卻介質為液體的情況下，其進口壓力為0.001兆帕-1.2兆帕。
改善效果
1.充分利用了電磁感應的趨膚效應。將漿料全部集中在寬度為趨膚深度的薄層區域進行攪拌，漿料受到的攪拌更為劇烈，強度更大，漿料受到的攪拌更為均勻，克服常規的電磁攪拌導致的漿料內外攪拌不均，組織不均勻等問題。此外通過設定內部冷卻控制器與外部冷卻控制器，使半固態合金熔體的溫度場均勻，得到的半固態漿料組織均勻，細小，形態好，而且內部冷卻控制器的徑向大小可自由選擇，這樣可自由調整內部冷卻控制器和製備坩堝內壁之間的距離（即漿料厚度），有利於漿料獲得更大的剪下速率，獲得細小均勻的組織。
2.可生產大規格的半固態合金漿料或坯料。該發明設定了內外部冷卻控制器，既可使漿料得到強烈的電磁攪拌，漿料內部受到的攪拌力均勻，得到的漿料組織均勻，又可均衡半固態合金熔體的溫度場，促進合金熔體大量形核，抑制樹枝晶的形成或長大，最終形成半固態組織。同時，內部冷卻控制器對受到攪動的合金熔體中起一定的攪拌作用，會促進初生晶粒的破碎、游離。通過上述措施，可使合金熔體的內部和外部均得到細小均勻的半固態組織，有利於生產出合格優質的大規格半固態合金坯料或漿料。
3.半固態合金漿料純淨。由於採用電磁攪拌器作為攪拌源，攪拌磁場產生的攪拌力作用在合金熔體上攪拌，可避免合金熔體的污染。
4.防止半固態合金熔體卷氣。製備坩堝中的合金熔體處於相對密閉的狀態，可防止半固態合金熔體的卷氣，且設定的靜置坩堝也可有效防止外界氣體捲入製備坩堝中的合金熔體中，此外設定的內部冷卻控制器可有效防止電磁攪拌磁場的運動導致合金熔體產生漩渦，合金熔體表面平緩，防止卷氣。
5.熔體的自潔淨性好，通過將內部冷卻控制器冷卻介質輸出管道設定為螺旋型等形狀，在電磁攪拌力的作用下，合金熔體逐步向坩堝底部匯集，可有效避免合金熔體在內部冷卻控制器外壁和製備坩堝內壁的粘掛，減少清理工作量，提高合金利用率和製備坩堝、內部冷卻控制器的壽命。
6.設備簡單、緊湊，安裝、操作方便，投資成本低，實用性強，套用範圍廣。與其他半固態成形方法和採用常規的電磁攪拌法比較，該裝置體積小，設備簡單，投資成本低，企業在生產中只要採用工頻就可進行電磁攪拌，而不需要採用低頻攪拌，也不需要變頻系統，克服電磁攪拌裝置採用變頻系統帶來的結構龐大複雜，投資成本高等缺點，可顯著降低半固態合金漿料或坯料的製備成本，最終會降低半固態鑄件的生產成本，增強半固態鑄件的競爭力和擴大半固態鑄件的套用範圍，該發明既適合於鋁基合金及其複合材料半固態漿料或坯料的製備，也適合於鎂基合金、銅基合金、鋅基合金、鐵基合金和其他有色金屬合金及其複合材料半固態漿料或坯料的製備。
附圖說明
圖1是製備半固態金屬流變漿料或坯料的裝置示意圖。
圖2是冷卻介質輸出通道的外壁沿著軸向方向的形狀為直線形的內部冷卻控制器的結構示意圖。
圖3是冷卻介質輸出通道的外壁沿著軸向方向的形狀為波浪形的內部冷卻控制器的結構示意圖。
圖4是冷卻介質輸出通道的外壁沿著軸向方向的形狀為螺旋形的內部冷卻控制器的結構示意圖。
圖5是裝有壓鑄機的製備半固態金屬流變漿料或坯料的裝置示意圖。
圖6是裝有擠壓機的製備半固態金屬流變漿料或坯料的裝置示意圖。
圖7是裝有連鑄機的製備半固態金屬流變漿料或坯料的裝置示意圖。
圖8是裝有鍛造機的製備半固態金屬流變漿料或坯料的裝置示意圖。
權利要求
1、《一種製備半固態合金流變漿料或坯料的裝置》所述裝置包括有製備坩堝，在該製備坩堝的外周由里到外依次設定有外部冷卻控制器、保溫系統、電磁攪拌器；在該製備坩堝上部設定靜置坩堝，該靜置坩堝通過其底部的導流管穿過製備坩堝上的保溫蓋與製備坩堝相通，在該靜置坩堝上部設定有熔化坩堝；並在製備坩堝的底部設有導流管，所述的製備坩堝的底部的導流管和所述的熔化坩堝的底部的導流管均具有閥門；其特徵在於：所述的製備坩堝的中部設有一內部冷卻控制器，且內部冷卻控制器的外壁與製備坩堝的內側壁形成間隙
該內部冷卻控制器的外壁沿著軸向方向的形狀為螺旋形，其螺距為5～100毫米，螺紋高為2～100毫米；所述的內部冷卻控制器為其內通有冷卻介質的冷卻通道，冷卻通道是由中心管和其外套管組成，中心管的上口為冷卻介質輸入口，中心管的下口與外套管相通，中心管構成冷卻介質輸入通道；外套管的上口為冷卻介質輸出口，外套管構成冷卻介質輸出通道，所述的冷卻介質輸出通道的外壁即為內部冷卻控制器的外壁；所述的冷卻介質輸入通道即中心管的內徑為2～1000毫米，冷卻介質輸出通道即外套管的內徑為5～1000毫米；內部冷卻控制器的外壁即冷卻介質輸出通道的外壁與製備塔垠的內側壁之間形成的螺旋環狀間隙為0.5～300毫米。
2、按照權利要求1所述的製備半固態金屬流變漿料或坯料的裝置，其特徵在於：所述的製備坩堝底部的導流管連通壓鑄機的壓射室，在壓射室的一側內設定沖頭，壓射室的另一側連線壓鑄型定模和壓鑄型動模。
3、按照權利要求1所述的製備半固態金屬流變漿料或坯料的裝置，其特徵在於：所述的製備坩堝底部的導流管連通擠壓機的擠壓筒，擠壓筒的一側內設定擠壓桿，擠壓筒的另一側連線擠壓模右型和擠壓模左型。
4、按照權利要求1所述的製備半固態金屬流變漿料或坯料的裝置，其特徵在於：所述的製備坩堝底部的導流管連通連鑄機的中間包，中間包連通結晶器，在結晶器的出口外的四周均布若干個冷卻水噴嘴，並在結晶器的出口外的下部裝置有牽引機構。
5、按照權利要求1所述的製備半固態金屬流變漿料或坯料的裝置，其特徵在於：所述的製備坩堝底部的導流管連通鍛造模中的鍛造模型腔。
6、按照權利要求1所述的製備半固態金屬流變漿料或坯料的裝置，其特徵在於：所述的冷卻介質輸入通道沿著徑向方向的形狀即中心管的橫截面為圓形、橢圓形、方形或梯形；所述的冷卻介質輸入通道即中心管沿著軸向方向的形狀為直管形狀或彎曲管形狀。
7、按照權利要求6所述的製備半固態金屬流變漿料或坯料的裝置，其特徵在於：所述的冷卻介質輸出通道沿著徑向方向的外觀形狀即外套管的橫截面的外形為圓形、橢圓形、方形或梯形。
8、按照權利要求1所述的製備半固態金屬流變漿料或坯料的裝置，其特徵在於：所述的冷卻介質輸入通道的材質為奧氏體不鏽鋼、鈦、鉬、鈷、鉻、鎳或銅等非磁金屬材料，或者石墨、陶瓷或剛玉等非金屬材料；冷卻介質輸出通道的材質為奧氏體不鏽鋼、鈦、鉬、鈷、鉻、鎳或銅等非磁金屬材料，或者石墨、陶瓷或剛玉等非金屬材料。
9、按照權利要求1所述的製備半固態金屬流變漿料或坯料的裝置，其特徵在於：冷卻通道內通入的冷卻介質為空氣、氮氣、氬氣、自來水或其他冷卻液體，冷卻介質的溫度為室溫。
實施方式
圖1是製備半固態金屬流變漿料或坯料的裝置示意圖，如圖1所示，該裝置包括有製備坩堝6，在該製備坩堝6的外周由里到外依次設定有外部冷卻控制器3、保溫系統2、電磁攪拌器1；在該製備坩堝6上部設定靜置坩堝11，該靜置坩堝11通過其底部的導流管9穿過製備坩堝6上的保溫蓋8與製備坩堝6相通，在該靜置坩堝11上部設定有熔化坩堝12；並在製備坩堝6的底部設有導流管5，所述的製備坩堝6的底部的導流管5和所述的熔化坩堝12的底部的導流管9均具有閥門4、10；所述的製備坩堝的中部設有一內部冷卻控制器14，且內部冷卻控制器14的外壁與製備坩堝6的內側壁形成間隙，內部冷卻控制器14的外壁並與製備坩堝6的底部的內壁形成空隙。且在製備坩堝6中設有熱電偶13。
如圖2～圖4所示，圖2～圖4為內部冷卻控制器14的結構示意圖，內部冷卻控制器14由冷卻通道和冷卻介質組成，冷卻通道由冷卻介質輸入通道14-1和冷卻介質輸出通道14-2組成。冷卻介質輸入通道14-1為一中空底部開口的中心管，中心管的上口為冷卻介質輸入口，中心管沿著徑向方向（截面）的形狀可為圓形、橢圓形、方形，梯形或其他各種形狀，中心管沿著軸向方向的形狀為直管形狀或彎曲管形狀，其中，彎曲管形狀如蛇形管形狀。冷卻介質輸出通道14-2為一中空的底部密封的外套管，該外套管套在中心管的外部，中心管通過底部開口與外套管相通，外套管的上口為冷卻介質輸出口。外套管底部與側壁可以製造為一體或通過焊接和其他方法等密封連線，冷卻介質輸出通道14-2沿著徑向方向（截面）的外觀形狀即外套管的橫截面的外形形狀可為圓形、橢圓形、方形，梯形或其他各種形狀，冷卻介質輸出通道即外套管沿著軸向方向的形狀為直管形狀、蛇形管形狀、螺旋管形狀、波浪管形狀或其他彎曲管形狀；或是外套管的內壁沿著軸向方向的形狀為直管壁形狀而其外壁沿著軸向方向的形狀為螺旋形或波浪形。其中，在圖2中，外套管沿著軸向方向的形狀為直管形狀；在圖3中，外套管的內壁沿著軸向方向的形狀為直管壁形狀而其外壁沿著軸向方向的形狀為波浪形；在圖4中，外套管的內壁沿著軸向方向的形狀為直管壁形狀而其外壁沿著軸向方向的形狀為螺旋形。
冷卻介質輸入通道14-1的材質可為鋼、銅、鈦、鎢、鉬鋁或鋅等非磁性金屬材料或者石墨或陶瓷等非金屬材料。冷卻介質輸出通道14-2的材質可為石墨或陶瓷等非金屬材料。冷卻介質輸入通道14-1置於冷卻介質輸出通道14-2內，形成冷卻介質冷卻通道，冷卻介質輸入通道14-1與冷卻介質輸出通道14-2可採用螺栓連線、焊接或其他方法連線成一體。冷卻介質可為空氣、氮氣、氬氣等氣體或水，冷卻介質的溫度為室溫。冷卻介質輸入通道14-1的內徑在2～200毫米，冷卻介質輸出通道14-2的內徑為5～300毫米。對於形狀為波浪型的冷卻介質輸出管道，其波距L為5～100毫米，波紋高h為2～100毫米，如圖3所示；對於形狀為螺旋形的冷卻介質輸出管道，其螺距L’為5～100毫米，螺紋高h’為2～100毫米，如圖4所示。
外部冷卻控制器3的主要功能是在冷卻管道內通入冷卻介質使合金熔體冷卻到所需的溫度，它主要由冷卻管道和冷卻介質組成，冷卻管道為一中空的冷卻管，冷卻管截面形狀可為圓形、橢圓形、方形、梯形或其他形狀，冷卻管沿著軸向方向的形狀為直管形狀、蛇形管形狀、螺旋管形狀、波浪管形狀或其他彎曲管形狀；或是冷卻管的內壁沿著軸向方向的形狀為直管壁形狀而其外壁沿著軸向方向的形狀為螺旋形或波浪形。冷卻通道的材質可為鋼、銅、鋁、鋅或鎂等金屬基材料或者陶瓷等非金屬材料。冷卻介質可為空氣、氮氣或氬氣等的氣體，冷卻介質的溫度為室溫。外部冷卻控制器11置於保溫系統內部，環繞製備坩堝並距離製備坩堝一定距離（10毫米～300毫米）。
如圖1所示，閥門4和閥門10的主要功能就是控制合金熔體的流動，閥門4控制半固態合金熔體7嚮導流管5的流動，而閥門10控制靜置坩堝11中合金熔體向製備坩堝6的流動，閥門4和閥門10可採用手動或機械控制。
如圖1所示，導流管5和導流管9的主要功能是導入合金熔體或半固態合金漿料，導流管5的上部與製備坩堝6連線；導流管9的上部與靜置坩堝11連線，下部通入製備坩堝6中的半固態合金熔體7中，導流管5和9的外部纏繞加熱器來控制導流管的溫度。
製備坩堝6的主要功能是盛放合金熔體，製備坩堝的截面形狀可為圓形、方形或橢圓形等各種形狀，製備坩堝的材質可為石墨，銅或其他非磁金屬或非金屬。
電磁攪拌器1的主要功能是產生很強的電磁力攪動合金熔體，使合金熔體發生強烈的攪拌，電磁攪拌器可為旋轉的電磁攪拌器、行波電磁攪拌器、複合電磁攪拌器和其他形式的電磁攪拌器。
如圖5所示的是半固態金屬和合金漿料流變壓鑄裝備示意圖，是將如圖1所示的半固態流變漿料製備裝置直接放置或固定在壓鑄機的上方連線而成的裝備。壓鑄機由壓鑄型定模15、壓鑄型動模16、壓射室17和沖頭19組成。導流管5置於壓射室17的上方以方便流變漿料流進壓射室17。
如圖6所示的是半固態金屬和合金漿料流變擠壓裝備示意圖，是將如圖1所示的半固態流變漿料製備裝置直接放置或固定在擠壓機的上方連線而成的裝備。擠壓機由擠壓模右型20、擠壓模左型21、擠壓筒22和擠壓桿23組成。導流管5置於擠壓筒22的上方以方便流變漿料流進擠壓筒22。
如圖7所示的是半固態金屬和合金漿料連鑄裝備示意圖，是將如圖1所示的半固態流變漿料製備裝置直接放置或固定在連鑄機的上方連線而成的裝備。連鑄裝備由中間包24、結晶器25、冷卻水噴嘴26和牽引機構27組成。導流管5置於中間包24的上方以方便流變漿料流進中間包24，
如圖8所示的是半固態金屬和合金漿料流變鍛造裝備示意圖，是將如圖1所示的半固態流變漿料製備裝置直接放置或固定在鍛造機的上方連線而成的裝備。鍛造裝備是由鍛造模30及其內的鍛造模具型腔29組成，其中導流管5置於鍛造模具型腔29的上方以方便流變漿料流進鍛造模具型腔29。
該發明的製備半固態金屬流變漿料或坯料的裝置的主要實施方式為：
參照圖1、圖2、圖5，這是按上述技術特點提供的工藝流程及裝置。過熱的ZL101A鋁合金熔體通過熔化坩堝12熔化，熔化坩堝12為電磁感應加熱爐，保溫性能良好，可保證ZL101A合金熔體有具有較高的控溫精度，控溫精度為±10℃，靜置坩堝11為一保溫性能優良的坩堝，下端開口與導流管9相連，靜置坩堝11的底部開口且設定一閥門10，可控制靜置坩堝內合金熔體向製備坩堝6中的流動，靜置坩堝11可為製備坩堝6中提供足量的合金液，該靜置坩堝11可保證合金熔體的溫度在液相線以上30～200℃，控溫精度在±10。導流管9的上部與靜置坩堝11相連，下部開口通入製備坩堝6中的合金熔體中，導流管9的外部纏繞電阻加熱器，該加熱器將導流管的溫度加熱到400℃，製備坩堝6置於保溫系統2內部，製備坩堝6的內徑尺寸為Φ80×160毫米，製備坩堝上部設定隔熱性能優良的坩堝蓋8，內部冷卻控制器14的冷卻介質輸出管道14-2採用如圖2所示的結構，外徑為Φ60毫米，材質為石墨，預熱溫度300℃。內部冷卻控制器14的冷卻介質輸出管道14-2的外壁與製備坩堝11的內側壁距離為10毫米。內部冷卻控制器冷卻介質輸出管道14-2的底部與製備坩堝底部的內壁距離為40毫米。內部冷卻控制器14的冷卻介質輸入管道14-1的外徑為25，管道厚為3毫米，材質為不鏽鋼，溫度為室溫。保溫系統2是一中空且頂部與坩堝蓋8連線的近乎密閉的筒式結構。其四周由良好的絕熱材料組成，這一保溫系統可保證製備坩堝中的合金熔體緩慢冷卻，冷卻速度為0.1～5℃/分鐘，外部冷卻控制器3環繞在製備坩堝6的外部且距製備坩堝外壁20毫米，外部冷卻控制器3的冷卻管道壁上開設通氣小孔，小孔直徑為4毫米，調節外部冷卻控制器3的冷卻介質流量可使製備坩堝外壁冷卻速度為1～60℃/分鐘，冷卻介質採用室溫空氣。壓鑄機由壓鑄型定模15、壓鑄型動模16、壓射室17和壓射沖頭19組成。導流管5與製備坩堝6下口相連，製備坩堝6下口設一閥門4，控制半固態合金熔體向壓射室的流動。將一定量的670℃的ZL101A合金液澆入靜置坩堝11中，蓋上坩堝蓋8，靜置10～20s，打開閥門10，使過熱的ZL101A合金液順著導流管9流入製備坩堝中6，待流入的合金熔體量達到製備坩堝6容積的約2/3時，關閉閥門10，開啟電磁攪拌器1，設定電磁攪拌器的名義功率為1300瓦，同時控制內部、外部冷卻控制器14、3中的冷卻介質的流量，使熔體的冷卻速度為5℃/分鐘，待熱電偶13指示的溫度為580～600℃，即可得到半固態ZL101A鋁合金漿料，此時關閉電磁攪拌器1和內部、外部冷卻控制器14、3，打開閥門4，將半固態ZL101A鋁合金漿料7通過導流管5流入壓射室17，導流管5的溫度控制在500℃，壓射室17和壓射沖頭19、壓鑄型定模15和壓鑄型動模16的預熱溫度為250℃，待開啟閥門4約5s半固態漿料7全部流出後，關閉閥門4，同時壓鑄機沖頭19將半固態漿料7壓入壓鑄型型腔，加壓成形約4～8s，然後取出壓鑄件，完成一次半固態ZL101A鋁合金漿料的流變壓鑄，流變壓鑄的同時開啟閥門10，將過熱的ZL101A合金液流入製備坩堝6中，進入下一次流變壓鑄。
參照圖1、圖2、圖6，這是按上述技術特點提供的工藝流程及裝置。過熱的ZL101A鋁合金熔體通過熔化坩堝12熔化，熔化坩堝12為電磁感應加熱爐，保溫性能良好，可保證ZL101A合金熔體有具有較高的控溫精度，控溫精度為±10℃，靜置坩堝11為一保溫性能優良的坩堝，下端開口與導流管9相連，靜置坩堝11的底部開口且設定一閥門10，可控制靜置坩堝內合金熔體向製備坩堝6中的流動，靜置坩堝11可為製備坩堝6中提供足量的合金液，該靜置坩堝11可保證合金熔體的溫度在液相線以上30～200℃，控溫精度在±10。導流管9的上部與靜置坩堝11相連，下部開口通入製備坩堝6中的合金熔體中，導流管9的外部纏繞電阻加熱器，該加熱器將導流管的溫度加熱到400℃，製備坩堝6置於保溫系統2內部，製備坩堝6的內徑尺寸為Φ80×160毫米，製備坩堝上部設定隔熱性能優良的坩堝蓋8。內部冷卻控制器14的冷卻介質輸出管道14-2採用如圖2所示的結構，外徑為Φ60毫米，材質為石墨，預熱溫度300℃。內部冷卻控制器冷卻介質輸出管道14-2的外壁與製備坩堝內側壁距離為10毫米。內部冷卻控制器冷卻介質輸出管道14-2的底部與製備坩堝底部內壁距離為40毫米。內部冷卻控制器的冷卻介質輸入管道14-1的外徑為25，管道厚為3毫米，材質為不鏽鋼，溫度為室溫。保溫系統2是一中空且頂部與坩堝蓋8連線的近乎密閉的筒式結構。其四周由良好的絕熱材料組成，這一保溫系統可保證製備坩堝中的合金熔體緩慢冷卻，冷卻速度為0.1～5℃/分鐘，外部冷卻控制器3環繞在製備坩堝6的外部且距製備坩堝外壁20毫米，外部冷卻控制器3的冷卻管道壁上開設通氣小孔，小孔直徑為4毫米，調節外部冷卻控制器3的冷卻介質流量可使製備坩堝外壁冷卻速度為1～60℃/分鐘，冷卻介質採用室溫空氣。擠壓機由擠壓模右型20、擠壓模左型21、擠壓筒22和擠壓桿23組成。導流管5與製備坩堝6下口相連，製備坩堝6下口設一閥門4，控制半固態合金熔體向壓射室的流動。將一定量的670℃的ZL101A合金液澆入靜置坩堝11中，蓋上坩堝蓋8，靜置10～20s，打開閥門10，使過熱的ZL101A合金液順著導流管9流入製備坩堝中6，待流入的合金熔體量達到製備坩堝6容積的約2/3時，關閉閥門10，開啟電磁攪拌器1，設定電磁攪拌器的名義功率為1300瓦，同時控制內部、外部冷卻控制器中14、3的冷卻介質的流量，使熔體的冷卻速度為5℃/分鐘，待熱電偶13指示的溫度為580～600℃，即可得到半固態ZL101A鋁合金漿料，此時關閉電磁攪拌器1和內部、外部冷卻控制器14、3，打開閥門4，將半固態ZL101A鋁合金漿料7通過導流管5流入擠壓筒22，導流管5的溫度控制在500℃，擠壓模右型20、擠壓模左型21、擠壓筒22和擠壓桿23的預熱溫度為250℃，待開啟閥門4約5s半固態漿料7全部流出後，關閉閥門4，同時擠壓桿23將半固態漿料7壓入擠壓模右型20和擠壓模左型21之間的型腔，加壓成形約4～8s，然後取出擠壓件，完成一次半固態ZL101A鋁合金漿料的流變擠壓鑄造，流變擠壓的同時開啟閥門10，將過熱的ZL101A合金液流入製備坩堝6中，進入下一次流變擠壓鑄造。
參照圖1、圖4、圖7，這是按上述技術特點提供的工藝流程及裝置。過熱的ZL101A鋁合金熔體通過熔化坩堝12熔化，熔化坩堝12為電磁感應加熱爐，保溫性能良好，可保證ZL101A合金熔體有具有較高的控溫精度，控溫精度為±10℃，靜置坩堝11為一保溫性能優良的坩堝，下端開口與導流管9相連，靜置坩堝11的底部開口且設定一閥門10，可控制靜置坩堝內合金熔體向製備坩堝中6的流動，靜置坩堝11可為製備坩堝6中提供足量的合金液，該靜置坩堝11可保證合金熔體的溫度在液相線以上30～200℃，控溫精度在±10。導流管9的上部與靜置坩堝11相連，下部開口通入製備坩堝6中的合金熔體中，導流管9的外部纏繞電阻加熱器，該加熱器將導流管的溫度加熱到400℃，製備坩堝6置於保溫系統2內部，上部設定隔熱性能優良的坩堝蓋8，製備坩堝6的內徑尺寸為Φ80×480毫米，內部冷卻控制器14的冷卻介質輸出管道14-2採用螺旋形機構，如圖4所示，材質為石墨，預熱溫度為300℃，螺距高L’為10毫米，螺紋高h’為5毫米，螺紋外壁與製備坩堝內側壁距離為10毫米。內部冷卻控制器冷卻介質輸出管道14-2的底部與製備坩堝底部的內壁距離為40毫米。內部冷卻控制器的冷卻介質輸入管道14-1的外徑為25，管道厚為3毫米，材質為不鏽鋼，溫度為室溫。保溫系統2是一中空且頂部與坩堝蓋8連線的近乎密閉的筒式結構。其四周由良好的絕熱材料組成，這一保溫系統可保證製備坩堝中的合金熔體緩慢冷卻，冷卻速度為5℃/分鐘，外部冷卻控制器3環繞在製備坩堝6的外部且距製備坩堝外壁20毫米，外部冷卻控制器3的冷卻管道壁上開設通氣小孔，小孔直徑為4毫米，調節外部冷卻控制器3的冷卻介質流量可使製備坩堝外壁冷卻速度為5℃/分鐘，冷卻介質採用室溫空氣。連鑄裝備由中間包24、結晶器25、冷卻水噴嘴26和牽引機構27組成。導流管5置於中間包24的上方，導流管5的直徑為72毫米，中間包的內部尺寸為240×120×80毫米，導流管5與製備坩堝6下口相連，製備坩堝6下口設一閥門4，控制半固態合金熔體向壓射室的流動。將670℃的ZL101A合金液澆入靜置坩堝11中，蓋上坩堝蓋8，靜置10～20s，打開閥門10，使過熱的ZL101A合金液順著導流管9流入製備坩堝6與內部冷卻控制器冷卻介質輸出管道14-2螺紋之間的間隙中，同時開啟電磁攪拌器1，設定電磁攪拌器的名義功率為1300瓦，控制內部、外部冷卻控制器中14、3中冷卻介質的流量，使熔體的冷卻速度為5℃/分鐘，這樣合金熔體在間隙中流動的同時將受到強烈的電磁攪拌作用，待熱電偶13指示的合金漿料溫度降低到600℃時，即可得到半固態ZL101A鋁合金漿料7，這些鋁合金漿料7通過導流管5流入中間包24，然後在連鑄機的結晶器25、冷卻水噴嘴26、牽引機構27的共同作用下連鑄成半固態金屬和合金坯料28。通過上述反覆動作，將不斷的得到半固態坯料28，這些坯料可作為觸變成形用的半固態坯料。
參照圖1、圖2、圖8，這是按上述技術特點提供的工藝流程及裝置。過熱的ZL101A鋁合金熔體通過熔化坩堝12熔化，熔化坩堝12為電磁感應加熱爐，保溫性能良好，可保證ZL101A合金熔體有具有較高的控溫精度，控溫精度為±10℃，靜置坩堝11為一保溫性能優良的坩堝，下端開口與導流管9相連，靜置坩堝11的底部開口且設定一閥門10，可控制靜置坩堝內合金熔體向製備坩堝中6的流動，靜置坩堝11可為製備坩堝6中提供足量的合金液，該靜置坩堝11可保證合金熔體的溫度在液相線以上30～200℃，控溫精度在±10。導流管9的上部與靜置坩堝11相連，下部開口通入製備坩堝6中的合金熔體中，導流管9的外部纏繞電阻加熱器，該加熱器將導流管的溫度加熱到400℃，製備坩堝6置於保溫系統2內部，製備坩堝6的內徑尺寸為Φ80×160毫米，製備坩堝上部設定隔熱性能優良的坩堝蓋8。內部冷卻控制器14的冷卻介質輸出管道14-2採用如圖2所示的結構，外徑為Φ60毫米，材質為石墨，預熱溫度300℃。內部冷卻控制器冷卻介質輸出管道14-2的外壁與製備坩堝內側壁距離為10毫米。內部冷卻控制器冷卻介質輸出管道14-2的底部與製備坩堝底部的內壁距離為40毫米。內部冷卻控制器的冷卻介質輸入管道14-1的外徑為25，管道厚為3毫米，材質為不鏽鋼，溫度為室溫。保溫系統2是一中空且頂部與坩堝蓋8連線的近乎密閉的筒式結構。其四周由良好的絕熱材料組成，這一保溫系統可保證製備坩堝中的合金熔體緩慢冷卻，冷卻速度為0.1～5℃/分鐘，外部冷卻控制器3環繞在製備坩堝6的外部且距製備坩堝外壁20毫米，外部冷卻控制器3的冷卻管道壁上開設通氣小孔，小孔直徑為4毫米，調節外部冷卻控制器3的冷卻介質流量可使製備坩堝外壁冷卻速度為1～60℃/分鐘，冷卻介質採用室溫空氣。導流管5置於鍛造模的上方利於漿料順利流入鍛造模30的型腔29。導流管5的上端與製備坩堝6下口相連，製備坩堝6下口設一閥門4，控制半固態合金熔體向鍛造模型腔29的流動。將一定量的670℃的ZL101A合金液澆入靜置坩堝11中，蓋上坩堝蓋8，靜置10～20s，打開閥門10，使過熱的ZL101A合金液順著導流管9流入製備坩堝中6，待流入的合金熔體量達到製備坩堝6容積的約2/3時，關閉閥門10，開啟電磁攪拌器1，設定電磁攪拌器的名義功率為1300瓦，同時控制內部、外部冷卻控制器中14、3中冷卻介質的流量，使熔體的冷卻速度為5℃/分鐘，待熱電偶13指示的溫度為590℃，即可得到半固態ZL101A鋁合金漿料，此時關閉電磁攪拌器1和內部、外部冷卻控制器3、14，打開閥門4，將半固態ZL101A鋁合金漿料7通過導流管5流入鍛造模型腔29，導流管5的溫度控制在500℃，鍛造模型腔29的預熱溫度為250℃，待開啟閥門4約5s半固態漿料7全部流出後，關閉閥門4，同時鍛造機的模具開始合型將半固態金屬和合金漿料成形，加壓成形約4～8s，然後取出鍛造件，完成一次半固態ZL101A鋁合金漿料的流變鍛造，流變鍛造的同時開啟閥門10，將過熱的ZL101A合金液流入製備坩堝6中，進入下一次流變鍛造。
為實施該發明的裝置既適合於鋁基合金的半固態漿料的製備與成型，也適合於鎂基合金、鋅基合金、銅基合金、鎳基合金、鈷基合金和鐵基合金及其複合材料的半固態漿料的製備與成形。
榮譽表彰
2014年11月6日，《一種製備半固態合金流變漿料或坯料的裝置》獲得第十六屆中國專利優秀獎。
