基于固/气共晶定向凝固制备多孔材料的方法

摘要

一种固/气定向共晶凝固制备多孔材料的方法。利用本发明的设备和工艺，通过提高工作压力、增加和控制冷却速度、降低非金属杂质含量，使熔炼速度比现有技术提高2～10倍，并可直接监测金属熔化及浇铸的全过程。制备的多孔材料，孔隙均匀(无论铸件径向上还是轴向上)，材料内部孔隙尺寸可以相同，也可以不同，还可以形成变截面的锥形孔腔。可应用于冶金机械、石油化工、能源环保、国防军工、核技术和生物制药等工业过程中的流体渗透与过滤控制、高效燃烧、强化传质传热、阻燃防爆、人工骨骼、辐射吸收和消音控制等，是实现各种技术突破的关键技术。

说明书

技术领域

本发明涉及多孔材料的制备技术领域，特指固/气共晶定向凝固法制备多孔材料领域。

背景技术

自美国人克劳斯(C.Claus)在1923年用粉术冶金法制成过滤器获得美国专利后，金属多孔材料开始获得承认和应用。30年代开始用青铜、镍、铁等多孔材料生产过滤器，用于过滤空气、燃料、润滑油等。第二次世界大战后，逐渐应用于流体的压力、流量控制、预防机翼结冰、水银浸渗开关、气体扩散分离等。60年代以来，随着应用领域的不断扩大，制造方法及其成型技术也得到了不断发展，除粉末烧结多孔材料外，金属纤维多孔材料、泡沫金属、金属多孔膜、复合多孔材料等得到了长足的发展。在多孔材料制备方法上，有熔体发泡法、粉末发泡法、熔铸法、金属粉末或纤维烧结法等类型问世。

1993年的一个美国专利(US.Pat，5181549)提出了一种制备多孔金属材料的新方法：金属/气体共晶定向凝固法，所制备的金属/气体共晶凝固多孔材料，结构为圆柱形气孔规则定向排列于金属基体中，也被称为固/气复合材料，这一工艺被认为是生产多孔金属材料的重要进步。这种工艺所得到的金属多孔材料的综合机械性能比相同材质的材料密度低，比模量及比强度高。与传统方法制造的多孔材料比较起来，具有很多优异的性能特点，比如小的应力集中、高的机械性能、良好的导热能力等。

由于这些原因，固体/气体共晶定向凝固方法以及所得到的规则多孔材料近十几年来引起了世界各国的极大关注。研究的积极性一方面来自于固体/气体共晶凝固的理论意义，另一方面来自于这种特殊多孔材料广阔的潜在应用前景。目前，国际上进行固体/气体共晶定向凝固研究的主要有乌克兰国立冶金大学、美国的桑迪亚国家实验室及海军材料研究实验室、日本大阪大学等。国内有关这方面的研究工作很少，个别单位只是做了一些验证性工作。

现有技术存在以下不足：

浇铸时炉体与坩埚相对翻转180°，或从坩埚底部浇铸。这导致浇铸时，炉内熔体与炉内的陶瓷耐火材料之间发生强烈冲击和搅拌，致使材料在铸模中结晶时传热不均匀、易于产生气泡、材料内部结构的均匀性被破坏；

使用电阻炉加热，熔炼时间长、熔体与耐火材料易于发生反应；

最高加热温度只能达到1650～1700℃，且熔体内部温度不均；

无法通过目视监测多孔材料从熔炼到浇铸的整个生产过程；

无法获得同一轴向的变截面孔径(如锥形孔腔或倒锥形孔腔)，也无法获得整个截面均匀分布的微孔和超细孔的多孔材料；

气体只有在中等溶解度时才可使用；

只能利用这种办法制备少数纯金属和部分合金的多孔材料。

发明内容

本发明所要解决的问题就是克服目前该技术的不足，发明一种定向凝固制备多孔材料的设备和工艺。

利用本发明的设备可制备：高质量、具有均匀孔隙结构的铸件；通过提高工作压力、降低非金属杂质含量，可获得超细孔径的多孔材料；熔炼速度比现有技术提高2～10倍；可直接监测金属熔化及浇铸的全过程；可以方便快捷地利用该设备制备各种多孔材料产品。

利用本发明的工艺可以制备各种材料(包括纯金属、合金和陶瓷)的多孔材料，材料内部孔隙尺寸可以相同，也可以不同，还可以形成变截面的锥形孔腔；制备的多孔材料无论在铸件径向分布上还是在轴向分布上均能保证孔隙均匀；由于提高了冷却速度，缩短了整个工艺过程时间。

本发明通过如下技术方案实现：

结晶器为一个可以拆换的独立模块；熔炉坩埚与结晶器中轴线呈90°布置；材料加热及熔炼利用感应加热；可视窗口可以观察熔炼与浇铸整个过程；结晶器上有不同方向的导热管。

在给定的气体压力中熔融给定的材料，然后将液态材料倒入铸模中冷却，材料在铸模中以T(熔点)以上某一温度开始定向结晶，同时气体压力则从给定值以一定的速度升高，直至凝固温度。当结晶结束，冷却至T(熔点)以下某一温度后，气体压力下降至固定压力，坯料温度最终降至室温。

在给定的气体压力中熔融给定的材料，然后将液态熔料倒入铸模中冷却，材料在铸模中以T(熔点)以上某一温度开始定向结晶，同时以给定的冷却速度冷却，直至凝固温度。当结晶结束，冷却至T(熔点)以下某一温度后，气体压力下降至固定压力，坯料温度最终降至室温。

美国的专利(US005181549A)与本发明技术实质最为接近，本发明所述方法与该专利方法技术指标比较如表1所示：

表1

    技术指标项目本发明  美国专利(US005181549A)    适用材料任何纯金属、合金和陶瓷  纯金属、部分合金及部分陶瓷    加热方式电感应炉加热  电阻炉加热    结晶器与熔炉坩埚位置相互垂直  同轴    铸件外形尺寸及孔径大小通过更换结晶器轻松改变  很难，须对炉体作整体改变    冷却方式按指定的冷却速度，冷却至指定的温度  速度随意    饱和时气体工作压力0.005～3MPa  0.02～1MPa

通过比较可以看出，本发明方法炉料加热迅速，比电阻炉加热快2～10倍；可以将液态熔体平稳分层浇入结晶器内的铸模；通过更换结晶器组件可以轻松改变产品种类和形状；整个制备工艺时间缩短1～5倍。

本发明方法拓宽了制作多孔材料的选材范围；既可以获得直径和长度均匀相同的多孔隙结构，也可以获得一定长度的变截面孔隙结构。

附图说明

本发明设备示意图各部分说明如下：

1.熔炼坩埚；2.结晶器；3.电感应加热器；4.观察视窗；5.铸模；6.熔炉的耐火层；7.熔体；8.多孔材料

具体实施方式：

在熔炼坩埚(1)内加入一定质量的材料，使其在电感应加热器(3)感应场中加热并最终熔化，通过炉体外壳上的观测视窗(4)检测炉内的熔炼过程以及温度变化。在向熔体(7)吹入饱和气体后，炉体倾斜90°，将熔体均匀分层浇入结晶器(2)的铸模(5)中，熔炉的耐火层(6)与熔体接触时间较短。利用铸模上的定向导热管使多孔材料(8)结晶。结晶器组件可以方便拆卸和更换，可以快速改变多孔材料铸件的形状、孔隙大小、方向。

增压冷却制备多孔材料的方法是：在0.005～10MPa气体压力下熔融欲制备的材料，然后将液态材料倒入铸模中冷却，材料在铸模中以T(熔点)+50～250℃的温度开始定向结晶，同时气体压力则从给定值0.005～10MPa以0.001～3MPa/s的速度升，高直至凝固温度。当结晶结束、冷却至T(熔点)-200℃后，气体压力也下降至0.1MPa。坯料温度最终降至室温18～20℃。

恒压快速冷却制备多孔材料的方法是：在0.005～10MPa气体压力下熔融欲制备的材料，然后将液态材料倒入铸模中冷却，材料在铸模中以T(熔点)+50～250℃的温度开始定向结晶，同时以0.05～500℃/s的冷却速度进行冷却，直至凝固温度。当结晶结束、冷却至T(熔点)-200℃后，气体压力也下降至0.1MPa。坯料温度最终降至室温18～20℃。

使用方法举例1：

在熔炼坩埚内加入5Kg的Cu，对其进行真空处理后充入H₂，使气压达到0.2MPa。在饱和吹H₂条件下熔融金属，熔融金属在1250℃保温一段时间后，将熔融金属倒入水冷铸模，在铸模中从圆柱端面开始进行逐步冷却。在结晶过程中，用专门的调控系统对输入热压罐中的气体压力保持调节，使气压按照0.02MPa/s的速度升高，这样，在铸坯内部任何截面均形成均匀多孔结构，孔隙长度可达150mm。若孔隙直径为30～35μm，则孔隙率达30～32％。

使用方法举例2：

在熔炼坩埚内加入3Kg的Ni，对其进行真空处理后充入含H₂气体，使气压达到1MPa(其中：H₂：0.1MPa；Ar：0.9MPa)。在饱和吹H₂条件下熔融金属，熔融后在1550℃保温一段时间，将熔融金属倒入水冷铸模，在铸模中从圆柱端面开始进行逐步冷却。在结晶过程中，用专门的调控系统对输入热压罐中的气体压力保持调节，使气压按照0.04MPa/s的速度升高，进而避免孔隙凝固，在铸坯内部任一截面均形成均匀多孔结构，孔隙长度可达100mm。若孔隙直径为70～80μm，则孔隙率达45～48％。

使用方法举例3：

在坩埚内加入5Kg的Cu，对其进行真空处理后充入H₂，使气压达到0.2MPa。在饱和吹H₂条件下熔融金属，熔融后在1250℃保温一段时间，将熔融金属倒入水冷铸模，在铸模中从圆柱端面开始进行逐步冷却。在结晶过程当中，使用水冷铜的结晶器，冷却速度为300℃/s，这样，在铸坯内部任一截面均形成均匀多孔结构，孔隙长度可达150mm。若孔隙直径为120～125μm，则孔隙率达35～38％。

使用方法举例4：

在坩埚内加入3Kg的QAL(铝青铜)，对坩埚进行真空处理后注入含H₂的气体，使气压达到0.4MPa(H₂：0.1MPa，Ar：0.3MPa)。在饱和气体条件下熔融金属，熔融后在1150℃保温一段时间，将熔融金属倒入水冷柱状铸模，在铸模中金属从圆柱侧壁开始进行逐步冷却。在结晶过程当中，使用水冷铜的结晶器，径向放射形孔隙冷却速度为400℃/s，这样，在铸坯内部任一截面均形成均匀多孔结构，孔隙长度可达80mm。若孔隙直径为80～90μm，则孔隙率达30～33％。

使用方法举例5：

在坩埚内加入3Kg的金属Ni，对坩埚进行真空处理后注入含H₂的气体，使气压达到3MPa(H₂：0.1MPa，Ar：2.9MPa)。在饱和气体条件下熔融金属，熔融后在1550℃保温一段时间，将熔融金属倒入水冷铸模，在铸模中金属从圆柱端面开始进行逐步冷却。在结晶过程当中，使用水冷铜结晶器，冷却速度为200℃/s，这样，在铸坯内部任一截面均形成均匀多孔结构，孔隙长度可达120mm。若孔隙直径为100～110μm，则孔隙率达45～48％。