專利名稱：一種藕狀多孔金屬材料的原位反應析出制備裝置及工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種藕狀多孔金屬材料的原位反應析出制備裝置及工藝。
背景技術(shù)：
近年來，隨著應用范圍的不斷擴大，金屬多孔材料的研究開發(fā)越來越受到人們的重視。藕狀金屬多孔材料是近十幾年來新興的一種金屬多孔材料，其主要特點是:(1)優(yōu)良的力學性能:采用定向凝固工藝制備的金屬多孔材料，由于氣孔規(guī)則且沿某一方向定向排列，所以研究發(fā)現(xiàn)沿氣孔方向力學性能優(yōu)異，沒有明顯的應力集中，甚至具有比相同材質(zhì)的致密材料還高的綜合力學性能(密度低、比模量、比強度很高)，這是泡沫金屬等多孔材料無法比擬的；(2)由于氣孔定向生長且連續(xù)，所以藕狀金屬多孔材料的孔隙為長而直的通孔，在用于氣體或液體布流、過濾材料、生物醫(yī)用接骨材料、尾氣凈化中作為催化劑載體等方面具有明顯優(yōu)勢；(3)由于氣孔沿某一方向平行排列，采用定向凝固工藝制備的藕狀金屬多孔材料的抗拉、抗壓強度等力學性能和內(nèi)摩擦、彈性、熱導率和聲音吸收等特性都顯出各向異性，尤其適合用作有各向異性要求的特殊性能材料。由上述特點可以看出，藕狀金屬多孔材料是一種功能和結(jié)構(gòu)性能相結(jié)合的高性能新材料。目前，藕狀金屬多孔材料的主要制備方法有:(I)金屬/氣體共晶定向凝固法[Shapovalov V 1.U.S.Patent N0.5, 181, 549 (January 26，1993)]。其制備的一般方法是:在密閉的容器中熔化金屬，同時充入高壓氫氣、氮氣或氧氣等[Hyun S K，Nakajima
H.Mater Let, 2003，57: 3149 — 3154 ；Hyun S K，Nakajima H.Mater Trans, 2002，43(3):526 - 531]，使氣體溶入熔化的金屬液中，當氣體在金屬中的溶解達到飽和時，將金屬液注入可形成單向傳熱條件的鑄型中，利用氣體在金屬固態(tài)和液態(tài)時的溶解度差，使氣體在定向凝固時連續(xù)析出而形成藕狀連續(xù)多孔，獲得藕狀多孔金屬材料。但是，此種方法的設(shè)備較為復雜，要求耐高溫耐高壓，投資大；工藝操作復雜，生產(chǎn)效率較低，并且由于高壓氣體(尤其是氫氣和氧氣)的存在而具有一定的危險性；在制備低熱導率的金屬(如不銹鋼)時，氣孔容易合并、長大而導致氣孔均勻性差，因而不適于低熱導率金屬藕狀多孔材料的制備。(2)區(qū)域溶化共晶定向凝固法[Ikeda T, Tsukamoto M, Nakajima H.Mater Trans,2002，43(11):2678 一 2684]。該方法的原理是在充滿高壓氣體(氫氣、氮氣等)的密閉容器內(nèi)，采用高頻感應線圈加熱使金屬棒區(qū)域熔化后立即移出線圈，并在移出線圈的一端吹風強制冷卻，使熔化部分凝固，在凝固的同時形成藕狀多孔。雖然該種方法可以制備氣孔比較均勻的低熱導率的藕狀多孔金屬材料，但該種方法存在的主要問題是:①設(shè)備投資大、控制復雜、生產(chǎn)成本較高 ’②由于受冷卻方式和熔化方式的限制，該方法不適合制備直徑較大的藕狀多孔金屬材料。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決 上述問題，本發(fā)明的目的是提出一種多孔材料制備新方法，即在大氣條件下，將金屬熔化后鑄入內(nèi)壁涂有含水涂層的鑄型中，同時在鑄型中建立定向凝固條件，熔化金屬與含水涂層中的水發(fā)生原位反應，生成氫原子而溶入金屬液中，并在金屬液隨后的定向凝固過程中由于溶解度差而析出，從而獲得藕狀多孔金屬的利用原位反應析出原理的藕狀多孔金屬材料制備方法及裝置。本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種藕狀多孔金屬材料的原位反應析出制備裝置，該裝置的組成包括熔煉部分和設(shè)置于所述熔煉部分下端的結(jié)晶部分；
熔煉部分包括:導流槽、塞棒、塞棒升降機構(gòu)、測溫系統(tǒng)、爐蓋、加熱裝置、坩堝、爐體和導流管；
結(jié)晶部分包括水冷結(jié)晶器底座，鑄模和固定裝置；
其中，所述鑄模通過所述固定裝置安裝在所述水冷結(jié)晶器底座上，所述水冷結(jié)晶器底座一端設(shè)有冷卻水入口，另一端設(shè)有冷卻水出口，所述導流管設(shè)置在所述鑄模的垂直上方，所述導流管的另一端與安裝于所述爐體內(nèi)的所述坩堝底部聯(lián)通，所述棒塞置于所述坩堝內(nèi)，且與所述導流管位于同一軸線上，所述塞棒升降機構(gòu)與所述棒塞上端固接，帶動所述棒塞上下升降，所述坩堝的四周設(shè)有所述加熱裝置，所述爐蓋設(shè)置在所述坩堝的上端，所述測溫系統(tǒng)安裝在所述爐蓋上，所述導流槽設(shè)置所述爐體的頂端，一端與所述坩堝連接。進一步，所述鑄模材質(zhì)為不銹鋼、陶瓷或石墨。本發(fā)明的另一目的是提供采用上述裝置的藕狀多孔金屬材料的原位反應析出制備工藝，具體包括以下·步驟:
步驟1:將金屬材料置于所述坩堝爐中，通過塞棒升降機構(gòu)驅(qū)動棒塞將所述坩堝底部的導流槽上端緊密接觸連接，打開測溫系統(tǒng)，設(shè)定熔煉溫度為(1.02 1.31)Tm，啟動加熱裝置對所述坩堝內(nèi)的金屬材料加熱，其中，Tffl為金屬熔點；
步驟2:將混合均勻的含水涂層均勻涂覆在所述鑄模的內(nèi)壁上，并將所述鑄模通過固定裝置固定在設(shè)有水冷結(jié)晶器底座上，調(diào)節(jié)水冷結(jié)晶器底座中的冷卻水的流量為4 20L/min ；
步驟3:當測溫系統(tǒng)監(jiān)測到所述坩堝內(nèi)的金屬液的溫度達到設(shè)定溫度后，通過塞棒升降機構(gòu)驅(qū)動棒塞升起，將坩堝內(nèi)的金屬液通過導流管澆鑄到所述鑄模中，進行定向凝固，金屬液與鑄模內(nèi)壁涂覆的含水涂層中所載有的水分發(fā)生反應，生成氫原子并溶入金屬液中，在定向凝固時，由于溶解度降低，氫又重新析出，氣孔和金屬隨著凝固的進行不斷生長，從而獲得藕狀金屬多孔材料。進一步，所述步驟I中為防止金屬材料的活潑金屬在空氣中燃燒，在金屬材料上覆蓋厚度為10 30mm的覆蓋劑。進一步，所述含水涂層為水基粘結(jié)劑或水基粘結(jié)劑與耐火材料粉的混合物；其中，所述耐火材料粉為高熔點陶瓷粉，如氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂，所述水基粘結(jié)劑為有機粘結(jié)齊 、如淀粉水溶液或無機粘結(jié)劑，如硅膠或硅酸鈉。本發(fā)明的優(yōu)點在于:
(1)該方法在大氣環(huán)境中即可實現(xiàn)藕狀多孔金屬材料的制備，無需在高壓氣體的環(huán)境中進行，制備過程安全性高，對環(huán)境友好；
(2)制備設(shè)備簡單，生產(chǎn)成本低；
(3)工藝操作簡單，生產(chǎn)效率高，容易實現(xiàn)生產(chǎn)的連續(xù)化和自動化；
(4)制備出的產(chǎn)品具有長而直的氣孔，產(chǎn)品質(zhì)量較好。


圖1為本發(fā)明藕狀多孔金屬材料的原位反應析出制備裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中:1.導流槽；2.覆蓋劑；3.塞棒；4.塞棒升降機構(gòu)；5.測溫系統(tǒng)；6.爐蓋；
7.加熱裝置；8.坩堝；9.爐體；10.金屬液；11.導流管；12.鑄模；13.金屬溶液；14.多孔金屬材料；15.水冷結(jié)晶器底座；16.冷卻水出口 ；17.冷卻水入口 ；18.鑄模固定裝置；19.含水涂層。
具體實施方法
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。如圖1所示，本發(fā)明一種藕狀多孔金屬材料的原位反應析出制備裝置，該制備裝置的組成包括熔煉部分和設(shè)置于所述熔煉部分下端的結(jié)晶部分；
熔煉部分包括:導流槽1、塞棒3、塞棒升降機構(gòu)4、測溫系統(tǒng)5、爐蓋6、加熱裝置7、坩堝
8、爐體9和導流管11；
結(jié)晶部分包括水冷結(jié)晶器底座15，鑄模12和固定裝置18 ；
其中，所述鑄模12通過所述固定裝置18安裝在所述水冷結(jié)晶器底座15上，所述水冷結(jié)晶器底座15—端設(shè)有冷卻水入口 17，另一端設(shè)有冷卻水出口 16，所述導流管11設(shè)置在所述鑄模12的垂直上方，所述導流管11的另一端與安裝于所述爐體9內(nèi)的所述坩堝8底部聯(lián)通，所述棒塞3置于所 述坩堝8內(nèi)，且與所述導流管11位于同一軸線上，所述塞棒升降機構(gòu)4與所述棒塞3上端固接，帶動所述棒塞3上下升降，所述坩堝8的四周設(shè)有所述加熱裝置7，所述爐蓋6設(shè)置在所述坩堝8的上端，所述測溫系統(tǒng)5安裝在所述爐蓋6上，所述導流槽I設(shè)置所述爐體9的頂端，一端與所述坩堝8連接。實施例1
步驟1:將金屬鎂錠置于所述坩堝爐8中，為防止鎂在空氣中燃燒，熔化時在坩堝中加入MgCl2為主體的鎂合金專用覆蓋劑，覆蓋厚度為10mm，通過塞棒升降機構(gòu)4驅(qū)動棒塞3將所述坩堝8底部的導流槽11上端緊密接觸連接，打開測溫系統(tǒng)5，設(shè)定熔煉溫度為660°C，啟動加熱裝置7對所述坩堝8內(nèi)的金屬材料加熱；
步驟2:將以Al2O3粉末4g、水玻璃溶液7ml (摩爾濃度為2mol/L)為原料混合均勻的含水涂層，均勻涂覆在Al2O3鑄模內(nèi)壁上；涂層厚度約1.5_，再將鑄模12通過固定裝置18固定在水冷結(jié)晶器底座15上，給水冷結(jié)晶器底座15中的通入20°C自來水，水流量為4L/min ；步驟3:當測溫系統(tǒng)5監(jiān)測到所述坩堝8內(nèi)的金屬液的溫度達到660°C后，通過塞棒升降機構(gòu)4驅(qū)動棒塞3升起，將坩堝內(nèi)8的金屬液通過導流管11澆鑄到所述鑄模12中，進行定向凝固，金屬液與鑄模12內(nèi)壁涂覆的含水涂層中所載有的水分發(fā)生反應，生成氫原子并溶入金屬液中，在定向凝固時，由于溶解度降低，氫又重新析出，氣孔和金屬隨著凝固的進行不斷生長，從而獲得藕狀金屬多孔材料，所制備樣品的孔隙率為40%，氣孔平均孔徑為
1.5mm。實施例2
制備過程同實施例1，將澆鑄溫度改變?yōu)?50°C，鑄型材料改變?yōu)椴讳P鋼，水流量為20L/min其余條件同實施例1。該實例所制備樣品的孔隙率為55%，氣孔平均孔徑為2.3mm。
權(quán)利要求
1.一種藕狀多孔金屬材料的原位反應析出制備裝置，其特征在于，該制備裝置的組成包括熔煉部分和設(shè)置于所述熔煉部分下端的結(jié)晶部分； 熔煉部分包括:導流槽(I)、塞棒(3)、塞棒升降機構(gòu)(4)、測溫系統(tǒng)(5)、爐蓋(6)、加熱裝置(7)、坩堝(8)、爐體(9)和導流管(11)； 結(jié)晶部分包括水冷結(jié)晶器底座(15 )，鑄模(12 )和固定裝置(18 ); 其中，所述鑄模(12)通過所述固定裝置(18)安裝在所述水冷結(jié)晶器底座(15)上，所述水冷結(jié)晶器底座(15) 一端設(shè)有冷卻水入口( 17)，另一端設(shè)有冷卻水出口( 16)，所述導流管(11)設(shè)置在所述鑄模(12)的垂直上方，所述導流管(11)的另一端與安裝于所述爐體(9)內(nèi)的所述坩堝(8)底部聯(lián)通，所述棒塞(3)置于所述坩堝(8)內(nèi)，且與所述導流管(11)位于同一軸線上，所述塞棒升降機構(gòu)(4)與所述棒塞(3)的上端固接，帶動所述棒塞(3)上下升降，所述坩堝(8)的四周設(shè)有所述加熱裝置(7)，所述爐蓋(6)設(shè)置在所述坩堝(8)的上端，所述測溫系統(tǒng)(5)安裝在所述爐蓋(6)上，所述導流槽(I)設(shè)置所述爐體(9)的頂端，一端與所述坩堝(8)連接。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述鑄模(12)材質(zhì)為不銹鋼或陶瓷或石墨。
3.一種使用權(quán)利要求1所述的裝置的藕狀多孔金屬材料的原位反應析出制備工藝，其特征在于，具體包括以下步驟: 步驟1:將金屬材料置于所述坩堝爐(8)中，通過塞棒升降機構(gòu)(4)驅(qū)動棒塞(3)將所述坩堝(8)底部的導流槽(11)上端緊密接觸連接，打開測溫系統(tǒng)(5)，設(shè)定熔煉溫度為(1.02 1.31) Tm，啟動加熱裝置(7)對所述坩堝(8)內(nèi)的金屬材料加熱，其中，! 為金屬熔占.步驟2:將混合均勻的含水涂層均勻涂覆在所述鑄模(12)的內(nèi)壁上，并將所述鑄模(12 )通過固定裝置(18 )固定在水冷結(jié)晶器底座(15 )上，所述水冷結(jié)晶器底座(15 )中的通入冷卻水的流量為4 20L/min ； 步驟3:當測溫系統(tǒng)(5)監(jiān)測到所述坩堝(8)內(nèi)的金屬液的溫度達到設(shè)定溫度后，通過塞棒升降機構(gòu)(4)驅(qū)動棒塞(3)升起，將坩堝內(nèi)(8)的金屬液通過導流管(11)澆鑄到所述鑄模(12)中，進行定向凝固，金屬液與鑄模(12)內(nèi)壁涂覆的含水涂層中所載有的水分發(fā)生反應，生成氫原子并溶入金屬液中，在定向凝固時，由于溶解度降低，氫又重新析出，氣孔和金屬隨著凝固的進行不斷生長，從而獲得藕狀金屬多孔材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述步驟I中為防止金屬材料的活潑金屬在空氣中燃燒，在金屬材料上覆蓋厚度為10 30mm的覆蓋劑。
5.根據(jù)權(quán)利要 求3所述的方法，其特征在于，所述含水涂層為水基粘結(jié)劑或水基粘結(jié)劑與耐火材料粉的混合物；其中，所述耐火材料粉為高熔點陶瓷粉，所述水基粘結(jié)劑為有機粘結(jié)劑或無機粘結(jié)劑。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種藕狀多孔金屬材料的原位反應析出制備裝置及工藝。該工藝過程是在大氣氛圍的條件下，在鑄模內(nèi)壁上涂覆含水涂層，然后將熔化的金屬液傾倒入鑄模中，通過定向凝固，制備出具有高孔隙率、氣孔大小可控、氣孔長且直的藕狀多孔金屬材料。該裝置的組成主要包括熔煉爐、塞棒及控制系統(tǒng)、溫度測量與控制系統(tǒng)、導流管、結(jié)晶器與冷卻系統(tǒng)、鑄模與固定裝置等。本發(fā)明克服了“加壓溶解析出法”的缺點，無須在高壓氫氣等高壓氣氛下生產(chǎn)，安全性好；操作簡單，澆鑄過程具有可視性；提出了一種結(jié)構(gòu)簡單、投資較少、操作簡便的藕狀多孔金屬制備裝置，可降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)制備過程的高效率和連續(xù)化。
文檔編號B22C3/00GK103240405SQ20131017554
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月13日
發(fā)明者劉新華, 謝建新 申請人:北京科技大學