本發(fā)明屬于多孔材料制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種利用定向凝固技術(shù)制備多孔金屬材料的方法。

背景技術(shù)：
多孔金屬材料是一種具有優(yōu)異物理特性和良好力學(xué)性能的新型工程材料，即各種形貌的孔洞分布于金屬基體中，將金屬相分割成為小單元。它兼有連續(xù)金屬相和分散氣體相的特點。多孔金屬材料具有低的密度，高的孔隙率，大的比表面積，并且可有選擇地透過流體，還有優(yōu)良的吸聲、吸能性能，優(yōu)異的熱物理性能及高的阻尼性能。因而它的應(yīng)用遍及汽車、建筑、化學(xué)、航空航天、軍事工業(yè)等領(lǐng)域，可被用作減震器、緩沖器、吸能器、過濾器、流體透過器、熱交換器、滅火器、發(fā)動機(jī)的排氣消聲器、催化劑載體、多孔金屬電極、火箭鼻錐及尾翼的冷卻發(fā)汗材料、水下潛艇的消音器等。所以，研發(fā)出有特定孔形、孔徑、孔隙的新型多孔金屬材料具有廣泛的應(yīng)用前景和重要的意義。中國專利《一種無需增粘熔體發(fā)泡法制備小孔徑泡沫鋁的工藝》(申請?zhí)枺?01410015998.2，公開號：103757459，公開日：2014-04-30)公開了一種熔體發(fā)泡法制備小孔徑泡沫鋁的新工藝，以碳酸鈣為發(fā)泡劑，通過Mg、Al和CaCO3三者之間的反應(yīng)生成的氣體來使熔體發(fā)泡，反應(yīng)生成的氧化物可提高熔體的粘度，獲得孔隙率為50.0％-85.0％，平均孔徑在1.0-2.0mm左右的泡沫鋁樣品。該工藝無需增粘，簡化了生產(chǎn)過程，但是生產(chǎn)的泡沫鋁材料純度低，且形成大量閉孔。中國專利《多孔金屬材料及制備方法》(申請?zhí)枺?01110051386.5，公開號：102094225A，公開日：2011-06-15)公開了一種多孔金屬，主要是在基體導(dǎo)電化后和電沉積前對基體進(jìn)行縱橫雙向拉伸，隨后在硫酸鹽體系中進(jìn)行電沉積和熱處理，得到由金屬構(gòu)成骨架，具有三維網(wǎng)狀通孔結(jié)構(gòu)的多孔金屬材料。該方法有效改善金屬沉積均勻性、抗拉強(qiáng)度及延伸率，但是存在制備工藝相對復(fù)雜，成本較高，后續(xù)還原燒結(jié)過程樣品翹曲大等缺點。中國專利《藕狀多孔鋁的定向凝固制備方法》(申請?zhí)枺?01510030049.6，公開號：104593630A，公開日：2015-05-06)公開了一種藕狀多孔鋁的定向凝固制備方法，基于金屬氣體共晶定向凝固技術(shù)，將高純度的電解鋁放入真空定向凝固爐中，經(jīng)過抽真空，再將電解鋁加熱至全部熔化。然后關(guān)掉真空，充入氫氣或氫氣和氬氣混合氣體到設(shè)定壓力，保溫一段時間，開始向下拉鑄，制備出藕狀多孔鋁。制備出的多孔鋁的孔率及孔徑可由氫氣壓力和冷卻速度來控制，孔隙可定向排列。但若工藝參數(shù)控制不嚴(yán)格，氣泡會從液相中逸出；若溫度和壓力不協(xié)調(diào)，冷卻將不經(jīng)過低共熔點，會有不均勻細(xì)結(jié)構(gòu)的副共熔相產(chǎn)生，導(dǎo)致多孔結(jié)構(gòu)的均勻性較差。中國專利《一種采用粉末冶金法制備多孔金屬鉬的方法》(申請?zhí)枺?01010532845.7，公開號：101988162A，公開日：2011-03-23)公開了一種采用粉末冶金法制備多孔金屬鉬的方法，將鉬粉與造孔劑混合均勻，進(jìn)行壓制成型、粉末燒結(jié)，最后用去離子水清洗后，即制得多孔金屬鉬。獲得的材料孔隙分布均勻，孔隙率可控，但是強(qiáng)度較低，同時難以控制燒結(jié)過程中造孔劑分解逸出對材料結(jié)構(gòu)的影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種利用定向凝固技術(shù)制備多孔金屬材料的方法，解決了現(xiàn)有多孔金屬材料孔隙尺寸和分布不均勻、強(qiáng)度不高，其制備方法難控制多孔金屬材料孔隙的尺寸及分布、且工藝復(fù)雜、成本較高的問題。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種利用定向凝固技術(shù)制備多孔金屬材料的方法，具體按以下步驟實施：步驟1，制備金屬漿料：取金屬粉末和氯化鹽粉末，將增稠劑加入金屬粉末和氯化鹽粉末中，加熱金屬粉末和氯化鹽粉末至熔融態(tài)，均勻混合，得到金屬漿料；步驟2，定向凝固：將步驟1得到的金屬漿料注入模具中，將模具底部置于冷卻平臺上進(jìn)行冷卻，得到熔融態(tài)的金屬和凝固的氯化鹽的混合體；步驟3，快速冷卻：將步驟2中裝有熔融態(tài)的金屬和凝固的氯化鹽的混合體的模具放置于烘箱中快速冷卻，金屬經(jīng)冷卻凝固，得到凝固的金屬和凝固的氯化鹽的混合體；步驟4，去除氯化鹽：將步驟3得到的凝固的金屬和凝固的氯化鹽的混合體用去離子水進(jìn)行清洗，去除氯化鹽，然后烘干，即得多孔金屬材料。本發(fā)明的特點還在于，步驟1中金屬粉末和氯化鹽粉末的體積百分比為：金屬粉末10％～40％，氯化鹽粉末90％～60％，上述組分體積百分比之和為100％，增稠劑的用量占金屬粉末和氯化鹽粉末兩者總質(zhì)量的4％～16％。步驟1中金屬為鋁、鎂、鋅、錫或它們的合金中的任意一種；氯化鹽為氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣、氯化鋇中的任意一種；增稠劑為CaO、MnO2、Al2O3顆粒、SiC顆粒、粉煤灰中的任意一種或任意幾種的混合。步驟1中加熱溫度為800℃～950℃，加熱時間為2～4h。步驟2中冷卻溫度為250℃～750℃，冷卻時間為2～5h。步驟2中模具為由傳熱耐高溫材質(zhì)組成、側(cè)面包裹保溫材料的圓柱形模具，冷卻平臺材質(zhì)為銅板。模具的傳熱耐高溫材質(zhì)為石墨，側(cè)面包裹保溫材料為酚醛泡沫。步驟3中快速冷卻溫度為0℃～200℃，冷卻時間為2～5h。步驟4中清洗時間為30～60min，烘干溫度為60℃～120℃，烘干時間為4～10h。本發(fā)明的有益效果是，發(fā)明一種利用定向凝固技術(shù)制備多孔金屬材料的方法，通過定向凝固技術(shù)和鑄造成型的結(jié)合，獲得孔隙呈定向排列、具有一定孔徑大小的多孔結(jié)構(gòu)的多孔金屬材料，其孔隙大小可控，且均勻，定向的多孔結(jié)構(gòu)提高了多孔金屬的機(jī)械強(qiáng)度，金屬從液態(tài)到固態(tài)的相變成型，使得孔壁更加密實，賦予了多孔金屬更優(yōu)的力學(xué)性能，同時制備工藝簡單，生產(chǎn)效率高，在航空航天、過濾材料、催化劑載體、多孔電極、換熱器和阻燃器等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。附圖說明圖1是本發(fā)明實施例1制備的多孔金屬鋁材料的縱截面形貌示意圖。圖中，1.金屬，2.由氯化鹽留下的定向多孔。具體實施方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本發(fā)明一種利用定向凝固技術(shù)制備多孔金屬材料的方法，具體按以下步驟實施：步驟1，制備金屬漿料：按體積百分比分別取金屬粉末10％～40％，氯化鹽粉末90％～60％，上述組分體積百分比之和為100％。稱取增稠劑加入金屬粉末和氯化鹽粉末中，增稠劑的用量占金屬粉末和氯化鹽粉末兩者總質(zhì)量的4％～16％。在800～950℃下加熱所有粉末2～4h至熔融態(tài)，均勻混合，得到金屬漿料。其中金屬為鋁、鎂、鋅、錫或它們的合金中的任意一種；氯化鹽為氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣、氯化鋇中的任意一種；增稠劑為CaO、MnO2、Al2O3顆粒、SiC顆粒、粉煤灰等中的任意一種或任意幾種的混合。步驟2，定向凝固：將步驟1得到的金屬漿料注入由傳熱耐高溫材質(zhì)組成、側(cè)面包裹保溫材料的圓柱形模具中，然后將注入漿料的模具底部置于溫度為250℃～750℃的冷卻平臺上，冷卻2～5h，使得氯化鹽定向凝固，金屬仍處于熔融態(tài)，得到熔融態(tài)的金屬和凝固的氯化鹽的混合體。其中模具的傳熱耐高溫材質(zhì)為石墨，側(cè)面包裹保溫材料為酚醛泡沫。其中冷卻平臺材質(zhì)為銅板步驟3，快速冷卻：將步驟2中的模具側(cè)面包裹的保溫材料去掉，將裝有熔融態(tài)的金屬和凝固的氯化鹽的混合體的模具放置于溫度為0℃～200℃的烘箱中快速冷卻2～5h，金屬經(jīng)冷卻凝固，得到凝固的金屬和凝固的氯化鹽的混合體。步驟4，去除氯化鹽：將步驟3得到的凝固的金屬和凝固的氯化鹽的混合體在超聲波清洗器中用去離子水進(jìn)行清洗，溶去氯化鹽，清洗時間為30～60min，金屬不溶于水，氯化鹽得到去除，然后在60～120℃下烘干4～10h，即得多孔金屬材料。本發(fā)明一種利用定向凝固技術(shù)制備多孔金屬材料的方法，通過定向凝固技術(shù)和鑄造成型的結(jié)合，獲得孔隙呈定向排列、具有一定孔徑大小的多孔結(jié)構(gòu)的多孔金屬材料，其孔隙大小可控，且均勻，定向的多孔結(jié)構(gòu)提高了多孔金屬的機(jī)械強(qiáng)度，金屬從液態(tài)到固態(tài)的相變成型，使得孔壁更加密實，賦予了多孔金屬更優(yōu)的力學(xué)性能，同時制備工藝簡單，生產(chǎn)效率高，在航空航天、過濾材料、催化劑載體、多孔電極、換熱器和阻燃器等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。實施例1制備定向多孔金屬鋁材料按體積百分比分別取40％金屬鋁粉末和60％氯化鈉粉末，稱取金屬鋁粉末和氯化鈉粉末總質(zhì)量4％的CaO顆粒放入金屬鋁粉末和氯化鈉粉末中，在850℃下加熱2h金屬鋁粉末和氯化鈉粉末至熔融態(tài)，均勻混合，得到金屬鋁漿料；將上述金屬鋁漿料注入由石墨組成、側(cè)面包裹酚醛泡沫的圓柱形模具中，然后將注入漿料的模具底部置于溫度為700℃的冷卻平臺上2h進(jìn)行冷卻，使得氯化鈉定向凝固，金屬鋁仍處于熔融態(tài)，得到熔融態(tài)的金屬鋁和凝固的氯化鈉的混合體；將上述模具側(cè)面包裹的酚醛泡沫保溫材料去掉，將裝有熔融態(tài)的金屬鋁和凝固的氯化鈉的混合體的模具放置于溫度為100℃的烘箱中快速冷卻3h，金屬鋁經(jīng)冷卻凝固，得到凝固的金屬鋁和凝固的氯化鈉的混合體；然后將得到的凝固的金屬鋁和凝固的氯化鈉的混合體在超聲波清洗器中用去離子水進(jìn)行清洗，溶去氯化鈉，清洗時間為30min，金屬鋁不溶于水，氯化鈉得到去除，然后在60℃下烘干10h，即得多孔金屬鋁材料。實施例2制備定向多孔鎂材料按體積百分比分別取30％金屬鎂粉末和70％氯化鉀粉末，稱取金屬鎂粉末和氯化鉀粉末總質(zhì)量8％的MnO2顆粒放入金屬鎂粉末和氯化鉀粉末中，在800℃下加熱4h金屬鎂粉末和氯化鉀粉末至熔融態(tài)，均勻混合，得到金屬鎂漿料；將上述金屬鎂漿料注入由石墨組成、側(cè)面包裹酚醛泡沫的圓柱形模具中，然后將注入漿料的模具底部置于溫度為750℃的冷卻平臺上3h進(jìn)行冷卻，使得氯化鉀定向凝固，金屬鎂仍處于熔融態(tài)，得到熔融態(tài)的金屬鎂和凝固的氯化鉀的混合體；將上述模具側(cè)面包裹的酚醛泡沫保溫材料去掉，將裝有熔融態(tài)的金屬鎂和凝固的氯化鉀的混合體的模具放置于溫度為0℃的烘箱中快速冷卻2h，金屬鎂經(jīng)冷卻凝固，得到凝固的金屬鎂和凝固的氯化鉀的混合體；然后將得到的凝固的金屬鎂和凝固的氯化鉀的混合體在超聲波清洗器中用去離子水進(jìn)行清洗，溶去氯化鉀，清洗時間為40min，金屬鎂不溶于水，氯化鉀得到去除，然后在80℃下烘干8h，即得多孔金屬鎂材料。實施例3制備定向多孔金屬鋅材料按體積百分比分別取20％金屬鋅粉末和80％氯化鈉末，稱取金屬鋅粉末和氯化鈉粉末總質(zhì)量12％的Al2O3顆粒放入金屬鋁粉末和氯化鈉粉末中，在950℃下加熱3h金屬鋅粉末和氯化鈉粉末至熔融態(tài)，均勻混合，得到金屬鋅漿料；將上述金屬鋅漿料注入由石墨組成、側(cè)面包裹酚醛泡沫的圓柱形模具中，然后將注入漿料的模具底部置于溫度為500℃的冷卻平臺上4h進(jìn)行冷卻，使得氯化鈉定向凝固，金屬鋅仍處于熔融態(tài)，得到熔融態(tài)的金屬鋅和凝固的氯化鈉的混合體；將上述模具側(cè)面包裹的酚醛泡沫保溫材料去掉，將裝有熔融態(tài)的金屬鋅和凝固的氯化鈉的混合體的模具放置于溫度為200℃的烘箱中快速冷卻4h，金屬鋅經(jīng)冷卻凝固，得到凝固的金屬鋅和凝固的氯化鈉的混合體；然后將得到的凝固的金屬鋅和凝固的氯化鈉的混合體在超聲波清洗器中用去離子水進(jìn)行清洗，溶去氯化鈉，清洗時間為50min，金屬鋅不溶于水，氯化鈉得到去除，然后在100℃下烘干6h，即得多孔金屬鋅材料。實施例4制備定向多孔鋁鎂合金材料按體積百分比分別取10％鋁鎂合金粉末和90％氯化鈉粉末，稱取鋁鎂合金粉末和氯化鈉粉末總質(zhì)量16％的Al2O3顆粒放入金屬鋁粉末、金屬鎂粉末和氯化鈉粉末中，在900℃下加熱3h金屬鋁粉末、金屬鎂粉末和氯化鈉粉末至熔融態(tài)，均勻混合，得到鋁鎂合金漿料(其中鋁鎂合金中，鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20％)；將上述鋁鎂合金漿料注入由石墨組成、側(cè)面包裹酚醛泡沫的圓柱形模具中，然后將注入漿料的模具底部置于溫度為250℃的冷卻平臺上5h進(jìn)行冷卻，使得氯化鈉定向凝固，鋁鎂合金仍處于熔融態(tài)，得到熔融態(tài)的鋁鎂合金和凝固的氯化鈉的混合體；將上述模具側(cè)面包裹的酚醛泡沫保溫材料去掉，將裝有熔融態(tài)的鋁鎂合金和凝固的氯化鈉的混合體的模具放置于溫度為100℃的烘箱中快速冷卻5h，鋁鎂合金經(jīng)冷卻凝固，得到凝固的鋁鋁合金和凝固的氯化鈉的混合體；然后將得到的凝固的鋁鎂合金和凝固的氯化鈉的混合體在超聲波清洗器中用去離子水進(jìn)行清洗，溶去氯化鈉，清洗時間為60min，鋁鎂合金不溶于水，氯化鈉得到去除，然后在120℃下烘干4h，即得多孔鋁鎂合金材料。本發(fā)明方法通過控制金屬漿料中氯化鹽的體積比例來控制多孔金屬材料的孔隙率大小，通過控制冷卻平臺的溫度來控制多孔金屬材料的孔徑大小。采用定向凝固技術(shù)，氯化鹽沿著冷卻方向凝固，最終獲得的定向多孔金屬材料具有沿冷卻方向的直通孔。本發(fā)明中金屬漿料經(jīng)過在冷卻平臺上的冷卻過程，氯化鹽沿著與溫度梯度相反的方向定向凝固，金屬經(jīng)鑄造成型，通過溶劑溶解氯化鹽的特點去除定向凝固的氯化鹽，從而獲得定向多孔結(jié)構(gòu)。相比于粉末冶金，金屬顆粒間通過燒結(jié)連接在一起，顆粒與顆粒之間存在空隙，使得制備出的材料強(qiáng)度不高，而本發(fā)明中金屬是從液態(tài)直接變?yōu)楣虘B(tài)相變成型的，因此孔壁較密實，材料強(qiáng)度較高。圖1是本發(fā)明實施例1制備出的多孔金屬鋁材料縱截面形貌示意圖，從圖1中可看出，定向排列的直通孔和周圍密實的金屬孔壁構(gòu)成了多孔金屬材料。將本發(fā)明實施例1、2、3和4制備得到的定向多孔金屬材料的孔隙分布情況、孔隙率大小和力學(xué)性能進(jìn)行列表說明，結(jié)果如下：由上表可以看出本發(fā)明一種定向多孔金屬材料的孔隙分布呈定向排列；孔隙率范圍在48.7％～78.1％，孔隙率由金屬漿料中氯化鹽的體積比例來控制；抗壓強(qiáng)度較高，定向的多孔結(jié)構(gòu)及密實的孔壁有利于多孔金屬材料力學(xué)性能的改善，使得定向多孔金屬材料在航空航天、過濾材料、催化劑載體、多孔電極、換熱器和阻燃器等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。