專利名稱：制備宏觀直通型多孔金屬材料的方法及其連鑄裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種多孔金屬材料的制備方法及其連鑄裝置，采用直接吹氣法制備蓮藕狀的定向多孔金屬材料，應用于多孔金屬材料制備技術領域。
背景技術：
多孔金屬作為一種兼具結構材料和功能材料屬性的新型材料，已經廣泛運用于工業、醫療衛生、建筑、環保、航空航天及高新科技等多領域。多孔金屬制備方法很多，如果按金屬的狀態可分為液相法、固相法、金屬沉積法等。傳統意義上的多孔金屬的孔狀都是呈球狀或類球狀而且孔洞大小不均勻，孔洞尺寸不一致，孔洞的長徑比也較小。上世紀90年代出現了一種以固氣共晶制備方法為基礎的一種孔結構成柱狀的定向多孔金屬材料，也稱為藕狀金屬材料，開創了一種新型多孔金屬材料制備的新方法，該多孔金屬與傳統多孔金屬材料相比具有更好的力學性能及物理性能，特殊的結構和性能使多孔金屬材料具有廣闊的應用前景，在大分子過濾器、自潤滑材料、火箭燃燒室冷卻元件以及宇航輕質鎂板等方面應用廣泛。近二十年來制備多孔金屬材料的工藝得到了很大的發展，然而該材料的傳統制備工藝都需要在充滿某種氣體且具有一定壓力的封閉容器中完成，制作成本高，工藝條件要求苛刻。采用工藝制備很難得到孔洞分布均一、尺寸一致、長徑比足夠大的多孔金屬材料， 使多孔金屬材料的性能優勢大打折扣。傳統工藝制備藕狀多孔金屬材料對金屬凝固過程難以實現有效控制，導致所制備的藕狀多孔金屬材料的孔洞達不到預期的幾何要求，制備多孔金屬材料的工藝還不甚理想。
發明內容
本發明的目的在于提供一種制備宏觀直通型多孔金屬材料的方法及其連鑄裝置， 通過模板直接吹氣耦合金屬熔體定向凝固的方法，來制備宏觀直通型定向多孔金屬。其設備簡單、操作容易、可適用于多種金屬，并且孔分布可控。為達到上述發明目的，本發明采用下述技術方案
一種制備宏觀直通型多孔金屬材料的方法，其特征在于，包括如下步驟
a.加熱坩堝內的液態金屬，并保溫；
b.坩堝內的液態金屬通過坩堝底部的水口，向下注入加熱型結晶器，使加熱型結晶器內的液態金屬的溫度保持在液相線以上；
c.通過帶孔模板從加熱型結晶器的底部向液態金屬熔體內底吹氣體，并同時在結晶器內靠近引錠桿的液態金屬熔體中建立起一個自上而下的溫度梯度；
d.通過引錠桿下拉和結晶器相對引錠桿上移的背向位移運動實現在連鑄的拉鑄方向上下拉鑄件，使通過加熱型結晶器底端的液態金屬自上而下連續定向凝固，形成具有宏觀直通型多孔的金屬材料鑄件。在上述步驟c中，通過帶孔模板從加熱型結晶器的底部向液態金屬熔體底吹氣體的單位時間流量為O 105ml/min，通過機械牽引機構實現引錠桿和結晶器的相對運動，其運動速度為O 102m/s。上述帶孔模板的孔直徑為1 X 10_5m 1 X 10_2m。通過上述帶孔模板從加熱型結晶器的底部向液態金屬熔體底吹的氣體為惰性氣體或還原性氣體。上述惰性氣體為氬氣。上述方法可以用于純金屬或合金等多種金屬制備宏觀直通型多孔金屬材料。一種使用本發明制備宏觀直通型多孔金屬材料的方法的連鑄裝置，包括坩堝、結晶器、冷卻裝置和引錠桿裝置，坩堝內容納液態金屬，坩堝的下端水口固定連接結晶器的上端口，冷卻裝置對結晶器下端口附近區域的液態金屬熔體進行冷卻，使通過結晶器下端口的液態金屬凝固形成鑄件，并通過引錠桿裝置向下不斷拉出。引錠桿裝置包括自上而下依次固定密封連接為一體的模板、透氣磚和氣室，引錠桿裝置在拉拔輥的作用下沿拉鑄方向下拉鑄件，模板設有至少一個直通孔，直通孔的一端與液態金屬直接接觸，直通孔的另一端與透氣磚一側表面的微孔連通，透氣磚的其他表面置于氣室內部，氣室與供氣系統的導氣管連通，通過氣體流量控制裝置控制通過導氣管向氣室輸入的氣體流量，使模板的直通孔直接與液態金屬接觸處生成氣泡；坩堝的外側設有加熱線圈，對坩堝內的液態金屬進行加熱并保溫；結晶器為加熱型結晶器，能對結晶器內的液態金屬進行加熱，使結晶器內的液態金屬的溫度保持在液相線以上。上述模板的材料可采用金屬銅。上述模板的直通孔的直徑為1 X 10_5m 1 X 10_2m。通過上述模板向液態金屬熔體底吹氣體的單位時間流量控制在0 105ml/min之間，通過控制拉拔輥使引錠桿裝置和結晶器發生相對運動的速度為0 102m/s之間。本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點
1.本發明的模板可帶有多個孔結構，每個模板上的孔徑大小可以根據需要進行設計， 不同的模板也可設計大小不一的孔徑，還具體可根據要制備的多孔金屬的孔徑要求選擇模板，從而制備需要的藕狀多孔金屬材料。2.本發明的模板下拉和氣體的吹入同時進行，選擇合適的模板與坩堝間的相對運動速率和氣體吹入流量使之達到動態平衡，可制備出孔洞分布均一、尺寸一致、長徑比足夠大的藕狀多孔金屬材料。3.本發明的坩堝和結晶器皆為熱型設備，可以為提高溫度梯度提供保障，而加熱型結晶器可以提高液態金屬的最高溫度，從而提高了固液界面前沿的溫度梯度，可以以得到性能更好的多孔金屬材料。4.本發明采用專用的連鑄裝置，設備簡單，操作容易，成本較低，可適用于多種金屬，可以根據需要實現工業自動化，提高制備藕狀多孔金屬材料的生產率。
圖1是本發明連鑄裝置示意圖。圖2是本發明制備的宏觀直通型多孔金屬材料鑄件結構圖。 圖3是沿圖2中A-A線的剖面圖。
具體實施例方式結合附圖，對本發明的優選實施例詳述如下 實施例一
一種制備宏觀直通型多孔金屬材料的方法，其特征在于，包括如下步驟
a.加熱坩堝內的液態金屬，并保溫；
b.坩堝內的液態金屬通過坩堝底部的水口，向下注入加熱型結晶器，使加熱型結晶器內的液態金屬的溫度保持在液相線以上；
c.通過帶孔模板從加熱型結晶器的底部向液態金屬熔體內底吹氣體，并同時在結晶器內靠近引錠桿的液態金屬熔體中建立起一個自上而下的溫度梯度；
d.通過引錠桿下拉和結晶器相對引錠桿上移的背向位移運動實現在連鑄的拉鑄方向上下拉鑄件，使通過加熱型結晶器底端的液態金屬自上而下連續定向凝固，形成具有宏觀直通型多孔的金屬材料鑄件。參見圖2和圖3，通過本發明工藝制備的宏觀直通型多孔的金屬材料具有分布均一、尺寸一致、長徑比足夠大的孔洞，形成宏觀直通型多孔金屬材料。在本實施例中，引錠桿裝置在牽引機構作用下實現下拉，下拉時熔體經過結晶器，在出口處開始連續定向凝固，同時模板中通入氣體，通過下拉速度與氣泡流量、壓力的配合，使氣泡隨定向凝固過程的進行，在凝固材料中形成連通的長柱狀氣孔，實現孔分布與模板一致的宏觀直通型定向多孔金屬材料的制備。在本實施例中的步驟c中，通過帶孔模板從加熱型結晶器的底部向液態金屬熔體底吹氣體的單位時間流量為0 105ml/min，通過機械牽引機構實現引錠桿和結晶器的相對運動，其運動速度為0 102m/s。采用適當的通氣速度和鑄件拉速的配合可以使制備宏觀直通型多孔金屬材料的工藝過程狀態更加穩定。在本實施例中，帶孔模板的孔直徑為lXl(^m lX10-2m。帶孔模板的孔直徑可以根據需要進行選擇。同時，因孔徑的選擇范圍較大，也可以制備出具有不同機械性能和用途的宏觀直通型多孔金屬材料。在本實施例中，通過帶孔模板從加熱型結晶器的底部向液態金屬熔體底吹的氣體為惰性氣體或還原性氣體。惰性氣體或還原性氣體都是非氧化性氣體，其在液態金屬熔體和固態金屬中的溶解度差，使金屬液的凝固界面處過飽和的惰性氣體或還原性氣體將充分形成氣泡，同時與固相金屬一起生長，最后形成圓柱狀氣孔沿凝固方向定向排列于凝固的金屬基體中，從而得到形似藕狀的宏觀直通型多孔金屬材料。在本實施例中，惰性氣體為氬氣。氬氣為惰性，在液態金屬熔體和固態金屬中的溶解度非常低，適合于作為制備宏觀直通型多孔金屬材料的氣泡生成氣體。在本實施例中，金屬熔體為純金屬熔體或合金熔體。本實施例的制備工藝可以適用多種金屬的宏觀直通型多孔制備，作為多孔工程材料制備的應用領域越來越廣泛。參見圖1，一種使用本發明制備宏觀直通型多孔金屬材料的方法的連鑄裝置，包括坩堝2、結晶器4、冷卻裝置6和引錠桿裝置，坩堝2內容納液態金屬1，坩堝2的下端水口固定連接結晶器4的上端口，冷卻裝置6對結晶器4下端口附近區域的液態金屬1熔體進行冷卻，使通過結晶器4下端口的液態金屬1凝固形成鑄件，并通過引錠桿裝置向下不斷拉出。引錠桿裝置包括自上而下依次固定密封連接為一體的模板5、透氣磚7和氣室9，引錠桿裝置在拉拔輥8的作用下沿拉鑄方向下拉鑄件，模板5設有至少一個直通孔11，直通孔 11的一端與液態金屬1直接接觸，直通孔11的另一端與透氣磚7 —側表面的微孔連通，透氣磚7的其他表面置于氣室9內部，氣室9與供氣系統的導氣管12連通，通過氣體流量控制裝置10控制通過導氣管12向氣室9輸入的氣體流量，使模板5的直通孔11直接與液態金屬1接觸處生成氣泡；坩堝2的外側設有加熱線圈3，對坩堝2內的液態金屬1進行加熱并保溫；結晶器4為加熱型結晶器，能對結晶器4內的液態金屬1進行加熱，使結晶器4內的液態金屬1的溫度保持在液相線以上。在本實施例中，通過直接吹氣金屬定向凝固來實現多孔金屬材料制備的。坩堝2 的四周布滿感應加熱線圈3，可對坩堝2內的液態金屬1加熱并保溫。模板5下部是透氣磚 7,以下是氣室9，三者密封連接作為引錠桿裝置。坩堝2下方的加熱型結晶器4采用“0CC” 設計，為加熱型結晶器4，即結晶，2內設置加熱線圈，使液態金屬1熔體通過結晶器2時溫度保持在液相線以上。結晶器2下方設置冷卻裝置6，冷卻裝置6可采用噴水裝置，以對鑄錠冷卻，使液態金屬1的熱量主要沿拉鑄方向單方向傳輸，建立了自上而下的溫度梯度，從而為定向凝固創造了條件。啟動時，將模板5、透氣磚7、氣室9連接為一體的引錠桿裝置伸入結晶器2 —定距離后，在拉拔輥8的作用下開始下拉，同時由氣體流量控制裝置10控制的一定流量的氣體通過模板5的直通孔11吹入液態金屬1熔體。氣體流量控制裝置10可采用氣體流量計，控制氣體流量在設定的范圍內。在結晶器4出口處，液態金屬1熔體開始凝固，而此時模板5的直通孔11處的氣泡正在生成，這樣，直通孔11的四周的液態金屬1 定向凝固，而位于直通孔11處的氣泡正常生長。隨著引錠桿裝置的下拉或是坩堝2和結晶器4上移，凝固層不斷加厚，氣泡高度便不斷的增大，新形成的鑄錠會和模板5有同樣的類似的孔洞結構從而可作為新的模板，使這一過程重復進行。模板5下拉和氣體的吹入同時進行，選擇合適的模板5與結晶器4間的相對運動速率和氣體吹入流量使之達到動態平衡， 從而成功制備出所需要的多孔金屬材料。在本實施例中，模板5的材料為金屬銅。采用金屬銅作為模板一方面是因為銅的導熱性好，適合作為引錠頭來使用，另一方面銅的潤滑性很好，可以減少氣體與模板的通孔內壁的阻力，減少通孔內壁的阻力對氣泡生成的不利影響。 在本實施例中，模板5的直通孔11的直徑為1 X 1 X 10_2m。直通孔11的直徑可以根據需要進行選擇。同時，因孔徑的選擇范圍較大，也可以制備出具有不同機械性能和用途的藕狀多孔金屬材料。在本實施例中，通過模板5向液態金屬1熔體底吹氣體的單位時間流量控制在 0 ΚΛιιΙ/min之間，通過控制拉拔輥8使引錠桿裝置和結晶器4發生相對運動的速度為 0 102m/s之間。模板5下拉和氣體的吹入同時進行，選擇合適的模板5與結晶器4間的相對運動速率和氣體吹入流量使之達到動態平衡，使制備宏觀直通型多孔金屬材料的工藝過程狀態更加穩定，從而成功制備出多種所需要的宏觀直通型多孔金屬材料。實施例二
本實施例與實施例一的技術方案基本相同，不同之處在于
在本實施例中，本發明連鑄裝置可以用于制備宏觀直通型多孔伍德合金，坩堝2內可盛裝液態伍德合金，坩堝底部是制作好的帶有均勻分布五個孔的模板5，模板5的尺寸為 Φ 20mmX 10mm，模板5采用金屬銅制作，模板用機械加工出內徑為Imm的直通孔11，模板5與液態金屬1直接接觸。初始連鑄階段，將由模板5、透氣磚7及氣室9組成的引錠桿伸入結晶器4的內部約20mm處，開始對坩堝2加熱，使伍德合金金屬熔體溫度至100°C，結晶器 4的內的伍德合金金屬熔體的溫度保持在85°C，穩定一段時間后開啟噴水冷卻裝置6和供氣系統，氣體采用氬氣，氣流量調至0. 04ml/min，啟動牽引系統以一定的速度下拉引錠桿裝置，開始以一個較慢的速度逐漸加速到一個穩定的值1.2X10_4m/S，從而成功制備出中間帶有五個長孔的棒狀伍德合金材料，示意圖也如圖2和圖3所示的樣貌。
上面結合附圖對本發明實施例進行了說明，但本發明不限于上述實施例，還可以根據本發明的發明創造的目的做出多種變化，凡依據本發明技術方案的精神實質和原理下做的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，只要符合本發明的發明目的，只要不背離本發明的技術原理和發明構思，都屬于本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種制備宏觀直通型多孔金屬材料的方法，其特征在于，包括如下步驟a.加熱坩堝內的液態金屬，并保溫；b.坩堝內的液態金屬通過坩堝底部的水口，向下注入加熱型結晶器，使加熱型結晶器內的液態金屬的溫度保持在液相線以上；c.通過帶孔模板從加熱型結晶器的底部向液態金屬熔體內底吹氣體，并同時在結晶器內靠近引錠桿的液態金屬熔體中建立起一個自上而下的溫度梯度；d.通過引錠桿下拉和結晶器相對引錠桿上移的背向位移運動實現在連鑄的拉鑄方向上下拉鑄件，使通過加熱型結晶器底端的液態金屬自上而下連續定向凝固，形成具有宏觀直通型多孔的金屬材料鑄件。
2.根據權利要求1所述的制備宏觀直通型多孔金屬材料的方法，其特征在于在所述步驟c中，通過帶孔模板從加熱型結晶器的底部向液態金屬熔體底吹氣體的單位時間流量為0 105ml/min，通過機械牽引機構實現引錠桿和結晶器的相對運動，其運動速度為0 IO2Hl/S。
3.根據權利要求2所述的制備宏觀直通型多孔金屬材料的方法，其特征在于帶孔模板的孔直徑為1 X 10_5m 1 X 10、。
4.根據權利要求1 3中任意一項所述的制備宏觀直通型多孔金屬材料的方法，其特征在于通過帶孔模板從加熱型結晶器的底部向液態金屬熔體底吹的氣體為惰性氣體或還原性氣體。
5.根據權利要求4所述的制備宏觀直通型多孔金屬材料的方法，其特征在于所述惰性氣體為氬氣。
6.根據權利要求4所述的制備宏觀直通型多孔金屬材料的方法，其特征在于金屬熔體為純金屬熔體或合金熔體。
7.一種使用權利要求1所述的制備宏觀直通型多孔金屬材料的方法的定向凝固裝置，包括坩堝(2)、結晶器(4)、冷卻裝置(6)和引錠桿裝置，所述坩堝(2)內容納液態金屬 (1)，所述坩堝(2 )的下端水口固定連接所述結晶器(4)的上端口，所述冷卻裝置(6 )對所述結晶器(4)下端口附近區域的液態金屬(1)熔體進行冷卻，使通過所述結晶器(4)下端口的液態金屬(1)凝固形成鑄件，并通過引錠桿裝置向下不斷拉出，其特征在于所述引錠桿裝置包括自上而下依次固定密封連接為一體的模板(5)、透氣磚(7)和氣室(9)，所述引錠桿裝置在拉拔輥(8)的作用下沿拉鑄方向下拉鑄件，所述模板(5)設有至少一個直通孔(11)， 所述直通孔(11)的一端與所述液態金屬(1)直接接觸，所述直通孔(11)的另一端與所述透氣磚(7)—側表面的微孔連通，所述透氣磚(7)的其他表面置于所述氣室(9)內部，所述氣室(9)與所述供氣系統的導氣管(12)連通，通過氣體流量控制裝置(10)控制通過所述導氣管(12)向所述氣室(9)輸入的氣體流量，使所述模板(5)的直通孔(11)直接與所述液態金屬(1)接觸處生成氣泡；所述坩堝(2)的外側設有加熱線圈(3)，對所述坩堝(2)內的液態金屬(1)進行加熱并保溫；所述結晶器(4)為加熱型結晶器，能對所述結晶器(4)內的液態金屬(1)進行加熱，使所述結晶器(4)內的液態金屬(1)的溫度保持在液相線以上。
8.根據權利要求7所述的定向凝固裝置，其特征在于所述模板(5)的材料為金屬銅。
9.根據權利要求8所述的定向凝固裝置，其特征在于所述模板(5)的直通孔(11)的直徑為 1 X l(T5m 1 X 10、。
10.根據權利要求7 9中任意一項所述的定向凝固裝置，其特征在于通過所述模板 (5)向所述液態金屬(1)熔體底吹氣體的單位時間流量控制在0 105ml/min之間，通過控制所述拉拔輥(8)使所述引錠桿裝置和所述結晶器(4)發生相對運動的速度為0 102m/s 之間。
全文摘要
本發明公開了一種制備宏觀直通型多孔金屬材料的方法及其連鑄裝置，方法的步驟為a.加熱坩堝內的液態金屬，并保溫；b.液態金屬向下注入加熱型結晶器，使加熱型結晶器內的液態金屬的溫度保持在液相線以上；c.通過帶孔模板向液態金屬熔體底吹氣體，同時在靠近引錠桿的液態金屬熔體中建立起一個自上而下的溫度梯度；d.通過引錠桿下拉和結晶器上移的背向位移運動實現在連鑄的拉鑄方向上下拉鑄件，使通過加熱型結晶器底端的液態金屬自上而下連續定向凝固，形成具有宏觀直通型多孔的金屬材料鑄件。本發明連鑄裝置通過模板直接吹氣耦合金屬熔體定向凝固的方法制備宏觀直通型定向多孔金屬。其設備簡單、操作容易、可適用于多種金屬，并且孔分布可控。
文檔編號B22D11/11GK102286670SQ201110259489
公開日2011年12月21日 申請日期2011年9月5日 優先權日2011年9月5日
發明者任忠鳴, 任維麗, 張利杰, 鄧康, 鐘云波, 陳超越, 雷作勝, 韓欣 申請人:上海大學