通過振動制造泡沫金屬的方法
【專利說明】通過振動制造泡沬金屬的方法
[0001]本申請是申請日為2009年12月4日、名稱為"通過振動制造泡沫金屬的方法及由此 獲得的泡沫金屬產品"的發明專利申請No. 200980156011.6的分案申請。
技術領域
[0002] 本發明涉及一種制造泡沫金屬的方法，其中為使金屬發泡，控制在液相可發泡金 屬的體積中或者表面上所形成的氣泡的尺寸，優選地減小或增大氣泡的尺寸，尤其是通過 在所述氣泡形成的同時施加振動來將氣泡的尺寸設到給定的值。本發明還涉及通過根據本 發明的方法制造的泡沫金屬產品。
【背景技術】
[0003] 泡沫金屬是輕重量的閉孔或開孔結構材料，并具有突出的物理、機械以及隔熱和 隔音性能。由于它們的性能，泡沫金屬用途廣泛，從結構材料到各種裝飾件。主要由于它們 的低密度和特別的機械性能，泡沫金屬應用領域的一些示例包括例如飛行器工業(機翼、座 位）、航天技術(隔熱、減振）、汽車工業(各種緩沖元件、車體部件、隔音）、國防工業(無線電 領域內的屏蔽設施、堅固防具）、醫療設備(比如骨假體）以及建筑工業(框架結構、輕重量建 筑墻）以及其他領域。
[0004] 對于泡沫金屬的制造已知數種技術。在最常見的方式中，泡沫金屬通過將氣體形 成添加劑(比如氫化物、碳酸鹽等)添加到還包括穩定微粒/顆粒的熔融金屬中來制備。根據 我們現有的知識，由于所進行的化學和物理反應的不可控性，不能通過引入氣體形成添加 劑制備具有單一方式孔尺寸分布的泡沫金屬。另一種用于制造泡沫金屬的技術是將氣泡引 入熔融金屬中。一般來講，氣泡的供應是通過攪動裝置(例如見日本公開專利公報No.2006-176874)或者合適的注射裝置(例如見美國專利申請No. 20030047036)實現的。
[0005] 德國專利申請No.DE 43 05 660 Al披露了一種用于調節液相中的氣泡介質的氣 泡尺寸的方法和裝置，其中所述調節隨后進行，即，在形成所述氣泡之后進行。所述方法的 核心是:通過例如經由噴嘴注入氣體來使形成于介質中的氣泡在它們脫離所述噴嘴并離開 噴嘴端部之后暴露于超聲波;這些氣泡在噴嘴端部形成，其直徑由所述噴嘴端部的幾何參 數與影響注入方式的其他參數(比如氣體流速和氣體注入壓力)結合地限定。所施加的超聲 波的頻率和功率以這樣的方式選擇，即由于所述接觸所述氣泡發生共振，因此爆裂成具有 較小尺寸的氣泡。
[0006] 歐洲專利申請No. 0680779 Al教導了一種便于氣體溶解到保持流動的液體中的方 法。在所述方法中，使起先通過經由噴嘴注入的氣體在液體中形成的氣泡與超聲波相互作 用。由此，液體內的氣泡被激勵到超過共振頻率的頻率，然后由于從超聲波吸收的能量分裂 成較小尺寸的氣泡。
[0007] 日本待審專利公報No. 57-165160披露了具有多孔和無定形結構的金屬帶的制造 工藝以及用于實現所述制造工具的裝置。根據教導的技術方案，將熔融的金屬置入封閉的 坩鍋中，然后通過經由入口管引入坩鍋中的氣體將壓力施加到坩鍋內的熔融金屬上、由此 經由噴嘴注射到高速轉動的冷卻輥上。同時，氣態氮、空氣或其他惰性氣體也經由吹氣管吹 入到熔融金屬中并到達所述噴嘴，從而在噴嘴端部附近的熔融金屬中形成氣泡。此后，通過 由高頻發生器產生的機械振動分散從所述噴嘴脫離的氣泡，和/或通過由溶解到所述熔融 金屬中的氣體導致的在所述熔融金屬中的空化效應形成進一步的氣泡。因此，在熔融金屬 中獲得了相對細的氣泡分布。發泡的熔融金屬在轉動輥的表面上非常迅速地固化，并且在 其上形成一無定形的薄泡沫金屬帶。
[0008] 所述制造工藝僅適用于基本以平面展開的薄泡沫金屬帶的制備，不能用于制造液 體或大塊形式的固體泡沫金屬(即具有三個可清楚辨認的空間尺寸）。
[0009] 上面討論的技術方案的一個常見的缺點就是它們的目標都在于通過利用超聲波 碎裂氣泡來減小先前形成于液體介質中的氣泡的尺寸。因為這種的技術基于通過超聲波使 得已經存在的氣泡振動、從而導致其空間變形、然后將所述氣泡撕裂成等于的變形極值更 小尺寸，所以此技術不適于以受控的方式執行氣泡的碎裂:一般地，通過碎裂獲得的氣泡的 尺寸在寬范圍內變化，因此通過此技術獲得的泡沫金屬的孔尺寸分布也在寬的范圍內變 化。因此，不能通過這種技術確保形成具有大約相同尺寸的氣泡。也不能確保制造具有(幾 乎)單一孔尺寸分布的泡沫金屬。使用的高頻發生器以不可控的方式影響從噴嘴端部脫離 的氣泡的尺寸；由所述發生器發出的超聲波將減小先前已經形成的液相中的泡沫金屬的那 些氣泡的尺寸。
[0010] 在歐洲專利No. 1419835B1中披露了一種用于從熔融金屬制造具有單一尺寸分布 (這里，孔尺寸大于3mm)的液體泡沫金屬的方法和毛細管系統。所形成的液體泡沫金屬的期 望孔尺寸主要通過確定毛細管系統的各個噴嘴的尺寸、以及適當地選擇所述噴嘴的相對距 離和噴嘴端部的幾何設計來實現的。結果，僅能通過具有給定幾何形狀的毛細管系統獲得 具有一定孔尺寸的泡沫金屬一一具有不同孔尺寸的泡沫金屬的制備需要應用具有數種幾 何形狀的毛細管系統。
[0011] 上述技術方案的又一常見缺點是經由一個或多個噴嘴(所述噴嘴用作形成氣泡的 工具)注入氣體形成其要素。
【發明內容】
[0012] 本發明的目標是消除上述的缺點。特別地，我們的目標是提供一種從熔融的可發 泡金屬制造泡沫金屬的方法，其中氣泡尺寸的設定與所述氣泡的形成同時發生并以完全受 控的方式發生，因此，不需要在氣泡形成之后執行后續的不可控的氣泡碎裂。我們的又一個 目標是制造具有單一孔尺寸分布的泡沫金屬。我們的再又一個目標是提供一種制造泡沫金 屬的方法，其中具有幾乎相同尺寸的氣泡的形成不需要應用具有特殊幾何形狀的噴嘴/噴 嘴系統。此外，我們的再又一個目標是提供一種金屬發泡的氣體注入輔助方法，其中，在產 生形成泡沫金屬氣孔的氣泡時，氣泡尺寸可以獨立于所使用的噴嘴/多個噴嘴的幾何設計 (比如內徑)地改變;換言之，也可通過利用具有給定內徑的噴嘴來制造具有不同的平均孔 尺寸的泡沫金屬。再又一個目標是提供一種金屬發泡方法，通過該方法同樣可以容易地制 造塊體形狀的塑性或固體泡沫金屬。
[0013] 本發明基于以下的發現:在根據任意已知的現有技術實現的氣泡形成中，氣泡尺 寸不能以期望和受控的方法調節。
[0014] 本發明的技術方案的要點在于：當液相的可發泡金屬進行發泡時，形成于熔融金 屬表面上或熔融金屬體積內的氣泡的"生長"始終在外力一一該外力不同于氣泡形成期間 不論以何種方式作用在氣泡上的力（比如浮力和表面張力)一一的存在和影響之下進行。所 述外力是以由縱波引發的振動的形式提供的，所述縱波通過發生器產生并施加在氣泡形成 區（即所謂的相互作用區域）中。因此，在實際氣泡形成期間通過所述外力將氣泡本身的尺 寸控制/調節到所期望的值。
[0015] 當熔融金屬由于代表所述外力的振動通過空化效應經歷表面發泡時，通過氣泡形 成裝置在熔融金屬表面上形成比沒有振動形成氣泡的情形下顯著更小的氣泡。當熔融金屬 在其體積中經歷發泡時，通過代表所述氣泡形成裝置的噴嘴將氣體注入到熔融金屬中，在 氣泡形成的同時，所涉及的外力通過振動施加到在相互作用區域中剛從噴嘴表面脫離的氣 泡上。這樣，取決于所施加的縱波一一優選的是超聲波一一攜帶的能量，并基于待發泡的熔 融金屬的屬性以及要通過所述熔融金屬的發泡獲得的泡沫金屬的性能進行選擇，氣泡從噴 嘴脫離、具有比在沒有振動形成氣泡的情形下所能獲得的更小的氣泡直徑。此外，在后一情 形下，受導引的超聲波僅將氣泡從噴嘴"推下"，但是不破壞形成的泡沫金屬。
[0016] 概括地說，當通過根據本發明的方法制備泡沫金屬時，不需要以不可控的方法對 氣泡進行后續的切割/碎裂，因此可以獲得具有非常均勻的氣泡直徑和可塑稠度的泡沫金 屬。
[0017] 在其一個方面中，本發明涉及一種如下所述的制造泡沫金屬的方法。該方法的優 選實施方式如下限定。
[0018] 為了引發振動，使用能夠產生并發出縱波的發生器(優選地是聲波輻射源）以及適 當