CN101646790A - 多孔金属产品及制造多孔金属产品的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于制造含有至少10％互连多孔结构(12)的金属或合金产品(10)，其使用预成型件(11)，所述方法包括：混合有机粘合剂(26)、湿润剂和粒状材料(25)以获得可铸造的糊状物(20)，该糊状物(20)组合10％(体积)或更多的所述粒状材料(25)，所述粒状材料(25)在液体溶剂(24)中易于溶解；使所述糊状物成型为充气的预成型件并提供待由金属或合金熔渗的打开的孔状空间(28)；蒸发所述湿润剂并烘焙所述预成型件到足以降解有机粘合剂(26)并在所述预成型件(11)中形成互连开口多孔结构的网络；用液体金属或金属合金(23)填充所述打开的孔状空间(28)。烘焙的预成型件的部分或全部易于由液体溶剂通过细孔网来滤去。
Description
发明领域
本发明涉及高度多孔金属体的制造，其包括设计为金属泡沫、微胞金属、金属海绵或金属格构衍架结构的材料，所有这些材料是具有(指导性地)至少10％(特别是更多)的多孔结构的金属结构。范围十分广泛的制造方法已经开发出来用于制造多孔性金属材料(在Metal Foams：ADesign Guide，M F Ashby，A G Evans，N A Fleck，L J Gibson，J WHutchinson，H N G 15 Wadley，2000，Butterworth-Heinemann，[J Banhart，Progress in Materials Science 46(2001)559-632]中所描述的，http://www.metalfoam.net/)。
背景技术
更特别地，本发明涉及通过包括围绕着定义泡沫形状的可移动耐火模具或空间支持物浸润熔融金属的铸造方法来制造上述材料或结构。已经有若干种金属泡沫的制造途径属于此类，例如在[M F Ashby，A G Evans，N A Fleck，L J Gibson，J W Hutchinson，H N G Wadley″Metal Foams：ADesign Guide″Butterworth-Heinemann，Boston，(2000)]，[J Banhart，Progress in Materials Science 46(2001)559-30632]，[Y Conde，J-F Despois，R Goodall，A Marmottant，L Salvo，C San Marchi & A Mortensen，AdvancedEngineering Materials 8(9)795-803(2006)]中描述的。由于复杂的相互连接的多孔结构-通常超过产品总体积的40％，这样的模具或空间支持物以及制造它们的方法的需求通常会与那些用于使中空铸件成型的方法要求不同。
在[Y Yamada，K Shimojima，Y Sakaguchi，M Mabuchi，N Nakamura，TAsahina，T Mukai，H Kanahashi & K Higashi，Journal of Materials ScienceLetters，18(1999)1477-1480]中描述了使用聚合物前体的熔模铸造的方法；还被人们猜测的在于正是这种方法用于制造“多塞乐(Duocel)金属泡沫”，这种产品目前由ERG Materials和Aerospace公司出售(http://www.ergaerospace.com/)，[M F Ashby，A G Evans，N A Fleck，L JGibson，J W Hutchinson，H N G Wadley″Metal Foams：A Design Guide″Butterworth-15 Heinemann，Boston，(2000)]。在此方法中，例如聚氨基甲酸乙酯的打开的气孔(open-celled)有机泡沫填充有耐火泥浆的，特别是在熔模铸造的被固化的模制化合物中，在固化之后，热处理用于使模具密实并去除初始聚合物前体。金属被铸造到模具中并成型，模具材料使用常规方法去除，例如通过机械振动或通过水力喷射。
美国专利号US3052967[J Banhart，Progress 25in Materials Science 46(2001)559-632]描述了使用了预先成型的由粘合剂固定在一起的沙粒来制造泡沫的方法，所述粘合剂在高温下分解，这使得所述沙粒能够散开。
如果铸造足够快，之后烧结的聚合物粒可以被用作与铝的预成型件。铸造之后，热高温分解处理被用于去除聚合物。例如，这种方法由Fraunhofer Institute in Bremen，http://www.ifam.fraunhofer.de/index.php？seite＝/2801/leich tbauwerkstoffe/offenporoese-strukturen/&lang＝en.描述。
或者，可以使用围绕可移动空间支持物的烧结金属粉末。所需金属的粉末与足够量的材料的颗粒混合，所述材料的颗粒或者通过水或者通过适当的热处理去除。在这个阶段，空间支持物颗粒在泡沫中保持多孔结构。所使用的空间支持物的例子包括盐[Y Y Zhao，D X Sun，ScriptaMater.44(2001)]和尿素[B Jiang，N Q Zhao C S Shi，J J Li，Scripta Mater.53(2005)781-785](二者都通过溶于水中去除)。
相对简单的方法使用正常稳定的盐颗粒定义泡沫多孔结构，如在美国专利US3236706中所描述的。如果颗粒渗滤，随后以熔融金属进行的晶间间距的熔渗和后者的固化之后，盐可以通过溶解于水中被去除。人们进行研究致力于开发这种方法以使泡沫多孔结构(在0.6-0.9的范围内)、孔的形状(通过使用在成组的可能盐晶形内的不同形状)、及孔的尺寸(在5μm-2mm的范围内)有所不同，见[C San Marchi & A Mortensen，Acta Materialia 49 3959(2001)；C San Marchi，25J-F Despois & AMortensen，Acta Materialia 522895(2004)；J-F Despois，Y Conde，C SanMarchi & A Mortensen，Advanced Engineering Materials 6(6)444(2004)；CGaillard，J-F Despois，& A Mortensen，Materials Science and Engineering A374(1-2)250(2004)；R Goodall，A 30 Marmottant，L Salvo & A Mortensen，Materials Science and Engineering A 465(1-2)124(2007)]。但是，此方法受限于能够得到的盐晶形的尺寸和形状，实际情况是直径大于约0.5mm的盐粒不能如更小的颗粒的相同方式被压缩，及通过溶解的预成形产品去除的低速率。
发明概述
本发明的发明目的是使用形状支持物制造具有至少10％，优选40％或更多的互连多孔结构的产品，所述支持物(i)易于成型；(ii)在金属熔融温度下具有足够强度，与金属接触具有化学惰性，及(iii)快速且简易的可去除性，经济且不在任何阶段产生生态有害废物或排放物。
本发明的实施方式提供了一种使用预成型件来制造含有至少10％的互连多孔结构的金属或合金产品的方法，此方法包括：
-混合有机粘合剂，湿润剂和粒状材料以获得可铸造的糊状物，所述糊状物组合10％(体积)或更多所述粒状材料，所述粒状材料易于溶解在液体溶剂中，且所述有机粘合剂是可热降解的。
-使所述可铸造糊状物成型为充气的预成型件并提供待由所述金属或合金填充的打开状态的孔状空间；
-蒸发所述湿润剂并将所述预成型件烘焙至足以降解有机粘合剂的温度并在所述预成型件中形成互连的、打开的多孔结构的网络；
-用液体金属或金属合金填充所述打开状态的孔状空间。
本方法有利地使用可铸造糊状物或面团，其含有细小的，优选由水湿润的、可溶于水的耐火材料，且有机粘合剂优选形成可碳化材料以有助于粘合。此糊状物或面团可以使用许多可能的方法成型，包括例如食品工业的面团成型技术或计算机控制的三维自由成型方法，在所述多孔金属产品中成型为多孔结构所需的形状和尺寸。随后烘焙至硬化同时保持其形状。这使得其适于用作待被置于铸造金属用的模具中的可溶的空间支持物。例如，面团能够成型为可控尺寸的许多小球，其之后这些小球通过简单包装成为具有正确体积部分的多孔结构和孔尺寸的预成型件。
随后在空气中加热空间支持物或预成型件以引起铸造材料硬化，进一步进行加热处理以去除挥发性物质，否则所述挥发性物质将被引入到铸造过程中并减少粘合剂相存在的总量。所述预成型件或空间支持物随后被置于模具，如适宜在压力下铸造金属，该压力保持足够小以使得制造预成型件的烘焙糊状物或面团内的孔不被金属填充。在固化和机械成型后(如果需要)，预成型件通过与液体溶剂接触而被去除，所述液体溶剂优选水，得到含有40％(体积百分比)或更多的互连多孔结构的金属产品。由本发明制造的空间支持物的性质引起此最后操作步骤的速度的显著增强，所述速度的增强是通过精细组份颗粒尺寸、水可湿润性和本文公开空间支持物的互连多孔结构的组合。另外的不是水的液体(例如，酒精或其他溶剂)能够被使用。所述溶剂和粒状材料能够以如下方式进行选择：所述粒状材料能够很好的被溶剂浸湿。
根据一个特定特征，与所述打开的孔状空间相比，预成型件材料内的打开的孔的尺寸是更加细小的，等于前者的三分之一或更小。
根据一个特定特征，充气的预成型件被置于模具中并随后以例如铝或其一种合金等的液体金属或金属合金填充所述打开的孔状空间，优选以低压方法填充，且在金属或合金固化后，所有预成型件材料通过用诸如水等液体溶剂洗涤的方法从固化金属或固化合金中洗脱。使用这样的方法，孔径尺寸大于1mm的金属泡沫能够在高度控制下获得。以上这个尺寸以常规方法，盐颗粒趋向于在预成型件压缩阶段期间压碎而不是再成型，这使得难于控制孔的形状或孔的体积片段。所述有机粘合剂和湿润剂克服了常规方法中的此项缺陷。
根据另一个特征，可铸造糊状物本质上由NaCl的可溶颗粒和含碳粘合剂组成。优选全磨面粉等的碳水化合物是粘合剂的示例性化合物。包括这些NaCl颗粒或类似粒状材料的糊状物可以被成型，所述糊状物能够抵挡得住与熔融金属在铸造期间接触，这是本发明的另一个重要优势。盐颗粒可以被磨制为直径小于150μm，但是使用此方法，更大的糊状物颗粒可以被用于制造更大的预成型件(具有几厘米或更大尺寸)。
在本文公开的方法中，高度多孔结构的金属产品能够在预成型材料溶解后获得。与常规方法相比，本发明的溶解时间非常短，此处的滤去方法通过在几个孔直径等级间距离上的扩散来限制速度的。能够快速(不是对于几厘米范围内的常规方法的几天)得到溶解的原因是预成型件烘培体的内部多孔结构。此内部多孔结构由蒸发湿润剂和/或热解粘合剂来得到。蒸发和热解可以通过热处理进行，特别是400-500℃的温度用于设计为制造高度多孔铝的预成型件。有机粘合剂，例如面粉成分，被热解且残留碳中的大多数通过与氧反应而被去除。这留下了铸造的盐预成型件，其含有很多细孔。
根据另一个特征，获得所述可铸造糊状物的混合物含有5-20wt％的有机粘合剂，50-80wt％的粒状材料和作为湿润剂的15-25wt％的水。这样的组分有利于使预成型材料成型并通过溶解增加预成型件的去除率。
根据另一个特征，蒸发包括在100℃和500℃之间的至少一温度加热糊状物1-5小时以引起固化。预成型件首先被加热到100-200℃，其后固化的预成型件在400℃-500℃之间继续加热16小时以减少来自粘合剂的碳残留。
根据另一个特征，所述成型步骤包括使可铸造糊状物成型为离散的球，所述离散的球被压在一起以制造所述充气的预成型件。或者，可铸造糊状物可以成型为离散的圆柱体或其他适合形状，他们被压在一起以制造所述充气的预成型件。
根据另一个特征，由本发明方法制造的高度多孔性的金属与至少一种相变热管理材料组合，例如石蜡。所得到的复合材料具有好的热传导性(由于多孔金属)和高热存储容量(由于相位改变材料)，且可以用于热管理应用。
更加通常的，多孔金属产品能够用于许多用途，诸如过滤、热交换、声学应用(例如在声音吸收领域)、催化作用(作为催化剂支持材料)或其组合。管道或类似组件也可以容纳在所述多孔金属产品中。
根据另一个特征，根据本发明方法制造的多孔金属产品与密度金属产品无缝组合，通过简单地铸造到模具中，留下打开的空间，该空间临近根据本发明方法制造的预成型件。所得到的铸造件之后以两个区域标识，一个区域是密实的，另一个是高度多孔、无缝连接的；这确保了更大的强度和在孔和密度材料之间的界面上的更好的传导性。这个特征是更优越的，例如由本发明制造的材料的热交换应用。
本发明的实施方式还提供了适用于制造含有至少10％互连多孔结构的金属或合金产品的预成型件，其特征在于，所述预成型件包括：
-烘焙体，其包括中空空间且实质上包括粒状材料的颗粒和含碳的粘合剂，所述烘焙体溶于水，
-第一打开的多孔结构，其由所述烘焙体的中空空间限定，并设计为用液体金属或金属合金来熔渗；及
-第二打开的多孔结构，其对应于制造预成型件的相邻烘焙体颗粒之间的细小空间的网络，该细小空间被设计为用水填充。
通过使用适当的含碳粘合剂，预成型件可以易于成型以便得到含有高水平互连多孔结构的金属或合金产品。此外，存在于烘焙体内的细小的打开的多孔结构使得滤去操作更加快速。
根据另一个特征，在所述烘焙体内的最大粒内空间是100μm的数量级。因此，细小的打开的多孔结构不全部被熔融技术或合金熔渗。
本发明还提供高度多孔金属产品，其包含通过在模具中铸造的熔融金属来制造的规则地限定形状的中空空间，所述高度多孔金属产品是使用本发明方法制造的，其特征在于，所述孔具有3-7mm的直径，且多孔结构占据产品体积的60-95％。具有这些孔的多孔产品不能用常规方法轻易得到，因为当压制在一起而不是再成型时，大的盐粒经常是形状不规则且易碎的，且因此得到的孔仅在孔间有小空隙。此外，能够获得具有这样的打开的多孔结构的大尺寸颗粒。例如，长度L＞5cm和另外特征尺寸D＞4cm的颗粒能够被制造(D可以是直径或一部分的较长的边)。这样尺寸的多孔金属产品和含有规则限定形状的中空空间不能够用常规方法进行工业生产，因为难于控制孔的形状，且还因为溶解步骤需要较长时间。
通过如下的以非限定实施例为方式的说明并参考附图，本领域技术人员能够知悉本发明的优势和其他特征。
附图简要说明
图1是根据本发明的示例性方法的示意图。
图2是由本发明方法产生的、热处理后的球体横截面的扫描电子显微图像。
图3显示说明了当在室温下被加入到自来水破碎剂中的时候，如图2中所示的5mm直径球体的多孔结构快速崩解的一组图像。
发明的详细说明
在不同的附图中，相同的附图标记用于指定相同或类似部件。
本发明涉及铸造多孔金属产品10的方法。参考图1，本方法通过使用限定内部多孔结构12的形状和空间分布的预成型件11而进行。为了所述材料中的空的尺寸和形状能够得到良好的控制，本方法描述了由糊状物20或面团制成的预成型件11，在适当的成型步骤21和热处理(22a、22b)之后，留下带有足够机械强度和化学惰性以在铸造期间于高温下抵抗与熔融金属23的接触的耐火样品，以及形成相互连接的内部孔网络，该网络在水中有良好的可湿性和溶解性，这引起了迅速溶解。此最后步骤的速度显著增加超过其他可溶空间支持物，这要借助于以下事实：预成型件11还含有更多更细的相互连接的多孔结构网络，并由溶剂24浸湿，所述溶剂24因此通过毛细作用快速进入预成型件11中。这引起溶解相快速溶解到溶剂24中，使得预成型件11随后崩解。
糊状物20将由可溶于适合溶剂24中的耐火材料的颗粒25构成，少量的该溶剂24和有机添加剂26有助于糊状物成型。溶剂24的量可以少于20％(体积)，甚至少于5％。有机添加剂26可以含有溶剂24。耐火颗粒26可以是，但不限于，NaCl、NaAlO2、Al2(SO4)3、BaS、K2SO4或Na2S。盐优选地是糊状物20的主要成分。在一个优选实施方式中，溶剂24是水，但是许多其他流体也可是使用。仍旧是在优选实施方式中，有机添加剂26可以是全磨小麦、面粉、糖浆或包括来自其他植物的面粉的其他材料。有机添加剂26是可热分解的并形成有利于成形步骤21的粘合剂。直径大于5mm的球B可以被装配集合以形成预成型件。糊状物20尤其可以用于制造球体或球B，该球体或球B能够装配为用于相对“经典”的金属泡沫的预成型件中，或诸如圆柱体等其他形状可以用于固定到对齐的预成型件中以制造具有拉长孔的有孔材料，所述拉长孔具有用于流体或热传输的优先方向--许多其他孔的形状是可能的。作为糊状物或面团，预成型件11还能够被压缩以减少片状金属或合金和/或以打开产品10中的连接单个孔的空间。相对于孔的尺寸和形状的这种柔性是本方法的重要优点。
在图1的示例性实施方式中，制造铝泡沫是通过使用NaCl、水和面粉的混合物作为预成型件11的基础组分。用作润湿剂的溶剂24在热处理(22a、22b)期间被蒸发。优选地，所述润湿剂的熔点范围是50-100℃。
为了制造可铸造糊状物或面团20，磨制的NaCl颗粒25或其他适合的粒状材料与诸如全磨面粉等的有机添加剂26和溶剂24(特别是水)进行混合；普通的食品级小麦面粉是适当的。如图1中所示，糊状物20随后通过任何适于面团成型的操作被制成最终产品中多孔结构12所需形状，所述操作例如旋转、挤压、切割或其他成型操作。热处理22a将糊状物20转变为能够被处理的固体，进一步的热处理22b减少粘合剂存留的量并使其固化，得到具有足够强度的多孔可溶性预成型件11，其能够抵制在铸造期间施加的力并且是足够惰性的与熔融金属相接触以在铸造操作期间保留其完整性，并保持惰性多孔结构的第二网络，所述惰性多孔结构通过水合粘合剂(例如面粉)被截留。在成型部分已损失水分或类似的溶剂24之后，进一步的热处理22b在更高的温度下完成(在无限定性的实施例中：400-500℃)。有机添加剂26，例如面粉成份，随后被裂解并且所得碳的大多数通过其与氧的反应被去除。这得到铸造的包括许多细孔的盐预成型件11。
如果待被熔渗的空间28足够大，熔融铝或合金向预成型件11中的熔渗步骤27可以通过重力铸造完成，如果不具有在若干压力铸造方法中的任何一种中所施加压力的抗性，所述施加的压力保持足够低，以致在预成型件中的更细的孔不会与金属一同熔渗(气体压力熔渗、干燥-铸造......)。因此，熔渗金属23的体积不高于球B之间的空间28所限定的总体积。熔渗27可以被执行以得到此两个体积之间的等同性。这样的总体积可以预先估计以适应在熔渗步骤27期间待被施加的压力。
金属或合金固化后，预成型件11可以通过在水中浸渍件30而被快速去除：水之后熔渗到预成型件11的更细的孔内，溶解其可溶成份，这依次引起预成型件11的快速崩解，得到由原始预成型件11的形状限定的带有多孔结构12的金属产品10。在滤取步骤31之前，进行可选的机械成型，如图1中示出。实际上，一旦金属或合金已在预成型件11的更大的打开的孔内被固化，如果需要则能够进行机械成型步骤40(即使近似的净成型处理是可能的)，随后在水中溶解。
应当理解的在于，预成型件11可以用熔点低于耐火颗粒25(例如NaCl，801℃)的熔点的诸如铝或任何其他材料/合金来熔渗。对熔渗压力进行控制，以致由糊状物20制成的盐部分之间的打开的空间28被熔渗，但是没有细孔保留在预成型材料自身之内。穿过使用本方法制造的盐的结构的横截面的SEM(扫描电子显微)图像的简单分析(诸如图2中所示)显示耐火颗粒25占据约60％的体积(作为可以预期的结果)，且最大的粒间空间是100μm的数量级。由于铝不会使盐湿润，不使预成型材料熔渗实际上是相对容易的，由于最大空间28将在笔热处理预成型件11中的细孔中压力相比足够低的施加压力下填充金属。被设计为以熔融金属23熔渗的空间28是足够大的，特别是至少大于0.3mm，且如果具有3mm或以上的直径孔的多孔材料将被制造时，优选地高于0.6mm。
由于溶剂24在内部多孔结构的第二网络中的熔渗，滤取步骤31能够快速进行。这是本方法的进一步的优势。所有或部分的烧制的预成型件可以通过图2中示出的细孔网络而被简单滤取。
图3显示根据图1中示出的实施方式制造的盐的5mm直径球体41的一组图像。球体41在室温下被投入到自来水破碎剂中。如所见，球体41的北浸透和完全崩解之间的耗时少于15秒。相同尺寸的固体盐的颗粒将不会如此快速溶解：溶解5mm直径的固体盐粒所需时间大于这个数量级。而且，在溶解速度上的此项区别，一个有趣的观察结果是通过此方法制得的盐结构将崩解，甚至是当浸渍在饱和盐溶液中，仅是稍微慢于浸渍在蒸馏水中。
此区别的部分解释是被留在由面团途径制得的预成型件11中的细的多孔结构。在示例性的实施方式中，当首先是水，随后是大多数面粉通过热处理(22a、22b)被驱逐掉时，这些孔被保留。当预成型件11随后与水接触时，水使盐湿润并通过毛细作用排入这些细孔中，并因此而快速遍布预成型件11。溶解将是相同的，相对于糊状物20的耐火颗粒25的类似性质的任何溶剂。解释的另一部分将涉及预成型件11的崩解，甚至是在饱和盐水溶液中；这显示了盐粒之间接触点的不完全溶解，这导致预成型件崩解(即使这可能起到作用)。此外，水相对于盐的二面角非常低，因而如此“切割”大多数盐颗粒的边界导致预成型件崩解。此崩解所允许的预成型件的去除速度相对于固体盐(需要完全溶解)的增加是本方法的显著优势。
即使在工业规模上的本方法的环境影响的详细评价还没有进行，能够预知的是这还应当在此点上是有吸引力的。预成型件11的所有成份可以是天然的：水、盐、和在图1中示出的实施方式中的面粉。因为在焙制温度下的盐的部分压力是非常低的(1.5×10-22Pa的值是合理的估值)，其应当易于避免释放到大气中。焙制的最后阶段中，面粉被裂解，这引起一些泄露；但是，这些是无毒的并易于被过滤(实质上，这些是当人们燃烧土豆淀粉时候的物质)。并且，因为滤取31能够在水中进行而不带有任何附加步骤，其导致没有除NaCl之外的其他物质释放。这应当不会增加沿海地区的问题，而对于内陆生产的封闭系统可以被设计，此处对水进行蒸煮以回收盐分用于挤压步骤后的补救措施。本发明通过以下使用所述方法的具体实施例来进一步说明；这些实施例仅是说明，可以设想基于本发明的许多种变型。
实施例1
15.2g全磨小麦面粉与30g(30ml)的水混合以形成薄的糊状物。108.2g磨制的NaCl粒(直径都在150μm以下)被逐渐混合到此糊状物中。这将混合物变为能够易于被铸造的坚固糊状物20。糊状物20在成型步骤21中被处理成型(手工)为直径约6mm的球体或球B，其被滚到少量的盐中以将其进一步干燥并减少在固化过程中的由糊状物蔓延引起的形状变化。所述球体被包装到涂覆有盐的模具M1中，直径30mm和高度70mm，并干燥2小时。在球体被观察到变为棕色或黑色之后，模具M1被加热到200℃达2小时；温度随后提高到500℃。在此温度下16小时之后，观察到球体变为灰色/白色，预成型件11能够作为整体从模具M1中移除。预成型件11被置于另一个模具M2中，该M2顶部具有Al-12Si(共熔组合物)合金的铸模。其在真空下加热至600℃，如此以致熔融金属23在预成型件11之上形成约15cm的液体头部，这引起了熔渗27。固化之后，过量的密实金属被去除，带有预成型件11的部分被置于打开的龙头之下。20秒后，将产品10从水中移出并干燥，预成型件11溶解并被完全冲洗掉。
实施例2
15.1g全磨小麦面粉与30.3g的水混合。对此混合物加入103.8g盐以形成光滑糊状物20。糊状物20被处理成型为直径约7mm的球体或球B，其被滚到少量的盐中以将它们进一步干燥并减少干燥前由糊状物蔓延引起的形状变化。所述球体被包装到涂覆有盐的模具M1中，该模具M1直径30mm和高度70mm，8mm直径的A1 6060合金管垂直设置穿过预成型件的中心。预成型件在70℃下干燥3小时，在球体被观察到变为黑色之后随后被加热至200℃持续16小时，直到观察到球体变为灰色/白色之后将温度提高到400℃持续4小时，。预成型件11从模具M1中移除。空间固定铝管被移除并清洁，于放置之前密封端部，预成型件11被置于熔炉形成模具M2中并在空气中将其加热至600℃。在600℃下熔融的Al-12Si合金被倒入模具M2中，形成在预成型件11之上的约20cm的液态头部。固化之后，过量的密实金属被移除，带有预成型件11的部分被切割为5mm厚的薄片。若干这些薄片被置于打开的龙头之下。10秒之后，这些薄片从水中移开并干燥，发现预成型件11溶解，留下围绕管子的具有打开的气孔的金属泡沫。
实施例3
8.03g全磨小麦面粉与20.47g水混合。向此混合物中加入88.76g磨制的NaCl以形成光滑糊状物20。糊状物20被形成直径约6mm的球体或球B，这些球体或球B被置于模具M1中。预成型件在200℃下加热持续2小时。温度提高到500℃，预成型件在该温度下放置16小时。预成型件11被置于熔炉形成模具M2中，模具M2在99.99％纯铝的铸模下方。当金属23熔融时候，其在真空下加热至710℃，20mbar氩气放入熔炉中，引起金属23熔渗预成型件11。冷却后，过量的密实金属从预成型件11切割，留下直径36mm和高度28mm的圆柱体。样品30被置于打开的水龙头之下。45秒之后，检查样品且所有的预成型件材料被移除。质量测量得出78％的孔隙率。
实施例4
制备两种不同的糊状物20。No.1糊状物以相对少量的盐制备，所述制备是通过首先混合18.8g全磨小麦面粉和20.9g水。向此混合物中混合入54g盐。此No.1糊状物非常易于成型，并制成直径约6mm的球体。No.2糊状物以相对大量的盐制备，所述制备通过首先混合6.2g全磨小麦面粉与20.5g水。向此混合物中加入99.1g的盐。所制造的糊状物没有大的变形也没有分解。它们还被制造为直径约6mm的球体。
两种类型的球体被置入200℃的炉中持续2.5小时，在3小时的时间段内温度逐步加入到500℃。样品在500℃被放置15小时。
冷却后，检测所述球体的强度和溶解速度。使用No.1糊状物(低盐)制造的球体是易碎的并易于用手压碎。当滴入200ml水破碎剂42的时候，他们在达到破碎剂42的底部之前(耗时约1秒)，崩解为细小颗粒的分散系。使用No.2糊状物制造的球体是显著地强度更大，并不能通过手来压碎。当置于200ml的水破碎剂42中时，球B在5秒的时间段内崩解为细小颗粒。
实施例5
8.03g全磨小麦面粉与20.86g水混合。向该混合物中添加88.94g盐以形成光滑糊状物20。所述糊状物被成型为直径约4mm的球形，其随后被置于直径约8mm的模具M1的管中。整个模具M1随后被置于200℃的烤炉中约3小时，在管子被移动之前温度被增加至500℃。于此温度下放置另外的4小时后，预成型件11从模具M1中移出。此实施例显示热处理时间需要与之前的实施例中的一样长。
实施例6
使用NaAlO2而不是NaCl来制备糊状物。铝酸钠是一种易于溶于水的盐，且熔点为1650℃，因此适于用更高熔点的金属23来进行熔渗27，所述高熔点金属例如铜。4.06克全磨小麦面粉与6.31g水混合。向此混合物加入15.98g的NaAlO2。所形成的糊状物20非常易于成型，并被制成直径约7mm的球形或球B。
球形被置于200℃的烤炉中1.5小时，当温度升高到400℃时保持16小时。温度随后被增加到600℃达8小时，随后是升高到800℃达16小时。
冷却后，检测球形的强度和溶解速度。检测结果发现所述球形是足够强的，即通过手对他们的挤压是不容易的。当置于200ml自来水中的时候，他们在5-15秒的时间段内崩解为细小颗粒。
实施例7
使用糖浆而不是全磨小麦面粉来制备糊状物。2.71g糖浆与1.55g水混合。向该混合物中加入16.98g盐并混合直到形成糊状物20。所述糊状物20被铸造为直径约4mm的球形，其被加热到100℃达2小时，随后在500℃下搁置过夜(约16小时)。置于200ml室温的自来水中时，观察到所得球形在1-2秒的时间段内崩解。
由于从最后一个实施例中明显地看出，如果湿润剂和粘合剂能够自然混合，所述湿润剂(本实施例中是水)用物理方法混合到所述方法的粘合剂(本实施例中是糖浆)中是不必要的。更加稀释的糖浆能够被用于此实施例中，因为粘度适合的有机流体已经含有随后被蒸发的湿润剂。
如以上所述实施例显示，通过本发明方法能够得到含有形状被限定的中空空间的高度多孔的金属产品10(也称为金属泡沫)。这样的金属泡沫能够用于多种用途。作为打开的气孔，他们在固体(所述泡沫与其密切接触)和流体(通过泡沫的孔流动)之间需要热传递的领域中更易于找到用途。从热传递最大化的角度来看，有趣地注意到本方法可以制造异常高纯度的泡沫，因为：(i)在预成型件(由NaCl加上来自面粉裂解的基于碳的残留物制得)和铝之间没有化学相互作用或炼制合金；及(ii)不需要向金属添加炼制合金元素或陶瓷颗粒以有助于铸造或泡沫稳定性。在此方法中使用99.99％的Al给料制造的泡沫的实验室样品成份的化学分析指示元素Ti、B、Fe、Si、Cu、Mn、Zn、Mg、Pb、Cr、Li、Ni、V、K、Sr和Zr都在0.01wt％(对于金属Li是0.005％)的指示界限之下。以可测量水平出现在铝中的仅有的金属元素是Sn和Ca，其每一种仅有0.01wt％的比例。
在复制步骤中以热解盐面团替代盐，因此而开拓新的处理方法的可能性并指示出低成本的称为铝泡沫的制造开口的新方式。此方法特征在泡沫设计方面和成分结构方面都是高度灵活的。
本发明已经以优选实施方式加以说明。但是，这些实施方式仅是实例，本发明并不限于这些实施方式。本领域技术人员将理解的在于其它变型和改变在如所附权利要求限定的本发明范围内能够易于制造，因此本发明的保护范围仅限于由如下权利要求所做出的限定。
Claims (16)
1.一种用于制造含有至少10％互连多孔结构(12)的金属或合金产品(10)的方法，该方法使用预成型件(11)，其特征在于，其包括：
-混合有机粘合剂(26)、湿润剂和粒状材料(25)以获得可铸造的糊状物(20)，该糊状物(20)含有体积百分比为10％或更多的所述粒状材料(25)，所述粒状材料(25)在液体溶剂(24)中易于溶解，且所述有机粘合剂(26)是可热降解的；
-使所述可铸造糊状物(20)成型为充气的预成型件并提供待由所述金属或合金熔渗的打开的孔状空间(28)；
-蒸发所述湿润剂并烘焙所述预成型件到足以降解所述有机粘合剂(26)的温度并在所述预成型件(11)中形成互连、打开的多孔结构的网络；
-用液体金属或金属合金(23)填充所述打开的孔状空间(28)。
2.如权利要求1所述的方法，其中与所述打开的孔状空间(28)相比，所述预成型件材料内的打开的孔的尺寸等于所述孔状空间(28)三分之一或更加细小。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述充气的预成型件被置于模具(M2)中并且随后所述打开的孔状空间(28)由所述液体金属或所述金属合金(23)以低压方法填充，所述液体金属或金属合金优选铝或其一种合金，在所述金属或合金固化之后，通过以液体溶剂(24)清洗的方式，所有的预成型材料从固化的金属或固化的合金中洗去。
4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述可铸造的糊状物(20)实质上包括NaCl的可溶解颗粒和含碳的粘合剂。
5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述粘合剂(26)实际上包括碳水化合物，其优选是全磨面粉的混合物。
6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述粒状材料(25)实质上包括被磨制成直径低于150μm的盐颗粒。
7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其中得到所述可铸造糊状物(20)的所述混合物包含5-20wt％有机粘合剂(26)，50-80wt％粒状材料(25)和作为湿润剂的15-25wt％的水。
8.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其中所述蒸发步骤包括加热糊状物1-5小时以引起固化，加热温度在100℃和500℃之间。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述预成型件首先在100-200℃下被加热，此后所述固化的预成型件在400-500℃下被继续加热16小时以减少由所述粘合剂留下的碳残留物。
10.如权利要求1-9中任一项所述的方法，其中所述成型步骤包括使可铸造糊状物(20)成型为离散的球(B)，该球(B)被压在一起以制成所述充气的预成型件。
11.如权利要求1-9中任一项所述的方法，其中所述成型步骤包括使所述可铸造糊状物(20)成型为离散的圆柱体，该圆柱体被压制在一起以形成所述充气的预成型件。
12.如权利要求1-9中任一项所述的方法，其中根据所述方法制造的多孔金属产品(10)与至少一种相变热管理材料组合以制造合成物材料。
13.如权利要求1-9中任一项所述的方法，其中根据所述方法制造的多孔金属产品(10)与密度金属或合金产品无缝连接，所述密度金属或合金产品同时与所述多孔金属产品(10)同时铸造。
14.一种适于制造含有至少10％的互连多孔结构的金属或合金产品的预成型件(11)，其特征在于，其包括：
-烘焙体，其含有中空空间(28)且实质上包括粒状材料(25)的颗粒和含碳粘合剂(26)，所述烘焙体可溶于水，
-第一打开的多孔结构，其由所述烘焙体的中空空间(28)限定并被设计为用液体金属或金属合金(23)来熔渗；及
-第二打开的多孔结构，其对应于相邻烘焙体颗粒之间的细小空间网络，该细小空间被设计为以水来填充。
15.如权利要求14所述的预成型件，其中所述烘焙体内的最大粒间空间是100μm的数量级。
16.一种具有限定形状的中空空间的高度多孔的金属产品(10)，其通过在模具中铸造的熔融金属来制造，所述金属产品(10)使用权利要求1-13中任一项所述的方法制造，其特征在于，所述孔具有3-7mm的直径，多孔结构(12)占据所述产品(10)体积的60-95％。
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