CN102286670A - 制备宏观直通型多孔金属材料的方法及其连铸装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备宏观直通型多孔金属材料的方法及其连铸装置，方法的步骤为：a.加热坩埚内的液态金属，并保温；b.液态金属向下注入加热型结晶器，使加热型结晶器内的液态金属的温度保持在液相线以上；c.通过带孔模板向液态金属熔体底吹气体，同时在靠近引锭杆的液态金属熔体中建立起一个自上而下的温度梯度；d.通过引锭杆下拉和结晶器上移的背向位移运动实现在连铸的拉铸方向上下拉铸件，使通过加热型结晶器底端的液态金属自上而下连续定向凝固，形成具有宏观直通型多孔的金属材料铸件。本发明连铸装置通过模板直接吹气耦合金属熔体定向凝固的方法制备宏观直通型定向多孔金属。其设备简单、操作容易、可适用于多种金属，并且孔分布可控。

Description

制备宏观直通型多孔金属材料的方法及其连铸装置

技术领域

本发明涉及一种多孔金属材料的制备方法及其连铸装置，采用直接吹气法制备莲藕状的定向多孔金属材料，应用于多孔金属材料制备技术领域。

背景技术

多孔金属作为一种兼具结构材料和功能材料属性的新型材料，已经广泛运用于工业、医疗卫生、建筑、环保、航空航天及高新科技等多领域。多孔金属制备方法很多，如果按金属的状态可分为液相法、固相法、金属沉积法等。传统意义上的多孔金属的孔状都是呈球状或类球状而且孔洞大小不均匀，孔洞尺寸不一致，孔洞的长径比也较小。上世纪90年代出现了一种以固气共晶制备方法为基础的一种孔结构成柱状的定向多孔金属材料，也称为藕状金属材料，开创了一种新型多孔金属材料制备的新方法，该多孔金属与传统多孔金属材料相比具有更好的力学性能及物理性能，特殊的结构和性能使多孔金属材料具有广阔的应用前景，在大分子过滤器、自润滑材料、火箭燃烧室冷却元件以及宇航轻质镁板等方面应用广泛。

近二十年来制备多孔金属材料的工艺得到了很大的发展，然而该材料的传统制备工艺都需要在充满某种气体且具有一定压力的封闭容器中完成，制作成本高，工艺条件要求苛刻。采用工艺制备很难得到孔洞分布均一、尺寸一致、长径比足够大的多孔金属材料，使多孔金属材料的性能优势大打折扣。传统工艺制备藕状多孔金属材料对金属凝固过程难以实现有效控制，导致所制备的藕状多孔金属材料的孔洞达不到预期的几何要求，制备多孔金属材料的工艺还不甚理想。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备宏观直通型多孔金属材料的方法及其连铸装置，通过模板直接吹气耦合金属熔体定向凝固的方法，来制备宏观直通型定向多孔金属。其设备简单、操作容易、可适用于多种金属，并且孔分布可控。

为达到上述发明目的，本发明采用下述技术方案：

一种制备宏观直通型多孔金属材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：

a. 加热坩埚内的液态金属，并保温；

b. 坩埚内的液态金属通过坩埚底部的水口，向下注入加热型结晶器，使加热型结晶器内的液态金属的温度保持在液相线以上；

c. 通过带孔模板从加热型结晶器的底部向液态金属熔体内底吹气体，并同时在结晶器内靠近引锭杆的液态金属熔体中建立起一个自上而下的温度梯度；

d．通过引锭杆下拉和结晶器相对引锭杆上移的背向位移运动实现在连铸的拉铸方向上下拉铸件，使通过加热型结晶器底端的液态金属自上而下连续定向凝固，形成具有宏观直通型多孔的金属材料铸件。

在上述步骤c中，通过带孔模板从加热型结晶器的底部向液态金属熔体底吹气体的单位时间流量为0～10⁵ml/min，通过机械牵引机构实现引锭杆和结晶器的相对运动，其运动速度为0～10²m/s。

上述带孔模板的孔直径为1×10^-5m～1×10^-2m。

通过上述带孔模板从加热型结晶器的底部向液态金属熔体底吹的气体为惰性气体或还原性气体。

上述惰性气体为氩气。

上述方法可以用于纯金属或合金等多种金属制备宏观直通型多孔金属材料。

一种使用本发明制备宏观直通型多孔金属材料的方法的连铸装置，包括坩埚、结晶器、冷却装置和引锭杆装置，坩埚内容纳液态金属，坩埚的下端水口固定连接结晶器的上端口，冷却装置对结晶器下端口附近区域的液态金属熔体进行冷却，使通过结晶器下端口的液态金属凝固形成铸件，并通过引锭杆装置向下不断拉出。引锭杆装置包括自上而下依次固定密封连接为一体的模板、透气砖和气室，引锭杆装置在拉拔辊的作用下沿拉铸方向下拉铸件，模板设有至少一个直通孔，直通孔的一端与液态金属直接接触，直通孔的另一端与透气砖一侧表面的微孔连通，透气砖的其他表面置于气室内部，气室与供气系统的导气管连通，通过气体流量控制装置控制通过导气管向气室输入的气体流量，使模板的直通孔直接与液态金属接触处生成气泡；坩埚的外侧设有加热线圈，对坩埚内的液态金属进行加热并保温；结晶器为加热型结晶器，能对结晶器内的液态金属进行加热，使结晶器内的液态金属的温度保持在液相线以上。

上述模板的材料可采用金属铜。

上述模板的直通孔的直径为1×10^-5m～1×10^-2m。

通过上述模板向液态金属熔体底吹气体的单位时间流量控制在0～10⁵ml/min之间，通过控制拉拔辊使引锭杆装置和结晶器发生相对运动的速度为0～10²m/s之间。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明的模板可带有多个孔结构，每个模板上的孔径大小可以根据需要进行设计，不同的模板也可设计大小不一的孔径，还具体可根据要制备的多孔金属的孔径要求选择模板，从而制备需要的藕状多孔金属材料。

2. 本发明的模板下拉和气体的吹入同时进行，选择合适的模板与坩埚间的相对运动速率和气体吹入流量使之达到动态平衡，可制备出孔洞分布均一、尺寸一致、长径比足够大的藕状多孔金属材料。

3. 本发明的坩埚和结晶器皆为热型设备，可以为提高温度梯度提供保障，而加热型结晶器可以提高液态金属的最高温度，从而提高了固液界面前沿的温度梯度，可以以得到性能更好的多孔金属材料。

4. 本发明采用专用的连铸装置，设备简单，操作容易，成本较低，可适用于多种金属，可以根据需要实现工业自动化，提高制备藕状多孔金属材料的生产率。

附图说明

图1是本发明连铸装置示意图。

图2是本发明制备的宏观直通型多孔金属材料铸件结构图。

图3是沿图2中A-A线的剖面图。

具体实施方式

结合附图，对本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

一种制备宏观直通型多孔金属材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：

a. 加热坩埚内的液态金属，并保温；

b. 坩埚内的液态金属通过坩埚底部的水口，向下注入加热型结晶器，使加热型结晶器内的液态金属的温度保持在液相线以上；

c. 通过带孔模板从加热型结晶器的底部向液态金属熔体内底吹气体，并同时在结晶器内靠近引锭杆的液态金属熔体中建立起一个自上而下的温度梯度；

d．通过引锭杆下拉和结晶器相对引锭杆上移的背向位移运动实现在连铸的拉铸方向上下拉铸件，使通过加热型结晶器底端的液态金属自上而下连续定向凝固，形成具有宏观直通型多孔的金属材料铸件。参见图2和图3，通过本发明工艺制备的宏观直通型多孔的金属材料具有分布均一、尺寸一致、长径比足够大的孔洞，形成宏观直通型多孔金属材料。在本实施例中，引锭杆装置在牵引机构作用下实现下拉，下拉时熔体经过结晶器，在出口处开始连续定向凝固，同时模板中通入气体，通过下拉速度与气泡流量、压力的配合，使气泡随定向凝固过程的进行，在凝固材料中形成连通的长柱状气孔，实现孔分布与模板一致的宏观直通型定向多孔金属材料的制备。

在本实施例中的步骤c中，通过带孔模板从加热型结晶器的底部向液态金属熔体底吹气体的单位时间流量为0～10⁵ml/min，通过机械牵引机构实现引锭杆和结晶器的相对运动，其运动速度为0～10²m/s。采用适当的通气速度和铸件拉速的配合可以使制备宏观直通型多孔金属材料的工艺过程状态更加稳定。

在本实施例中，带孔模板的孔直径为1×10^-5m～1×10^-2m。带孔模板的孔直径可以根据需要进行选择。同时，因孔径的选择范围较大，也可以制备出具有不同机械性能和用途的宏观直通型多孔金属材料。

在本实施例中，通过带孔模板从加热型结晶器的底部向液态金属熔体底吹的气体为惰性气体或还原性气体。惰性气体或还原性气体都是非氧化性气体，其在液态金属熔体和固态金属中的溶解度差，使金属液的凝固界面处过饱和的惰性气体或还原性气体将充分形成气泡，同时与固相金属一起生长，最后形成圆柱状气孔沿凝固方向定向排列于凝固的金属基体中，从而得到形似藕状的宏观直通型多孔金属材料。

在本实施例中，惰性气体为氩气。氩气为惰性，在液态金属熔体和固态金属中的溶解度非常低，适合于作为制备宏观直通型多孔金属材料的气泡生成气体。

在本实施例中，金属熔体为纯金属熔体或合金熔体。本实施例的制备工艺可以适用多种金属的宏观直通型多孔制备，作为多孔工程材料制备的应用领域越来越广泛。

参见图1，一种使用本发明制备宏观直通型多孔金属材料的方法的连铸装置，包括坩埚2、结晶器4、冷却装置6和引锭杆装置，坩埚2内容纳液态金属1，坩埚2的下端水口固定连接结晶器4的上端口，冷却装置6对结晶器4下端口附近区域的液态金属1熔体进行冷却，使通过结晶器4下端口的液态金属1凝固形成铸件，并通过引锭杆装置向下不断拉出。引锭杆装置包括自上而下依次固定密封连接为一体的模板5、透气砖7和气室9，引锭杆装置在拉拔辊8的作用下沿拉铸方向下拉铸件，模板5设有至少一个直通孔11，直通孔11的一端与液态金属1直接接触，直通孔11的另一端与透气砖7一侧表面的微孔连通，透气砖7的其他表面置于气室9内部，气室9与供气系统的导气管12连通，通过气体流量控制装置10控制通过导气管12向气室9输入的气体流量，使模板5的直通孔11直接与液态金属1接触处生成气泡；坩埚2的外侧设有加热线圈3，对坩埚2内的液态金属1进行加热并保温；结晶器4为加热型结晶器，能对结晶器4内的液态金属1进行加热，使结晶器4内的液态金属1的温度保持在液相线以上。

在本实施例中，通过直接吹气金属定向凝固来实现多孔金属材料制备的。坩埚2的四周布满感应加热线圈3，可对坩埚2内的液态金属1加热并保温。模板5下部是透气砖7，以下是气室9，三者密封连接作为引锭杆装置。坩埚2下方的加热型结晶器4采用“OCC”设计，为加热型结晶器4，即结晶,2内设置加热线圈，使液态金属1熔体通过结晶器2时温度保持在液相线以上。结晶器2下方设置冷却装置6，冷却装置6可采用喷水装置，以对铸锭冷却，使液态金属1的热量主要沿拉铸方向单方向传输，建立了自上而下的温度梯度，从而为定向凝固创造了条件。启动时，将模板5、透气砖7、气室9连接为一体的引锭杆装置伸入结晶器2一定距离后，在拉拔辊8的作用下开始下拉，同时由气体流量控制装置10控制的一定流量的气体通过模板5的直通孔11吹入液态金属1熔体。气体流量控制装置10可采用气体流量计，控制气体流量在设定的范围内。在结晶器4出口处，液态金属1熔体开始凝固，而此时模板5的直通孔11处的气泡正在生成，这样，直通孔11的四周的液态金属1定向凝固，而位于直通孔11处的气泡正常生长。随着引锭杆装置的下拉或是坩埚2和结晶器4上移，凝固层不断加厚，气泡高度便不断的增大，新形成的铸锭会和模板5有同样的类似的孔洞结构从而可作为新的模板，使这一过程重复进行。模板5下拉和气体的吹入同时进行，选择合适的模板5与结晶器4间的相对运动速率和气体吹入流量使之达到动态平衡，从而成功制备出所需要的多孔金属材料。

在本实施例中，模板5的材料为金属铜。采用金属铜作为模板一方面是因为铜的导热性好，适合作为引锭头来使用，另一方面铜的润滑性很好，可以减少气体与模板的通孔内壁的阻力，减少通孔内壁的阻力对气泡生成的不利影响。

在本实施例中，模板5的直通孔11的直径为1×10^-5m～1×10^-2m。直通孔11的直径可以根据需要进行选择。同时，因孔径的选择范围较大，也可以制备出具有不同机械性能和用途的藕状多孔金属材料。

在本实施例中，通过模板5向液态金属1熔体底吹气体的单位时间流量控制在0～10⁵ml/min之间，通过控制拉拔辊8使引锭杆装置和结晶器4发生相对运动的速度为0～10²m/s之间。模板5下拉和气体的吹入同时进行，选择合适的模板5与结晶器4间的相对运动速率和气体吹入流量使之达到动态平衡，使制备宏观直通型多孔金属材料的工艺过程状态更加稳定，从而成功制备出多种所需要的宏观直通型多孔金属材料。

实施例二：

本实施例与实施例一的技术方案基本相同，不同之处在于：

在本实施例中，本发明连铸装置可以用于制备宏观直通型多孔伍德合金，坩埚2内可盛装液态伍德合金，坩埚底部是制作好的带有均匀分布五个孔的模板5，模板5的尺寸为Ф20mm×10mm，模板5采用金属铜制作，模板用机械加工出内径为1mm的直通孔11，模板5与液态金属1直接接触。初始连铸阶段，将由模板5、透气砖7及气室9组成的引锭杆伸入结晶器4的内部约20mm处，开始对坩埚2加热，使伍德合金金属熔体温度至100℃，结晶器4的内的伍德合金金属熔体的温度保持在85℃，稳定一段时间后开启喷水冷却装置6和供气系统，气体采用氩气，气流量调至0.04ml/min，启动牵引系统以一定的速度下拉引锭杆装置，开始以一个较慢的速度逐渐加速到一个稳定的值1.2×10^-4m/s，从而成功制备出中间带有五个长孔的棒状伍德合金材料，示意图也如图2和图3所示的样貌。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1. 一种制备宏观直通型多孔金属材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：

a. 加热坩埚内的液态金属，并保温；

b. 坩埚内的液态金属通过坩埚底部的水口，向下注入加热型结晶器，使加热型结晶器内的液态金属的温度保持在液相线以上；

c. 通过带孔模板从加热型结晶器的底部向液态金属熔体内底吹气体，并同时在结晶器内靠近引锭杆的液态金属熔体中建立起一个自上而下的温度梯度；

d．通过引锭杆下拉和结晶器相对引锭杆上移的背向位移运动实现在连铸的拉铸方向上下拉铸件，使通过加热型结晶器底端的液态金属自上而下连续定向凝固，形成具有宏观直通型多孔的金属材料铸件。

2. 根据权利要求1所述的制备宏观直通型多孔金属材料的方法，其特征在于：在所述步骤c中，通过带孔模板从加热型结晶器的底部向液态金属熔体底吹气体的单位时间流量为0～10⁵ml/min，通过机械牵引机构实现引锭杆和结晶器的相对运动，其运动速度为0～10²m/s。

3. 根据权利要求2所述的制备宏观直通型多孔金属材料的方法，其特征在于：带孔模板的孔直径为1×10^-5m～1×10^-2m。

4. 根据权利要求1～3中任意一项所述的制备宏观直通型多孔金属材料的方法，其特征在于：通过带孔模板从加热型结晶器的底部向液态金属熔体底吹的气体为惰性气体或还原性气体。

5. 根据权利要求4所述的制备宏观直通型多孔金属材料的方法，其特征在于：所述惰性气体为氩气。

6. 根据权利要求4所述的制备宏观直通型多孔金属材料的方法，其特征在于：金属熔体为纯金属熔体或合金熔体。

7. 一种使用权利要求1所述的制备宏观直通型多孔金属材料的方法的定向凝固装置，包括坩埚（2）、结晶器（4）、冷却装置（6）和引锭杆装置，所述坩埚（2）内容纳液态金属（1），所述坩埚（2）的下端水口固定连接所述结晶器（4）的上端口，所述冷却装置（6）对所述结晶器（4）下端口附近区域的液态金属（1）熔体进行冷却，使通过所述结晶器（4）下端口的液态金属（1）凝固形成铸件，并通过引锭杆装置向下不断拉出，其特征在于：所述引锭杆装置包括自上而下依次固定密封连接为一体的模板（5）、透气砖（7）和气室（9），所述引锭杆装置在拉拔辊（8）的作用下沿拉铸方向下拉铸件，所述模板（5）设有至少一个直通孔（11），所述直通孔（11）的一端与所述液态金属（1）直接接触，所述直通孔（11）的另一端与所述透气砖（7）一侧表面的微孔连通，所述透气砖（7）的其他表面置于所述气室（9）内部，所述气室（9）与所述供气系统的导气管（12）连通，通过气体流量控制装置（10）控制通过所述导气管（12）向所述气室（9）输入的气体流量，使所述模板（5）的直通孔（11）直接与所述液态金属（1）接触处生成气泡；

所述坩埚（2）的外侧设有加热线圈（3），对所述坩埚（2）内的液态金属（1）进行加热并保温；

所述结晶器（4）为加热型结晶器，能对所述结晶器（4）内的液态金属（1）进行加热，使所述结晶器（4）内的液态金属（1）的温度保持在液相线以上。

8. 根据权利要求7所述的定向凝固装置，其特征在于：所述模板（5）的材料为金属铜。

9. 根据权利要求8所述的定向凝固装置，其特征在于：所述模板（5）的直通孔（11）的直径为1×10^-5m～1×10^-2m。

10. 根据权利要求7～9中任意一项所述的定向凝固装置，其特征在于：通过所述模板（5）向所述液态金属（1）熔体底吹气体的单位时间流量控制在0～10⁵ml/min之间，通过控制所述拉拔辊（8）使所述引锭杆装置和所述结晶器（4）发生相对运动的速度为0～10²m/s之间。

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