CN103240405B

CN103240405B - 一种藕状多孔金属材料的原位反应析出制备装置及工艺

Info

Publication number: CN103240405B
Application number: CN201310175547.0A
Authority: CN
Inventors: 刘新华; 谢建新
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2013-05-13
Filing date: 2013-05-13
Publication date: 2015-03-11
Anticipated expiration: 2033-05-13
Also published as: CN103240405A

Abstract

本发明涉及一种藕状多孔金属材料的原位反应析出制备装置及工艺。该工艺过程是：在大气氛围的条件下，在铸模内壁上涂覆含水涂层，然后将熔化的金属液倾倒入铸模中，通过定向凝固，制备出具有高孔隙率、气孔大小可控、气孔长且直的藕状多孔金属材料。该装置的组成主要包括：熔炼炉、塞棒及控制系统、温度测量与控制系统、导流管、结晶器与冷却系统、铸模与固定装置等。本发明克服了“加压溶解析出法”的缺点，无须在高压氢气等高压气氛下生产，安全性好；操作简单，浇铸过程具有可视性；提出了一种结构简单、投资较少、操作简便的藕状多孔金属制备装置，可降低生产成本，实现制备过程的高效率和连续化。

Description

一种藕状多孔金属材料的原位反应析出制备装置及工艺

技术领域

本发明涉及一种藕状多孔金属材料的原位反应析出制备装置及工艺。

背景技术

近年来，随着应用范围的不断扩大，金属多孔材料的研究开发越来越受到人们的重视。藕状金属多孔材料是近十几年来新兴的一种金属多孔材料，其主要特点是：（1）优良的力学性能：采用定向凝固工艺制备的金属多孔材料，由于气孔规则且沿某一方向定向排列，所以研究发现沿气孔方向力学性能优异，没有明显的应力集中，甚至具有比相同材质的致密材料还高的综合力学性能(密度低、比模量、比强度很高)，这是泡沫金属等多孔材料无法比拟的；（2）由于气孔定向生长且连续，所以藕状金属多孔材料的孔隙为长而直的通孔，在用于气体或液体布流、过滤材料、生物医用接骨材料、尾气净化中作为催化剂载体等方面具有明显优势；（3）由于气孔沿某一方向平行排列，采用定向凝固工艺制备的藕状金属多孔材料的抗拉、抗压强度等力学性能和内摩擦、弹性、热导率和声音吸收等特性都显出各向异性，尤其适合用作有各向异性要求的特殊性能材料。由上述特点可以看出，藕状金属多孔材料是一种功能和结构性能相结合的高性能新材料。

目前，藕状金属多孔材料的主要制备方法有：（1）金属/气体共晶定向凝固法[Shapovalov V I. U.S. Patent No.5, 181, 549 (January 26,1993)]。其制备的一般方法是：在密闭的容器中熔化金属，同时充入高压氢气、氮气或氧气等[Hyun S K, Nakajima H. Mater Let, 2003, 57: 3149－3154；Hyun S K， Nakajima H. Mater Trans, 2002, 43(3):526－531]，使气体溶入熔化的金属液中，当气体在金属中的溶解达到饱和时，将金属液注入可形成单向传热条件的铸型中，利用气体在金属固态和液态时的溶解度差，使气体在定向凝固时连续析出而形成藕状连续多孔，获得藕状多孔金属材料。但是，此种方法的设备较为复杂，要求耐高温耐高压，投资大；工艺操作复杂，生产效率较低，并且由于高压气体（尤其是氢气和氧气）的存在而具有一定的危险性；在制备低热导率的金属（如不锈钢）时，气孔容易合并、长大而导致气孔均匀性差，因而不适于低热导率金属藕状多孔材料的制备。（2）区域熔化共晶定向凝固法[Ikeda T, Tsukamoto M, Nakajima H. Mater Trans, 2002, 43(11):2678－2684]。该方法的原理是在充满高压气体（氢气、氮气等）的密闭容器内，采用高频感应线圈加热使金属棒区域熔化后立即移出线圈，并在移出线圈的一端吹风强制冷却，使熔化部分凝固，在凝固的同时形成藕状多孔。虽然该种方法可以制备气孔比较均匀的低热导率的藕状多孔金属材料，但该种方法存在的主要问题是：① 设备投资大、控制复杂、生产成本较高；② 由于受冷却方式和熔化方式的限制，该方法不适合制备直径较大的藕状多孔金属材料。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提出一种多孔材料制备新方法，即在大气条件下，将金属熔化后铸入内壁涂有含水涂层的铸型中，同时在铸型中建立定向凝固条件，熔化金属与含水涂层中的水发生原位反应，生成氢原子而溶入金属液中，并在金属液随后的定向凝固过程中由于溶解度差而析出，从而获得藕状多孔金属的利用原位反应析出原理的藕状多孔金属材料制备方法及装置。

本发明的技术方案是：一种藕状多孔金属材料的原位反应析出制备装置，该装置的组成包括熔炼部分和设置于所述熔炼部分下端的结晶部分；

熔炼部分包括：导流槽、塞棒、塞棒升降机构、测温系统、炉盖、加热装置、坩埚、炉体和导流管；

结晶部分包括水冷结晶器底座，铸模和固定装置；

其中，所述铸模通过所述固定装置安装在所述水冷结晶器底座上，所述水冷结晶器底座一端设有冷却水入口，另一端设有冷却水出口，所述导流管设置在所述铸模的垂直上方，所述导流管的另一端与安装于所述炉体内的所述坩埚底部联通，所述塞棒置于所述坩埚内，且与所述导流管位于同一轴线上，所述塞棒升降机构与所述塞棒上端固接，带动所述塞棒上下升降，所述坩埚的四周设有所述加热装置，所述炉盖设置在所述坩埚的上端，所述测温系统安装在所述炉盖上，所述导流槽设置所述炉体的顶端，一端与所述坩埚连接。

进一步，所述铸模材质为不锈钢、陶瓷或石墨。

本发明的另一目的是提供采用上述装置的藕状多孔金属材料的原位反应析出制备工艺，具体包括以下步骤：

步骤1：将金属材料置于所述坩埚炉中，通过塞棒升降机构驱动塞棒将所述坩埚底部的导流槽上端紧密接触连接，打开测温系统，设定熔炼温度为（1.02～1.31）T_m，启动加热装置对所述坩埚内的金属材料加热，其中，T_m为金属熔点；

步骤2：将混合均匀的含水涂层均匀涂覆在所述铸模的内壁上，并将所述铸模通过固定装置固定在设有水冷结晶器底座上，调节水冷结晶器底座中的冷却水的流量为4～20L/min；

步骤3：当测温系统监测到所述坩埚内的金属液的温度达到设定温度后，通过塞棒升降机构驱动塞棒升起，将坩埚内的金属液通过导流管浇铸到所述铸模中，进行定向凝固，金属液与铸模内壁涂覆的含水涂层中所载有的水分发生反应，生成氢原子并溶入金属液中，在定向凝固时，由于溶解度降低，氢又重新析出，气孔和金属随着凝固的进行不断生长，从而获得藕状金属多孔材料。

进一步，所述步骤1中为防止金属材料的活泼金属在空气中燃烧，在金属材料上覆盖厚度为10～30mm的覆盖剂。

进一步，所述含水涂层为水基粘结剂或水基粘结剂与耐火材料粉的混合物；其中，所述耐火材料粉为高熔点陶瓷粉，如氧化铝、氧化锆、氧化镁，所述水基粘结剂为有机粘结剂、如淀粉水溶液或无机粘结剂，如硅胶或硅酸钠。

本发明的优点在于：

（1）该方法在大气环境中即可实现藕状多孔金属材料的制备，无需在高压气体的环境中进行，制备过程安全性高，对环境友好；

（2）制备设备简单，生产成本低；

（3）工艺操作简单，生产效率高，容易实现生产的连续化和自动化；

（4）制备出的产品具有长而直的气孔，产品质量较好。

附图说明

图1为本发明藕状多孔金属材料的原位反应析出制备装置的结构示意图。

图中：1.导流槽；2.覆盖剂；3.塞棒；4.塞棒升降机构；5.测温系统；6.炉盖；7.加热装置；8.坩埚；9.炉体；10.金属液；11.导流管；12.铸模；13.金属溶液；14.多孔金属材料；15.水冷结晶器底座；16.冷却水出口；17.冷却水入口；18.铸模固定装置；19.含水涂层。

具体实施方法

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明一种藕状多孔金属材料的原位反应析出制备装置，该制备装置的组成包括熔炼部分和设置于所述熔炼部分下端的结晶部分；

熔炼部分包括：导流槽1、塞棒3、塞棒升降机构4、测温系统5、炉盖6、加热装置7、坩埚8、炉体9和导流管11；

结晶部分包括水冷结晶器底座15，铸模12和固定装置18；

其中，所述铸模12通过所述固定装置18安装在所述水冷结晶器底座15上，所述水冷结晶器底座15一端设有冷却水入口17，另一端设有冷却水出口16，所述导流管11设置在所述铸模12的垂直上方，所述导流管11的另一端与安装于所述炉体9内的所述坩埚8底部联通，所述塞棒3置于所述坩埚8内，且与所述导流管11位于同一轴线上，所述塞棒升降机构4与所述塞棒3上端固接，带动所述塞棒3上下升降，所述坩埚8的四周设有所述加热装置7，所述炉盖6设置在所述坩埚8的上端，所述测温系统5安装在所述炉盖6上，所述导流槽1设置所述炉体9的顶端，一端与所述坩埚8连接。

实施例1

步骤1：将金属镁锭置于所述坩埚炉8中，为防止镁在空气中燃烧，熔化时在坩埚中加入MgCl₂为主体的镁合金专用覆盖剂，覆盖厚度为10mm,通过塞棒升降机构4驱动塞棒3将所述坩埚8底部的导流管11上端紧密接触连接，打开测温系统5，设定熔炼温度为660℃，启动加热装置7对所述坩埚8内的金属材料加热；

步骤2：将以Al₂O₃粉末4g、水玻璃溶液7ml（摩尔浓度为2mol/L）为原料混合均匀的含水涂层，均匀涂覆在Al₂O₃铸模内壁上；涂层厚度约1.5mm，再将铸模12通过固定装置18固定在水冷结晶器底座15上，给水冷结晶器底座15中的通入20℃自来水，水流量为4L/min；

步骤3：当测温系统5监测到所述坩埚8内的金属液的温度达到660℃后，通过塞棒升降机构4驱动塞棒3升起，将坩埚8内的金属液通过导流管11浇铸到所述铸模12中，进行定向凝固，金属液与铸模12内壁涂覆的含水涂层中所载有的水分发生反应，生成氢原子并溶入金属液中，在定向凝固时，由于溶解度降低，氢又重新析出，气孔和金属随着凝固的进行不断生长，从而获得藕状金属多孔材料，所制备样品的孔隙率为40％，气孔平均孔径为1.5mm。

实施例2

制备过程同实施例1，将浇铸温度改变为850℃，铸型材料改变为不锈钢，水流量为20L/min其余条件同实施例1。

该实例所制备样品的孔隙率为55％，气孔平均孔径为2.3mm。

Claims

1.一种藕状多孔金属材料的原位反应析出制备装置的原位反应析出制备工艺，该制备装置的组成包括熔炼部分和设置于所述熔炼部分下端的结晶部分；

熔炼部分包括：导流槽（1）、塞棒（3）、塞棒升降机构（4）、测温系统（5）、炉盖（6）、加热装置（7）、坩埚（8）、炉体（9）和导流管（11）；

结晶部分包括水冷结晶器底座（15），铸模（12）和固定装置（18）；

其中，所述铸模（12）通过所述固定装置（18）安装在所述水冷结晶器底座（15）上，所述水冷结晶器底座（15）一端设有冷却水入口（17），另一端设有冷却水出口（16），所述导流管（11）设置在所述铸模（12）的垂直上方，所述导流管（11）的另一端与安装于所述炉体（9）内的所述坩埚（8）底部联通，所述塞棒（3）置于所述坩埚（8）内，且与所述导流管（11）位于同一轴线上，所述塞棒升降机构（4）与所述塞棒（3）的上端固接，带动所述塞棒（3）上下升降，所述坩埚（8）的四周设有所述加热装置（7），所述炉盖（6）设置在所述坩埚（8）的上端，所述测温系统（5）安装在所述炉盖（6）上，所述导流槽（1）设置所述炉体（9）的顶端，一端与所述坩埚（8）连接；所述铸模（12）材质为不锈钢或陶瓷或石墨；其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：将金属材料置于所述坩埚（8）中，通过塞棒升降机构（4）驱动塞棒（3）将所述坩埚（8）底部的导流管（11）上端紧密接触连接，打开测温系统（5），设定熔炼温度为（1.02～1.31）T_m，启动加热装置（7）对所述坩埚（8）内的金属材料加热，其中，T_m为金属熔点；

步骤2：将混合均匀的含水涂层均匀涂覆在所述铸模（12）的内壁上，并将所述铸模（12）通过固定装置（18）固定在水冷结晶器底座（15）上，所述水冷结晶器底座（15）中的通入冷却水的流量为4～20L/min；

步骤3：当测温系统（5）监测到所述坩埚（8）内的金属液的温度达到设定温度后，通过塞棒升降机构（4）驱动塞棒（3）升起，将坩埚（8）内的金属液通过导流管（11）浇铸到所述铸模（12）中，进行定向凝固，金属液与铸模（12）内壁涂覆的含水涂层中所载有的水分发生反应，生成氢原子并溶入金属液中，在定向凝固时，由于溶解度降低，氢又重新析出，气孔和金属随着凝固的进行不断生长，从而获得藕状金属多孔材料。

2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述步骤1中为防止金属材料的活泼金属在空气中燃烧，在金属材料上覆盖厚度为10～30mm的覆盖剂。

3.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述含水涂层为水基粘结剂或水基粘结剂与耐火材料粉的混合物；其中，所述耐火材料粉为高熔点陶瓷粉，所述水基粘结剂为有机粘结剂或无机粘结剂。