CN103898347A - 藕状多孔金属的制备装置和制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种藕状多孔金属的制备装置，其包括：一炉体，包括中心炉体和下炉盖；一绝热型腔，该绝热型腔设置于所述中心炉体的内部；一加热体，该加热体设置于所述绝热型腔，该加热体以及所述绝热型腔将所述炉体分成加热室和冷却室；一坩埚，该坩埚用于装载待熔炼金属；一抽拉单元，该抽拉单元用于控制所述坩埚位于所述加热室或冷却室。另外，本发明还提供一种利用如上所述藕状多孔金属制备装置制备藕状多孔金属的方法。

Description

藕状多孔金属的制备装置和制备方法

技术领域

本发明涉及一种藕状多孔金属的制备装置以及制备方法，尤其涉及一种无浇注过程制备藕状多孔金属的装置以及方法。

背景技术

Gasar工艺是利用金属-气体共晶定向凝固制备气孔规则排列的多孔材料的一种工艺。因制备出的多孔材料与藕根类似被日本学者称作藕状（Lotus-type）多孔材料。藕状多孔材料因其孔分布比传统多孔材料更加规则。故其除具有传统多孔材料轻质、吸音降噪和过滤等性能，还具有其特殊的力学和热学性能特点。尤其是藕状多孔铜作为一种特殊的微通道结构，具有比传统微槽道结构更优异的散热性能，使其在高功率电子器件如高性能CPU以及LED的散热领域具有巨大的应用前景。

藕状多孔金属可通过多种定向凝固工艺来实现，主要有连铸法和模铸法。例如生产藕状多孔铜，连铸法可以生产较长尺寸的棒状或板状的藕状多孔铜，但径向或厚度方向尺寸较小，且热量主要通过试样侧向散失，因此斜向试样中心生长，最终造成气孔平直性较差且通孔率低，较难满足微通道热沉应用的要求。相比之下，模铸法因更容易获得定向凝固的条件，在制备气孔平直性好的优质藕状多孔铜更具优势。另外，模铸法工艺过程简单且可一次性制备大尺寸的圆柱形铸锭，制备成本低。然而，传统模铸法工艺中金属的熔化和定向凝固分别在坩埚和铸型中进行，因此需要有浇铸的过程，相应的装置也称为双室Gasar装置。而浇铸过程对铸锭的表面质量和气孔分布均匀性有如下不利影响。第一，浇铸过程带来的熔体搅动会影响凝固界面前沿温度场和浓度场的分布，进而影响气孔的稳态生长，最终可能导致相邻气孔的合并甚至气孔生长中断、甚至使气孔非定向生长；第二，浇铸时由于结晶器的激冷作用，导致与结晶器接触的铸锭底面粗糙不平，铸件和铸型之间存在气隙，从而导致凝固过程传热不均，影响气孔稳态生长，使气孔孔径和分布不均匀。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种藕状多孔金属的制备装置和制备方法，以实现制备方法无浇铸过程，生产出的藕状多孔金属气孔定向生长，气孔孔径和分布均匀的效果。

一种藕状多孔金属的制备装置，其包括：一炉体，包括中心炉体和下炉盖；一绝热型腔，该绝热型腔设置于所述中心炉体的内部；一加热体，该加热体设置于所述绝热型腔，该加热体以及所述绝热型腔将所述炉体分成加热室和冷却室；一坩埚，该坩埚用于装载待熔炼金属；一抽拉单元，该抽拉单元用于控制所述坩埚位于所述加热室或冷却室。

一种利用如上所述藕状多孔金属的制备装置制备藕状多孔金属的方法，该方法包括以下步骤：将待熔炼金属放入所述坩埚中，并通过控制所述抽拉单元使所述坩埚位于所述加热室；利用真空系统将炉内抽真空；通过加热体对所述待熔炼金属进行加热，待该待熔炼金属熔化并加热至预定温度后停止抽真空；利用充气系统向炉内充气体至预定压力，然后保温至该气体完全溶解于金属熔体中；控制抽拉单元使所述坩埚以一定速率下降至所述冷却室；开启藕状多孔金属制备装置，取出所述藕状多孔金属。

与现有技术相比较，利用本发明提供的藕状多孔金属的制备装置制备藕状多孔金属的方法，由于金属熔化和定向凝固过程均在同一石墨坩埚内完成，所以无需浇铸过程，能有效的避免由浇铸带来的不利影响。即生产出的藕状多孔金属气孔定向生长，气孔孔径和分布均匀。

附图说明

图1是本发明实施例提供的藕状多孔金属的制备装置装料或取料状态的示意图。

图2是本发明实施例提供的藕状多孔金属的制备装置加热前或凝固状态的示意图。

图3是本发明实施例提供的藕状多孔金属制备装置加热时状态的示意图。

主要元件符号说明

藕状多孔金属的制备装置	10
		炉体	11
绝热型腔	12
		加热体	13
坩埚	14
		抽拉单元	15
中心炉体	110
		下炉盖	111
卡环	112
		绝热壁	120
翻板	121
		凸台	122
定位销	123
		轴	124
托耳	140
		通孔	141
卡槽	142
		冷却结晶器	150
拉杆	151
		进气通道	1100
排气通道	1101
		底部	1130
定位柱	1500

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例，对本发明提供的藕状多孔金属的制备装置和制备方法作进一步的详细说明。

请参阅图1至图3，本发明实施例提供一种藕状多孔金属的制备装置10，该藕状多孔金属的制备装置10是一种新的无浇注过程制备藕状多孔金属的模铸设备。

所述藕状多孔金属的制备装置10包括炉体11、绝热型腔12、加热体13、坩埚14以及抽拉单元15。

所述炉体11为一个空心圆柱体，该炉体11由耐高温、耐高压的结构钢材料构成，如奥氏体不锈钢等。在本实施例中，该炉体11是高为1700mm，直径为800mm的空心结构钢圆柱体。该炉体11包括中心炉体110、下炉盖111和卡环112。所述下炉盖111和中心炉体110的开合由卡环112的松开和锁紧实现。所述炉体11的炉壁内设置有循环管路（图未示），该循环管路中通入液体工作介质可以为所述炉体11散热。所述下炉盖111可以由机械系统（图未示）控制，通过该机械系统实现下炉盖111的升降运动和旋转运动。当需要装料或取样时，通过机械系统控制所述下炉盖111旋转使卡环112松开，再通过机械系统控制下炉盖111下降，与中心炉体110分离。装料或取样完成后，通过机械系统控制下炉盖111上升，下炉盖111与中心炉体110接触后再通过机械系统控制下炉盖111旋转使卡环112锁紧。从而中心炉体110与下炉盖111紧密闭合，使炉内为一密封空间。

所述中心炉体110的侧壁上部设置两个通孔（图未标示）。所述下炉盖底部1130的中心设置有孔(图未标示)，该孔与所述抽拉单元15配合，并用密封圈（图未示）进行密封。

所述绝热型腔12置于中心炉体110的内部并紧贴所述中心炉体110的内壁。为加热区域提供绝热的独立空间，并为加热体13，坩埚14提供支撑。所述绝热型腔12由绝热壁120、翻板121、凸台122以及定位销123构成。所述绝热壁120和翻板121由保温隔热材料组成，在本实施例中，由ZS-1耐高温隔热保温涂料材料组成。所述凸台122由耐高温材料组成，在本实施例中，由三高石墨组成。所述定位销123由耐高温材料组成，在本实施例中，由钼组成。

所述绝热壁120对应所述炉体侧壁的两个通孔处设置有两个通孔（图未标示），该两个通孔分别与所述中心炉体侧壁上的两个通孔连通，形成进气通道1100和排气通道1101。所述进气通道1100可以通过气阀（图未示）连接充气系统（图未示），该充气系统由气瓶，压力表构成。所述排气通道1101可以通过气阀（图未示）连接真空系统（图未示），该真空系统由机械泵，扩散泵构成。所述绝热型腔12的内部有热电偶测量炉内温度。炉体11工作的压力范围为1x10^-2Pa至1.5x10⁶Pa，温度范围为10℃至1400℃。

所述绝热壁120的底部具有一开口1200，该开口1200周边形成有两个对称设置的凸台122，该凸台122上分别设置有定位销123，用于支撑坩埚14，两定位销123以轴对称方式分布。所述翻板121通过轴124旋转连接于所述绝热壁120的底部下表面，通过轴124与电机（图未示）连接，可以实现所述翻板121的开合。通过控制电机可以使所述翻板121盖住所述开口1200，形成绝热型腔12，也可以通过控制电机使所述翻板121打开，露出所述开口1200。

所述加热体13由多个石墨电阻片构成，各个石墨电阻片通过串联的方式竖直的环绕于所述绝热型腔12的内部，形成一加热室。所述炉体内部除加热室其余的空间为冷却室，也就是说，所述下炉盖111和所述翻板121等构成的空间为冷却室。本实施例中，该加热体13由十二个长度为485mm，宽度为40mm，厚度为12mm的石墨电阻片构成。当然，所述加热体13并不限于该种材料和结构，凡是能够实现加热功能的加热器件均可。

所述坩埚14的材料为三高石墨，该坩埚14的外周有一对对称的托耳140，每个托耳140上分别有一个通孔141，并能与绝热型腔12内的定位销123相配合。即，所述绝热型腔12内的定位销123插入到所述坩埚托耳140的通孔141，用于托住所述坩埚14。也就是说，所述坩埚14被支撑于所述凸台122。所述坩埚两个托耳140的通孔141之间的间距与所述两个定位销123之间的间距一致。本实施例中，两个托耳140的通孔141之间的间距为250mm。所述坩埚14的外周与两个托耳140的连线垂直的位置上相对设置有两个卡槽142。所述坩埚14的高为300mm，直径为150mm。可以理解，该坩埚14的大小可以根据绝热型腔12的大小以及要制备的藕状多孔金属的大小来选择。

所述抽拉单元15包括冷却结晶器150和拉杆151。所述冷却结晶器150为内部具有液体循环管路的铜盘，该冷却结晶器150的表面相对设置有两个定位柱1500，该两个定位柱1500之间的间距与所述坩埚14的两个卡槽142之间的间距相等。所述拉杆151内部设置有液体循环管路，且该拉杆151固定于所述冷却结晶器150。以使所述所述抽拉单元15可以做升降运动以及旋转运动。所述抽拉单元15可以使坩埚14位于所述冷却结晶器150上且带动该坩埚14做升降运动以及旋转运动，所谓的升降运动是指抽拉单元15可以使所述坩埚14位于所述加热室或冷却室，所谓的旋转运动是指抽拉单元15可以使所述坩埚14相对所述凸台122做旋转运动。

具体的，该抽拉单元15进一步包括液压机、伺服电机及相关机械机构，该相关机械结构由丝杆、轴承和齿轮等组成。所述液压机控制冷却结晶器150的旋转，所述伺服电机为所述冷却结晶器150的上升及下降提供动力。所述抽拉单元15的拉杆151设置于所述下炉盖底部1130的孔处，并通过密封圈密封，以确保所述绝热型腔12的密封性。

本发明实施例提供一种利用所述藕状多孔金属的制备装置10制备藕状多孔铜的方法。当然，并不限于藕状多孔铜，也可以为其他的金属。

利用所述藕状多孔金属的制备装置10制备藕状多孔铜的方法包括以下步骤：

（1）调整状态：首先调整所述藕状多孔金属制备装置10为初始状态，即，使所述下炉盖111与所述中心炉体110分离，并使所述抽拉单元15位于所述冷却室。

（2）装料：将铜放入坩埚14中，并使所述冷却结晶器150的定位柱1500与所述坩埚14的卡槽142配合，将该坩埚14固定于所述冷却结晶器150上。之后使下炉盖111上升并锁紧卡环112，当下炉盖111与中心炉体110紧密闭合后，控制抽拉单元15使所述冷却结晶器150托着坩埚14上升，此时坩埚14两侧托耳140的位置与绝热型腔12内的定位销123的位置呈一定角度，互不干涉，当坩埚14上升至两个托耳140略高于所述定位销123时，控制抽拉单元15使所述冷却结晶器150托着坩埚14旋转，使坩埚14两侧托耳140内的通孔141与所述定位销123对齐，此时控制抽拉单元15使所述冷却结晶器150下降，让坩埚14两侧托耳140内的通孔141与所述定位销123相互配合，控制抽拉单元15使所述冷却结晶器150继续下降直至降至所述下炉盖111底部。然后控制所述翻板121上翻，使该翻板121盖住所述开口1200，闭合绝热型腔12。此时所述坩埚14由定位销123托于加热室。

(2)抽真空：利用真空系统通过排气通道1101将炉内真空降至5x10^-1Pa以下。

(3)加热：开启炉体内部循环工作介质后，给所述加热体13通电，加热体13开始逐步对坩埚14及其内部的铜进行加热，待铜完全熔化并加热至预定温度后，停止抽真空。该预定温度一般为1084℃~1400℃之间，过热度越高最终所获得的藕状多孔铜的气孔孔径及气孔率越大。

(4)充溶质气体：利用充气系统通过进气通道1100向炉内充溶质气体至预定压力，不同压力条件下所获得的藕状多孔铜气孔孔径及气孔率不同，压力值需根据实际所需的结构参数确定。所述溶质气体一般为氢气或者氩气，本实施例中，充的是氢气。然后保温一定时间，至溶质气体氢气完全溶解于铜熔体中，铜锭质量为6kg时，该保温时间一般为2个小时。

(5)凝固：到达保温时间后，打开所述翻板121，使冷却结晶器150上升并使该冷却结晶器150的定位柱1500与所述坩埚14的卡槽142配合，使所述坩埚14脱离所述定位销123，然后旋转所述冷却结晶器150，使所述坩埚14与所述定位销123不发生干涉，之后按设定拉速下拉所述冷却结晶器150使所述坩埚14下降至所述冷却室，一般下拉速率在大于0mm/s且小于等于10mm/s范围变动。此时，由于溶质气体氢气在铜固液两相中溶解度不一致，铜中多余的溶质气体氢气会随着铜的凝固而析出，产生气泡，又因为铜唯有底端与冷却结晶器150接触，使铜由底端向顶端定向凝固，从而产生沿凝固方向定向排布的气孔。当下拉至所述下炉盖111的底部1130后关闭所述加热体13的加热电源，停止加热。由于所述冷却结晶器150和拉杆151内部设置有液体循环管路，所以，通入液体工作介质即可对所述坩埚14以及坩埚14内的铜进行冷却。

(6)取样：当炉温降至室温时，打开气阀放气至炉内外气压达到平衡后，通过控制卡环112开启所述下炉盖111，取出藕状多孔铜。该藕状多孔铜内部拥有大量平行排布且内壁光滑的圆柱形孔，平均孔径可通过改变制备工艺参数而控制在0到1毫米之间，从横截面视角看，布满了细小的圆孔，面孔隙率即全部圆孔面积占横截面积的比例在40%左右，比表面积巨大。

可以理解，当利用所述藕状多孔金属的制备装置10制备其他的藕状多孔金属时，所涉及到的参数会依据所述金属材料以及对要制备的藕状多孔金属的要求来调整。

利用本发明实施例提供的藕状多孔金属的制备装置制备藕状多孔金属的方法，由于金属熔化和定向凝固过程均在同一石墨坩埚内完成，所以无需浇铸过程，能有效的避免由浇铸带来的不利影响。即生产出的藕状多孔金属气孔定向生长，气孔孔径和分布均匀。该装备装置中炉体被绝热型腔和加热体分为加热室和冷却室。当待熔炼金属在加热室达到了相应的保温温度和保温时间后以一定的抽拉速率将坩埚由加热室下拉到冷却室。该方法能通过改变坩埚的抽拉速率来改变凝固条件，实现对铸锭凝固速率的调控，给优质藕状多孔金属的制备带来了便利。

另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种藕状多孔金属的制备装置，其包括：

一炉体，包括中心炉体和下炉盖；

一绝热型腔，该绝热型腔设置于所述中心炉体的内部；

一加热体，该加热体设置于所述绝热型腔，该加热体以及所述绝热型腔将所述炉体分成加热室和冷却室；

一坩埚，该坩埚用于装载待熔炼金属；

一抽拉单元，该抽拉单元用于控制所述坩埚位于所述加热室或冷却室。

2.如权利要求1所述的藕状多孔金属的制备装置，其特征在于，所述绝热型腔包括绝热壁和翻板，该绝热壁的底部具有一开口，所述翻板旋转连接于所述绝热壁底部，通过控制所述翻板的旋转可以使该翻板盖住所述开口或露出所述开口。

3.如权利要求2所述的藕状多孔金属的制备装置，其特征在于，所述绝热型腔进一步包括两个对称设置的凸台和两个定位销，该凸台形成在所述开口周边，所述定位销位于所述凸台，该凸台和定位销用于支撑所述坩埚使该坩埚位于所述加热室。

4.如权利要求3所述的藕状多孔金属的制备装置，其特征在于，所述坩埚的外周有一对对称的托耳，每个托耳上分别有一个通孔，该通孔用于与所述定位销配合。

5.如权利要求1所述的藕状多孔金属的制备装置，其特征在于，所述抽拉单元包括水冷结晶器和拉杆，该拉杆固定于所述水冷结晶器，该抽拉单元可以做升降运动和旋转运动，所述升降运动可以控制所述坩埚位于所述加热室或冷却室，所述旋转运动可以控制所述坩埚做旋转运动。

6.如权利要求5所述的藕状多孔金属的制备装置，其特征在于，所述水冷结晶器内部具有液体循环管路，所述拉杆内部设置有液体循环管路。

7.如权利要求1所述的藕状多孔金属的制备装置，其特征在于，所述加热体由多个石墨电阻片构成，各个石墨电阻片通过串联的方式竖直的环绕于所述绝热型腔的内部，形成加热室。

8.一种利用如权利要求1至7所述的藕状多孔金属制备装置制备藕状多孔金属的方法，该方法包括以下步骤：

将待熔炼金属放入所述坩埚中，并通过控制所述抽拉单元使所述坩埚位于所述加热室；

利用真空系统将炉内抽真空；

通过加热体对所述待熔炼金属进行加热，待该待熔炼金属熔化并加热至预定温度后停止抽真空；

利用充气系统向炉内充气体至预定压力，然后保温至该气体完全溶解于金属熔体中；

控制抽拉单元使所述坩埚以一定速率下降至所述冷却室；

开启藕状多孔金属制备装置，取出所述藕状多孔金属。

9.如权利要求8所述的制备藕状多孔金属的方法，其特征在于，所述一定速率为大于0mm/s小于等于10mm/s。

10.如权利要求8所述的制备藕状多孔金属的方法，其特征在于，在所述利用真空系统将炉内抽真空的步骤中，抽真空至5x10^-1Pa以下。

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