CN105039770A - 一种利用定向凝固技术制备多孔金属材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用定向凝固技术制备多孔金属材料的方法，具体为：将添加有增稠剂的金属粉末和氯化盐粉末熔融混合为金属浆料，将金属浆料在模具中经定向凝固、快速冷却，得到凝固的金属和凝固的氯化盐的混合体；去除混合体中的氯化盐，并烘干得到多孔金属材料。本发明通过定向凝固技术和铸造成型的结合，获得孔隙呈定向排列、具有一定孔径大小的多孔结构的多孔金属材料，其孔隙大小可控，且均匀，定向的多孔结构提高了多孔金属的机械强度，金属从液态到固态的相变成型，使得孔壁更加密实，赋予了多孔金属更优的力学性能，同时制备工艺简单，生产效率高，在航空航天、过滤材料、催化剂载体、多孔电极、换热器和阻燃器等领域有广阔的应用前景。

Description

一种利用定向凝固技术制备多孔金属材料的方法

技术领域

本发明属于多孔材料制备技术领域，涉及一种利用定向凝固技术制备多孔金属材料的方法。

背景技术

多孔金属材料是一种具有优异物理特性和良好力学性能的新型工程材料，即各种形貌的孔洞分布于金属基体中，将金属相分割成为小单元。它兼有连续金属相和分散气体相的特点。多孔金属材料具有低的密度，高的孔隙率，大的比表面积，并且可有选择地透过流体，还有优良的吸声、吸能性能，优异的热物理性能及高的阻尼性能。因而它的应用遍及汽车、建筑、化学、航空航天、军事工业等领域，可被用作减震器、缓冲器、吸能器、过滤器、流体透过器、热交换器、灭火器、发动机的排气消声器、催化剂载体、多孔金属电极、火箭鼻锥及尾翼的冷却发汗材料、水下潜艇的消音器等。所以，研发出有特定孔形、孔径、孔隙的新型多孔金属材料具有广泛的应用前景和重要的意义。

中国专利《一种无需增粘熔体发泡法制备小孔径泡沫铝的工艺》(申请号：201410015998.2，公开号：103757459，公开日：2014-04-30)公开了一种熔体发泡法制备小孔径泡沫铝的新工艺，以碳酸钙为发泡剂，通过Mg、Al和CaCO₃三者之间的反应生成的气体来使熔体发泡，反应生成的氧化物可提高熔体的粘度，获得孔隙率为50.0％-85.0％，平均孔径在1.0-2.0mm左右的泡沫铝样品。该工艺无需增粘，简化了生产过程，但是生产的泡沫铝材料纯度低，且形成大量闭孔。

中国专利《多孔金属材料及制备方法》(申请号：201110051386.5，公开号：102094225A，公开日：2011-06-15)公开了一种多孔金属，主要是在基体导电化后和电沉积前对基体进行纵横双向拉伸，随后在硫酸盐体系中进行电沉积和热处理，得到由金属构成骨架，具有三维网状通孔结构的多孔金属材料。该方法有效改善金属沉积均匀性、抗拉强度及延伸率，但是存在制备工艺相对复杂，成本较高，后续还原烧结过程样品翘曲大等缺点。

中国专利《藕状多孔铝的定向凝固制备方法》(申请号：201510030049.6，公开号：104593630A，公开日：2015-05-06)公开了一种藕状多孔铝的定向凝固制备方法，基于金属气体共晶定向凝固技术，将高纯度的电解铝放入真空定向凝固炉中，经过抽真空，再将电解铝加热至全部熔化。然后关掉真空，充入氢气或氢气和氩气混合气体到设定压力，保温一段时间，开始向下拉铸，制备出藕状多孔铝。制备出的多孔铝的孔率及孔径可由氢气压力和冷却速度来控制，孔隙可定向排列。但若工艺参数控制不严格，气泡会从液相中逸出；若温度和压力不协调，冷却将不经过低共熔点，会有不均匀细结构的副共熔相产生，导致多孔结构的均匀性较差。

中国专利《一种采用粉末冶金法制备多孔金属钼的方法》(申请号：201010532845.7，公开号：101988162A，公开日：2011-03-23)公开了一种采用粉末冶金法制备多孔金属钼的方法，将钼粉与造孔剂混合均匀，进行压制成型、粉末烧结，最后用去离子水清洗后，即制得多孔金属钼。获得的材料孔隙分布均匀，孔隙率可控，但是强度较低，同时难以控制烧结过程中造孔剂分解逸出对材料结构的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用定向凝固技术制备多孔金属材料的方法，解决了现有多孔金属材料孔隙尺寸和分布不均匀、强度不高，其制备方法难控制多孔金属材料孔隙的尺寸及分布、且工艺复杂、成本较高的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种利用定向凝固技术制备多孔金属材料的方法，具体按以下步骤实施：

步骤1，制备金属浆料：

取金属粉末和氯化盐粉末，将增稠剂加入金属粉末和氯化盐粉末中，加热金属粉末和氯化盐粉末至熔融态，均匀混合，得到金属浆料；

步骤2，定向凝固：

将步骤1得到的金属浆料注入模具中，将模具底部置于冷却平台上进行冷却，得到熔融态的金属和凝固的氯化盐的混合体；

步骤3，快速冷却：

将步骤2中装有熔融态的金属和凝固的氯化盐的混合体的模具放置于烘箱中快速冷却，金属经冷却凝固，得到凝固的金属和凝固的氯化盐的混合体；

步骤4，去除氯化盐：

将步骤3得到的凝固的金属和凝固的氯化盐的混合体用去离子水进行清洗，去除氯化盐，然后烘干，即得多孔金属材料。

本发明的特点还在于，

步骤1中金属粉末和氯化盐粉末的体积百分比为：金属粉末10％～40％，氯化盐粉末90％～60％，上述组分体积百分比之和为100％，增稠剂的用量占金属粉末和氯化盐粉末两者总质量的4％～16％。

步骤1中金属为铝、镁、锌、锡或它们的合金中的任意一种；氯化盐为氯化钠、氯化钾、氯化钙、氯化钡中的任意一种；增稠剂为CaO、MnO₂、Al₂O₃颗粒、SiC颗粒、粉煤灰中的任意一种或任意几种的混合。

步骤1中加热温度为800℃～950℃，加热时间为2～4h。

步骤2中冷却温度为250℃～750℃，冷却时间为2～5h。

步骤2中模具为由传热耐高温材质组成、侧面包裹保温材料的圆柱形模具，冷却平台材质为铜板。

模具的传热耐高温材质为石墨，侧面包裹保温材料为酚醛泡沫。

步骤3中快速冷却温度为0℃～200℃，冷却时间为2～5h。

步骤4中清洗时间为30～60min，烘干温度为60℃～120℃，烘干时间为4～10h。

本发明的有益效果是，发明一种利用定向凝固技术制备多孔金属材料的方法，通过定向凝固技术和铸造成型的结合，获得孔隙呈定向排列、具有一定孔径大小的多孔结构的多孔金属材料，其孔隙大小可控，且均匀，定向的多孔结构提高了多孔金属的机械强度，金属从液态到固态的相变成型，使得孔壁更加密实，赋予了多孔金属更优的力学性能，同时制备工艺简单，生产效率高，在航空航天、过滤材料、催化剂载体、多孔电极、换热器和阻燃器等领域有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例1制备的多孔金属铝材料的纵截面形貌示意图。

图中，1.金属，2.由氯化盐留下的定向多孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种利用定向凝固技术制备多孔金属材料的方法，具体按以下步骤实施：

步骤1，制备金属浆料：

按体积百分比分别取金属粉末10％～40％，氯化盐粉末90％～60％，上述组分体积百分比之和为100％。称取增稠剂加入金属粉末和氯化盐粉末中，增稠剂的用量占金属粉末和氯化盐粉末两者总质量的4％～16％。

在800～950℃下加热所有粉末2～4h至熔融态，均匀混合，得到金属浆料。

其中金属为铝、镁、锌、锡或它们的合金中的任意一种；氯化盐为氯化钠、氯化钾、氯化钙、氯化钡中的任意一种；增稠剂为CaO、MnO₂、Al₂O₃颗粒、SiC颗粒、粉煤灰等中的任意一种或任意几种的混合。

步骤2，定向凝固：

将步骤1得到的金属浆料注入由传热耐高温材质组成、侧面包裹保温材料的圆柱形模具中，然后将注入浆料的模具底部置于温度为250℃～750℃的冷却平台上，冷却2～5h，使得氯化盐定向凝固，金属仍处于熔融态，得到熔融态的金属和凝固的氯化盐的混合体。

其中模具的传热耐高温材质为石墨，侧面包裹保温材料为酚醛泡沫。其中冷却平台材质为铜板

步骤3，快速冷却：

将步骤2中的模具侧面包裹的保温材料去掉，将装有熔融态的金属和凝固的氯化盐的混合体的模具放置于温度为0℃～200℃的烘箱中快速冷却2～5h，金属经冷却凝固，得到凝固的金属和凝固的氯化盐的混合体。

步骤4，去除氯化盐：

将步骤3得到的凝固的金属和凝固的氯化盐的混合体在超声波清洗器中用去离子水进行清洗，溶去氯化盐，清洗时间为30～60min，金属不溶于水，氯化盐得到去除，然后在60～120℃下烘干4～10h，即得多孔金属材料。

本发明一种利用定向凝固技术制备多孔金属材料的方法，通过定向凝固技术和铸造成型的结合，获得孔隙呈定向排列、具有一定孔径大小的多孔结构的多孔金属材料，其孔隙大小可控，且均匀，定向的多孔结构提高了多孔金属的机械强度，金属从液态到固态的相变成型，使得孔壁更加密实，赋予了多孔金属更优的力学性能，同时制备工艺简单，生产效率高，在航空航天、过滤材料、催化剂载体、多孔电极、换热器和阻燃器等领域有广阔的应用前景。

实施例1

制备定向多孔金属铝材料

按体积百分比分别取40％金属铝粉末和60％氯化钠粉末，称取金属铝粉末和氯化钠粉末总质量4％的CaO颗粒放入金属铝粉末和氯化钠粉末中，在850℃下加热2h金属铝粉末和氯化钠粉末至熔融态，均匀混合，得到金属铝浆料；

将上述金属铝浆料注入由石墨组成、侧面包裹酚醛泡沫的圆柱形模具中，然后将注入浆料的模具底部置于温度为700℃的冷却平台上2h进行冷却，使得氯化钠定向凝固，金属铝仍处于熔融态，得到熔融态的金属铝和凝固的氯化钠的混合体；

将上述模具侧面包裹的酚醛泡沫保温材料去掉，将装有熔融态的金属铝和凝固的氯化钠的混合体的模具放置于温度为100℃的烘箱中快速冷却3h，金属铝经冷却凝固，得到凝固的金属铝和凝固的氯化钠的混合体；

然后将得到的凝固的金属铝和凝固的氯化钠的混合体在超声波清洗器中用去离子水进行清洗，溶去氯化钠，清洗时间为30min，金属铝不溶于水，氯化钠得到去除，然后在60℃下烘干10h，即得多孔金属铝材料。

实施例2

制备定向多孔镁材料

按体积百分比分别取30％金属镁粉末和70％氯化钾粉末，称取金属镁粉末和氯化钾粉末总质量8％的MnO₂颗粒放入金属镁粉末和氯化钾粉末中，在800℃下加热4h金属镁粉末和氯化钾粉末至熔融态，均匀混合，得到金属镁浆料；

将上述金属镁浆料注入由石墨组成、侧面包裹酚醛泡沫的圆柱形模具中，然后将注入浆料的模具底部置于温度为750℃的冷却平台上3h进行冷却，使得氯化钾定向凝固，金属镁仍处于熔融态，得到熔融态的金属镁和凝固的氯化钾的混合体；

将上述模具侧面包裹的酚醛泡沫保温材料去掉，将装有熔融态的金属镁和凝固的氯化钾的混合体的模具放置于温度为0℃的烘箱中快速冷却2h，金属镁经冷却凝固，得到凝固的金属镁和凝固的氯化钾的混合体；

然后将得到的凝固的金属镁和凝固的氯化钾的混合体在超声波清洗器中用去离子水进行清洗，溶去氯化钾，清洗时间为40min，金属镁不溶于水，氯化钾得到去除，然后在80℃下烘干8h，即得多孔金属镁材料。

实施例3

制备定向多孔金属锌材料

按体积百分比分别取20％金属锌粉末和80％氯化钠末，称取金属锌粉末和氯化钠粉末总质量12％的Al₂O₃颗粒放入金属铝粉末和氯化钠粉末中，在950℃下加热3h金属锌粉末和氯化钠粉末至熔融态，均匀混合，得到金属锌浆料；

将上述金属锌浆料注入由石墨组成、侧面包裹酚醛泡沫的圆柱形模具中，然后将注入浆料的模具底部置于温度为500℃的冷却平台上4h进行冷却，使得氯化钠定向凝固，金属锌仍处于熔融态，得到熔融态的金属锌和凝固的氯化钠的混合体；

将上述模具侧面包裹的酚醛泡沫保温材料去掉，将装有熔融态的金属锌和凝固的氯化钠的混合体的模具放置于温度为200℃的烘箱中快速冷却4h，金属锌经冷却凝固，得到凝固的金属锌和凝固的氯化钠的混合体；

然后将得到的凝固的金属锌和凝固的氯化钠的混合体在超声波清洗器中用去离子水进行清洗，溶去氯化钠，清洗时间为50min，金属锌不溶于水，氯化钠得到去除，然后在100℃下烘干6h，即得多孔金属锌材料。

实施例4

制备定向多孔铝镁合金材料

按体积百分比分别取10％铝镁合金粉末和90％氯化钠粉末，称取铝镁合金粉末和氯化钠粉末总质量16％的Al₂O₃颗粒放入金属铝粉末、金属镁粉末和氯化钠粉末中，在900℃下加热3h金属铝粉末、金属镁粉末和氯化钠粉末至熔融态，均匀混合，得到铝镁合金浆料(其中铝镁合金中，镁的质量分数为20％)；

将上述铝镁合金浆料注入由石墨组成、侧面包裹酚醛泡沫的圆柱形模具中，然后将注入浆料的模具底部置于温度为250℃的冷却平台上5h进行冷却，使得氯化钠定向凝固，铝镁合金仍处于熔融态，得到熔融态的铝镁合金和凝固的氯化钠的混合体；

将上述模具侧面包裹的酚醛泡沫保温材料去掉，将装有熔融态的铝镁合金和凝固的氯化钠的混合体的模具放置于温度为100℃的烘箱中快速冷却5h，铝镁合金经冷却凝固，得到凝固的铝铝合金和凝固的氯化钠的混合体；

然后将得到的凝固的铝镁合金和凝固的氯化钠的混合体在超声波清洗器中用去离子水进行清洗，溶去氯化钠，清洗时间为60min，铝镁合金不溶于水，氯化钠得到去除，然后在120℃下烘干4h，即得多孔铝镁合金材料。

本发明方法通过控制金属浆料中氯化盐的体积比例来控制多孔金属材料的孔隙率大小，通过控制冷却平台的温度来控制多孔金属材料的孔径大小。采用定向凝固技术，氯化盐沿着冷却方向凝固，最终获得的定向多孔金属材料具有沿冷却方向的直通孔。本发明中金属浆料经过在冷却平台上的冷却过程，氯化盐沿着与温度梯度相反的方向定向凝固，金属经铸造成型，通过溶剂溶解氯化盐的特点去除定向凝固的氯化盐，从而获得定向多孔结构。相比于粉末冶金，金属颗粒间通过烧结连接在一起，颗粒与颗粒之间存在空隙，使得制备出的材料强度不高，而本发明中金属是从液态直接变为固态相变成型的，因此孔壁较密实，材料强度较高。图1是本发明实施例1制备出的多孔金属铝材料纵截面形貌示意图，从图1中可看出，定向排列的直通孔和周围密实的金属孔壁构成了多孔金属材料。

将本发明实施例1、2、3和4制备得到的定向多孔金属材料的孔隙分布情况、孔隙率大小和力学性能进行列表说明，结果如下：

由上表可以看出本发明一种定向多孔金属材料的孔隙分布呈定向排列；孔隙率范围在48.7％～78.1％，孔隙率由金属浆料中氯化盐的体积比例来控制；抗压强度较高，定向的多孔结构及密实的孔壁有利于多孔金属材料力学性能的改善，使得定向多孔金属材料在航空航天、过滤材料、催化剂载体、多孔电极、换热器和阻燃器等领域有广阔的应用前景。

Claims (9)

1.一种利用定向凝固技术制备多孔金属材料的方法，其特征在于，具体按以下步骤实施：

步骤1，制备金属浆料：

取金属粉末和氯化盐粉末，将增稠剂加入金属粉末和氯化盐粉末中，加热金属粉末和氯化盐粉末至熔融态，均匀混合，得到金属浆料；

步骤2，定向凝固：

将步骤1得到的金属浆料注入模具中，将模具底部置于冷却平台上进行冷却，得到熔融态的金属和凝固的氯化盐的混合体；

步骤3，快速冷却：

将步骤2中装有熔融态的金属和凝固的氯化盐的混合体的模具放置于烘箱中快速冷却，金属经冷却凝固，得到凝固的金属和凝固的氯化盐的混合体；

步骤4，去除氯化盐：

将步骤3得到的凝固的金属和凝固的氯化盐的混合体用去离子水进行清洗，去除氯化盐，然后烘干，即得多孔金属材料。

2.根据权利要求1所述的一种利用定向凝固技术制备多孔金属材料的方法，其特征在于，步骤1中所述金属粉末和氯化盐粉末的体积百分比为：金属粉末10％～40％，氯化盐粉末90％～60％，上述组分体积百分比之和为100％，增稠剂的用量占金属粉末和氯化盐粉末两者总质量的4％～16％。

3.根据权利要求1所述的一种利用定向凝固技术制备多孔金属材料的方法，其特征在于，步骤1中所述金属为铝、镁、锌、锡或它们的合金中的任意一种；氯化盐为氯化钠、氯化钾、氯化钙、氯化钡中的任意一种；增稠剂为CaO、MnO₂、Al₂O₃颗粒、SiC颗粒、粉煤灰中的任意一种或任意几种的混合。

4.根据权利要求1所述的一种利用定向凝固技术制备多孔金属材料的方法，其特征在于，步骤1中所述加热温度为800℃～950℃，加热时间为2～4h。

5.根据权利要求1所述的一种利用定向凝固技术制备多孔金属材料的方法，其特征在于，步骤2中所述冷却温度为250℃～750℃，冷却时间为2～5h。

6.根据权利要求1所述的一种利用定向凝固技术制备多孔金属材料的方法，其特征在于，步骤2中所述模具为由传热耐高温材质组成、侧面包裹保温材料的圆柱形模具，冷却平台材质为铜板。

7.根据权利要求6所述的一种利用定向凝固技术制备多孔金属材料的方法，其特征在于，所述模具的传热耐高温材质为石墨，侧面包裹保温材料为酚醛泡沫。

8.根据权利要求1所述的一种利用定向凝固技术制备多孔金属材料的方法，其特征在于，步骤3中所述快速冷却温度为0℃～200℃，冷却时间为2～5h。

9.根据权利要求1所述的一种利用定向凝固技术制备多孔金属材料的方法，其特征在于，步骤4中所述清洗时间为30～60min，烘干温度为60℃～120℃，烘干时间为4～10h。