CN117295571A - 制造多孔金属或陶瓷部件的方法和使用该方法制造的部件 - Google Patents

Abstract

在方法中，开孔聚合物泡沫体在泡沫体的支柱表面处设有金属涂层或涂层。在半成品的表面区域处，由金属或陶瓷颗粒形成且其中另外包含气泡的悬浮液与泡沫体的表面接触并形成预定形状。该悬浮液的一部分渗透到泡沫体的开孔中。此后，进行热处理，在此期间液体被排出，聚合物组分被去除，随后进行烧结。形成包含源自悬浮液的金属或陶瓷且具有较小的孔隙率的第一体积区域。第二体积区域与该第一体积区域邻接地形成，该第二体积区域同样是多孔的并且由来自半成品的泡孔壁的涂层的金属或陶瓷以及悬浮液的金属或陶瓷形成。第二体积区域连接到获自涂覆的泡沫体的第三体积区域。

Description

制造多孔金属或陶瓷部件的方法和使用该方法制造的部件

技术领域

本发明涉及一种用于制造多孔金属或陶瓷部件的方法以及使用该方法制造的方法。

背景技术

多孔部件应用于各种各样的技术领域中。它们用于过滤或接收固体或液体介质，还用作热交换器。它们也经常用作绝缘体或阻尼元件。在许多应用中，期望开孔结构。然而，开孔孔隙率导致强度和稳定性的损失，使得对于许多应用来说必须使用支撑的、单独框架结构，虽然这些结构确保更大的强度，但是它们不能以足够持久的强度与开孔泡沫体结合或者只能非常困难地结合。

此外，与开孔体产生允许电接触以供应电能或允许介质(特别是流体)被供应和/或排出的连接选项是有困难的，例如，在电加热元件或热交换器的情况下，需要与多孔体连接。

已知以形状锁定的方式将开孔泡沫体连接到框架或其它元件。然而，永久连接会出现问题，因为连接区域中的支柱可能由于机械应力而断裂。然而，当使用单个或附加的整体接合时，也不能充分顾及这些问题。由于焊接、钎焊或粘接，在接合点处会出现可能导致接合断裂的薄弱点或界面。

因此，本发明的目的是提供增加开孔部件的稳定性的选择，和/或提供与开孔结构的连接选择，通过该连接选择可以实现介质或能量的安全和永久的供应或排出。

发明内容

根据本发明，该目的通过具有权利要求1的特征的方法来实现。权利要求10限定了相应地制造的部件。本发明的有利的实施方式和改进可以利用在从属权利要求中展现的特征来实现。

当制造所述开孔金属和/或陶瓷部件时，其包括至少三个具有不同孔隙率的相互邻接的体积区域，过程是这样的，首先以本身已知的方式制备半成品，该半成品具有开孔结构，该开孔结构具有由聚合物材料制成的开孔泡沫体。在泡沫体的支柱的表面处，聚合物材料被以保留开孔基础结构的方式设有金属涂层或由金属或陶瓷颗粒形成的涂层。这可以例如通过本身已知的CVD或PVD方法、电镀或根据被称为的Schwartzwalder方法来实现，其中支柱被设置包含金属或陶瓷颗粒的涂层。通过Schwartzwalder方法获得的半成品在进一步加工之前应被干燥至达到足够的生坯强度的程度。相应的已知方法记载于例如US3090094B或US3111396B中。

优选地，使用网状开孔聚氨酯泡沫的坯料作为由聚合物材料形成的开孔泡沫体。为此目的，所使用的泡孔尺寸可以覆盖根据每英寸的孔在商业上分类(根据ASTM D3576-77)的从8ppi到100ppi的网状泡沫的整个范围，但是使用在8ppi至30ppi范围内的较粗糙泡沫是有利的。使用光学照相或计算机断层摄影方法很容易将ppi值转换为以mm为单位的孔径。

然而，也可以使用由聚合物形成的其它开孔结构，例如非织造织物或通过增材工艺生产的网格结构。

悬浮液与泡沫体的表面接触，该悬浮液由金属或陶瓷颗粒、液体和聚合物粘合剂形成，并且其中还存在先前在悬浮液中形成的气泡，然后在由此获得的半成品上的预定表面区域处形成预定形状。在此过程中，该悬浮液的一部分渗透进入作为半成品的泡沫体的在边缘层区域中的开孔中。

然后，使用热处理进行干燥过程，在此过程中，首先悬浮液中包含的液体被排出，然后或同时聚合物组分被去除，特别是粘合剂的聚合物组分和泡沫体的聚合物材料，以及随后进行烧结过程。

在烧结过程中，第一体积区域由源自悬浮液的金属或陶瓷材料形成，其具有比半成品的孔隙率小的孔隙率，其孔隙率仅由于悬浮液中存在的气泡而获得，以及邻接该第一体积区域形成第二体积区域，第二体积区域同样是多孔的或可以是多孔的，第二体积区域由来自半成品的支柱的涂层的金属或陶瓷以及悬浮液的金属或陶瓷形成，其中这些金属和/或陶瓷在第二体积区域内一体地并且以形状锁定的方式彼此接合。作为结果，在第三体积区域的形成第二体积区域的边缘层区域中，第二体积区域将第一体积区域连接到获自涂覆的泡沫体的开孔的第三体积区域的金属或陶瓷开孔结构，第三体积区域的孔隙率比第一体积区域大。

用来产生部件的第一体积区域和第二体积区域的悬浮液可以以本身已知的方式制造。为此目的，可以使用合适的液体，其包含至少一种聚合物粘合剂和一定比例的金属或陶瓷粉末状固体。可以通过机械搅拌或使用另外的方法，例如从DE102010039322A1已知的方法，将气泡插入悬浮液中。除了空气之外，也可以使用其它气体或气体混合物，其也可以表现出惰性作用，从而不会观察到对最终形成的部件的特定金属或特定陶瓷的不利影响。

通常，已经用于这种悬浮液的粘合剂，例如聚乙烯醇，可以用作聚合物粘合剂。在任何情况下，都应避免使用消泡剂。优选地，水可以用作液体。然而，其它液体也是合适的，优选具有比水低的沸腾温度的其它液体。

优选地，应当使用具有至少0.1mPas的粘度的悬浮液来产生第一体积区域和第二体积区域。此外，悬浮液应优选具有剪切稀化流动特性，具有明显的流动极限。单独或另外，悬浮液中应存在气泡，气泡体积百分比为悬浮液总体积的至少5％至最大50％。

有利地，半成品的支柱应当涂覆有与用于形成用于产生第一体积区域和第二体积区域的悬浮液的金属或陶瓷相同的金属或陶瓷。这可以是化学元素的纯金属或相应的合金。如果使用合金，则半成品的涂层的合金组成可以偏离用于悬浮液的颗粒的合金组成。

然而，对于半成品的支柱的涂层和用于形成第一体积区域和第二体积区域的悬浮液，也可以使用不同的材料。材料的膨胀系数应该在相似的量级，并且根据烧结温度的热行为应该相似。例如，当使用不锈钢和氧化锆陶瓷时，就是这种情况。在这方面，术语“相似”应理解为彼此之间的偏差小于10％。当不同材料的烧结温度和热膨胀系数使得这成为可能时，第二体积区域可以由金属和陶瓷材料的组合形成。

用于形成第一体积区域和第二体积区域的悬浮液可以在进行热处理(在热处理期间，部件可以最终完成)之前添加到形成在半成品处的至少一个凹部、凹陷或穿孔中，和/或添加到可以附接到特定半成品的模制工具的内部中。例如，因此可以增强特定部件的某些表面或边缘层区域，或者可以在那里建立连接。可以将模制工具临时连接到半成品上，或者可以将半成品插入框架形模制工具中，使得可以将包含气泡的悬浮液添加到半成品表面与特定模制工具的内壁之间的至少一个间隙中，以便能够在那里产生第一体积区域，以及由于悬浮液渗透进入半成品的开孔中产生直接与第一体积区域相邻的第二体积区域。

为此目的，模制工具可以完全包围半成品。然而，也可以将模制工具固定到半成品表面的子区域，然后将悬浮液添加到半成品表面与模制工具内壁之间的间隙或空腔中。以这种方式，例如可以使用可以包围半成品的具有圆形或角形横截面的中空型材作为模制工具。然而，也可以使用这种型材的相应段，例如圆形段，作为模制工具。

可以在进行热处理之前进行脱模，或者仅在完成烧结之后进行脱模。

悬浮液从半成品表面开始在半成品的孔中的相应渗透深度可以受到从外部作用的力的影响，由此可以有意地影响形成第二体积区域的边缘层区域的厚度或宽度。从半成品的表面向其内部的方向，厚度或宽度应为至少3mm。如已经提出的，该厚度或宽度也可以选择为更小或更大。然而，它应该如此大，使得三个体积区域可以以足够的强度彼此接合，并且可以尽可能大的程度避免第一和第三体积区域之间的尖锐界面。这样做所需的厚度或宽度可以基于半成品的泡孔宽度或孔径，并且应该等于半成品的泡孔尺寸或孔径的至少3倍。

为此目的，在过程中可以使半成品本身或具有附接到其上的模制工具的半成品振动和/或可以将压力施加到悬浮液上。以这种方式，可以使用与环境压力相比处于增加的压力下的介质(气体或液体)，其中更高的压力作用在悬浮液的表面上，悬浮液被推入半成品的开孔中。为了将振动用于该目的，可以使用振动台，在该振动台上可以放置包括悬浮液的半成品以及可能的至少一个模制工具。根据振动的幅度和持续时间，可以影响第二体积区域的宽度或厚度。这也可以通过接合在模制工具或半成品上的振动器来实现。

可以使用孔隙率在60％至95％范围内的半成品，和/或利用悬浮液，可以在部件处形成具有在0％至55％范围内的孔隙率的第一体积区域和/或第二体积区域。

有利地，耐腐蚀FeCrAl合金可作为金属使用。氧化陶瓷和非氧化陶瓷都可以用作陶瓷材料。

根据本发明制造的部件包括第一体积区域，该第一体积区域由源自悬浮液的金属或陶瓷形成。第一体积区域具有比第三体积区域小的孔隙率，第三体积区域由半成品的金属或陶瓷支柱的开孔结构形成，其中第一体积区域仅由获自其中存在有气泡的悬浮液的金属或陶瓷形成。孔隙率由悬浮液中存在的气泡的数量和各自的尺寸决定。与该第一体积区域相邻地形成第二体积区域，该第二体积区域同样可以是多孔的，但也可以是致密的。第二体积区域由来自半成品的支柱的涂层的金属和/或陶瓷以及悬浮液的金属或陶瓷形成，其中这些金属和/或陶瓷一体地并且形状锁合地彼此接合。结果，第二体积区域连接到开孔的第三体积区域的金属或陶瓷开孔结构，所述开孔的第三体积区域获自涂覆的半成品并且具有比第一体积区域大的孔隙率。

第三体积区域应当具有至少65％的孔隙率，并且布置在第一体积区域和第三体积区域之间的第二体积区域中的孔隙率应当小于部件的第一体积区域和第三体积区域中的孔隙率。

可以在部件处存在多个第一体积区域和第二体积区域，这些第一体积区域和第二体积区域彼此间隔开地布置。

至少利用第一体积区域，可以产生至少一个用于电能、或者用于将介质供应到部件和/或从部件移除介质的接头，该接头可从外部接入。以这种方式，其可以表示用作用于电阻加热元件的电触点的接头。在电阻加热元件的情况下，有利的是，第一体积区域具有足够高的强度。第一体积区域可以通过第二体积区域以形状锁定和一体的方式连接到第三体积区域，并且第三体积区域可以使得能够实现改进的加热作用，特别是由于其大的比表面。

利用第一体积区域和第二体积区域，还可以在部件上形成可以执行用于锚固元件(例如螺钉)的销钉功能的区域。

当第一体积区域和第二体积区域周向地或至少部分周向地围绕第三体积区域的外边缘形成时，可以形成框架，开孔结构可以以形状锁定和一体的方式保持和保护在该框架中。

此外，本发明还可用于制造用在轻质结构、汽车工程、电气工程和航空航天领域中的部件。

具体实施方式

下文将基于实施例更详细地描述本发明。

实施例1

包括两个紧凑的矩形直接泡沫触点的金属泡沫板如下制备，用作部件。为了制造该部件，使用尺寸为125mm×75mm×20mm的粗糙矩形金属泡沫形式的板作为半成品。两个第一体积区域布置在相对两侧上，使得可以获得尺寸为125mm×125mm×20mm的正方形总体形状的成品部件。用作半成品的粗糙泡沫具有约4.5mm的泡孔宽度，具有的密度为半成品的金属密度的约10％。仅通过悬浮液形成的两个第一体积区域达到约50％的烧结密度，并且在那里实现在100μm和1500μm之间的平均孔径和50％的孔隙率。

根据模塑方法，通过使用挤压-压延法(Schwartzwalder方法)涂覆具有相应泡孔宽度的开孔聚合物泡沫来生产粗糙泡沫作为半成品。为此目的，首先将平均粒径为7μm的FeCrAl金属粉末与聚合物粘合剂(例如，聚乙烯基制剂，其可从Zschimmer&Schwarz商购获得)和用于消泡和用于调节流变性能的添加剂(例如，脂肪醇制剂，Zschimmer&Schwarz)以及与水一起搅拌，得到金属固体含量约为86％的悬浮液。用该悬浮液浸渍泡沫材料，以及通过压延的方式挤压泡沫材料，直到调节到泡沫结构的支柱表面上的所需加载量。经涂覆和干燥的泡沫形成半成品，并且随后居中地插入到可分开的模制工具中，使得在模制工具内壁和半成品表面之间的两侧上在要附加地产生第一体积区域的区域中保留具有25mm宽度的边缘。将成形工具和半成品放置在振动板上。

待用于形成第一体积区域和第二体积区域的悬浮液以间歇法单独生产。基础是通过由金属粉末、有机粘合剂和流变添加剂制成的相同的悬浮液组成形成，除了这里没有消泡剂。

相反，添加至多5质量％的表面活性剂(例如，脂肪醇硫酸盐制剂，Zschimmer&Schwarz)作为发泡剂。将混合物在烧杯中以1000rpm的转速发泡10分钟，其中寻求约50％的体积增加。

随后使用抹刀将气泡尽可能均匀地分布在悬浮液中的起泡悬浮液添加到模制工具内壁和半成品表面之间的自由边缘区域中。调节由此起泡的悬浮液的流动行为，使得当通过振动板轻微振动模制工具时变得自由流动，但是当不被外力作用移动时保持在原位。以这种方式，可以控制含有气泡的悬浮液进入到形成半成品的粗糙金属泡沫的孔中的渗透，并且可以调整1至2个泡孔水平(约4.5mm至9mm)的组合区域作为第二体积区域。在半成品的其中将产生第二体积区域的边缘区域已经被填充之后，在约40℃下进行干燥过程约24小时的时间，之后能够移除模制工具。为此，推荐使用由多个可分的单独部件组成的模制工具，其中可分的模制工具通常是优选的。在干燥过程之后，进行脱粘步骤以去除有机成分，然后烧结金属。可以生产这样的部件，该部件在相对两侧的每一侧上包括朝向外部的第一体积区域，该第一体积区域的孔隙率小于第三体积区域的孔隙率，该第三体积区域的孔隙率由半成品的孔隙率预先限定。第二体积区域形成在第一体积区域和第三体积区域之间，第一体积区域和第三体积区域通过第二体积区域以形状锁定和一体的方式连接，并且第二体积区域不具有孔隙率或具有比第一体积区域小的孔隙率。可以利用第一体积区域创建用于与电接触的接头。所有三个体积区域都使用相同的金属形成。

实施例2

作为由金属制成的部件的替代，将根据相同的原理生产陶瓷部件。为此，制备水基陶瓷悬浮液。该悬浮液具有通过以70：30的比例混合平均粒径为0.8μm和3.0μm的SiC粉末而制备的双峰SiC粒径分布，并且另外含有0.6％的硼(碳化物)和11％的水溶性多糖(对应于热解后4％的碳)作为烧结添加剂。将悬浮液调节至78％的固体含量。

为了制备泡沫陶瓷，用悬浮液浸透具有30ppi(每英寸的孔)的泡孔宽度的聚氨酯泡沫材料，然后使用离心机去除过量的悬浮液。作为示例，尺寸为200mm×250mm×10mm的板用作半成品，其在外边缘处具有两个尺寸为20mm×50mm的矩形凹部，对称布置。起泡的悬浮液被添加到这些凹部中，这些凹部代表类似于模制工具的内部的腔，以便产生更紧密的接触连接。可以将凹部引入到泡沫主体中，例如通过激光或水射流切割，其中这应当优选地在涂覆聚合物泡沫以产生半成品之前已经进行。

另外，遵循与实施例1中至少大致相同的步骤和至少大致相同的半成品和悬浮液的一致性。与实施例1中所用的含有气泡的起泡悬浮液的制备相反，通过装置将气泡形式的空气引入悬浮液中，装置例如为DE102010039322A1中所描述的装置。用于浸渍聚合物泡沫的陶瓷悬浮液被稍微改变，除了表面活性剂之外，还添加增塑剂(例如，高聚物多糖，Zschimmer&Schwarz)，这改善了用于产生第一体积区域和第二体积区域的悬浮液的加工性能。装置包括长182mm、外径70mm、壁厚2.9mm的钢制空心圆筒。该圆筒具有用于可控压缩空气供应的接口。在端面处，管设有具有同心喷嘴的金属盘，该同心喷嘴也可以用作软管接口。管的后部同样用金属盘封闭，该金属盘具有直径为10mm的通孔。在钢制圆筒内设置有多孔空心圆筒，该空心圆筒通过密封环夹紧在两个盖之间，并且具有大约25mm的外径和大约2mm的壁厚。由不锈钢制成的管的孔隙率约为43％。直径约为20mm的SMX系列(SulzerChemtech AG)静态混合器位于管的中心中。金属粉末悬浮液被引导通过具有静态混合器的该多孔内管，同时通过压缩空气和大约600ml/min的空气体积流量而经受大约0.3MPa的压力。结果，在悬浮液中产生均匀的气泡。

通过打开和关闭起泡装置，可以将如此起泡的悬浮液添加到已经预先在半成品上形成的凹部中。形成第二体积区域的边缘区域的厚度应该大约为4mm，以便在烧结过程之后实现第二体积区域和第三体积区域之间的形状锁定的一体连接。

此后，在干燥箱中在40℃下温和干燥至少12小时。在干燥之后，在800℃的温度下在惰性气体气氛下烧掉体积1的支柱内部中的聚合物泡沫。剩余的SiC粉末支架在氩气气氛下在减压环境中在2100℃的温度下烧结，由此获得根据本发明的由SiC制成的部件。

Claims (14)

1.一种用于制造多孔金属和/或陶瓷部件的方法，所述部件包括至少三个具有不同孔隙率的相互邻接的体积区域，其中

由聚合物材料形成的开孔泡沫体在泡沫体的支柱的表面处以保持开孔基础结构的方式设有金属涂层或由金属或陶瓷颗粒形成的涂层；以及

悬浮液与作为半成品的所述泡沫体的表面接触，然后在由此获得的所述半成品的预定表面区域处形成预定形状，其中所述悬浮液的一部分在边缘层区域中渗透作为半成品的所述泡沫体的开孔，其中，所述悬浮液是利用金属或陶瓷颗粒、液体和聚合物粘合剂形成的并且其中另外存在先前形成的气泡；以及

然后，进行使用热处理的干燥过程，在所述干燥过程中，所述悬浮液中包含的液体被排出，聚合物组分被去除，随后进行烧结过程，其中

在烧结过程中，由源自所述悬浮液的金属或陶瓷材料形成第一体积区域，所述第一体积区域具有仅由于所述悬浮液中存在的气泡而获得的较小孔隙率，并且产生了与所述第一体积区域邻接的第二体积区域，所述第二体积区域同样是多孔的，并且所述第二体积区域是由来自于所述半成品的支柱的涂层的金属或陶瓷和所述悬浮液的金属或陶瓷形成的，这些金属和/或陶瓷在所述第二体积区域内以形状锁定的方式彼此一体地接合，并且从而所述第二体积区域连接到开孔的第三体积区域的金属或陶瓷开孔结构，所述第三体积区域获自涂覆的所述泡沫体并且具有比所述第一体积区域大的孔隙率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用于产生所述半成品的由所述聚合物材料形成的所述泡沫体在其支柱处通过CVD方法、PVD方法、电镀地涂覆金属或涂覆含有金属或陶瓷颗粒的悬浮液，将利用悬浮液涂覆获得的半成品在将用于产生所述第一体积区域和所述第二体积区域的悬浮液施加到其上之前干燥，以获得足够高的生坯强度，以保证涂覆的支柱具有足够的强度，以避免当表面区域与包含气泡的悬浮液接触时损坏。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述半成品的所述支柱涂覆与用于形成用于产生所述第一体积区域和所述第二体积区域的悬浮液的金属或陶瓷相同的金属或陶瓷。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使用具有至少0.1mPas的粘度和/或其中存在气泡且所述气泡的体积百分比为悬浮液的总体积的至少5％至最大50％的悬浮液来产生所述第一体积区域和所述第二体积区域。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将所述悬浮液添加到在所述半成品上形成的至少一个凹部、凹陷或穿孔中，和/或添加到能够附接到特定半成品的模制工具的内部中，以产生所述第一体积区域和所述第二体积区域。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述悬浮液从所述半成品的表面开始在所述半成品的孔中的渗透深度受到从外部作用的力的影响。

7.根据前一权利要求所述的方法，其特征在于，所述半成品本身或具有附接到其上的模制工具的半成品在过程中被引起振动和/或在所述悬浮液上施加压力。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使用的所述半成品具有在60％至95％范围内的孔隙率，和/或利用所述悬浮液在所述部件上产生具有在0％至55％范围内的孔隙率的第一体积区域和/或第二体积区域。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所使用的金属是FeCrAl合金。

10.一种使用根据前述权利要求中任一项所述的方法制造的部件，其特征在于，第一体积区域由源自所述悬浮液的金属或陶瓷材料形成，所述第一体积区域具有仅由于存在于所述悬浮液中的气泡而获得的较小孔隙率，邻接所述第一体积区域产生第二体积区域，所述第二体积区域同样是多孔的或者是致密的，所述第二体积区域由来自半成品的支柱的涂层的金属和/或陶瓷以及所述悬浮液的金属和/或陶瓷形成，其中这些金属和/或陶瓷以形状锁定的方式彼此一体地接合，并且从而所述第二体积区域连接到孔隙率比所述第一体积区域大的所述半成品的金属或陶瓷开孔结构。

11.根据前一权利要求所述的部件，其特征在于，所述第三体积区域具有至少65％的孔隙率，布置在所述第一体积区域和所述第三体积区域之间的所述第二体积区域中的孔隙率小于所述部件的所述第一体积区域和所述第三体积区域中的孔隙率。

12.根据前述两项权利要求中任一项所述的部件，其特征在于，至少利用所述第一体积区域，产生能够从外部接入的至少一个接头，所述接头用于电能、或者用于将介质供应到所述部件和/或从所述部件去除介质。

13.根据前述三项权利要求中任一项所述的部件，其特征在于，在部件上存在彼此间隔开布置的多个第一体积区域和多个第二体积区域。

14.根据前述四项权利要求中任一项所述的部件，其特征在于，所述第三体积区域具有在80％至93％范围内的孔隙率。