基于固/气共晶定向凝固制备多孔材料的方法技术

一种固／气定向共晶凝固制备多孔材料的方法。利用本发明专利技术的设备和工艺，通过提高工作压力、增加和控制冷却速度、降低非金属杂质含量，使熔炼速度比现有技术提高２～１０倍，并可直接监测金属熔化及浇铸的全过程。制备的多孔材料，孔隙均匀（无论铸件径向上还是轴向上），材料内部孔隙尺寸可以相同，也可以不同，还可以形成变截面的锥形孔腔。可应用于冶金机械、石油化工、能源环保、国防军工、核技术和生物制药等工业过程中的流体渗透与过滤控制、高效燃烧、强化传质传热、阻燃防爆、人工骨骼、辐射吸收和消音控制等，是实现各种技术突破的关键技术。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及多孔材料的制备
，特指固/气共晶定向凝固法制备多孔材料领域。
技术介绍
自美国人克劳斯(C.Claus)在1923年用粉末冶金法制成过滤器获得美国专利后，金属 多孔材料开始获得承认和应用。30年代开始用青铜、镍、铁等多孔材料生产过滤器，用于过 滤空气、燃料、润滑油等。第二次世界大战后，逐渐应用于流体的压力、流量控制、预防机 翼结冰、水银浸渗开关、气体扩散分离等。60年代以来，随着应用领域的不断扩大，制造方 法及其成型技术也得到了不断发展，除粉末烧结多孔材料外，金属纤维多孔材料、泡沫金属、 金属多孔膜、复合多孔材料等得到了长足的发展。在多孔材料制备方法上，有熔体发泡法、 粉末发泡法、熔铸法、金属粉末或纤维烧结法等类型问世。1993年的一个美国专利(US. Pat， 5181549)提出了一种制备多孔金属材料的新方法 金属/气体共晶定向凝固法，所制备的金属/气体共晶凝固多孔材料，结构为圆柱形气孔规则 定向排列于金属基体中，也被称为固/气复合材料，这一工艺被认为是生产多孔金属材料的重 要进步。这种工艺所得到的金属多孔材料的综合机械性能比相同材质的材料密度低，比模量 及比强度高。与传统方法制造的多孔材料比较起来，具有很多优异的性能特点，比如小的应 力集中、高的机械性能、良好的导热能力等。由于这些原因，固体/气体共晶定向凝固方法以及所得到的规则多孔材料近十几年来引 起了世界各国的极大关注。研究的积极性一方面来自于固体/气体共晶凝固的理论意义，另 一方面来自于这种特殊多孔材料广阔的潜在应用前景。目前，国际上进行固体/气体共晶定向 凝固研究的主要有乌克兰国立冶金大学、美国的桑迪亚国家实验室及海军材料研究实验室、 日本大阪大学等。国内有关这方面的研究工作很少，个别单位只是做了一些验证性工作。现有技术存在以下不足浇铸时炉体与坩埚相对翻转180° ，或从坩埚底部浇铸。这导致浇铸时，炉内熔体与炉 内的陶瓷耐火材料之间发生强烈冲击和搅拌，致使材料在铸模中结晶时传热不均匀、易于产 生气泡、材料内部结构的均匀性被破坏；使用电阻炉加热，熔炼时间长、熔体与耐火材料易于发生反应；最高加热温度只能达到1650 1700'C,且熔体内部温度不均；无法通过目视监测多孔材料从熔炼到浇铸的整个生产过程；无法获得同一轴向的变截面孔径(如锥形孔腔或倒锥形孔腔)，也无法获得整个截面均匀 分布的微孔和超细孔的多孔材料；气体只有在中等溶解度时才可使用；只能利用这种办法制备少数纯金属和部分合金的多孔材料。
技术实现思路
本专利技术所要解决的问题就是克服目前该技术的不足，专利技术一种定向凝固制备多孔材料的 设备和工艺。利用本专利技术的设备可制备高质量、具有均匀孔隙结构的铸件；通过提高工作压力、降 低非金属杂质含量，可获得超细孔径的多孔材料；熔炼速度比现有技术提髙2 10倍；可直 接监测金属熔化及浇铸的全过程；可以方便快捷地利用该设备制备各种多孔材料产品。利用本专利技术的工艺可以制备各种材料(包括纯金属、合金和陶瓷)的多孔材料，材料内 部孔隙尺寸可以相同，也可以不同，还可以形成变截面的锥形孔腔；制备的多孔材料无论在 铸件径向分布上还是在轴向分布上均能保证孔隙均匀；由于提髙了冷却速度，縮短了整个工 艺过程时间。本专利技术通过如下技术方案实现结晶器为一个可以拆换的独立模块；熔炉坩埚与结晶器中轴线呈90。布置；材料加热及 熔炼利用感应加热；可视窗口可以观察熔炼与浇铸整个过程；结晶器上有不同方向的导热管。在给定的气体压力中熔融给定的材料，然后将液态材料倒入铸模中冷却，材料在铸模中 以T (熔点)以上某一温度开始定向结晶，同时气体压力则从给定值以一定的速度升髙，直 至凝固温度。当结晶结束，冷却至T (熔点)以下某一温度后，气体压力下降至固定压力， 坯料温度最终降至室温。在给定的气体压力中熔融给定的材料，然后将液态烙料倒入铸模中冷却，材料在铸模中 以T (熔点)以上某一温度开始定向结晶，同时以给定的冷却速度冷却，直至凝固温度。当 结晶结束，冷却至T (熔点)以下某一温度后，气体压力下降至固定压力，坯料温度最终降 至室温。美国的专利(US005181549A)与本专利技术技术实质最为接近，本专利技术所述方法与该专利方 法技术指标比较如表l所示表l<table>table see original document page 5</column></row><table>通过比较可以看出，本专利技术方法炉料加热迅速，比电阻炉加热快2 10倍；可以将液态 熔体平稳分层浇入结晶器内的铸模；通过更换结晶器组件可以轻松改变产品种类和形状；整个制备工艺时间縮短1 5倍。本专利技术方法拓宽了制作多孔材料的选材范围；既可以获得直径和长度均匀相同的多孔隙 结构，也可以获得一定长度的变截面孔隙结构。 附图说明本专利技术设备示意图各部分说明如下1.熔炼坩埚；2.结晶器；3.电感应加热器；4.观察视窗；5.铸模；6.熔炉的耐火层；7.熔体；8.多孔材料 具体实施例方式在熔炼坩埚(1)内加入一定质量的材料，使其在电感应加热器(3)感应场中加热并最 终熔化，通过炉体外壳上的观测视窗(4)检测炉内的熔炼过程以及温度变化。在向烙体(7) 吹入饱和气体后，炉体倾斜90。，将熔体均匀分层浇入结晶器(2)的铸模(5)中，熔炉的 耐火层(6)与熔体接触时间较短。利用铸模上的定向导热管使多孔材料(8)结晶。结晶器 组件可以方便拆卸和更换，可以快速改变多孔材料铸件的形状、孔隙大小、方向。增压冷却制备多孔材料的方法是在0.005 10MPa气体压力下熔融欲制备的材料，然 后将液态材料倒入铸模中冷却，材料在铸模中以T (熔点)+50 250^的温度开始定向结晶， 同时气体压力则从给定值0. 005 10MPa以0. 001 3MPa/s的速度升，高直至凝固温度。当 结晶结束、冷却至T(熔点)一2001C后，气体压力也下降至O.lMPa。坯料温度最终降至室温 18 20。C。恒压快速冷却制备多孔材料的方法是:在0. 005 10MPa气体压力下熔融欲制备的材料， 然后将液态材料倒入铸模中冷却，材料在铸模中以T (熔点)+50 250^的温度开始定向结 晶，同时以0. 05 500"C/s的冷却速度进行冷却，直至凝固温度。当结晶结束、冷却至T (熔 点)一200X:后，气体压力也下降至0. lMPa。坯料温度最终降至室温18 20r。使用方法举例1:在熔炼坩埚内加入5Kg的Cu，对其进行真空处理后充入H2，使气压达到0.2MPa。在饱和吹H2条件下熔融金属，熔融金属在12501C保温一段时间后，将熔融金属倒入水冷铸模，在铸模中从圆柱端面开始进行逐步冷却。在结晶过程中，用专门的调控系统对输入热压罐中的 气体压力保持调节，使气压按照0.02MPa/s的速度升高，这样，在铸坯内部任何截面均形成 均勾多孔结构，孔隙长度可达150咖。若孔隙直径为30 35他，则孔隙率达30 32%。 使用方法举例2:在熔炼坩埚内加入3Kg的Ni，对其进行真空处理后充入含H2气体，使气压达到lMPa(其中H2:0. lMPa;Ar: 0. 9MPa)。在饱和吹H2条件下熔融金属，熔融后在1550t:保温一段时间，将本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于固／气共晶定向凝固制备多孔材料的设备，用于制备各种金属、合金和陶瓷多孔材料。包括：熔炼坩埚、结晶器、加热器、观察窗、铸模和定向导热管。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：尤里卡尔波夫，孙克明，李勇进，
申请(专利权)人：大连华乌科技转化有限公司，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]