[發明專利]一種藕狀多孔金屬材料的原位反應析出制備裝置及工藝

有效

• 申請號: 201310175547.0
• 申請日: 2013-05-13
• 公開（公告）號: CN103240405B
• 公開（公告）日: 2015-03-11
• 發明（設計）人: 劉新華;謝建新
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: B22D27/18
• 分類號: B22D27/18;B22C3/00
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 皋吉甫

??技術領域

本發明涉及一種藕狀多孔金屬材料的原位反應析出制備裝置及工藝。

?背景技術

近年來，隨著應用范圍的不斷擴大，金屬多孔材料的研究開發越來越受到人們的重視。藕狀金屬多孔材料是近十幾年來新興的一種金屬多孔材料，其主要特點是：（1）優良的力學性能：采用定向凝固工藝制備的金屬多孔材料，由于氣孔規則且沿某一方向定向排列，所以研究發現沿氣孔方向力學性能優異，沒有明顯的應力集中，甚至具有比相同材質的致密材料還高的綜合力學性能(密度低、比模量、比強度很高)，這是泡沫金屬等多孔材料無法比擬的；（2）由于氣孔定向生長且連續，所以藕狀金屬多孔材料的孔隙為長而直的通孔，在用于氣體或液體布流、過濾材料、生物醫用接骨材料、尾氣凈化中作為催化劑載體等方面具有明顯優勢；（3）由于氣孔沿某一方向平行排列，采用定向凝固工藝制備的藕狀金屬多孔材料的抗拉、抗壓強度等力學性能和內摩擦、彈性、熱導率和聲音吸收等特性都顯出各向異性，尤其適合用作有各向異性要求的特殊性能材料。由上述特點可以看出，藕狀金屬多孔材料是一種功能和結構性能相結合的高性能新材料。

目前，藕狀金屬多孔材料的主要制備方法有：（1）金屬/氣體共晶定向凝固法[Shapovalov?V?I.??U.S.?Patent?No.5,?181,?549?(January?26,1993)]。其制備的一般方法是：在密閉的容器中熔化金屬，同時充入高壓氫氣、氮氣或氧氣等[Hyun?S?K,?Nakajima?H.?Mater?Let,?2003,?57:?3149－3154；Hyun?S?K，?Nakajima?H.??Mater?Trans,?2002,?43(3):526－531]，使氣體溶入熔化的金屬液中，當氣體在金屬中的溶解達到飽和時，將金屬液注入可形成單向傳熱條件的鑄型中，利用氣體在金屬固態和液態時的溶解度差，使氣體在定向凝固時連續析出而形成藕狀連續多孔，獲得藕狀多孔金屬材料。但是，此種方法的設備較為復雜，要求耐高溫耐高壓，投資大；工藝操作復雜，生產效率較低，并且由于高壓氣體（尤其是氫氣和氧氣）的存在而具有一定的危險性；在制備低熱導率的金屬（如不銹鋼）時，氣孔容易合并、長大而導致氣孔均勻性差，因而不適于低熱導率金屬藕狀多孔材料的制備。（2）區域熔化共晶定向凝固法[Ikeda?T,?Tsukamoto?M,?Nakajima?H.?Mater?Trans,?2002,?43(11):2678－2684]。該方法的原理是在充滿高壓氣體（氫氣、氮氣等）的密閉容器內，采用高頻感應線圈加熱使金屬棒區域熔化后立即移出線圈，并在移出線圈的一端吹風強制冷卻，使熔化部分凝固，在凝固的同時形成藕狀多孔。雖然該種方法可以制備氣孔比較均勻的低熱導率的藕狀多孔金屬材料，但該種方法存在的主要問題是：①?設備投資大、控制復雜、生產成本較高；②?由于受冷卻方式和熔化方式的限制，該方法不適合制備直徑較大的藕狀多孔金屬材料。

發明內容

為了解決上述問題，本發明的目的是提出一種多孔材料制備新方法，即在大氣條件下，將金屬熔化后鑄入內壁涂有含水涂層的鑄型中，同時在鑄型中建立定向凝固條件，熔化金屬與含水涂層中的水發生原位反應，生成氫原子而溶入金屬液中，并在金屬液隨后的定向凝固過程中由于溶解度差而析出，從而獲得藕狀多孔金屬的利用原位反應析出原理的藕狀多孔金屬材料制備方法及裝置。

本發明的技術方案是：一種藕狀多孔金屬材料的原位反應析出制備裝置，該裝置的組成包括熔煉部分和設置于所述熔煉部分下端的結晶部分；

熔煉部分包括：導流槽、塞棒、塞棒升降機構、測溫系統、爐蓋、加熱裝置、坩堝、爐體和導流管；

結晶部分包括水冷結晶器底座，鑄模和固定裝置；

其中，所述鑄模通過所述固定裝置安裝在所述水冷結晶器底座上，所述水冷結晶器底座一端設有冷卻水入口，另一端設有冷卻水出口，所述導流管設置在所述鑄模的垂直上方，所述導流管的另一端與安裝于所述爐體內的所述坩堝底部聯通，所述塞棒置于所述坩堝內，且與所述導流管位于同一軸線上，所述塞棒升降機構與所述塞棒上端固接，帶動所述塞棒上下升降，所述坩堝的四周設有所述加熱裝置，所述爐蓋設置在所述坩堝的上端，所述測溫系統安裝在所述爐蓋上，所述導流槽設置所述爐體的頂端，一端與所述坩堝連接。

進一步，所述鑄模材質為不銹鋼、陶瓷或石墨。

本發明的另一目的是提供采用上述裝置的藕狀多孔金屬材料的原位反應析出制備工藝，具體包括以下步驟：