[發明專利]大氣環境下連續制備長尺寸泡沫金屬的方法及其裝置

有效

• 申請號: 202011175109.0
• 申請日: 2020-10-28
• 公開（公告）號: CN112553493B
• 公開（公告）日: 2022-07-15
• 發明（設計）人: 鐘云波;沈喆;朱家樂;林中澤;任朗
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: C22C1/08
• 分類號: C22C1/08;B22D11/055;B22D11/059;B22D11/11
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

本發明公開了一種大氣環境下連續制備長尺寸泡沫金屬的方法和裝置，其方法如下：在大氣環境下的金屬連鑄過程中，通過在石墨結晶器凝固界面前沿處施加一個感應加熱線圈，并在線圈中通入中/高頻交流電，從而加熱石墨結晶器和固液界面前沿的金屬熔體，形成高過熱熔體，加快二冷水遇熱所形成水蒸氣與石墨結晶器壁的反應，生成氫氣，促進金屬熔體中氫氣的溶解，然后立即進入高溫度梯度的冷卻區，熔體析出氣泡并立即凝固，最終形成泡沫金屬材料。上述過程連續進行，因此可以制備長尺寸的泡沫金屬材料。本發明連鑄裝置無需至于高壓腔體中，無需通過外置模板或者吹氣等形式制備泡沫材料，其設備簡單、操作容易，可適用于多種金屬材料制備。

技術領域

本發明屬于泡沫金屬材料制備領域，特別是提供一種在大氣環境下長尺寸泡沫金屬材料的制備方法及裝置。

背景技術

泡沫金屬材料具有優異的物理特性和良好的力學性能，被廣泛認為是21世紀最有應用前景的新型工程材料之一。根據制備工藝特點，泡沫材料制備可分為金屬沉積法、固態處理法和液態處理法等三大類。金屬沉積法是在預處理過的表面上進行化學離子沉積或者氣相沉積得到金屬沉積層的方法，該類方法操作條件要求嚴格、工序繁瑣、生產成本較高。固態處理法是使用固態金屬粉末進行燒結制備泡沫金屬材料的方法，其缺點為能耗較大，容易混入雜質。液態處理法是制備泡沫金屬工藝中最常用的一種方法，其原理主要是在液相金屬中添加發泡劑或直接向液體中通入惰性氣體，使液相金屬在凝固過程中氣體能夠留在其中，從而得到泡沫結構。不同制備手段獲得的泡沫金屬在外形、性能及應用方面都具有較大的差異。為解決工業應用中大規模生產的問題，日本的Nakajima教授將連鑄技術應用于泡沫金屬制備的方法，其方法為：一個高壓容器內，在氫氣氣氛中通過感應線圈加熱熔化坩堝中的金屬，并保溫足夠長時間，待氫氣充分溶解于液態金屬后，開啟下引機構，進行連續生產。該類連鑄方法目前已成功應用于泡沫銅帶的制備，但由于需要高壓容器，還需要通入大量氫氣，這都大大增加的生產成本和工藝難度。如何克服以上問題，實現工業化連續生產，如何在大氣環境下連續制備多孔泡沫材料，成為亟待解決的技術問題。

發明內容

為了解決現有技術問題，本發明的目的在于克服生產泡沫金屬工藝中需要高壓容器和通入大量氫氣等技術存在的不足，克服高壓容器使用對長尺寸泡沫金屬制備的極大限制，提供一種在大氣環境下連續制備泡沫金屬的方法及其裝置。

為達到上述發明目的，本發明采用下述技術方案：

一種大氣環境下長尺寸泡沫金屬材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1：將待熔鑄金屬放入上部石墨坩堝中，在上部石墨坩堝外部設有上部感應線圈，在上部感應線圈中通入交流電，通過感應加熱方法，加熱并熔化在上部石墨坩堝中的金屬原料，形成金屬熔體；在上部石墨坩堝下方連接設置下部石墨坩堝，下部石墨坩堝作為石墨結晶器，在下部石墨坩堝外部設有下部感應線圈，在下部石墨坩堝的下部連接設置水冷結晶器，在水冷結晶器的連鑄坯的拉出位置設置二冷水，在水冷結晶器中通入冷卻水；

步驟2：待熔化后的金屬熔體從上部石墨坩堝流入下部石墨結晶器中時，在下部感應線圈中通入交流電，進一步進入加熱下部石墨坩堝中的熔體；與此同時，開啟二冷水；

步驟3：開啟抽拉連鑄設備，利用抽拉連鑄設備將連鑄坯從水冷結晶器中拉出，通過水冷結晶器和二冷水對連鑄坯進行強制冷卻，二冷水在冷卻連鑄坯的過程中遇熱變成水蒸氣；

步驟4：在所述步驟3中生成的水蒸氣穿過連鑄坯與下部石墨坩堝壁內表面之間的間隙中上升，并最終到達在下部石墨坩堝中的金屬熔體進行凝固的固液界面處，在下部感應線圈加熱的升溫作用下，使水蒸氣會與固液界面處的高溫的下部石墨坩堝壁面的石墨材料發生如下化學反應：