[发明专利]基于固/气共晶定向凝固制备多孔材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及多孔材料的制备技术领域，特指固/气共晶定向凝固法制备多孔材料领域。

背景技术

自美国人克劳斯(C.Claus)在1923年用粉术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℃，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。

发明内容

本发明所要解决的问题就是克服目前该技术的不足，发明一种定向凝固制备多孔材料的设备和工艺。

利用本发明的设备可制备：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高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。

利用本发明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；由于提高了冷却速度，缩短了整个工艺过程时间。

本发明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高，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，然后将液态熔料倒入铸模中冷却，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)与本发明技术实质最为接近，本发明所述方法与该专利方法技术指标比较如表1所示：

表1