[发明专利]一种真空-正压熔炼凝固设备

说明书

 

技术领域

本发明涉及真空-正压熔炼定向凝固设备，具体为一种在真空及高压气氛下采用熔炼、底部定向凝固工艺制备具有垂直底面孔结构的多孔金属及合金的设备。

背景技术

多孔金属材料是一类具有明显孔隙特征的金属材料，具有优异的物理特性和良好的机械性能，包括密度小、刚度大、比表面积大、吸能减振性能好、消音降噪效果好、电磁屏蔽性能高等，其应用已覆盖了航空、电子、医药及生物化学、冶金机械、石油化工、能源环保、国防军工和核技术等领域。为了得到不同性能的多孔金属，多种制备方法被相继提出，如直接发泡法、精密铸造法、气泡法、烧结法和电沉积法等。这些传统方法具有共同的缺陷：获得的多孔金属中气孔的形状、结构和尺寸难于控制；获得的多孔金属力学性能较差，无法满足结构材料要求。为此，乌克兰科学家Shapovalov提出了一种制备具有规则气孔结构的多孔金属材料的方法-金属/气体共晶定向凝固技术。该技术原理是：在一定气氛下(一般为氢气或氢气和氩气的混合气氛，对特定金属也可以使用氧气或氮气)熔化那些不会形成气体化合物的金属或者合金，保温一段时间之后，熔体中将溶解大量的气体。在随后的凝固过程中，由于气体在固相和液相中的溶解度差，凝固界面处过饱和的气体将析出，金属也凝固成相应的固相。如果工艺参数控制得当，使得固相和气相耦合生长并稳定向前推进，最后得到的将是圆柱状气孔定向排列于金属基体中的多孔结构，气孔的方向与传热（凝固）方向平行。另外，采用该技术也可制备相同结构的多孔陶瓷和多孔半导体。

根据金属/气体共晶定向凝固技术原理，美国专利专利号US5224031设计了一种通过高压气体以虹吸方式制备多孔金属的装置。因为使用的是惰性气体，而惰性气体在液态金属中的溶解度非常低，采用该装置获得的多孔金属的气孔率无法在较大范围进行调整；法国专利专利号FR2208743B1设计了一种通过水冷方式使熔体由上部凝固的多孔金属制备设备。但该设备无法精确完成金属/气体共晶反应，因此获得的多孔金属结构均匀性、可控性较差。美国专利专利号US5181549设计了包括抽真空及正压控制装置、熔化金属坩埚、具有水冷结晶器的凝固装置、温度测量及控制装置的系统。通过对熔化温度、气体压强及保压时间、凝固过程有关参数的控制，该装置可以获得结构较均匀、气孔定向排列、气孔率可控的多孔金属。但该专利采用了熔炼坩埚与凝固装置通过陶瓷塞杆分隔的方式。由于陶瓷塞杆较脆，容易发生断裂；并且容易出现熔体事先凝固在其表面，从而使提拉陶瓷塞杆无法完成。中国专利专利号2009 1 0010396.7采用互成90°放置的熔炼和凝固两个主体模块方式。该专利中，装置需要旋转90°进行浇铸，才能实现多孔金属的制备，不仅工艺和操作有些复杂，同时浇铸时液体金属产生的涡流往往导致所获得的多孔金属材料结构不均匀。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明要解决的问题在于提供一种熔炼和定向凝固在同一容器内完成的多孔金属制备设备，不仅操作简便，同时能避免由于涡流导致的多孔金属结构不均匀，可控性差等问题。

本发明的技术方案是：

一种真空-正压熔炼定向凝固设备，包括壳体，位于壳体上端的封闭法兰，位于壳体内的用于熔炼和定向凝固的熔炼坩埚暨定向凝固铸模；其中，熔炼坩埚暨定向凝固铸模下方设置有水冷结晶器，所述水冷结晶器通过外接电机控制升降臂升降调整与熔炼坩埚暨定向凝固铸模底面的接合和分离。熔炼坩埚暨定向凝固铸模材质选用导热系数较高的材料，如石墨或氮化铝等。

所述熔炼坩埚暨定向凝固铸模侧壁具有小于等于10°的锥度，熔炼坩埚暨定向凝固铸模侧壁内表面涂覆绝热陶瓷涂层，或以紧配合方式内衬具有相同锥度的绝热陶瓷筒，熔炼坩埚暨定向凝固铸模外壁缠绕加热线圈，加热线圈最大加热温度2200℃，熔炼坩埚暨定向凝固铸模与加热线圈之间填充绝热打炉料，熔炼坩埚暨定向凝固铸模的下沿探出加热线圈及绝热打炉料底面1-10mm。

所述熔炼坩埚暨定向凝固铸模的底层厚度为8-15mm。

熔炼坩埚暨定向凝固铸模通过与壳体相连的支架固定在壳体上。

所述水冷结晶器的上表面平行于熔炼坩埚暨定向凝固铸模底面，通过升降臂调整与熔炼坩埚暨定向凝固铸模的接合和分离；水冷结晶器内循环水水流速度通过压力控制。

所述水冷结晶器的上表面上可设置有介质垫片。