[发明专利]大气环境下连续制备长尺寸泡沫金属的方法及其装置

说明书

本发明公开了一种大气环境下连续制备长尺寸泡沫金属的方法和装置，其方法如下：在大气环境下的金属连铸过程中，通过在石墨结晶器凝固界面前沿处施加一个感应加热线圈，并在线圈中通入中/高频交流电，从而加热石墨结晶器和固液界面前沿的金属熔体，形成高过热熔体，加快二冷水遇热所形成水蒸气与石墨结晶器壁的反应，生成氢气，促进金属熔体中氢气的溶解，然后立即进入高温度梯度的冷却区，熔体析出气泡并立即凝固，最终形成泡沫金属材料。上述过程连续进行，因此可以制备长尺寸的泡沫金属材料。本发明连铸装置无需至于高压腔体中，无需通过外置模板或者吹气等形式制备泡沫材料，其设备简单、操作容易，可适用于多种金属材料制备。

技术领域

本发明属于泡沫金属材料制备领域，特别是提供一种在大气环境下长尺寸泡沫金属材料的制备方法及装置。

背景技术

泡沫金属材料具有优异的物理特性和良好的力学性能，被广泛认为是21世纪最有应用前景的新型工程材料之一。根据制备工艺特点，泡沫材料制备可分为金属沉积法、固态处理法和液态处理法等三大类。金属沉积法是在预处理过的表面上进行化学离子沉积或者气相沉积得到金属沉积层的方法，该类方法操作条件要求严格、工序繁琐、生产成本较高。固态处理法是使用固态金属粉末进行烧结制备泡沫金属材料的方法，其缺点为能耗较大，容易混入杂质。液态处理法是制备泡沫金属工艺中最常用的一种方法，其原理主要是在液相金属中添加发泡剂或直接向液体中通入惰性气体，使液相金属在凝固过程中气体能够留在其中，从而得到泡沫结构。不同制备手段获得的泡沫金属在外形、性能及应用方面都具有较大的差异。为解决工业应用中大规模生产的问题，日本的Nakajima教授将连铸技术应用于泡沫金属制备的方法，其方法为：一个高压容器内，在氢气气氛中通过感应线圈加热熔化坩埚中的金属，并保温足够长时间，待氢气充分溶解于液态金属后，开启下引机构，进行连续生产。该类连铸方法目前已成功应用于泡沫铜带的制备，但由于需要高压容器，还需要通入大量氢气，这都大大增加的生产成本和工艺难度。如何克服以上问题，实现工业化连续生产，如何在大气环境下连续制备多孔泡沫材料，成为亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服生产泡沫金属工艺中需要高压容器和通入大量氢气等技术存在的不足，克服高压容器使用对长尺寸泡沫金属制备的极大限制，提供一种在大气环境下连续制备泡沫金属的方法及其装置。

为达到上述发明目的，本发明采用下述技术方案：

一种大气环境下长尺寸泡沫金属材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将待熔铸金属放入上部石墨坩埚中，在上部石墨坩埚外部设有上部感应线圈，在上部感应线圈中通入交流电，通过感应加热方法，加热并熔化在上部石墨坩埚中的金属原料，形成金属熔体；在上部石墨坩埚下方连接设置下部石墨坩埚，下部石墨坩埚作为石墨结晶器，在下部石墨坩埚外部设有下部感应线圈，在下部石墨坩埚的下部连接设置水冷结晶器，在水冷结晶器的连铸坯的拉出位置设置二冷水，在水冷结晶器中通入冷却水；

步骤2：待熔化后的金属熔体从上部石墨坩埚流入下部石墨结晶器中时，在下部感应线圈中通入交流电，进一步进入加热下部石墨坩埚中的熔体；与此同时，开启二冷水；

步骤3：开启抽拉连铸设备，利用抽拉连铸设备将连铸坯从水冷结晶器中拉出，通过水冷结晶器和二冷水对连铸坯进行强制冷却，二冷水在冷却连铸坯的过程中遇热变成水蒸气；

步骤4：在所述步骤3中生成的水蒸气穿过连铸坯与下部石墨坩埚壁内表面之间的间隙中上升，并最终到达在下部石墨坩埚中的金属熔体进行凝固的固液界面处，在下部感应线圈加热的升温作用下，使水蒸气会与固液界面处的高温的下部石墨坩埚壁面的石墨材料发生如下化学反应：