[发明专利]热阻结构辅助水冷结晶器定向凝固装置

说明书

技术领域

本发明涉及采用气体/金属共晶定向凝固制备多孔金属材料领域，具体地说是一种热阻结构辅助水冷结晶器定向凝固装置，用以获得具有梯度结构的多孔金属材料。

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，该种材料由刚性金属骨架和内部的孔洞组成，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。金属/气体共晶定向凝固技术是近年来发展起来的一种制备多孔金属的新方法。其原理是：在一定高压气氛下(一般为氢气或氢气和氩气的混合气氛)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一定量的气体。在随后相同高压气氛条件下的定向凝固过程中，由于气体在金属固、液两相中的溶解度差，凝固界面处过饱和的气体将析出形成气孔，金属也凝固成相应的固相。通过控制工艺参数，使得固相和气相耦合生长并稳定向前推进，最后将得到圆柱状气孔定向排列于金属基体中的多孔结构。金属/气体共晶定向凝固技术中，控制气孔结构的工艺参数包括：熔炼和保温温度(熔体过热度)、凝固速度、熔炼和凝固过程中气体压强以及金属热物性等。

长期以来，人们一直在努力获得具有均匀结构的多孔金属。但是，这一目标同自然界中存在的天然多孔结构有明显的差别。自然界中的多孔结构如木材、动物骨骼以及植物叶子等都是非均匀的或具有梯度结构，这种结构可使材料按承载条件来分布载荷(模拟骨骼结构)而无需增加构件的质量或体积。能否实现在一个多孔金属材料中的结构特征渐变调整，即形成具有梯度结构特征的多孔金属材料？目前还没有较好的办法。曾经有研究者预测：在凝固过程中压力的变化可以导致气孔生长的突然截止并因此出现了有孔和无孔固体交替的结构。但是这一方法无法付诸具体操作：气体压强是决定多孔金属结构最重要的参数，其调整的精确度很难控制，操作难度无法满足设计要求。通过大量研究发现：在控制多孔金属结构的制备参数中，凝固速度较容易准确控制，同时对多孔金属结构的影响也不像气体压强的影响那么剧烈。

多孔金属制备设备由熔炼和定向凝固两部分组成。其中，凝固部分多采用水冷铜结晶器直接冷却凝固铸模。这种凝固装置可以保证热量通过循环水迅速导走，从而使饱和的氢-金属熔体在快速凝固过程中析出氢气和凝固金属共生。但这种装置无法实现对凝固速度的有效控制，因此无法实现获得梯度结构多孔金属的目标。同正常的铸造过程相同，多孔金属的冷却也可以采用空冷的方式。大质量的空冷结晶器成本较低，如利用厚的铜或石墨铸模。但是采用该种冷却方式的多孔金属内部存在明显的凝固方向的气孔合并及气孔尺寸增大现象，特别是对于大尺寸样品锭，该现象尤为明显。分析结果表明：该种冷却方式下，凝固速度在最开始的几秒后迅速下降，然后随着固-液界面的推进凝固速度持续下降，直至最后凝固结束为止。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的热阻结构辅助水冷结晶器定向凝固装置，用以获得具有梯度结构的多孔金属材料。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种热阻结构辅助水冷结晶器定向凝固装置，在定向凝固装置的水冷结晶器和定向凝固铸模之间放置热阻结构，通过水冷结晶器中循环水压强及热阻结构厚度控制金属熔体定向凝固速度及变化梯度。

所述的热阻结构辅助水冷结晶器定向凝固装置，用于制备具有气孔方向平行于轴向(藕状)的多孔金属时，热阻结构放置于定向凝固铸模底部与水冷结晶器顶部之间，热阻结构为板状结构。定向凝固铸模周围可以装有加热用感应线圈，可以选用铸模外壁小功率感应加热，进一步控制凝固速度。

所述的热阻结构辅助水冷结晶器定向凝固装置，用于制备具有放射(发散)孔结构的多孔金属时，热阻结构放置于铸模外壁和水冷结晶器内壁之间；热阻结构为环形结构，其外径和内径分别等于水冷结晶器的内径和定向凝固铸模的外径。

所述的热阻结构辅助水冷结晶器定向凝固装置，通过水冷结晶器中循环水压强及热阻结构厚度控制金属熔体定向凝固速度及变化梯度，水冷结晶器中循环水压强为0.04～0.4MPa，热阻结构厚度为20～200mm。

所述的热阻结构辅助水冷结晶器定向凝固装置，热阻结构具有较大的热容量，其比热大于300J/(Kg·K)；热阻结构具有适中的热导率，热导率范围为100～407W/(m·K)。如：石墨、铜或铝等。

所述的热阻结构辅助水冷结晶器定向凝固装置，水冷结晶器与热阻结构接触表面材料的热导率较小，热导率范围为10～50W/(m·K)，如：不锈钢、碳钢、合金钢等。