[发明专利]通过粉末冶金制造多孔体的方法以及颗粒材料的冶金组合物

说明书

发明领域

本发明涉及为允许以相对较低成本制造待使用的金属或最终陶瓷的多孔体的方法，所述多孔体用于例如声学消音元件的形成，所述声学消音元件被设计用以在不同应用例如在密封制冷压缩机中提供声吸收。开发用于声学消音元件形成的多孔体，通过在该声学消音元件的多孔结构中吸收声波，将声波能量转化为热量，从而减少压缩机和其它机械系统中的噪音水平。通过粉末冶金技术，通过使用颗粒材料的冶金组合物制造用于例如声学消音元件形成的多孔体，所述冶金组合物由石墨粉(碳)与陶瓷材料粉末的混合物限定，所述陶瓷材料是容易被氢或碳还原的类型，例如Ni、Cu、Sn、Zn、Mo和W的氧化物，以及它们的混合物，从而在必要时允许在烧结加工期间将所述氧化物还原成金属。

发明背景

目前，已经越来越关注于减弱家用电器、汽车、飞机、设备和一般机器中的噪音。所述关注不仅起因于增加消费者舒适度的需求，而且由于监管机构所建立的规范与法规，所述监管机构为每种类型的具体介质所允许的噪音水平限定了更严格的限度。

可以在多孔材料和在粘弹性材料中吸收声波，从而通过吸收所述声波而减弱噪音水平。

当经受较高的负荷和工作温度时，使用以金属(或最终陶瓷)材料制造的多孔元件用于声吸收往往更加有效，因为所述材料相比于由聚合物形成的常用元件具有更高的机械强度和热强度。此外，金属和/或陶瓷材料的声学消音元件更容易被纳入传统的机械系统。

在工程学中，使用术语“多孔材料”来指代通过孔隙的存在而使得工程功能变为可能的材料。孔隙可以是原生和次生的类型。使粉末颗粒彼此烧结所残余、保留的孔隙被认为是原生孔隙。原生孔隙的尺寸和体积百分比是由用于制造材料的粉末颗粒的尺寸以及所使用的加工参数(压实压力、烧结时间和温度等)直接造成。通过在制备材料的步骤期间消除混合至基质粉末的造孔剂(space holder)，在材料的体积内产生所谓的次生孔隙。在多孔材料中，孔隙也可以被分为封闭型孔隙(与材料外部隔绝)和开放型孔隙(彼此以及与外部连通)。

将仅含封闭孔隙的材料用作结构支承物，并且具有开放孔隙的材料主要应用在需要流体通道的场所，例如在过滤、催化剂载体、隔热和隔音、润滑剂的沉积(在自动润滑套管中)等等。用以产生多孔材料的具体工艺限定了所述材料的性能和多孔结构，例如孔隙率的类型(开放或封闭)、孔隙的体积百分比、孔隙的尺寸和形状、孔隙的均匀性和连通性。

可以通过加工途径例如复制、材料的沉积(INCOFOAM)或者通过将两相复合物(由均匀分散的金属或陶瓷颗粒的连续的基质组成)与造孔剂混合或者还通过快速原型技术来制造具有开放孔隙率的多孔材料。可以通过如下方式制造具有闭孔隙的材料：将金属或陶瓷基质与空心球体(“合成泡沫”)结合，压实具有发泡剂的合金粉末混合物，在模具内烧结松散粉末(未压实)，或者利用液态的材料，通过将气体直接注入液态金属中或者通过添加成孔剂。

历年来已经提出生产多孔材料的几种可选的加工方法。然而，对于本发明中预期的特定应用，即设备或机器(例如例如封闭式压缩机)中的声吸收，成品多孔部件应该具有低成本，应该以大规模且成本有效且高生产率的方法生产。此外，使用的原材料应该具有低成本。因此，提出粉末冶金作为以极大潜力制造成品部件的方法。然而，不能仅通过调整粉末制造方法的参数例如压实压力、烧结时间和温度(这些参数仅与获得原生孔隙有关)来实现声学消音元件的多孔体所要求的高的开放孔隙率。为了实现包括次生开放孔隙在内的高百分比的孔隙率，除最终开放的原生孔隙(彼此连通并且与外部连通)之外，有必要向待烧结的颗粒材料组合物中添加造孔剂。

对于具有高效声吸收的多孔体的开发，应当认为它们关于声吸收程度的行为是来自于消音元件的多孔结构的形态特征，可以通过使用声传播的分析模型(例如用于具有刚性结构的多孔材料中的声传播的Zwikker/Wilson模型)模拟来预测该行为。对于密封制冷压缩机的排放中的示例性的应用，所述模拟表明当连通的孔隙呈现20μm至60μm的直径时，对于45％至60％连通孔隙(开放)的体积百分比，在金属多孔体中产生最高的声吸收系数。所述信息作为起始点是重要的以进行本发明材料的实验开发，旨在以理论方式获得更适合于声吸收的多孔结构。