[发明专利]一种藕状多孔金属材料的原位反应析出制备装置及工艺

说明书

  技术领域

本发明涉及一种藕状多孔金属材料的原位反应析出制备装置及工艺。

 背景技术

近年来，随着应用范围的不断扩大，金属多孔材料的研究开发越来越受到人们的重视。藕状金属多孔材料是近十几年来新兴的一种金属多孔材料，其主要特点是：（1）优良的力学性能：采用定向凝固工艺制备的金属多孔材料，由于气孔规则且沿某一方向定向排列，所以研究发现沿气孔方向力学性能优异，没有明显的应力集中，甚至具有比相同材质的致密材料还高的综合力学性能(密度低、比模量、比强度很高)，这是泡沫金属等多孔材料无法比拟的；（2）由于气孔定向生长且连续，所以藕状金属多孔材料的孔隙为长而直的通孔，在用于气体或液体布流、过滤材料、生物医用接骨材料、尾气净化中作为催化剂载体等方面具有明显优势；（3）由于气孔沿某一方向平行排列，采用定向凝固工艺制备的藕状金属多孔材料的抗拉、抗压强度等力学性能和内摩擦、弹性、热导率和声音吸收等特性都显出各向异性，尤其适合用作有各向异性要求的特殊性能材料。由上述特点可以看出，藕状金属多孔材料是一种功能和结构性能相结合的高性能新材料。

目前，藕状金属多孔材料的主要制备方法有：（1）金属/气体共晶定向凝固法[Shapovalov V I.  U.S. Patent No.5, 181, 549 (January 26,1993)]。其制备的一般方法是：在密闭的容器中熔化金属，同时充入高压氢气、氮气或氧气等[Hyun S K, Nakajima H. Mater Let, 2003, 57: 3149－3154；Hyun S K， Nakajima H.  Mater Trans, 2002, 43(3):526－531]，使气体溶入熔化的金属液中，当气体在金属中的溶解达到饱和时，将金属液注入可形成单向传热条件的铸型中，利用气体在金属固态和液态时的溶解度差，使气体在定向凝固时连续析出而形成藕状连续多孔，获得藕状多孔金属材料。但是，此种方法的设备较为复杂，要求耐高温耐高压，投资大；工艺操作复杂，生产效率较低，并且由于高压气体（尤其是氢气和氧气）的存在而具有一定的危险性；在制备低热导率的金属（如不锈钢）时，气孔容易合并、长大而导致气孔均匀性差，因而不适于低热导率金属藕状多孔材料的制备。（2）区域熔化共晶定向凝固法[Ikeda T, Tsukamoto M, Nakajima H. Mater Trans, 2002, 43(11):2678－2684]。该方法的原理是在充满高压气体（氢气、氮气等）的密闭容器内，采用高频感应线圈加热使金属棒区域熔化后立即移出线圈，并在移出线圈的一端吹风强制冷却，使熔化部分凝固，在凝固的同时形成藕状多孔。虽然该种方法可以制备气孔比较均匀的低热导率的藕状多孔金属材料，但该种方法存在的主要问题是：① 设备投资大、控制复杂、生产成本较高；② 由于受冷却方式和熔化方式的限制，该方法不适合制备直径较大的藕状多孔金属材料。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提出一种多孔材料制备新方法，即在大气条件下，将金属熔化后铸入内壁涂有含水涂层的铸型中，同时在铸型中建立定向凝固条件，熔化金属与含水涂层中的水发生原位反应，生成氢原子而溶入金属液中，并在金属液随后的定向凝固过程中由于溶解度差而析出，从而获得藕状多孔金属的利用原位反应析出原理的藕状多孔金属材料制备方法及装置。

本发明的技术方案是：一种藕状多孔金属材料的原位反应析出制备装置，该装置的组成包括熔炼部分和设置于所述熔炼部分下端的结晶部分；

熔炼部分包括：导流槽、塞棒、塞棒升降机构、测温系统、炉盖、加热装置、坩埚、炉体和导流管；

结晶部分包括水冷结晶器底座，铸模和固定装置；

其中，所述铸模通过所述固定装置安装在所述水冷结晶器底座上，所述水冷结晶器底座一端设有冷却水入口，另一端设有冷却水出口，所述导流管设置在所述铸模的垂直上方，所述导流管的另一端与安装于所述炉体内的所述坩埚底部联通，所述塞棒置于所述坩埚内，且与所述导流管位于同一轴线上，所述塞棒升降机构与所述塞棒上端固接，带动所述塞棒上下升降，所述坩埚的四周设有所述加热装置，所述炉盖设置在所述坩埚的上端，所述测温系统安装在所述炉盖上，所述导流槽设置所述炉体的顶端，一端与所述坩埚连接。

进一步，所述铸模材质为不锈钢、陶瓷或石墨。

本发明的另一目的是提供采用上述装置的藕状多孔金属材料的原位反应析出制备工艺，具体包括以下步骤：