[发明专利]金属基复合材料及多孔金属的渗流制备模拟法

说明书

本发明涉及金属基复合材料及多孔金属材料的渗流制备法。

金属基复合材料及多孔金属材料，是发展中的新材料，目前已在工业生产中得到日益广泛的使用和重视，具有广阔的发展应用前景。为了提高新材料的性能、质量、成品率，世界各国特别是发达国家都很重视这类材料的渗流制备研究。文献一：Nobuyuki Mori，Hirofumiand Keisaku ogi：Proceedings of the Second East Asian InternationalFoundry Symposiym．Kitakyushu，Japan．1991；July1-3：100-109；文献二：Mortensen A，MasurMC，Cornie J A and Flemings MC．Matau Trans A，1989；20A：2535--47。

渗流制备法是将金属加热成液态，在外加压力作用下渗入多孔填料颗粒层中，待液态金属凝固后得到金属与填料颗粒的复合体--金属基复合材料；对这种复合体进行后处理，除掉填料颗粒，则得到多孔金属。这种制备方法，因为是在高温下进行，或者说是在“黑箱”中进行，所以制备过程中液态金属的渗流现象和规律(例如液面的推进情况、渗流速度和压强的分布及其变化规律)以及工艺参数(例如液态金属所需控制的温度、外加压力的大小及其方式、渗流充型时间等)，都是不易观测得到的。不了解这些情况，就不易正确、合理地设计制备装置、工艺过程和提出工艺参数，从而影响材料产品的质量和成品率。以外加压力为例，若外加压力过小，由于液态金属渗流前沿的凝固，将导致充型失败；若过大，会使填料颗粒被局部压实或破碎，产品出现局部不均匀区域，使材料的内在质量下降；若过大，甚至有时会在制备过程中导致液态金属从型腔的缝隙中喷溅出来，造成安全事故。目前，一些工艺参数是在高温下，在制备实物(原型)中经多次试验后确定的，这是很费时、费力、费料、费钱的；且由于对液态金属渗流过程不甚了解，所以试验带有一定的盲目性，所确定的工艺参数不一定是最佳的。

本发明的目的在于克服上述材料制备过程中的不足之处，用科学、经济的模拟方法，获得在实际生产中所需知道的影响产品质量和成本的重要渗流现象和规律以及最佳工艺参数，为完善生产工艺过程，提高产品质量，降低成本，提供科学的依据，并指导生产实践。迄今为止，在国内外尚未见到有关类似于本发明的报道。

影响渗流制备的因素，主要是液态金属温度和填料颗粒尺寸、形状、预热温度，以及外加压力大小及其加压方式(向上渗流或向下渗流)。本发明对上述因素的不同组合情况，依据流体流动相似原理，在室温下选用模型中的液体、在装有填料颗粒的透明有机玻璃模型中，模拟了金属基复合材料及多孔金属的制备实物(原型)中的液态金属渗流过程，获得了在实际生产中影响产品质量和成本的重要渗流现象和规律以及最佳工艺参数。

本发明所述模型中的型腔与原型中的型腔几何形状相似和边界条件相似。

本发明所述模型中的填料颗粒、液体的选用条件如下：

模型中选用的填料颗粒大小、形状、孔隙率、润湿性与原型中的相同；对于mm级大小的颗粒而言，模型中液体与填料颗粒之间的润湿性，相对于原型中液态金属与预热填料颗粒之间的润湿性而言，其间差异甚小，可以忽略。

模型中选用的液体，在室温下其粘度与原型中液态金属的粘度相同；若原型中液态金属的温度有改变，反映在其粘度上若有改变，模型中在室温下的液体及其粘度亦得改变，仍需使模型中的液体与原型中的液态金属粘度相同。

模型中的填料颗粒不需预加热，其温度即为模型中液体的温度(室温)。原型中的填料颗粒需预加热，因为液态金属与填料颗粒之间有热交换。填料颗粒预热温度在临界预热温度以上，即使液态金属在充型时均在该金属的凝固温度以上即可。又因液态金属渗流时间很短(2～3秒)，热交换可以忽略，可认为在填料颗粒预热情况下，液态金属在渗流过程中温度基本上不变，即其粘度基本上不变，模型与原型的条件相似。

本发明所述模型中的外加压力方式与原型中的外加压力方式相同。

本发明所述模型与原型中的流动，实为非恒定流，均简化为在短时间内的恒定流来处理。

在上述所选参数及相似条件下，模型实验显示了流动现象，得到了渗流速度和压强的分布及其变化规律以及最佳工艺参数。依据流体流动相似原理，可将模型中所得结果换算到原型，得到原型中液态金属的渗流现象和规律以及最佳工艺参数，指导并应用于生产实践。模型实验所得结果与原型中的结果，具有良好的一致性。