[发明专利]制备宏观直通型多孔金属材料的方法及其连铸装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种多孔金属材料的制备方法及其连铸装置，采用直接吹气法制备莲藕状的定向多孔金属材料，应用于多孔金属材料制备技术领域。

背景技术

多孔金属作为一种兼具结构材料和功能材料属性的新型材料，已经广泛运用于工业、医疗卫生、建筑、环保、航空航天及高新科技等多领域。多孔金属制备方法很多，如果按金属的状态可分为液相法、固相法、金属沉积法等。传统意义上的多孔金属的孔状都是呈球状或类球状而且孔洞大小不均匀，孔洞尺寸不一致，孔洞的长径比也较小。上世纪90年代出现了一种以固气共晶制备方法为基础的一种孔结构成柱状的定向多孔金属材料，也称为藕状金属材料，开创了一种新型多孔金属材料制备的新方法，该多孔金属与传统多孔金属材料相比具有更好的力学性能及物理性能，特殊的结构和性能使多孔金属材料具有广阔的应用前景，在大分子过滤器、自润滑材料、火箭燃烧室冷却元件以及宇航轻质镁板等方面应用广泛。

近二十年来制备多孔金属材料的工艺得到了很大的发展，然而该材料的传统制备工艺都需要在充满某种气体且具有一定压力的封闭容器中完成，制作成本高，工艺条件要求苛刻。采用工艺制备很难得到孔洞分布均一、尺寸一致、长径比足够大的多孔金属材料，使多孔金属材料的性能优势大打折扣。传统工艺制备藕状多孔金属材料对金属凝固过程难以实现有效控制，导致所制备的藕状多孔金属材料的孔洞达不到预期的几何要求，制备多孔金属材料的工艺还不甚理想。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备宏观直通型多孔金属材料的方法及其连铸装置，通过模板直接吹气耦合金属熔体定向凝固的方法，来制备宏观直通型定向多孔金属。其设备简单、操作容易、可适用于多种金属，并且孔分布可控。

为达到上述发明目的，本发明采用下述技术方案：

一种制备宏观直通型多孔金属材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：

a. 加热坩埚内的液态金属，并保温；

b. 坩埚内的液态金属通过坩埚底部的水口，向下注入加热型结晶器，使加热型结晶器内的液态金属的温度保持在液相线以上；

c. 通过带孔模板从加热型结晶器的底部向液态金属熔体内底吹气体，并同时在结晶器内靠近引锭杆的液态金属熔体中建立起一个自上而下的温度梯度；

d．通过引锭杆下拉和结晶器相对引锭杆上移的背向位移运动实现在连铸的拉铸方向上下拉铸件，使通过加热型结晶器底端的液态金属自上而下连续定向凝固，形成具有宏观直通型多孔的金属材料铸件。

在上述步骤c中，通过带孔模板从加热型结晶器的底部向液态金属熔体底吹气体的单位时间流量为0～10⁵ml/min，通过机械牵引机构实现引锭杆和结晶器的相对运动，其运动速度为0～10²m/s。

上述带孔模板的孔直径为1×10^-5m～1×10^-2m。

通过上述带孔模板从加热型结晶器的底部向液态金属熔体底吹的气体为惰性气体或还原性气体。

上述惰性气体为氩气。

上述方法可以用于纯金属或合金等多种金属制备宏观直通型多孔金属材料。

一种使用本发明制备宏观直通型多孔金属材料的方法的连铸装置，包括坩埚、结晶器、冷却装置和引锭杆装置，坩埚内容纳液态金属，坩埚的下端水口固定连接结晶器的上端口，冷却装置对结晶器下端口附近区域的液态金属熔体进行冷却，使通过结晶器下端口的液态金属凝固形成铸件，并通过引锭杆装置向下不断拉出。引锭杆装置包括自上而下依次固定密封连接为一体的模板、透气砖和气室，引锭杆装置在拉拔辊的作用下沿拉铸方向下拉铸件，模板设有至少一个直通孔，直通孔的一端与液态金属直接接触，直通孔的另一端与透气砖一侧表面的微孔连通，透气砖的其他表面置于气室内部，气室与供气系统的导气管连通，通过气体流量控制装置控制通过导气管向气室输入的气体流量，使模板的直通孔直接与液态金属接触处生成气泡；坩埚的外侧设有加热线圈，对坩埚内的液态金属进行加热并保温；结晶器为加热型结晶器，能对结晶器内的液态金属进行加热，使结晶器内的液态金属的温度保持在液相线以上。

上述模板的材料可采用金属铜。

上述模板的直通孔的直径为1×10^-5m～1×10^-2m。

通过上述模板向液态金属熔体底吹气体的单位时间流量控制在0～10⁵ml/min之间，通过控制拉拔辊使引锭杆装置和结晶器发生相对运动的速度为0～10²m/s之间。