专利名称：一种制造多孔材料的设备的制作方法
技术领域：
本发明属于铸造技术，特别是一种采用铸造工艺制备多孔材料的设备，准确
地说是运用铸造技术制备多 L材料，涉及利用金属-气体共晶定向凝固技术制备多
孔金属材料。
背景駄
在现代的技术^f牛下，多 L材料有很大的需求。其应用十分广泛，包括过滤 器、自润滑轴承、隔热v/隔音材料、阻尼器、蒸发冷凝系统及高比强度的结构材料 等。有许多工艺可以制造多孑L材料，例如ilil烧结各种形状的颗粒，使粉末或者 熔融物起泡沫，向多孑L模子中土真充入金属粉末，液然后去除模子的办銜见美国 专利7141675， 7108828, 6391250, 4517069， 4973358, 4713277)。 然而，这些制造 过禾呈包括了很多高能耗禾號，诸如教、末、纤维或螺旋形的制备和处理，制造多孔 模子，或制造后继化学处理的骨架等。由于±^31程的低生产率和高成本，限制 了多孔材料的应用领域。而且，上述方法生产的多孑L金属材料的力学性能往往不 會誠足当前的技术需求。
美国专利5181549介绍的一种先进工艺能有效提高生产率。该工艺包括在预 定压力的控制气氛下熔化金属或合金，向熔融液中充入氢气，然后在预设的压力 下凝固等过程。该工艺被称为气相共晶反应，肯的多生产出被称为Gasar的高强度 多孔材料(见V. Shapovalov, "Porous Metals," MRS Bulletin, April 1994, p. 24-28)。
为使这项工艺在x^获得应用，采用各项先进技术的设备是必需的。到目前为 止，在该领域还没有能够连续、稳定地生产具有与预定性能一致的多孑L材料的设 备。例如，美国专利5224031给出的一种设备能够完成在气压升高条件下熔融金 属，然后在结晶器疑固熔融金属，但是，该装置采用的气体不能被熔融液体吸附。 这种高压惰性气体只能以虹吸的方式充入铸模。如果这种装置用于生产气相共晶 多孑L金属材料，溶解的气体在低凝固速率的情况下会从熔液中逸出或者在高凝固 速率下被"冻结"在固态熔体中。依据苏联专利1107958，另一种先前的技术可在装置内禾,升高气体压力的方》妹加速铸模的冷却和f腿熔液吸收气体。但该装 置即不适于^顿氢气，也不适于熔液中充氢。因此该装置不能确保铸敬程中孔 隙率的控制。另一种现有的技术虽然采用了高压惰性气体，感应加热和特别改进
的模具(参见日本申请专利5-28550，6-83140，6-77951)，但还是不能在可接受的工 程^(牛下完成美国专利5181549的工艺任务。法国专利2208743设计了一种设备。 该设备能够熔融金属，通过在底部通入气泡向熔液中充入各种气俠包括氢气)使 熔液饱和，再通3l7jC冷方式使熔体由上部凝固。该装置通过熔体发泡和泡沫的凝 固来生产多 L金属材料。但其不能完成美国专利5181549工艺的基本反应气相 共晶反应。
本发明之设备与美国专利5181549所简要描述的装置十分相似，美国专利 5181549包括一个带有密封盖的反应釜， 一个加热器， 一个用于燃七金属的柑锅， 一个凝固熔体的水冷结晶器和加压气体的传递、排放以及控制》鹏的系统。该装 置能够保证熔融金属、向熔体中充入气体(包括氢气)、在结晶器中熔体的凝固过 程在同时升高或降低气体压力的条件下完成。这增加了该设备的功能使其不仅能 够制备泡沫金属还能够制备具有各种形状、尺度和取向的多 L材料。通31X^过熔 《驢，熔融过程中氢气压力，充氢时间和冷凝斜牛及凝固过程气压的控制可以实 5!^气孔率的控制。该装置十分适合制造纯金属或低合金钢的多孑L材料。但是， 经验表明对于多孑L材料的批量生产，尤其^f于各种合金，上述设备还不够完备。 为了生产一种特定要求的气-固结构，工艺参数的选針分关键。消除装置中加压 气氛下可能的气泡夹杂和降低浇注过程中熔体的紊流值得关注。气泡夹杂和熔体 紊流等问题可能导致形成具有不规则形状大孔和无法控制气孔率。而且，在凝固 过程还会形jt^谓的桥连，导致在外表面形成硬壳或在液态金属下面形成桥连。 桥连会致使在凝固前沿压力控制的缺失从而形成铸造缺陷。桥连也可能在熔融过 程中粒状金属炉料烧结阶段形成。在这种情况下，浇注和充氢剝牛的不正常也会 导致不合格的铸件。许多工业合金具有在熔液表面形成氧化膜的趋势，氧化膜会 Plih气体的充入和扩散，抑制了铸件的可控性生长和冷凝，同时也限制了生产稳 定质量的产品。前面所述的技术装置虽然可以使桥连和氧化等问题对在坩锅和结 晶器中熔体产生的影响较小，但就多孑L材料结构和后续鹏g的控制是有限的， 所以这种技术不适于大批量生产。这一装置的另一，点是为了浇注液态金属必 须有一个陶瓷塞杆，而陶瓷塞杆^M较差尤其在高纟显条阵下，经常发生断裂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制造多孔材料的设备，解决多孑L材料结构和后续 性能的控帝陏限等问题，通过在铸件中获得均匀分布的 L并确保均匀的孔尺寸 和孔隙率来提高产品的质量。
本发明的技术方案
一种制造多孔材料的设备，该设备设置两个互成90度角放置的两个主体模 ±夹加热-熔融-充气饱和模块以及凝固结晶模块，两模±央由连接模±央连接；
加热-熔融-充气饱和模块设置具有顶盖和底盖的密封水冷外壳，在该密封水 冷外壳内安装带有坩埚盖的坩锅、与坩埚相应的操纵器，在该密封水冷外壳上设 与真空系统相连的真空管路、与加压系统相连的气体管路、径直对着柑锅中熔体 表面的高温计、径，着坩锅中熔体表面的摄像机；
凝固结晶模±央设置具有顶盖和底盖的密封水冷外壳，在该密封7jC冷外壳内设 置7乂冷底座，在水冷底座上安fefe铸模，主铸模顶部安装中继铸模，中继铸模与 主铸模之间为 L状隔板；在水冷底座底部安装用于主铸模的震荡器和垂直往复、
水平旋转的电机；在该密封水冷外^i:设置径直对着坩埚中熔体表面的摄像机。 所述的制造多孔材料的设备，主铸丰鈔卜侧安對氐于主铸模侧壁的辅助铸模，
主铸模高于辅助铸模的侧壁上开有用于溢流的开口 ；在该密封水冷外壳上设置用
于防止溢流过程结壳的加热器，加热器径直对着主铸模的开口。
所述的制造多孔材料的设备，连接模土央采用漏斗，力口热-熔融-充气饱和模土央
以及凝固结晶模i央通过漏斗M，漏斗敞口端与坩埚对应，漏斗另一端伸至中继
铸模内。
所述的制造多孑L材料的设备，力口热-熔融-充气饱和模块以及凝固结晶模块的
水冷密封外壳、顶盖和底盖上具有水冷系统。
戶，的制造多孑L材料的设备，加热器为可通有高频电流的螺旋管。 所述的帝隨多孔材料的设备，操纵器放置在顶盖上。 所述的帝隨多孑L材料的设备，埘锅中的熔体体积与主铸模开口底边沿对应水 平面以下的主铸模中熔体的体积相等。
所述的制造多孑L材料的设备，中继铸模的容积小于柑锅中熔体的体积。 所述的制备多 L材料的设备，漏斗的底部前端开有径向的狭槽，以保证熔体
平稳箭LA7令凝模。本发明的有益效果是
1、 本发明设计有互成90度角放置的两个主術對哉熔炼炉和凝固结晶器)， 与其他制备多孔金属装置不同之处在于在熔炼炉中，有高温计、坩埚盖、开启
坩埚盖和操纵熔融物的操纵器；在凝固结晶器中，还有辅助铸模、漏斗、中继铸 模和径直对着坩埚中熔融物表面的摄像机；加热工具径直对着主铸模的开口，用 于冷却铸模和模具的震动装置以及用于移动在垂直板上的冷却铸模和翻转它的震 动，。本发明是一种能够实现多孑L材料技术的装置。与已有的技#目比，该装 置拥有很多附加的特点，能甸娥帝忾〈枯熔体(包括复杂合金)中的吸附和释放， 这极大地提高了 Gasars多？L材料的质量和多样性。
2、 本发明具有多功會^莫块的反应釜，这个反应釜可以在精确控制^和气体 含量的情况下制备熔融金属或合金以及向其中充氢，并能确保熔融物注入冷却结 晶器后，凝固前沿气体的对流、紊流以及温度和压力波动能够被消除。
3、 本发明设备能够生产航空、机械工程、石油工程和医药等领域所需要的 高质量gasar产品。
图1为本发明设备中反应釜三种状态中最初状教金属熔化和充氢饱和状态) 示意图。
图2为本发明设备在凝固状态下饱和gasar形成具有平行孔多孑L材料时示意图。
图3为本发明设备在凝固状态下饱和gasar形成具有径向孔多孔材料时示意图。
图中，1水冷外壳I; 2水冷外壳II; 3密封水)1^寸盖I; 4密封7夂7锌寸盖11; 5密封水^^寸盖III; 6感应线圈；7坩锅；8熔体；9柑埚盖；10操纵器；11高温 计；12摄像机I; 13陶瓷底座；14漏斗；15中继铸模；16熔体；17孔状隔板；
18主铸模；19 7jC冷底座；20震荡器；21垂直往复、水平旋转體；22支座；23 熔体；24多孑L材料；25摄像lfUI; 26开口； 27辅助铸模；28溢流；29加热器；
30真空管路；31气体管路；32电能干线；33供水装置；34结晶器；35陶瓷底盘;
36窗口； 37密封7jC)t^寸盖IV; 38金属平台。
如图1-3所示，该设备设置两个互成90度角放置的两个主#|莫块加热-熔
7融-充气饱和模i央(H-模i央，也称熔炼炉)和凝固结晶模i央(S-模块，也称凝固结晶 器)，两模±央H-模块、S-模块由连接模土对C-模块)连接，连接模i超C-模i央)采用漏 斗14， H-模块、S-模i央iM:漏斗14 。水冷外壳11两端安装密封水7t^寸盖13
(底盖)和密封7jOt^盖I14 (顶盖)，水冷外壳I12两端安装密封水7转寸盖IH5 (底 盖)和密封水y賴寸盖IV37 (顶盖)。 一个密封的感应线圈6穿过H-模i央水冷外壳
I 1并固定在其内壁上。感应线圈6用于加热盛有熔体8的柑锅7到金属的熔点 温度以上。坩锅7设有坩锅盖9，操纵器10通3l7jC冷外壳I 1固定在其内壁上。 需要时操纵器10用于开关坩锅盖9或向熔体加入改性剂以除掉氧化膜，或者用 于实现其他需要的操作。坩锅7中的熔^ait由高温计11测量。熔融过程由摄像 机I 12来监控和记录。置于金属平台38上的陶瓷底座13用于支撑坩锅7。金属 平台38固定在水冷外壳I 1上，但并没有将其分为上下两室。需要时，该设备可 以绕其水平轴旋转90度，以使柑锅7内的熔体M漏斗14注入中继铸模15。中 继模铸模15被熔体16部分±真充，熔体16又经孔状隔板17进入固定在水冷底座 19上的主铸模18。 一个震荡器20和一个固定在支座22上的垂直往复、水平旋转 装置21 (电机)，整^^雜置固定在支座22上。当冷却时，熔体23开始凝固 形成多孑L材料24。摄像机II25监控和记录凝固过程。随着多孑L材料24多孑L层的 生长，熔体23被生长的凝固前端取代，从而导致主铸模18中的熔体平面升高。 鄉啲熔体通过开口26^A辅助铸模27，形成溢流28。在保护水冷外壳II2内 有一个定向的加热器29，用于防止溢流过程结壳。根据需要，反应釜可以抽到 O.OOlmm Hg的真空，真空管路30可实现此目的。^t^g设计可承受5.0MPa 的压力。对于高压操作，氢气、氩气、氦气或它们的混^体可以通过气体管路 31充入反应釜，气体压力为0.1 5.0MPa。电會隨过电肯巨干线32传输到反应釜。S-模i央有一个独立的高压供7jC^置33，供水0.04^).1MPa。为了获得径向孔结构材 料，需采用的圆柱状结晶器34和陶瓷底盘35。在密封水7锌寸盖114上有一个窗口 36用于观察熔融和充氢过程。
下面介绍一个制备平行 L铜材料的装置操作典型实例。首先装置处在H-模块 垂直的状态(图l)，移开密封水冷封盖II4后，将金属料装入坩锅7，然后密封 水^^寸盖I14归位，并以气密的方式附于保护水冷外壳I 1上。降低密封水^i寸盖 13，将主铸模18置于水冷底座19上。固定辅助铸模27，中继铸模15置于主铸模18之上。漏斗14固定于中继铸模15的中央，使漏斗14的出料管恰好处于中 继铸模15的内部。关上密封水7結寸盖I3，确保其与水冷外壳I12的密封连接。 关闭气体管路31，打开真空管路30开始抽真空。感应线圈6开始通电，用操纵 器10打开坩锅盖9，熔融过禾Mffl摄像机I 12进行监控。坩锅7中的金属温度由高 温计11测量。采用操纵器10击碎坩锅中可能产生的桥接。炉料完^^熔化后，用 操纵器10加入合金添加剂，同时在炉料完全熔化时关闭真空管路30，打开气体 管路31，氢气以预设的压力导入反应釜，对于纯铜材料，压力为0.4MPa。熔化 温度升高到预设值，例如设为高于金属的熔点温度50摄氏度，熔体保持在此，。 同时，将惰性气体以预设压力通过气体管路31充入反应釜，例如l.OMPa。纟鹏 由高温计11测量，摄像机I 12监视氧化膜的形成过程，如果需要用操纵器10去 除氧化膜。保温一定时间后，每种合金对应不同的保温时间，打开加热器29以及 垂直往复、水平旋转装置(电机)21，熔体开始向中继铸模15中浇注。浇注的速 率可以根据摄像机112观测坩锅7中熔液水平面进行调节。在向主铸模18的浇 注过程中，不应观察到喷溅和沸腾(也就是气泡溢出)现象。即在中继铸模15 中熔体无M瞎气释放，熔体成分均匀，能够平稳遞过孔状隔板17駄主铸模 18。基于对主铸模18中浇注过程的观察和工艺劍牛需要，震荡器20和垂直往复、 7K平旋转装置(电机)21中的任意一个可以开动；例如对于某醉錄模需要 旋转，可以使熔体23更均匀分布在水冷底座19的表面上；对于某些合金需要垂 直往复运动^^体均匀和向熔体输入能量。这样就^t体能获得更均匀的冷却速 率从而改善多 L材料的结构。在某些情况下，铸*1^垂直方向的反复运动可以改 体的熔化速率和流动方式，当通过开口 26的熔体停止流动时，gasar的凝固 过程也就完成了 。将加热器29和感应线圈6断电，将反应釜内压力逐渐降低到大 气压，但仍保持密封状态，当铸件冷却后，通气气体管路31关闭，反应釜与真空 管线连通，抽真空至如0.01MPa后，通入空气，然后打开底盖，取出多孑L铸件。
本发明熔体向中继铸模15和主铸模18的浇注过程可以在预设的速率下进行， 由于中继铸模15和孔状隔板17的存在，可以防止大部分的氧化膜形成，这也用 于确保平稳浇注，消除浇注过程的气体损失，以及防止来自反应釜气氛下的气体 夹杂导致的大气泡形成。由于使用了摄像机I12可以实时监控炉料的熔化过程， SX寸于更准确的确定充氢时间是十分必要的。摄像机I 12育^I夠角定炉料完全熔化 的时亥U和监观愾化膜形成的过程，上述的氧化膜可进一步与化学活性剂反应或被
9机牛 纵器10去除。操纵器10能用于周期性i也打开坩锅7的坩埚盖9，因此可以 监测金属熔融过程。正如所期望的那样，操纵器10能够在熔体上动作，例如击碎 桥连，加入有关物质和去除氧化膜。对于制备化学活性合金的gasar这是十分必要 的。中继铸模15能够制备均匀的熔体8，当从坩锅7流入中继铸模15时，金属熔 液开始冷却，冷却过程伴随着气体以气泡和扩散方式的释放。如果在这一阶段烙 体冷却形成多孔结构，大的气泡^SA铸件，由于浓度梯度将导致孔结构不均匀。 使用中继铸模15，能够^)^体具有均匀的^^和浓度，从而有助于提高铸件的质 量。漏斗14有助于熔液平稳i也流入中继铸模15。在中继铸模15底部的孔状隔板 17可以进一步地M^熔体中在延展面快速生成的不需要的气泡量。该隔板还有其 他一些优点，有利于熔体平稳注入主铸模，帮助消除紊流、温度和化学成分的梯 度，因此有利于获得均匀的气 L率和提高多孔制品的质量。主铸模18中的开口 26 有助于提高多 L材料24的质量，当gasar生成时，铸模中的熔i^夜面上升，固态 硬壳会在熔体表面形成，已从凝固前沿分离的气泡会在硬壳下积聚，这时铸模顶 部的液体类似于泡沫，某些气泡聚合形成大的孔洞。很明显，这样的熔体不适合 生产合格的产品。溢流的作用是可以使形成的泡沫熔体及时移除。为使这一方法 更有效，需要坩锅中的熔体体积与开口 26边缘以下的熔体体积相等，其作用是 在主铸模18中形成有序的gasar结构，在辅助铸模27中形成具有随机分布的气泡 泡沫熔体聚集物，凝固后的熔体23可以作为金属炉茅4t盾环利用。加热器29能够 去除在整个凝固过程中的液态组分，即使在最后阶段液体已变得相当粘稠时。摄 像机II25能够通过开口26监领礙固过程。它能监测主铸模中液面的位置，在需要 时启动震荡器20和垂直往复、水平旋转装置(电机)21进行7jC平旋转或改变内部 压力。多孔产品的质量评估是一项困难的工作，即使一些抛光截面表明具有很好 质量的样品，也不能保证没有高性能应用所不允许的大孔存在。已经发现在生产 正常进行时，还是在熔体表面形成固态硬壳。在铸件表面上出现的个别气泡或相 对明亮的高温斑点表明熔体不均匀，铸件的质量可能较差。但是在凝固过程中， 还是有可能通过调节过程参数防止不合格品产生的。用于主铸模的震荡器20和垂 直往复、水平旋转装置(电机)21會g够在需要时在熔体表面和内部动作。劍于 复杂合金尤为重要，具有均匀和平稳地浇注复杂形状铸模的功能。这将消除熔体 的浓度梯度和最终产品气 L率的不均匀。其次，震荡器20和垂直往复、水平旋转 装置(电机)21有利于主铸模中保持有足够的熔体和在铸件上形成均匀的固态夕卜壳，这个固态外壳可作为气泡形成的基体，当这个外壳均匀时，在其上形核的气 泡就会有相似的尺寸和均匀的分布。第三，震荡器20和垂直往复、7jC平旋转装置 (电机)21可以向凝固前沿输入能量，从而控制气泡的形成。它们也可将气泡从 凝固前沿分离出去形成无 L层，也可以通过应用一定强度的脉冲来除去熔体中的
所有气体。真空管路30和气体管路31可以控帝晌熔体中充氢气和在较宽的压力
范围内进行凝固，这使得该,更加灵活，能很好的适应制备各种材料的工艺和
生产具有不同孔隙率、孑L尺寸和,的合格产品。因此，该装置M用和更高效。
水冷外壳使该装置适用于难熔合金和在加压的条件下制备超细孔的多孔材料
(gasar)。加热器做成螺旋管连接到高频电源上，使其能够在充氢的期间作用在熔 体上和搅拌熔液，这有助于提高生产率和产品质量。上述的特点只有结合在一起 时才会产生好的效果。以这种方式，本发明,的这^^寺点能够实m^有gasar技 术的应用，有利于提高gasar产品的质量。即使^hM特点之一被忽略时，随机因 素都会被过度放大，过程稳定性都会被削弱，故很难得到合格的产品。该设备能 够生产航空、机械工程、石油工程和医药等领i^;f需要的高质量gasar产品。
本实施例制备的多孔材料一平行孔铜材料，平行孔铜材料的结构特征及技术 参数和技术指标如下
平行孔的孑L径为10[im 3mm，孔长100jim 300mm，长宽比为1 300，孔 隙率在5% 75%之间。
另外，除了铜材料之外，采用本发明还可以用于Ni基、Cu基、Al基以及 Mg基多？L材料。该技术也可能用在钢、Co、 Cr、 Mo，甚至陶瓷多 L材料的制备 上。
权利要求
1、一种制造多孔材料的设备，其特征在于该设备设置两个互成90度角放置的两个主体模块加热-熔融-充气饱和模块以及凝固结晶模块，两模块由连接模块连接；加热-熔融-充气饱和模块设置具有顶盖和底盖的密封水冷外壳，在该密封水冷外壳内安装带有坩埚盖的坩锅、与坩埚相应的操纵器，在该密封水冷外壳上设与真空系统相连的真空管路、与加压系统相连的气体管路、径直对着坩锅中熔体表面的高温计、径直对着坩锅中熔体表面的摄像机；凝固结晶模块设置具有顶盖和底盖的密封水冷外壳，在该密封水冷外壳内设置水冷底座，在水冷底座上安装主铸模，主铸模顶部安装中继铸模，中继铸模与主铸模之间为孔状隔板；在水冷底座底部安装用于主铸模的震荡器和垂直往复、水平旋转的电机；在该密封水冷外壳上设置径直对着坩埚中熔体表面的摄像机。
2、 按照权利要求1戶皿的制造多孑L材料的设备，其特征在于主铸t數卜侧安装低于主铸模侧壁的辅助铸模，主铸模高于辅助铸模的侧壁上开有用于溢流的开口；在该密封水冷外^J:设置用于防止溢流过程结壳的加热器，加热器t5i:对着主铸模的开口。
3、 按照权利要求1戶脱的制造多孑L材料的设备，其特征在于连接模±媒用漏斗，力B热-熔融-充气饱和模块以及凝固结晶模i央通过漏斗M，漏斗敞口端与 坩埚对应，漏斗另一端伸至中继铸模内。
4、 按照权利要求1戶腿的制造多孑L材料的设备，其特征在于力口热-熔融-充 气饱和模块以及凝固结晶模块的水冷密封外壳、顶盖和底盖上具有7jC冷系统。
5、 按照权利要求2戶腿的制造多孑L材料的设备，其特征在于加热器为可通有高频电流的螺旋管。
6、 按照权利要求1戶诚的制造多孑L材料的设备，其特征在于操纵器放置在 顶盖上。
7、 按照权利要求1所述的制造多孑L材料的设备，其特征在于坩锅中的熔体 体积与主铸模开口底边沿对应水平面以下的主铸模中熔体的体积相等。
8、 按照权利要求1所述的制造多孑L材料的设备，其特征在于中继铸模的容积小于坩锅中熔体的体积。
9.按照权利要求书1所述的制备多 L材料的设备，其特征在于漏斗的底部 前端开有径向的狭槽，以保证熔体平稳流入冷凝模。
全文摘要
本发明属于铸造领域，是一种采用铸造工艺制备多孔材料的设备。本发明由互成90度角放置的两个主体模块熔炼炉和凝固结晶器组成，熔炼炉中，有坩埚、高温计、坩埚盖、开启坩埚盖和操纵熔融物的操纵器；凝固结晶器中，有水冷底座、主铸模、辅助铸模、中继铸模、加热器和径直对着坩埚中熔融物表面的摄像机；加热器径直对着主铸模的开口，在水冷底座底部设置用于主铸模的震荡器和垂直往复、水平旋转装置。本发明通过在铸件中获得均匀分布的孔，并确保均匀的孔尺寸和孔隙率来提高产品的质量，解决多孔材料结构和后续性能的控制有限等问题。本发明设备能够生产航空、机械工程、石油工程和医药等领域所需要的高质量多孔材料产品。
文档编号B22D27/00GK101450377SQ20071015857
公开日2009年6月10日 申请日期2007年11月28日 优先权日2007年11月28日
发明者佛拉德·夏波瓦尔夫, 熊天英 申请人:嘉兴中科金嘉特种材料有限公司