热阻结构辅助水冷结晶器定向凝固装置

摘要

本发明涉及采用气体/金属共晶定向凝固制备多孔金属材料领域，具体地说是一种热阻结构辅助水冷结晶器定向凝固装置，用以获得具有梯度结构的多孔金属材料。本发明热阻结构辅助水冷结晶器定向凝固装置由热阻结构和水冷结晶器两部分组成。其中，热阻结构具有较大的热容量和适中的热导率，放置于水冷结晶器和定向凝固铸模之间；水冷结晶器表面材料的热导率较小。三者相互接触良好。本发明通过在传统定向凝固方式即水冷结晶器和定向凝固铸模之间加入热阻结构并适当降低水冷结晶器的传热能力，解决了浇铸熔体在定向凝固过程中凝固速度的渐变控制，从而获得了具有梯度结构的多孔金属材料。

权利要求

1.一种热阻结构辅助水冷结晶器定向凝固装置，其特征在于：在定向凝固装置的水冷结晶器和定向凝固铸模之间放置热阻结构；

通过水冷结晶器中循环水压强及热阻结构厚度控制金属熔体定向凝固速度及变化梯度，水冷结晶器中循环水压强为0.04～0.4MPa，热阻结构厚度为20～200mm；

热阻结构的比热＞300J/(Kg·K)，热阻结构的热导率为100～407W/(m·K)。

2.按照权利要求1所述的热阻结构辅助水冷结晶器定向凝固装置，其特征在于：当制备具有气孔方向平行于轴向的多孔金属时，热阻结构放置于定向凝固铸模底部与水冷结晶器顶部之间，热阻结构为板状结构。

3.按照权利要求2所述的热阻结构辅助水冷结晶器定向凝固装置，其特征在于：定向凝固铸模周围装有加热用感应线圈。

4.按照权利要求1所述的热阻结构辅助水冷结晶器定向凝固装置，其特征在于：当制备具有放射孔结构的多孔金属时，热阻结构放置于铸模外壁和水冷结晶器内壁之间；热阻结构为环形结构，其外径和内径分别等于水冷结晶器的内径和定向凝固铸模的外径。

5.按照权利要求4所述的热阻结构辅助水冷结晶器定向凝固装置，其特征在于：定向凝固铸模下面放置有陶瓷绝热片。

6.按照权利要求1所述的热阻结构辅助水冷结晶器定向凝固装置，其特征在于：热阻结构材料为石墨、铜或铝。

7.按照权利要求1所述的热阻结构辅助水冷结晶器定向凝固装置，其特征在于：水冷结晶器与热阻结构接触表面的材料热导率为10～50W/(m·K)。

8.按照权利要求1所述的热阻结构辅助水冷结晶器定向凝固装置，其特征在于：水冷结晶器与热阻结构接触表面的材料为不锈钢、碳钢或合金钢。

说明书

热阻结构辅助水冷结晶器定向凝固装置

技术领域

[0001] 本发明涉及采用气体/金属共晶定向凝固制备多孔金属材料领域，具体地说是一种热阻结构辅助水冷结晶器定向凝固装置，用以获得具有梯度结构的多孔金属材料。

背景技术

[0002] 多孔金属材料是一类具有明显孔隙特征的金属材料，该种材料由刚性金属骨架和内部的孔洞组成，具有优异的物理特性和良好的机械性能，包括密度小、刚度大、比表面积大、吸能减振性能好、消音降噪效果好、电磁屏蔽性能高等。金属/气体共晶定向凝固技术是近年来发展起来的一种制备多孔金属的新方法。其原理是：在一定高压气氛下(一般为氢气或氢气和氩气的混合气氛)熔化那些不会形成气体化合物的金属或者合金，保温一段时间之后熔体中将溶解一定量的气体。在随后相同高压气氛条件下的定向凝固过程中，由于气体在金属固、液两相中的溶解度差，凝固界面处过饱和的气体将析出形成气孔，金属也凝固成相应的固相。通过控制工艺参数，使得固相和气相耦合生长并稳定向前推进，最后将得到圆柱状气孔定向排列于金属基体中的多孔结构。金属/气体共晶定向凝固技术中，控制气孔结构的工艺参数包括：熔炼和保温温度(熔体过热度)、凝固速度、熔炼和凝固过程中气体压强以及金属热物性等。

[0003] 长期以来，人们一直在努力获得具有均匀结构的多孔金属。但是，这一目标同自然界中存在的天然多孔结构有明显的差别。自然界中的多孔结构如木材、动物骨骼以及植物叶子等都是非均匀的或具有梯度结构，这种结构可使材料按承载条件来分布载荷(模拟骨骼结构)而无需增加构件的质量或体积。能否实现在一个多孔金属材料中的结构特征渐变调整，即形成具有梯度结构特征的多孔金属材料？目前还没有较好的办法。曾经有研究者预测：在凝固过程中压力的变化可以导致气孔生长的突然截止并因此出现了有孔和无孔固体交替的结构。但是这一方法无法付诸具体操作：气体压强是决定多孔金属结构最重要的参数，其调整的精确度很难控制，操作难度无法满足设计要求。通过大量研究发现：在控制多孔金属结构的制备参数中，凝固速度较容易准确控制，同时对多孔金属结构的影响也不像气体压强的影响那么剧烈。

[0004] 多孔金属制备设备由熔炼和定向凝固两部分组成。其中，凝固部分多采用水冷铜结晶器直接冷却凝固铸模。这种凝固装置可以保证热量通过循环水迅速导走，从而使饱和的氢-金属熔体在快速凝固过程中析出氢气和凝固金属共生。但这种装置无法实现对凝固速度的有效控制，因此无法实现获得梯度结构多孔金属的目标。同正常的铸造过程相同，多孔金属的冷却也可以采用空冷的方式。大质量的空冷结晶器成本较低，如利用厚的铜或石墨铸模。但是采用该种冷却方式的多孔金属内部存在明显的凝固方向的气孔合并及气孔尺寸增大现象，特别是对于大尺寸样品锭，该现象尤为明显。分析结果表明：该种冷却方式下，凝固速度在最开始的几秒后迅速下降，然后随着固-液界面的推进凝固速度持续下降，直至最后凝固结束为止。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种新型的热阻结构辅助水冷结晶器定向凝固装置，用以获得具有梯度结构的多孔金属材料。

[0006] 为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

[0007] 一种热阻结构辅助水冷结晶器定向凝固装置，在定向凝固装置的水冷结晶器和定向凝固铸模之间放置热阻结构，通过水冷结晶器中循环水压强及热阻结构厚度控制金属熔体定向凝固速度及变化梯度。

[0008] 所述的热阻结构辅助水冷结晶器定向凝固装置，用于制备具有气孔方向平行于轴向(藕状)的多孔金属时，热阻结构放置于定向凝固铸模底部与水冷结晶器顶部之间，热阻结构为板状结构。定向凝固铸模周围可以装有加热用感应线圈，可以选用铸模外壁小功率感应加热，进一步控制凝固速度。

[0009] 所述的热阻结构辅助水冷结晶器定向凝固装置，用于制备具有放射(发散)孔结构的多孔金属时，热阻结构放置于铸模外壁和水冷结晶器内壁之间；热阻结构为环形结构，其外径和内径分别等于水冷结晶器的内径和定向凝固铸模的外径。

[0010] 所述的热阻结构辅助水冷结晶器定向凝固装置，通过水冷结晶器中循环水压强及热阻结构厚度控制金属熔体定向凝固速度及变化梯度，水冷结晶器中循环水压强为0.04～0.4MPa，热阻结构厚度为20～200mm。

[0011] 所述的热阻结构辅助水冷结晶器定向凝固装置，热阻结构具有较大的热容量，其比热大于300J/(Kg·K)；热阻结构具有适中的热导率，热导率范围为100～407W/(m·K)。如：石墨、铜或铝等。

[0012] 所述的热阻结构辅助水冷结晶器定向凝固装置，水冷结晶器与热阻结构接触表面材料的热导率较小，热导率范围为10～50W/(m·K)，如：不锈钢、碳钢、合金钢等。

[0013] 所述的热阻结构辅助水冷结晶器定向凝固装置，热阻结构的热容量可通过热阻结构材料种类以及质量进行调节。调节结果取决于多孔金属锭的质量以及对于气孔结构梯度的要求。

[0014] 所述的热阻结构辅助水冷结晶器定向凝固装置，根据气孔结构梯度要求，热阻结构的质量可调。由此，水冷结晶器以及凝固铸模的位置及尺寸也应可以相应调节。

[0015] 本发明的主要思想是：

[0016] 采用在制备多孔金属材料的水冷结晶器与凝固铸模间加入特定厚度的介质，并降低水冷结晶器的导热能力，从而达到凝固速度的有效设计和调整。即在凝固过程中，凝固速度呈现快-减缓-稳定渐变，并因此获得了气孔结构梯度分布的多孔金属材料。本发明考虑了两个问题：一是凝固速度不能过快，否则由于凝固在非常短的时间内完成，不能够对气孔的尺寸进行有效调整，为此选择水冷结晶器与热阻结构接触表面材料的热导率较小(制备气孔方向平行于铸锭轴向的多孔材料时，可以选用铸模外壁小功率感应加热，进一步控制凝固速度)；二是凝固过程中凝固速度的梯度变化，为此选择质量较大的热阻结构放置于水冷结晶器和凝固铸模之间，以保证较大的热容量，同时该热阻结构热导率适中，从而实现熔体浇铸后凝固速度的渐变(快-减缓-稳定)设计；另外，这种设计也避免了凝固后期凝固速度过慢导致气孔过度长大等问题的出现。

[0017] 本发明中，“梯度结构”是指：多孔金属的气孔结构参数包括气孔孔径(尺寸)、气孔长度、气孔密度沿气孔生长方向呈现连续变化。以具有柱状平行于铸锭轴向的气孔的梯度多孔金属结构为例，沿金属锭底面至顶部，气孔结构参数中：气孔孔径逐渐增大，柱状气孔长度逐渐减小，气孔密度逐渐减小，三个结构参数数值连续变化。

[0018] 本发明的热阻结构辅助水冷结晶器定向凝固装置有以下特点：

[0019] 1.水冷结晶器和热阻结构相对定向凝固铸模的位置取决于所制备的多孔材料气孔形状。当制备具有柱状平行于铸锭轴向的气孔的多孔金属材料时，水冷结晶器位于装置的最下面，热阻结构放在水冷结晶器的上面，然后上面是凝固铸模(可以选用铸模外壁小功率感应加热，进一步控制凝固速度)；当制备具有辐射状(发散)气孔结构的多孔金属材料时，水冷结晶器和热阻结构放置在凝固铸模侧壁外，从外至内依次为：水冷结晶器、热阻结构和凝固铸模。

[0020] 2.装置中水冷结晶器和热阻结构的尺寸与浇铸熔体的质量有关。当制备具有柱状平行于铸锭轴向的气孔的多孔金属材料时，铸模可以为任意形状，热阻结构的形状没有限制但需要与水冷结晶器的形状配合；当制备具有辐射状(发散)气孔结构的多孔金属材料时，铸模的形状为圆柱形，相应的水冷结晶器和热阻结构为圆环形状。铸模的直径取决于每炉所生产的多孔材料质量；热阻结构的内径等于铸模的外径，外径等于水冷结晶器的内径。两种情况下，热阻结构的质量小于浇铸熔体的质量。

[0021] 3.装置中，水冷结晶器与热阻结构接触表面材料的热导率较小，如不锈钢、碳钢或合金钢；热阻结构具有较大的热容量，并且热阻结构材料具有适中的热导率，如石墨、铝、铜等。这种设计能够保证熔体不会在非常短的时间内完成凝固，同时凝固速度能够以快-减慢-稳定的方式进行。

[0022] 4.可以通过调节热阻结构的质量(尺寸)控制所获得的多孔金属材料结构参数的梯度。即增大热阻结构的质量可以使凝固速度的变化梯度变小，相应结构参数的梯度变化也变小，反之则增大(可以选用铸模外壁小功率感应加热，进一步控制凝固速度)。

[0023] 本发明具有以下优点：

[0024] 1.本发明通过在水冷结晶器与凝固铸模间加入特定厚度的介质，达到在制备多孔金属材料时的凝固过程中凝固速度梯度的控制，从而获得了具有梯度结构的多孔金属材料，为制备具有不同性能的多孔金属材料奠定基础。

[0025] 2.本发明中加入的热阻结构及质量可以调整，从而达到对于凝固速度梯度的有效控制，可以根据要求和设计获得不同梯度结构的多孔金属材料，以满足所获材料不同的使用需要和性能要求。当制备气孔方向平行于铸锭轴向的多孔金属材料时，可以选用铸模外壁小功率感应加热，进一步控制凝固速度及其梯度。

[0026] 3.本发明中水冷结晶器和热阻结构可以放置于凝固铸模的底部和外侧，可以获得梯度结构的具有平行于铸锭轴向或者辐射状(发散)两种孔结构的多孔金属材料。

[0027] 4.本发明中水冷结晶器与热阻结构接触面材料可以调整，从而进一步控制熔体凝固过程中的凝固速度及梯度，拓展对于所获多孔材料结构的梯度控制。

[0028] 5.本发明通过在传统定向凝固方式即水冷结晶器和定向凝固铸模之间加入热阻结构并适当降低水冷结晶器的传热能力，解决了浇铸熔体在定向凝固过程中凝固速度的渐变控制，从而获得了具有梯度结构的多孔金属材料。

附图说明

[0029] 图1是实施例1用于制备具有辐射状(发散)气孔结构多孔金属材料热阻结构辅助水冷结晶器定向凝固装置图。图中，1上盖密封法兰；2下盖密封法兰；3法兰密封螺栓；4壳体；5熔体浇铸口；6进水、进电口；7水冷结晶器；8热阻结构(石墨)；9定向凝固铸模；10浇铸后未凝固熔体；11已凝固具有柱状气孔结构多孔金属锭；13陶瓷绝热片。

[0030] 图2(a)-(b)是实施例1获得的金属铜锭截面结构图。其中，图2(a)为采用线切割在金属铜锭中间高度处切割所获得的截面形貌；图2(b)是图2(a)中局部放大图。

[0031] 图3(a)-(b)是实施例1获得的金属铜锭侧面结构图。其中，图3(a)为采用线切割在所获铜锭取样4cm(高度)圆台，然后沿半径方向距离外表面9，22，35，48和61mm切割成厚度为13mm铜环错落排列图。图3(b)为图3(a)中标注A、B、C、D四个区域局部放大图。

[0032] 图4是实施例1中根据图3测量并计算获得的结构参数结果。其中，图4(a)是气孔密度沿半径方向分布图；图4(b)是气孔尺寸沿半径方向分布图；图4(c)是气孔长径比沿半径方向分布图。

[0033] 图5是实施例2用于制备具有柱状平行于铸锭轴向的气孔结构多孔金属材料热阻结构辅助水冷结晶器定向凝固装置示意图。图中，1上盖密封法兰；2下盖密封法兰；3法兰密封螺栓；4壳体；5熔体浇铸口；6进水、进电口；7水冷结晶器；8热阻结构(石墨)；9定向凝固铸模；10浇铸后未凝固熔体；11已凝固具有柱状气孔结构多孔金属锭；12加热用感应线圈。

[0034] 图6是实施例2中多孔金属锭凝固速度与离铸模底部(水冷结晶器)距离关系图。

[0035] 图7是实施例2中获得多孔金属锭截面结构图。

具体实施方式

[0036] 下面通过实施例、附图以及所获得的具有梯度结构多孔金属结构结果，对本发明作进一步详细说明。

[0037] 实施例1：用于制备具有辐射状(发散)气孔结构多孔金属材料热阻结构辅助水冷结晶器定向凝固装置及所获得具有梯度结构的多孔铜样品结果。

[0038] 热阻结构辅助水冷结晶器定向凝固装置与传统铜水冷结晶器定向凝固装置的主要区别在于：水冷结晶器7与水冷浇铸铸模(即定向凝固铸模9)之间加入了热容量较大的热阻结构8(本实施例中，热阻结构的材料为石墨，其比热为710J/(Kg·K)，热导率为129W/(m·K))，热阻结构8为环形结构，热阻结构8放置于定向凝固铸模9外壁和水冷结晶器7内壁之间，其外径和内径分别等于水冷结晶器7的内径和定向凝固铸模9的外径；水冷结晶器与热阻结构接触的表面材料为不锈钢，见附图1。

[0039] 热阻结构辅助水冷结晶器定向凝固装置中，真空-正压室由上盖密封法兰1、下盖密封法兰2、壳体4组成，通过法兰密封螺栓3紧密连接密封法兰(上盖密封法兰1、下盖密封法兰2)与壳体4实现真空及正压状态。金属熔体浇铸前，具有一定压强(本实施例中，压强为0.2MPa)的循环水通过进水、进电口6流经水冷结晶器7，一定厚度(本实施例中，厚度为85mm)的热阻结构8放置于定向凝固铸模9与水冷结晶器7之间。为了避免热量由底面散失，一块较厚的陶瓷绝热片13放置于定向凝固铸模9下面。金属熔体通过熔体浇铸口5快速浇入定向凝固铸模9，并由熔体与凝固铸模界面逐渐向熔体中央凝固。凝固过程中，浇铸后未凝固熔体10与已凝固具有柱状气孔结构多孔金属锭11之间的界面均匀地向圆柱中心推进。凝固结束后，打开下盖密封法兰2，最终获得多孔铜金属锭。该金属锭为圆柱形，其高度取决于锭中气孔的比例(气孔率)。

[0040] 由于水冷结晶器与热阻结构接触的材料为不锈钢，不锈钢热导率大约为15W/(m·K)，无法将铜熔体中的热量及时导走，因此可以避免(尤其对于质量较大)铜熔体凝固在非常短的时间内完成；大质量(热容量)热阻结构的加入有两个意义：凝固初期，由于热阻结构温度较低，其作用为辅助水冷结晶器将熔体中的热量导走，由于其热容量较大，熔体的凝固速度将非常快；凝固中期，部分熔体已经凝固(如图1所示)，水冷结晶器通过热阻结构8以及已凝固具有柱状气孔结构多孔金属锭11对浇铸后未凝固熔体10进行凝固，由于热阻结构的温度已经较高，通过水冷结晶器导走的热量有限，因此此时凝固速度由初期的较快逐渐下降；随着凝固的进一步推进，未凝固熔体的体积越来越小，已凝固与未凝固界面距离水冷结晶器的距离越来越大，温度梯度逐渐变小。因此，至凝固后期，凝固速度下降越来越小。

[0041] 在整个凝固过程中，由于凝固速度的变化，导致获得的多孔金属内部气孔结构不再均匀，而是呈现梯度变化，如图2和图3所示。在整个铜锭中分布着圆柱状气孔。由铜锭外表面至其中心轴，气孔的长度逐渐减小，气孔直径逐渐增大。对于铜锭截面进行放大处理，然后对于照片中的柱状孔长度进行测量发现：距离外表面距离分别为15.5、28.5、41.5、54.5mm处的气孔平均长度分别为13、11、9、4mm；对所获铜锭取样4cm圆台，然后沿半径方向距离外表面9、22、35、48和61mm切割成厚度为13mm铜环并观察其外表面如图3所示。对铜环外表面局部区域放大测量气孔直径获得：距离外表面距离分别为9、22、35、48mm，气孔
2
直径分别为0.323、0.398、0.502、0.591mm，气孔密度分别为160、104、72、50个/cm。由此计算得到：距离外表面分别为22、35、48mm，气孔长径比分别为21.8、15.9、12.7。所获得的多孔金属结构参数由金属锭外表面至内部的变化趋势如图4所示。

[0042] 热阻结构辅助水冷结晶器定向凝固装置使获得的具有辐射状(发散)气孔结构多孔金属材料具有梯度气孔结构。传统的水冷结晶器定向凝固装置获得的多孔金属材料具有均匀的气孔结构，气孔形状全部为图2(b)中距离外表面非常近的细长的柱状孔。

[0043] 实施例2：用于制备具有柱状平行于铸锭轴向的气孔结构多孔金属材料热阻结构辅助水冷结晶器定向凝固装置及所获得具有梯度结构的多孔金属样品结果。

[0044] 与实施例1不同之处在于：热阻结构8放置于定向凝固铸模9的底部与水冷结晶器顶部7之间，即凝固方向由发散变为由下至上；本实施例中，热阻结构8为板状结构，板状结构的厚度为25mm。定向凝固铸模9周围装有加热用感应线圈12，可以根据要求在熔体凝固过程中对其或局部进行加热，从而进一步调整凝固速度，如图5所示。

[0045] 该装置的其他结构及操作过程同实施例1完全相同；该装置获得的金属锭外观形貌同实施例1完全相同；该装置获得具有梯度结构的平行于铸锭轴向的气孔的原理和思想同实施例1完全相同；该装置获得具有梯度结构的平行于铸锭轴向的气孔的结构参数与实施例1结果基本相同。

[0046] 采用热偶装置分别测量了熔体在凝固过程中不同位置的凝固速度。凝固速度对应于铸模底部距离的关系如图6所示，距离铸模底部分别为2、6、12、16cm处的凝固速度分别为1.35、1.03、0.65、0.61mm/s。可以看到：随着与铸模底部距离增大，凝固速度降低。对应凝固速度的减小导致金属锭气孔结构的变化，如图7所示。距离铸模底部越远，气孔尺寸增大，在金属锭的顶部甚至出现了非常大气孔的现象。