專利名稱：一種真空-正壓熔煉凝固設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及真空-正壓熔煉定向凝固設(shè)備，具體為一種在真空及高壓氣氛下采用熔煉、底部定向凝固工藝制備具有垂直底面孔結(jié)構(gòu)的多孔金屬及合金的設(shè)備。
背景技術(shù)：
多孔金屬材料是一類具有明顯孔隙特征的金屬材料，具有優(yōu)異的物理特性和良好的機(jī)械性能，包括密度小、剛度大、比表面積大、吸能減振性能好、消音降噪效果好、電磁屏蔽性能高等，其應(yīng)用已覆蓋了航空、電子、醫(yī)藥及生物化學(xué)、冶金機(jī)械、石油化工、能源環(huán)保、 國(guó)防軍工和核技術(shù)等領(lǐng)域。為了得到不同性能的多孔金屬，多種制備方法被相繼提出，如直接發(fā)泡法、精密鑄造法、氣泡法、燒結(jié)法和電沉積法等。這些傳統(tǒng)方法具有共同的缺陷獲得的多孔金屬中氣孔的形狀、結(jié)構(gòu)和尺寸難于控制；獲得的多孔金屬力學(xué)性能較差，無(wú)法滿足結(jié)構(gòu)材料要求。為此，烏克蘭科學(xué)家Siapovalov提出了一種制備具有規(guī)則氣孔結(jié)構(gòu)的多孔金屬材料的方法-金屬/氣體共晶定向凝固技術(shù)。該技術(shù)原理是在一定氣氛下(一般為氫氣或氫氣和氬氣的混合氣氛，對(duì)特定金屬也可以使用氧氣或氮?dú)?熔化那些不會(huì)形成氣體化合物的金屬或者合金，保溫一段時(shí)間之后，熔體中將溶解大量的氣體。在隨后的凝固過(guò)程中，由于氣體在固相和液相中的溶解度差，凝固界面處過(guò)飽和的氣體將析出，金屬也凝固成相應(yīng)的固相。如果工藝參數(shù)控制得當(dāng)，使得固相和氣相耦合生長(zhǎng)并穩(wěn)定向前推進(jìn)，最后得到的將是圓柱狀氣孔定向排列于金屬基體中的多孔結(jié)構(gòu)，氣孔的方向與傳熱(凝固)方向平行。另外，采用該技術(shù)也可制備相同結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷和多孔半導(dǎo)體。根據(jù)金屬/氣體共晶定向凝固技術(shù)原理，美國(guó)專利專利號(hào)US52M031設(shè)計(jì)了一種通過(guò)高壓氣體以虹吸方式制備多孔金屬的裝置。因?yàn)槭褂玫氖嵌栊詺怏w，而惰性氣體在液態(tài)金屬中的溶解度非常低，采用該裝置獲得的多孔金屬的氣孔率無(wú)法在較大范圍進(jìn)行調(diào)整；法國(guó)專利專利號(hào)FR2208743B1設(shè)計(jì)了一種通過(guò)水冷方式使熔體由上部凝固的多孔金屬制備設(shè)備。但該設(shè)備無(wú)法精確完成金屬/氣體共晶反應(yīng)，因此獲得的多孔金屬結(jié)構(gòu)均勻性、 可控性較差。美國(guó)專利專利號(hào)US5181549設(shè)計(jì)了包括抽真空及正壓控制裝置、熔化金屬坩堝、具有水冷結(jié)晶器的凝固裝置、溫度測(cè)量及控制裝置的系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)熔化溫度、氣體壓強(qiáng)及保壓時(shí)間、凝固過(guò)程有關(guān)參數(shù)的控制，該裝置可以獲得結(jié)構(gòu)較均勻、氣孔定向排列、氣孔率可控的多孔金屬。但該專利采用了熔煉坩堝與凝固裝置通過(guò)陶瓷塞桿分隔的方式。由于陶瓷塞桿較脆，容易發(fā)生斷裂；并且容易出現(xiàn)熔體事先凝固在其表面，從而使提拉陶瓷塞桿無(wú)法完成。中國(guó)專利專利號(hào)2009 1 0010396. 7采用互成90°放置的熔煉和凝固兩個(gè)主體模塊方式。該專利中，裝置需要旋轉(zhuǎn)90°進(jìn)行澆鑄，才能實(shí)現(xiàn)多孔金屬的制備，不僅工藝和操作有些復(fù)雜，同時(shí)澆鑄時(shí)液體金屬產(chǎn)生的渦流往往導(dǎo)致所獲得的多孔金屬材料結(jié)構(gòu)不均勻。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明要解決的問(wèn)題在于提供一種熔煉和定向凝固在同一容器內(nèi)完成的多孔金屬制備設(shè)備，不僅操作簡(jiǎn)便，同時(shí)能避免由于渦流導(dǎo)致的多孔金屬結(jié)構(gòu)不均勻，可控性差等問(wèn)題。本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種真空-正壓熔煉定向凝固設(shè)備，包括殼體，位于殼體上端的封閉法蘭，位于殼體內(nèi)的用于熔煉和定向凝固的熔煉坩堝暨定向凝固鑄模；其中，熔煉坩堝暨定向凝固鑄模下方設(shè)置有水冷結(jié)晶器，所述水冷結(jié)晶器通過(guò)外接電機(jī)控制升降臂升降調(diào)整與熔煉坩堝暨定向凝固鑄模底面的接合和分離。熔煉坩堝暨定向凝固鑄模材質(zhì)選用導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料，如石墨或氮化鋁等。所述熔煉坩堝暨定向凝固鑄模側(cè)壁具有小于等于10°的錐度，熔煉坩堝暨定向凝固鑄模側(cè)壁內(nèi)表面涂覆絕熱陶瓷涂層，或以緊配合方式內(nèi)襯具有相同錐度的絕熱陶瓷筒， 熔煉坩堝暨定向凝固鑄模外壁纏繞加熱線圈，加熱線圈最大加熱溫度2200°C，熔煉坩堝暨定向凝固鑄模與加熱線圈之間填充絕熱打爐料，熔煉坩堝暨定向凝固鑄模的下沿探出加熱線圈及絕熱打爐料底面l-10mm。所述熔煉坩堝暨定向凝固鑄模的底層厚度為8_15mm。熔煉坩堝暨定向凝固鑄模通過(guò)與殼體相連的支架固定在殼體上。所述水冷結(jié)晶器的上表面平行于熔煉坩堝暨定向凝固鑄模底面，通過(guò)升降臂調(diào)整與熔煉坩堝暨定向凝固鑄模的接合和分離；水冷結(jié)晶器內(nèi)循環(huán)水水流速度通過(guò)壓力控制。所述水冷結(jié)晶器的上表面上可設(shè)置有介質(zhì)墊片。密封法蘭上設(shè)置有對(duì)稱的觀察窗I和觀察窗II，在兩個(gè)觀察窗上方分別設(shè)置有攝像頭；在密封法蘭中央正對(duì)熔煉坩堝暨定向凝固鑄模插設(shè)有可升降測(cè)溫裝置；殼體底面中央開(kāi)設(shè)同軸電纜及循環(huán)水進(jìn)口 ；殼體的側(cè)面中間高度位置附近設(shè)置接口，接口通過(guò)管路連接抽真空機(jī)組及充氣加壓系統(tǒng)，在該管路上設(shè)置真空和正壓切換閥門。殼體上外接傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，可使整個(gè)設(shè)備最大傾轉(zhuǎn)120°。熔煉坩堝暨定向凝固鑄模最大外徑200mm，側(cè)壁最大錐度10°，最大高度觀0讓。本發(fā)明的有益效果如下
1.采用本發(fā)明設(shè)備制備多孔金屬過(guò)程中，熔煉和凝固在同一裝置內(nèi)完成，熔煉保壓結(jié)束后關(guān)閉加熱系統(tǒng)，僅將水冷結(jié)晶器升至與熔煉坩堝暨定向凝固鑄模底部緊密接觸，不再需要提拉陶瓷塞桿或傾轉(zhuǎn)裝置90°或180°將氫飽和金屬溶液澆入凝固鑄模，因此使操作大大簡(jiǎn)便；
2.采用本發(fā)明設(shè)備獲得的多孔金屬結(jié)構(gòu)均勻性、可控制性更強(qiáng)；由于不存在金屬溶液澆入凝固鑄模時(shí)出現(xiàn)的金屬液內(nèi)部渦流現(xiàn)象，金屬液的定向凝固能夠穩(wěn)定進(jìn)行，因此所獲得的多孔金屬氣孔結(jié)構(gòu)的均勻性和可控制性能夠得到保證；
3.本發(fā)明設(shè)備的熔煉坩堝暨定向凝固鑄模側(cè)壁內(nèi)表面與金屬液采用陶瓷絕熱涂層 (筒)分隔，外壁與加熱線圈采用絕熱打爐料分隔，凝固時(shí)水冷結(jié)晶器直接與熔煉坩堝暨定向凝固鑄模的底部緊密接合，保證了在凝固過(guò)程中僅熔煉坩堝暨定向凝固鑄模底部導(dǎo)熱， 因此可以獲得氣孔方向垂直底面、氣孔結(jié)構(gòu)規(guī)則的多孔金屬和合金以及復(fù)合材料；
4.本發(fā)明熔煉坩堝暨定向凝固鑄模的底層厚度為8-15mm，在凝固過(guò)程中這個(gè)厚度范圍能保證承受熔體重量的前提下，金屬液向水冷結(jié)晶器快速傳熱，所制備的多孔金屬材料中氣孔的孔徑小且均勻，孔徑能達(dá)到現(xiàn)有技術(shù)中熔煉和凝固在兩個(gè)裝置中完成的指標(biāo)。5.本發(fā)明設(shè)備由于熔煉和凝固在同一裝置內(nèi)完成，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、用料少、體積小、節(jié)約制造成本。


圖1為本發(fā)明的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意其中，1密封法蘭；2法蘭密封螺栓；3接口；4同軸電纜及循環(huán)水進(jìn)口； 5-1觀察窗I; 5-2觀察窗II ； 6測(cè)溫裝置；7水冷結(jié)晶器；8升降臂；9加熱線圈；10熔煉坩堝暨定向凝固鑄模；11絕熱陶瓷筒；12金屬熔體。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明真空-正壓熔煉定向凝固設(shè)備采用熔煉坩堝和定向凝固鑄模合二為一的結(jié)構(gòu)。具體結(jié)構(gòu)如下
包括殼體，位于殼體上端的封閉法蘭1，位于殼體內(nèi)的用于熔煉和定向凝固的熔煉坩堝暨定向凝固鑄模10，材質(zhì)為導(dǎo)熱系數(shù)較高材料，如石墨或氮化鋁等，熔煉坩堝暨定向凝固鑄模10通過(guò)與殼體相連的支架固定在殼體上，其中熔煉坩堝暨定向凝固鑄模10下方一定距離內(nèi)設(shè)置有水冷結(jié)晶器7，所述水冷結(jié)晶器7通過(guò)外接電機(jī)控制升降臂8升降調(diào)整與熔煉坩堝暨定向凝固鑄模10底面之間的接合和分離。熔煉坩堝暨定向凝固鑄模10側(cè)壁具有不大于10°的錐度，熔煉坩堝暨定向凝固鑄模10內(nèi)壁表面涂覆絕熱陶瓷涂層，或以緊配合方式內(nèi)襯具有相同錐度的絕熱陶瓷筒11， 熔煉坩堝暨定向凝固鑄模10外壁纏繞加熱線圈9，加熱線圈9采用感應(yīng)加熱方式，加熱溫度最高為2200°C，既可進(jìn)行有色金屬熔煉，又可進(jìn)行黑色金屬熔煉，熔煉坩堝暨定向凝固鑄模10與加熱線圈9之間填充絕熱打爐料，用于凝固過(guò)程中熔體對(duì)加熱線圈絕熱，熔煉坩堝暨定向凝固鑄模10的下沿探出加熱線圈9及絕熱打爐料底面1-lOmm，即熔煉坩堝暨定向凝固鑄模10的底部可直接和水冷結(jié)晶器7接合，進(jìn)行熔體的快速冷卻，熔煉坩堝暨定向凝固鑄模10的底層厚度控制在8-15mm，在能夠承受熔體重量的前提下保證快速傳熱。水冷(銅)結(jié)晶器7的上表面平行于熔煉坩堝暨定向凝固鑄模10的底面，通過(guò)電機(jī)控制升降臂8調(diào)整與熔煉坩堝暨定向凝固鑄模10的底部的接合和分離，水冷結(jié)晶器7中循環(huán)水水流速度通過(guò)壓力控制，同時(shí)也可以根據(jù)需要在熔煉坩堝暨定向凝固鑄模10與水冷結(jié)晶器7之間設(shè)置介質(zhì)墊片，介質(zhì)墊片設(shè)置在水冷結(jié)晶器7上表面，配合水冷結(jié)晶器7的冷卻水流速度控制熔體定向凝固速度。密封法蘭上設(shè)置有對(duì)稱的觀察窗15-1、觀察窗115-2，在兩個(gè)觀察窗上方分別設(shè)置有攝像頭用于觀察熔煉狀態(tài)和凝固過(guò)程中熔體的凝固過(guò)程；在密封法蘭1中央正對(duì)熔煉坩堝暨定向凝固鑄模10插設(shè)有可升降測(cè)溫裝置6，測(cè)溫裝置6可采用熱電偶；殼體的下面中央位置開(kāi)設(shè)同軸電纜及循環(huán)水進(jìn)口 4 ；殼體的側(cè)面中間高度位置附近設(shè)置接口 3，接口 3 通過(guò)管路連接抽真空機(jī)組及充氣加壓系統(tǒng)，在該管路上設(shè)置抽真空和加壓切換閥門。本發(fā)明中，設(shè)備的殼體及密封法蘭均采用循環(huán)水冷卻。本發(fā)明中，設(shè)備整體固定于支架上，支架轉(zhuǎn)軸平行于密封法蘭1，設(shè)備繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)由電機(jī)或液壓系統(tǒng)控制完成，設(shè)備最大傾轉(zhuǎn)角度為120°，用于定向凝固結(jié)束后取出多孔金屬錠。本發(fā)明通過(guò)調(diào)整水冷結(jié)晶器7中水流速度以及水冷結(jié)晶器7與澆鑄模具間介質(zhì)墊片控制熔化材料的定向凝固速度，從而可以控制多孔金屬材料的結(jié)構(gòu)和性能。本發(fā)明設(shè)備的熔煉加熱溫度可以達(dá)到2200°C ；熔煉前真空度可以達(dá)到10’a ；X 作過(guò)程中最大承受壓強(qiáng)可以達(dá)到7MPa，正壓泄露量小于0. 03MPa/h ；冷卻循環(huán)水末端出水溫度低于30°C。本發(fā)明設(shè)備可以配備爐內(nèi)真空、爐內(nèi)正壓壓強(qiáng)、熔融液體溫度、保溫系統(tǒng)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控、記錄系統(tǒng)，還可以設(shè)置過(guò)流、過(guò)壓、爐內(nèi)壓力超壓和失壓、冷卻水失壓及超溫安全保護(hù)裝置。實(shí)施例1高強(qiáng)定向多孔銅的制備
裝置處于熔煉坩堝暨定向凝固鑄模10垂直狀態(tài)，打開(kāi)密封法蘭1，將金屬銅裝入熔煉坩堝暨定向凝固鑄模10，關(guān)閉并上緊密封法蘭1，將水冷結(jié)晶器降至與熔煉坩堝暨定向凝固鑄模10底部分離。打開(kāi)裝置水冷系統(tǒng)，打開(kāi)真空系統(tǒng)通過(guò)接口 3對(duì)整個(gè)裝置抽真空，當(dāng)爐內(nèi)壓強(qiáng)達(dá)到3X10’a時(shí)接通熔煉爐加熱線圈9電源，開(kāi)始對(duì)熔煉坩堝暨定向凝固鑄模10 中的金屬材料加熱并通過(guò)觀察窗15-1或觀察窗II5-2對(duì)熔煉過(guò)程進(jìn)行觀察。此階段，熔煉坩堝暨定向凝固鑄模10起的是熔煉坩堝的作用。待爐料完全熔化后，用測(cè)溫裝置6測(cè)量熔體溫度，設(shè)置加熱線圈電流使熔體溫度至1250°C并保持。關(guān)閉抽真空系統(tǒng)并切換接口 3控制閥至充氣狀態(tài)，通入氫氣至裝置內(nèi)氣體壓強(qiáng)達(dá)到0. 后，關(guān)閉氫氣閥；打開(kāi)氬氣閥，通入氬氣使裝置內(nèi)氣體壓強(qiáng)達(dá)到0. 5MPa。保持系統(tǒng)狀態(tài)(熔體溫度1250°C、氣體壓強(qiáng)0. 5MPa) 60分鐘后，啟動(dòng)水冷結(jié)晶器7的循環(huán)水系統(tǒng)，停止加熱線圈9供電并啟動(dòng)升降裝置8，使水冷結(jié)晶器緩慢上升直至與熔煉坩堝暨定向凝固鑄模10底部緊密接合，此時(shí)熔煉坩堝暨定向凝固鑄模10起的是定向凝固鑄模的作用。通過(guò)觀察窗對(duì)凝固過(guò)程進(jìn)行觀察，確保無(wú)異?，F(xiàn)象出現(xiàn)。凝固完成后，將系統(tǒng)壓強(qiáng)逐漸降低至大氣壓強(qiáng)。鑄件完全冷卻后，切換接口 3外抽真空及加壓控制閥至抽真空狀態(tài)并啟動(dòng)真空機(jī)組，系統(tǒng)真空度達(dá)到100 后停止抽真空，系統(tǒng)靜置5分鐘后通入空氣，然后打開(kāi)密封法蘭1并旋轉(zhuǎn)設(shè)備120°，取出多孔銅鑄件。所獲得多孔銅氣孔方向垂直于底面，氣孔結(jié)構(gòu)參數(shù)為孔徑100 β m-800 β m孔長(zhǎng)度 10mm-30mm,氣孔率 39 士 5%。
權(quán)利要求
1.一種真空-正壓熔煉定向凝固設(shè)備，其特征在于包括殼體，位于殼體上端的封閉法蘭(1)，位于殼體內(nèi)的用于熔煉和定向凝固的熔煉坩堝暨定向凝固鑄模(10);其中，熔煉坩堝暨定向凝固鑄模(10)的側(cè)壁內(nèi)表面設(shè)置絕熱層，下方設(shè)置有水冷結(jié)晶器(7)，所述水冷結(jié)晶器(7)通過(guò)外接電機(jī)控制升降臂(8)升降調(diào)整與熔煉坩堝暨定向凝固鑄模(10)底面的接合和分離。
2.按照權(quán)利要求1所述的真空-正壓熔煉定向凝固設(shè)備，其特征在于，所述熔煉坩堝暨定向凝固鑄模(10)側(cè)壁具有小于等于10°的錐度，熔煉坩堝暨定向凝固鑄模(10)側(cè)壁內(nèi)表面涂覆絕熱陶瓷涂層，或以緊配合方式內(nèi)襯具有相同錐度的絕熱陶瓷筒(11)，熔煉坩堝暨定向凝固鑄模(10)外壁纏繞加熱線圈(9)，加熱線圈(9)最大加熱溫度2200°C，熔煉坩堝暨定向凝固鑄模(10)與加熱線圈(9)之間填充絕熱打爐料，熔煉坩堝暨定向凝固鑄模(10) 的下沿探出加熱線圈(9)及絕熱打爐料底面l-10mm。
3.按照權(quán)利要求1所述的真空-正壓熔煉定向凝固設(shè)備，其特征在于，所述熔煉坩堝暨定向凝固鑄模(10)的底層厚度為8-15mm。
4.按照權(quán)利要求2所述的真空-正壓熔煉定向凝固設(shè)備，其特征在于，熔煉坩堝暨定向凝固鑄模(10)通過(guò)與殼體相連的支架固定在殼體上。
5.按照權(quán)利要求1所述的真空-正壓熔煉定向凝固設(shè)備，其特征在于，所述水冷結(jié)晶器 (7)的上表面平行于熔煉坩堝暨定向凝固鑄模(10)底面，通過(guò)升降臂(8)調(diào)整與熔煉坩堝暨定向凝固鑄模(10)的接合和分離；水冷結(jié)晶器(7)內(nèi)循環(huán)水水流速度通過(guò)壓力控制。
6.按照權(quán)利要求5所述的真空-正壓熔煉定向凝固設(shè)備，其特征在于，所述水冷結(jié)晶器 (7)的上表面上可設(shè)置有介質(zhì)墊片。
7.按照權(quán)利要求1所述的真空-正壓熔煉定向凝固設(shè)備，其特征在于，密封法蘭(1)上設(shè)置有對(duì)稱的觀察窗I (5-1)和觀察窗II (5-2)，在兩個(gè)觀察窗上方分別設(shè)置有攝像頭； 在密封法蘭(1)中央正對(duì)熔煉坩堝暨定向凝固鑄模(10)插設(shè)有可升降測(cè)溫裝置(6)；殼體底面中央開(kāi)設(shè)同軸電纜及循環(huán)水進(jìn)口(4)；殼體的側(cè)面中間高度位置附近設(shè)置接口(3)，接口(3)通過(guò)管路連接抽真空機(jī)組及充氣加壓系統(tǒng)，在該管路上設(shè)置真空和正壓切換閥門。
8.按照權(quán)利要求1所述的真空-正壓熔煉定向凝固設(shè)備，其特征在于殼體上外接傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，可使整個(gè)設(shè)備最大傾轉(zhuǎn)120°。
9.按照權(quán)利要求1所述的真空-正壓熔煉定向凝固設(shè)備，其特征在于熔煉坩堝暨定向凝固鑄模(10)采用石墨或氮化鋁。
全文摘要
本發(fā)明為一種在真空及高壓氣氛下采用熔煉、底部定向凝固工藝制備具有垂直底面孔結(jié)構(gòu)的多孔金屬及合金設(shè)備。本發(fā)明熔煉坩堝與定向凝固鑄模為同一裝置，側(cè)壁具有錐度，內(nèi)部涂覆絕熱陶瓷涂層，或以緊配合方式內(nèi)襯絕熱陶瓷筒，通過(guò)打爐料與外周纏繞的水冷感應(yīng)線圈分隔；熔煉坩堝下方設(shè)置水冷結(jié)晶器，具有自動(dòng)升降功能。熔煉時(shí)，水冷結(jié)晶器遠(yuǎn)離熔煉坩堝暨定向凝固鑄模。凝固時(shí)，水冷結(jié)晶器表面與熔煉坩堝暨定向凝固鑄模底面緊密接合。水冷結(jié)晶器中水流速度通過(guò)壓力控制；定向凝固結(jié)束后，通過(guò)外接傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使其傾轉(zhuǎn)120°，取出多孔金屬錠。本發(fā)明能夠生產(chǎn)用于航空、電子、醫(yī)藥及生物化學(xué)、冶金機(jī)械、石油化工、能源環(huán)保、國(guó)防軍工等領(lǐng)域的多孔金屬材料。
文檔編號(hào)C22C1/08GK102328066SQ20111025580
公開(kāi)日2012年1月25日 申請(qǐng)日期2011年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月31日
發(fā)明者杜昊, 熊天英, 祁建忠 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所