專利名稱：多孔金屬產(chǎn)品及制造多孔金屬產(chǎn)品的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高度多孔金屬體的制造，其包括設(shè)計(jì)為金屬泡沫、微胞 金屬、金屬海綿或金屬格構(gòu)衍架結(jié)構(gòu)的材料，所有這些材料是具有(指 導(dǎo)性地)至少10% (特別是更多)的多孔結(jié)構(gòu)的金屬結(jié)構(gòu)。范圍十分廣
泛的制造方法已經(jīng)開發(fā)出來用于制造多孔性金屬材料(在Metal Foams: A Design Guide, M F Ashby, A G Evans， N A Fleck, L J Gibson, J W Hutchinson, H N G 15 Wadley, 2000, Butterworth-Heinemann, [J Banhart, Progress in Materials Science 46 (2001) 559-632]中所描述的， http: 〃w w w. metal foam net/)。
背景技術(shù)：
更特別地，本發(fā)明涉及通過包括圍繞著定義泡沫形狀的可移動(dòng)耐火 模具或空間支持物浸潤熔融金屬的鑄造方法來制造上述材料或結(jié)構(gòu)。已 經(jīng)有若干種金屬泡沫的制造途徑屬于此類，例如在[M F Ashby, A G Evans, N A Fleck, L J Gibson, J W Hutchinson, H N G Wadley "Metal Foams: A Design Guide" Butterworth-Heinemann, Boston, (2000)], [J Banhart, Progress in Materials Science 46 (2001) 559-30 632], [Y Conde, J-F Despois, R Goodall， A Marmottant, L Salvo, C San Marchi & A Mortensen， Advanced Engineering Materials 8(9) 795-803 (2006)]中描述的。由于復(fù)雜的相互連接 的多孔結(jié)構(gòu)——通常超過產(chǎn)品總體積的40%,這樣的模具或空間支持物以 及制造它們的方法的需求通常會(huì)與那些用于使中空鑄件成型的方法要求 不同。
在[Y Yamada, K Shimojima, Y Sakaguchi, M Mabuchi, N Nakamura, T Asahina, T Mukai， H Kanahashi & K Higashi, Journal of Materials Science Letters, 18 (1999) 1477-1480]中描述了使用聚合物前體的熔模鑄造的方 法；還被人們猜測的在于正是這種方法用于制造"多塞樂(Duocel)金屬泡沫，，，這種產(chǎn)品目前由ERG Materials和Aerospace ^>司出售 (http:〃www.ergaerospace.com/), [M F Ashby， A G Evans, N A Fleck， L J Gibson, J W Hutchinson, H N G Wadley "Metal Foams: A Design Guide" Butterworth-15 Heinemann， Boston, (2000)]。在此方法中，例如聚氨基曱 酸乙酯的打開的氣孔(open-celled)有機(jī)泡沫填充有耐火泥漿的，特別是 在熔模鑄造的被固化的模制化合物中，在固化之后，熱處理用于使模具
密實(shí)并去除初始聚合物前體。金屬被鑄造到模具中并成型，模具材料使 用常規(guī)方法去除，例如通過機(jī)械振動(dòng)或通過水力噴射。
美國專利號US3052967 [J Banhart, Progress 25 in Materials Science 46 (2001) 559-632]描述了使用了預(yù)先成型的由粘合劑固定在一起的沙粒來 制造泡沫的方法，所述粘合劑在高溫下分解，這使得所述沙粒能夠散開。
如果鑄造足夠快，之后燒結(jié)的聚合物?？梢员挥米髋c鋁的預(yù)成型件。
鑄造之后，熱高溫分解處理被用于去除聚合物。例如，這種方法由
Fraunhofer Institute in Bremen,
http:〃www.ifam.fraunhofer.de/index.php seite=/2801/leich
tbauwerkstoffe/offenporoese-strukturen/&lang=en.4^述。
或者，可以使用圍繞可移動(dòng)空間支持物的燒結(jié)金屬粉末。所需金屬 的粉末與足夠量的材料的顆?；旌?，所述材料的顆?；蛘咄ㄟ^水或者通
過適當(dāng)?shù)臒崽幚砣コＴ谶@個(gè)階段，空間支持物顆粒在泡沫中保持多孔 結(jié)構(gòu)。所使用的空間支持物的例子包括鹽[Y Y Zhao, D X Sun, Scripta Mater. 44 (2001)]和尿素[B Jiang, N Q Zhao C S Shi, J J Li, Scripta Mater. 53 (2005) 781-785] (二者都通過溶于水中去除)。
相對簡單的方法使用正常穩(wěn)定的鹽顆粒定義泡沫多孔結(jié)構(gòu)，如在美 國專利US3236706中所描述的。如果顆粒滲濾，隨后以熔融金屬進(jìn)行的 晶間間距的熔滲和后者的固化之后，鹽可以通過溶解于水中被去除。人 們進(jìn)行研究致力于開發(fā)這種方法以使泡沫多孔結(jié)構(gòu)(在0.6-0.9的范圍 內(nèi))、孔的形狀(通過使用在成組的可能鹽晶形內(nèi)的不同形狀)、及孔的 尺寸(在5/mi-2mm的范圍內(nèi))有所不同，見[C San Marchi & A Mortensen, Acta Materialia 49 3959 (2001); C San Marchi, 25 J-F Despois & A Mortensen, Acta Materialia 52 2895 (2004》J-F Despois, Y Conde, C SanMarchi & A Mortensen, Advanced Engineering Materials 6(6) 444 (2004); C Gaillard, J-F Despois, & A Mortensen, Materials Science and Engineering A 374(1-2) 250 (2004); R Goodall, A 30 Marmottant, L Salvo & A Mortensen, Materials Science and Engineering A 465 (1-2) 124 (2007)]。但是，此方法 受限于能夠得到的鹽晶形的尺寸和形狀，實(shí)際情況是直徑大于約0.5mm 的鹽粒不能如更小的顆粒的相同方式被壓縮，及通過溶解的預(yù)成形產(chǎn)品 去除的低速率。
發(fā)明概述
本發(fā)明的發(fā)明目的是使用形狀支持物制造具有至少10%，優(yōu)選40% 或更多的互連多孔結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，所述支持物(i)易于成型；(ii)在金屬 熔融溫度下具有足夠強(qiáng)度，與金屬接觸具有化學(xué)惰性，及(iii)快速且簡 易的可去除性，經(jīng)濟(jì)且不在任何階段產(chǎn)生生態(tài)有害廢物或排放物。
本發(fā)明的實(shí)施方式提供了一種使用預(yù)成型件來制造含有至少10%的 互連多孔結(jié)構(gòu)的金屬或合金產(chǎn)品的方法，此方法包括
-混合有機(jī)粘合劑，濕潤劑和粒狀材料以獲得可鑄造的糊狀物，所述 糊狀物組合10% (體積)或更多所述粒狀材料，所述粒狀材料易于溶解 在液體溶劑中，且所述有機(jī)粘合劑是可熱降解的。
或合金填充的打開狀態(tài)的孔狀空間；
溫度并在所述預(yù)成型件中形成互連的、打開的多孔結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)； -用液體金屬或金屬合金填充所述打開狀態(tài)的孔狀空間。 本方法有利地使用可鑄造糊狀物或面團(tuán)，其含有細(xì)小的，優(yōu)選由水 濕潤的、可溶于水的耐火材料，且有機(jī)粘合劑優(yōu)選形成可碳化材料以有 助于粘合。此糊狀物或面團(tuán)可以使用許多可能的方法成型，包括例如食 品工業(yè)的面團(tuán)成型技術(shù)或計(jì)算機(jī)控制的三維自由成型方法，在所述多孔 金屬產(chǎn)品中成型為多孔結(jié)構(gòu)所需的形狀和尺寸。隨后烘焙至硬化同時(shí)保 持其形狀。這使得其適于用作待被置于鑄造金屬用的模具中的可溶的空 間支持物。例如，面團(tuán)能夠成型為可控尺寸的許多小球，其之后這些小球通過簡單包裝成為具有正確體積部分的多孔結(jié)構(gòu)和孔尺寸的預(yù)成型件。
隨后在空氣中加熱空間支持物或預(yù)成型件以引起鑄造材料硬化，進(jìn) 一步進(jìn)行加熱處理以去除揮發(fā)性物質(zhì)，否則所述揮發(fā)性物質(zhì)將被引入到 鑄造過程中并減少粘合劑相存在的總量。所述預(yù)成型件或空間支持物隨 后被置于模具，如適宜在壓力下鑄造金屬，該壓力保持足夠小以使得制 造預(yù)成型件的烘焙糊狀物或面團(tuán)內(nèi)的孔不被金屬填充。在固化和機(jī)械成 型后(如果需要)，預(yù)成型件通過與液體溶劑接觸而被去除，所述液體溶
劑優(yōu)選水，得到含有40%(體積百分比)或更多的互連多孔結(jié)構(gòu)的金屬 產(chǎn)品。由本發(fā)明制造的空間支持物的性質(zhì)引起此最后操作步驟的速度的 顯著增強(qiáng)，所述速度的增強(qiáng)是通過精細(xì)組份顆粒尺寸、水可濕潤性和本 文公開空間支持物的互連多孔結(jié)構(gòu)的組合。另外的不是水的液體(例如， 酒精或其他溶劑)能夠被使用。所述溶劑和粒狀材料能夠以如下方式進(jìn) 行選擇所述粒狀材料能夠很好的被溶劑浸濕。
根據(jù)一個(gè)特定特征，與所述打開的孔狀空間相比，預(yù)成型件材料內(nèi) 的打開的孔的尺寸是更加細(xì)小的，等于前者的三分之一或更小。
根據(jù)一個(gè)特定特征，充氣的預(yù)成型件被置于模具中并隨后以例如鋁 或其一種合金等的液體金屬或金屬合金填充所述打開的孔狀空間，優(yōu)選
以低壓方法填充，且在金屬或合金固化后，所有預(yù)成型件材料通過用諸 如水等液體溶劑洗滌的方法從固化金屬或固化合金中洗脫。使用這樣的 方法，孔徑尺寸大于lmm的金屬泡沫能夠在高度控制下獲得。以上這個(gè) 尺寸以常規(guī)方法，鹽顆粒趨向于在預(yù)成型件壓縮階段期間壓碎而不是再 成型，這使得難于控制孔的形狀或孔的體積片段。所述有機(jī)粘合劑和濕 潤劑克服了常規(guī)方法中的此項(xiàng)缺陷。
根據(jù)另一個(gè)特征，可鑄造糊狀物本質(zhì)上由NaCl的可溶顆粒和含碳粘 合劑組成。優(yōu)選全磨面粉等的碳水化合物是粘合劑的示例性化合物。包 括這些NaCl顆?；蝾愃屏畈牧系暮隣钗锟梢员怀尚?，所述糊狀物能夠 抵擋得住與熔融金屬在鑄造期間接觸，這是本發(fā)明的另 一個(gè)重要優(yōu)勢。 鹽顆?？梢员荒ブ茷橹睆叫∮?50/rni，但是使用此方法，更大的糊狀物 顆粒可以被用于制造更大的預(yù)成型件(具有幾厘米或更大尺寸)。在本文公開的方法中，高度多孔結(jié)構(gòu)的金屬產(chǎn)品能夠在預(yù)成型材料 溶解后獲得。與常規(guī)方法相比，本發(fā)明的溶解時(shí)間非常短，此處的濾去 方法通過在幾個(gè)孔直徑等級間距離上的擴(kuò)散來限制速度的。能夠快速(不 是對于幾厘米范圍內(nèi)的常規(guī)方法的幾天)得到溶解的原因是預(yù)成型件烘 培體的內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)。此內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)由蒸發(fā)濕潤劑和/或熱解粘合劑來
得到。蒸發(fā)和熱解可以通過熱處理進(jìn)行，特別是400-500。C的溫度用于設(shè) 計(jì)為制造高度多孔鋁的預(yù)成型件。有機(jī)粘合劑，例如面粉成分，被熱解 且殘留碳中的大多數(shù)通過與氧反應(yīng)而被去除。這留下了鑄造的鹽預(yù)成型 件，其含有很多細(xì)孔。
根據(jù)另一個(gè)特征，獲得所述可鑄造糊狀物的混合物含有5-20 wt。/。的 有機(jī)粘合劑，50-80 wt。/。的粒狀材料和作為濕潤劑的15-25 wt。/。的水。這
根據(jù)另一個(gè)特征，蒸發(fā)包括在100。C和500。C之間的至少一溫度加 熱糊狀物1-5小時(shí)以引起固化。預(yù)成型件首先被加熱到100-200。C,其后 固化的預(yù)成型件在400。C-500。C之間繼續(xù)加熱16小時(shí)以減少來自粘合劑 的碳?xì)埩簟?br> 根據(jù)另一個(gè)特征，所述成型步驟包括使可鑄造糊狀物成型為離散的 球，所述離散的球被壓在一起以制造所述充氣的預(yù)成型件?；蛘撸?壽 造糊狀物可以成型為離散的圓柱體或其他適合形狀，他們被壓在一起以 制造所述充氣的預(yù)成型件。
根據(jù)另 一 個(gè)特征，由本發(fā)明方法制造的高度多孔性的金屬與至少一 種相變熱管理材料組合，例如石蠟。所得到的復(fù)合材料具有好的熱傳導(dǎo) 性(由于多孔金屬)和高熱存儲(chǔ)容量(由于相位改變材料)，且可以用于 熱管理應(yīng)用。
更加通常的，多孔金屬產(chǎn)品能夠用于許多用途，諸如過濾、熱交換、 聲學(xué)應(yīng)用(例如在聲音吸收領(lǐng)域)、催化作用(作為催化劑支持材料)或 其組合。管道或類似組件也可以容納在所述多孔金屬產(chǎn)品中。
根據(jù)另 一個(gè)特征，根據(jù)本發(fā)明方法制造的多孔金屬產(chǎn)品與密度金屬 產(chǎn)品無縫組合，通過筒單地鑄造到模具中，留下打開的空間，該空間臨 近根據(jù)本發(fā)明方法制造的預(yù)成型件。所得到的鑄造件之后以兩個(gè)區(qū)域標(biāo)
9識， 一個(gè)區(qū)域是密實(shí)的，另一個(gè)是高度多孔、無縫連接的；這確保了更 大的強(qiáng)度和在孔和密度材料之間的界面上的更好的傳導(dǎo)性。這個(gè)特征是 更優(yōu)越的，例如由本發(fā)明制造的材料的熱交換應(yīng)用。
的金屬或合金產(chǎn)品的預(yù)成型件，其特征在于，所述預(yù)成型件包括
-烘焙體，其包括中空空間且實(shí)質(zhì)上包括粒狀材料的顆粒和含碳的粘 合劑，所述烘焙體溶于水，
-第一打開的多孔結(jié)構(gòu)，其由所述烘焙體的中空空間限定，并設(shè)計(jì)為 用液體金屬或金屬合金來熔滲；及
-第二打開的多孔結(jié)構(gòu)，其對應(yīng)于制造預(yù)成型件的相鄰烘焙體顆粒之 間的細(xì)小空間的網(wǎng)絡(luò)，該細(xì)小空間被設(shè)計(jì)為用水填充。
通過使用適當(dāng)?shù)暮颊澈蟿?，預(yù)成型件可以易于成型以便得到含有 高水平互連多孔結(jié)構(gòu)的金屬或合金產(chǎn)品。此外，存在于烘焙體內(nèi)的細(xì)小 的打開的多孔結(jié)構(gòu)使得濾去操作更加快速。
根據(jù)另一個(gè)特征，在所述烘焙體內(nèi)的最大粒內(nèi)空間是100/mi的數(shù)量 級。因此，細(xì)小的打開的多孔結(jié)構(gòu)不全部被熔融技術(shù)或合金熔滲。
本發(fā)明還提供高度多孔金屬產(chǎn)品，其包含通過在模具中鑄造的熔融 金屬來制造的規(guī)則地限定形狀的中空空間，所述高度多孔金屬產(chǎn)品是使 用本發(fā)明方法制造的，其特征在于，所述孔具有3-7mm的直徑，且多孔 結(jié)構(gòu)占據(jù)產(chǎn)品體積的60-95%。具有這些孔的多孔產(chǎn)品不能用常規(guī)方法輕 易得到，因?yàn)楫?dāng)壓制在一起而不是再成型時(shí)，大的鹽粒經(jīng)常是形狀不規(guī) 則且易碎的，且因此得到的孔僅在孔間有小空隙。此外，能夠獲得具有 這樣的打開的多孔結(jié)構(gòu)的大尺寸顆粒。例如，長度L〉5cm和另外特征尺 寸D>4cm的顆粒能夠被制造(D可以是直徑或一部分的較長的邊)。這樣 尺寸的多孔金屬產(chǎn)品和含有規(guī)則限定形狀的中空空間不能夠用常規(guī)方法 進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)，因?yàn)殡y于控制孔的形狀，且還因?yàn)槿芙獠襟E需要較長時(shí) 間。
通過如下的以非限定實(shí)施例為方式的說明并參考附圖，本領(lǐng)域技術(shù) 人員能夠知悉本發(fā)明的優(yōu)勢和其他特征。
10附圖簡要說明


圖1是根據(jù)本發(fā)明的示例性方法的示意圖。
圖2是由本發(fā)明方法產(chǎn)生的、熱處理后的球體橫截面的掃描電子顯
微圖像。
圖3顯示說明了當(dāng)在室溫下被加入到自來水破碎劑中的時(shí)候，如圖2 中所示的5mm直徑球體的多孔結(jié)構(gòu)快速崩解的一組圖像。
發(fā)明的詳細(xì)i兌明
在不同的附圖中，相同的附圖標(biāo)記用于指定相同或類似部件。 本發(fā)明涉及鑄造多孔金屬產(chǎn)品10的方法。參考圖1，本方法通過使 用限定內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)12的形狀和空間分布的預(yù)成型件11而進(jìn)行。為了 所述材料中的空的尺寸和形狀能夠得到良好的控制，本方法描述了由糊 狀物20或面團(tuán)制成的預(yù)成型件11，在適當(dāng)?shù)某尚筒襟E21和熱處理(22a、 22b)之后，留下帶有足夠機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)惰性以在鑄造期間于高溫下抵 抗與熔融金屬23的接觸的耐火樣品，以及形成相互連接的內(nèi)部孔網(wǎng)絡(luò)， 該網(wǎng)絡(luò)在水中有良好的可濕性和溶解性，這引起了迅速溶解。此最后步 驟的速度顯著增加超過其他可溶空間支持物，這要借助于以下事實(shí)預(yù) 成型件11還含有更多更細(xì)的相互連接的多孔結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，并由溶劑24浸 濕，所述溶劑24因此通過毛細(xì)作用快速進(jìn)入預(yù)成型件11中。這引起溶 解相快速溶解到溶劑24中，使得預(yù)成型件11隨后崩解。
糊狀物20將由可溶于適合溶劑24中的耐火材料的顆粒25構(gòu)成，少 量的該溶劑24和有機(jī)添加劑26有助于糊狀物成型。溶劑24的量可以少 于20%(體積)，甚至少于5。/。。有機(jī)添加劑26可以含有溶劑24。耐火顆 粒26可以是，但不限于，NaCl、 NaA102、 A12(S04)3、 BaS、 K2S04或Na2S。 鹽優(yōu)選地是糊狀物20的主要成分。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，溶劑24是 水，但是許多其他流體也可是使用。仍舊是在優(yōu)選實(shí)施方式中，有機(jī)添 加劑26可以是全磨小麥、面粉、糖漿或包括來自其他植物的面粉的其他 材料。有機(jī)添加劑26是可熱分解的并形成有利于成形步驟21的粘合劑。 直徑大于5mm的球B可以被裝配集合以形成預(yù)成型件。糊狀物20尤其 可以用于制造;求體或球B,該球體或球B能夠裝配為用于相對"經(jīng)典"的金屬泡沫的預(yù)成型件中，或諸如圓柱體等其他形狀可以用于固定到對 齊的預(yù)成型件中以制造具有拉長孔的有孔材料，所述拉長孔具有用于流 體或熱傳輸?shù)膬?yōu)先方向 一 一 許多其他孔的形狀是可能的。作為糊狀物或 面團(tuán)，預(yù)成型件11還能夠被壓縮以減少片狀金屬或合金和/或以打開產(chǎn)品 10中的連接單個(gè)孔的空間。相對于孔的尺寸和形狀的這種柔性是本方法 的重要優(yōu)點(diǎn)。
在圖l的示例性實(shí)施方式中，制造鋁泡沫是通過使用NaCl、水和面 粉的混合物作為預(yù)成型件11的基礎(chǔ)組分。用作潤濕劑的溶劑24在熱處 理(22a、 22b)期間被蒸發(fā)。優(yōu)選地，所述潤濕劑的熔點(diǎn)范圍是50-100°C。
為了制造可鑄造糊狀物或面團(tuán)20，磨制的NaCl顆粒25或其他適合 的粒狀材料與諸如全磨面粉等的有機(jī)添加劑26和溶劑24 (特別是水)進(jìn) 行混合；普通的食品級小麥面粉是適當(dāng)?shù)?。如圖1中所示，糊狀物20隨 后通過任何適于面團(tuán)成型的操作被制成最終產(chǎn)品中多孔結(jié)構(gòu)12所需形 狀，所述操作例如旋轉(zhuǎn)、擠壓、切割或其他成型操作。熱處理22a將糊狀 物20轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌虮惶幚淼墓腆w，進(jìn)一步的熱處理22b減少粘合劑存留的 量并使其固化，得到具有足夠強(qiáng)度的多孔可溶性預(yù)成型件11，其能夠抵 制在鑄造期間施加的力并且是足夠惰性的與熔融金屬相接觸以在鑄造操 作期間保留其完整性，并保持惰性多孔結(jié)構(gòu)的第二網(wǎng)絡(luò)，所述惰性多孔 結(jié)構(gòu)通過水合粘合劑(例如面粉)被截留。在成型部分已損失水分或類 似的溶劑24之后，進(jìn)一步的熱處理22b在更高的溫度下完成(在無限定 性的實(shí)施例中400-500。C)。有才幾添加劑26，例如面4分成份，隨后被裂 解并且所得碳的大多數(shù)通過其與氧的反應(yīng)被去除。這得到鑄造的包括許 多細(xì)孔的鹽預(yù)成型件11。
如果待被熔滲的空間28足夠大，熔融鋁或合金向預(yù)成型件11中的 熔滲步驟27可以通過重力鑄造完成，如果不具有在若干壓力鑄造方法中 的任何一種中所施加壓力的抗性，所述施加的壓力保持足夠低，以致在 預(yù)成型件中的更細(xì)的孔不會(huì)與金屬一同熔滲(氣體壓力熔滲、干燥-鑄 造......)。因此，熔滲金屬23的體積不高于球B之間的空間28所限定的
總體積。熔滲27可以被執(zhí)行以得到此兩個(gè)體積之間的等同性。這樣的總 體積可以預(yù)先估計(jì)以適應(yīng)在熔滲步驟27期間待被施加的壓力。金屬或合金固化后，預(yù)成型件11可以通過在水中浸漬件30而被快速去除水之后熔滲到預(yù)成型件11的更細(xì)的孔內(nèi)，溶解其可溶成份，這依次引起預(yù)成型件11的快速崩解，得到由原始預(yù)成型件11的形狀限定的帶有多孔結(jié)構(gòu)12的金屬產(chǎn)品10。在濾取步驟31之前，進(jìn)行可選的機(jī)械成型，如圖1中示出。實(shí)際上， 一旦金屬或合金已在預(yù)成型件11的更大的打開的孔內(nèi)被固化，如果需要?jiǎng)t能夠進(jìn)行機(jī)械成型步驟40 (即使近似的凈成型處理是可能的)，隨后在水中溶解。
應(yīng)當(dāng)理解的在于，預(yù)成型件11可以用熔點(diǎn)低于耐火顆粒25 (例如NaCl, 801°C)的熔點(diǎn)的諸如鋁或任何其他材料/合金來熔滲。對熔滲壓力進(jìn)行控制，以致由糊狀物20制成的鹽部分之間的打開的空間28被熔滲，但是沒有細(xì)孔保留在預(yù)成型材料自身之內(nèi)。穿過使用本方法制造的鹽的結(jié)構(gòu)的橫截面的SEM (掃描電子顯微)圖像的簡單分析(諸如圖2中所示)顯示耐火顆粒25占據(jù)約60%的體積(作為可以預(yù)期的結(jié)果)，且最大的粒間空間是lOO]tmi的數(shù)量級。由于鋁不會(huì)使鹽濕潤，不使預(yù)成型材料熔滲實(shí)際上是相對容易的，由于最大空間28將在筆熱處理預(yù)成型件11中的細(xì)孔中壓力相比足夠低的施加壓力下填充金屬。被設(shè)計(jì)為以熔融金屬23熔滲的空間28是足夠大的，特別是至少大于0.3mm,且如果具有3mm或以上的直徑孔的多孔材津牛將^皮制造時(shí)，優(yōu)選地高于0.6mm。
由于溶劑24在內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)的第二網(wǎng)絡(luò)中的熔滲，濾取步驟31能夠快速進(jìn)行。這是本方法的進(jìn)一步的優(yōu)勢。所有或部分的燒制的預(yù)成型件可以通過圖2中示出的細(xì)孔網(wǎng)絡(luò)而被簡單濾取。
圖3顯示根據(jù)圖1中示出的實(shí)施方式制造的鹽的5mm直徑球體41的一組圖像。球體41在室溫下被投入到自來水破碎劑中。如所見，球體41的北浸透和完全崩解之間的耗時(shí)少于15秒。相同尺寸的固體鹽的顆粒將不會(huì)如此快速溶解溶解5mm直徑的固體鹽粒所需時(shí)間大于這個(gè)數(shù)量級。而且，在溶解速度上的此項(xiàng)區(qū)別， 一個(gè)有趣的觀察結(jié)果是通過此方法制得的鹽結(jié)構(gòu)將崩解，甚至是當(dāng)浸漬在飽和鹽溶液中，僅是稍微慢于浸漬在蒸餾水中。
此區(qū)別的部分解釋是被留在由面團(tuán)途徑制得的預(yù)成型件11中的細(xì)的多孔結(jié)構(gòu)。在示例性的實(shí)施方式中，當(dāng)首先是水，隨后是大多數(shù)面粉通過熱處理(22a、 22b)被驅(qū)逐掉時(shí)，這些孔被保留。當(dāng)預(yù)成型件11隨后與水接觸時(shí)，水使鹽濕潤并通過毛細(xì)作用排入這些細(xì)孔中，并因此而快速遍布預(yù)成型件11。溶解將是相同的，相對于糊狀物20的耐火顆粒25的類似性質(zhì)的任何溶劑。解釋的另一部分將涉及預(yù)成型件11的崩解，甚至是在飽和鹽水溶液中；這顯示了鹽粒之間接觸點(diǎn)的不完全溶解，這導(dǎo)致預(yù)成型件崩解(即使這可能起到作用)。此外，水相對于鹽的二面角非常低，因而如此"切割"大多數(shù)鹽顆粒的邊界導(dǎo)致預(yù)成型件崩解。此崩解所允許的預(yù)成型件的去除速度相對于固體鹽(需要完全溶解)的增加是本方法的顯著優(yōu)勢。
即使在工業(yè)規(guī)模上的本方法的環(huán)境影響的詳細(xì)評價(jià)還沒有進(jìn)行，能夠預(yù)知的是這還應(yīng)當(dāng)在此點(diǎn)上是有吸引力的。預(yù)成型件11的所有成份可以是天然的水、鹽、和在圖1中示出的實(shí)施方式中的面粉。因?yàn)樵诒褐茰囟认碌柠}的部分壓力是非常低的(1.5xlO"Pa的值是合理的估值)，其應(yīng)當(dāng)易于避免釋放到大氣中。焙制的最后階段中，面粉被裂解，這引起一些泄露；但是，這些是無毒的并易于被過濾(實(shí)質(zhì)上，這些是當(dāng)人們?nèi)紵炼沟矸蹠r(shí)候的物質(zhì))。并且，因?yàn)闉V取31能夠在水中進(jìn)行而不帶有任何附加步驟，其導(dǎo)致沒有除NaCl之外的其他物質(zhì)釋放。這應(yīng)當(dāng)不會(huì)增加沿海地區(qū)的問題，而對于內(nèi)陸生產(chǎn)的封閉系統(tǒng)可以被i殳計(jì)，此處對水進(jìn)行蒸煮以回收鹽分用于擠壓步驟后的補(bǔ)救措施。本發(fā)明通過以下使用所述方法的具體實(shí)施例來進(jìn)一步說明；這些實(shí)施例僅是說明，可以設(shè)想基于本發(fā)明的許多種變型。
實(shí)施例1
15.2g全磨小麥面粉與30g( 30ml)的水混合以形成薄的糊狀物。108.2g磨制的NaCl粒(直徑都在150/mi以下)被逐漸混合到此糊狀物中。這將混合物變?yōu)槟軌蛞子诒昏T造的堅(jiān)固糊狀物20。糊狀物20在成型步驟21中被處理成型(手工)為直徑約6mm的球體或球B，其被滾到少量的鹽中以將其進(jìn)一步干燥并減少在固化過程中的由糊狀物蔓延引起的形狀變化。所述球體被包裝到涂覆有鹽的模具M(jìn)l中，直徑30mm和高度70mm,并干燥2小時(shí)。在球體被觀察到變?yōu)樽厣蚝谏?，模具M(jìn)1被加熱到200。C達(dá)2小時(shí)；溫度隨后提高到500°C。在此溫度下16小時(shí)之后，觀察到球體變?yōu)榛疑?白色，預(yù)成型件11能夠作為整體從模具M(jìn)1中移除。預(yù)成型件11 -陂置于另一個(gè)才莫具M(jìn)2中，該M2頂部具有Al-12Si (共熔組合物)合金的鑄才莫。其在真空下加熱至600。C,如此以致熔融金屬23在預(yù)成型件ll之上形成約15cm的液體頭部，這引起了熔滲27。固化之后，過量的密實(shí)金屬被去除，帶有預(yù)成型件11的部分被置于打開的龍頭之下。20秒后，將產(chǎn)品10從水中移出并干燥，預(yù)成型件11溶解并被完全沖洗掉。
實(shí)施例2
15.1g全磨小麥面粉與30.3g的水混合。對此混合物加入103.8g鹽以形成光滑糊狀物20。糊狀物20被處理成型為直徑約7 mm的球體或球B，其被滾到少量的鹽中以將它們進(jìn)一步干燥并減少干燥前由糊狀物蔓延引起的形狀變化。所述球體被包裝到涂覆有鹽的模具M(jìn)1中，該模具M(jìn)1直徑30mm和高度70mm, 8mm直徑的Al 6060合金管垂直設(shè)置穿過預(yù)成型件的中心。預(yù)成型件在70。C下干燥3小時(shí)，在球體被觀察到變?yōu)楹谏箅S后被加熱至200。C持續(xù)16小時(shí)，直到觀察到球體變?yōu)榛疑?白色之后將溫度提高到400。C持續(xù)4小時(shí)，。預(yù)成型件11從模具M(jìn)l中移除?？臻g固定鋁管被移除并清潔，于放置之前密封端部，預(yù)成型件ll被置于熔爐形成才莫具M(jìn)2中并在空氣中將其加熱至600°C。在600°C下熔融的Al-12Si合金被倒入才莫具M(jìn)2中，形成在預(yù)成型件11之上的約20cm的液態(tài)頭部。固化之后，過量的密實(shí)金屬被移除，帶有預(yù)成型件ll的部分被切割為5mm厚的薄片。若干這些薄片被置于打開的龍頭之下。IO秒之后，這些薄片從水中移開并干燥，發(fā)現(xiàn)預(yù)成型件ll溶解，留下圍繞管子的具有打開的氣孔的金屬泡沫。
實(shí)施例3
8.03g全磨小麥面粉與20.47g水混合。向此混合物中加入88.76g磨制的NaCl以形成光滑糊狀物20。糊狀物20被形成直徑約6mm的球體或球B，這些球體或球B被置于模具M(jìn)l中。預(yù)成型件在200。C下加熱持
15續(xù)2小時(shí)。溫度提高到500°C，預(yù)成型件在該溫度下放置16小時(shí)。預(yù)成型件11被置于熔爐形成模具M(jìn)2中，模具M(jìn)2在99.99%純鋁的鑄模下方。當(dāng)金屬23熔融時(shí)候，其在真空下加熱至710。C, 20mbar氬氣放入熔爐中，引起金屬23熔滲預(yù)成型件11。冷卻后，過量的密實(shí)金屬從預(yù)成型件11切割，留下直徑36mm和高度28mm的圓柱體。樣品3(H皮置于打開的水龍頭之下。45秒之后，檢查樣品且所有的預(yù)成型件材料被移除。質(zhì)量測量得出78%的孔隙率。
實(shí)施例4
制備兩種不同的糊狀物20。 No.l糊狀物以相對少量的鹽制備，所述制備是通過首先混合18.8g全磨小麥面粉和20.9g水。向此混合物中混合入54g鹽。此No.l糊狀物非常易于成型，并制成直徑約6mm的^求體。No.2糊狀物以相對大量的鹽制備，所述制備通過首先混合6.2g全磨小麥面粉與20.5g水。向此混合物中加入99.1g的鹽。所制造的糊狀物沒有大的變形也沒有分解。它們還被制造為直徑約6mm的球體。
兩種類型的球體被置入200。C的爐中持續(xù)2.5小時(shí)，在3小時(shí)的時(shí)間段內(nèi)溫度逐步加入到500°C。樣品在500。C皮放置15小時(shí)。
冷卻后，檢測所述球體的強(qiáng)度和溶解速度。使用No.l糊狀物(低鹽)制造的球體是易碎的并易于用手壓碎。當(dāng)?shù)稳?00ml水破碎劑42的時(shí)候，他們在達(dá)到破碎劑42的底部之前(耗時(shí)約1秒)，崩解為細(xì)小顆粒的分散系。使用No.2糊狀物制造的球體是顯著地強(qiáng)度更大，并不能通過手來壓碎。當(dāng)置于200ml的水破碎劑42中時(shí)，球B在5秒的時(shí)間段內(nèi)崩解為細(xì)小顆粒。
實(shí)施例5
8.03g全磨小麥面粉與20.86g水混合。向該混合物中添加88.94g鹽以形成光滑糊狀物20。所述糊狀物被成型為直徑約4mm的球形，其隨后被置于直徑約8mm的模具M(jìn)l的管中。整個(gè)模具M(jìn)l隨后被置于200°C的烤爐中約3小時(shí)，在管子被移動(dòng)之前溫度被增加至500°C。于此溫度下放置另外的4小時(shí)后，預(yù)成型件11從模具M(jìn)1中移出。此實(shí)施例顯示熱處理時(shí)間需要與之前的實(shí)施例中的 一樣長。實(shí)施例6
使用NaA102而不是NaCl來制備糊狀物。鋁酸鈉是一種易于溶于水的鹽，且熔點(diǎn)為1650°C,因此適于用更高熔點(diǎn)的金屬23來進(jìn)行熔滲27，所述高熔點(diǎn)金屬例如銅。4.06克全磨小麥面粉與6.31g水混合。向此混合物加入15.98g的NaA102。所形成的糊狀物20非常易于成型，并一皮制成直徑約7mm的球形或球B。
球形被置于200。C的烤爐中1.5小時(shí)，當(dāng)溫度升高到400°C時(shí)保持16小時(shí)。溫度隨后被增加到600°C達(dá)8小時(shí)，隨后是升高到800°C達(dá)16小時(shí)。
冷卻后，檢測球形的強(qiáng)度和溶解速度。檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)所述球形是足夠強(qiáng)的，即通過手對他們的擠壓是不容易的。當(dāng)置于200ml自來水中的時(shí)候，他們在5-15秒的時(shí)間段內(nèi)崩解為細(xì)小顆粒。
實(shí)施例7
使用糖漿而不是全磨小麥面粉來制備糊狀物。2.71g糖漿與1.55g水混合。向該混合物中加入16.98g鹽并混合直到形成糊狀物20。所述糊狀物20被鑄造為直徑約4mm的球形，其被加熱到100。C達(dá)2小時(shí)，隨后在500。C下擱置過夜(約16小時(shí))。置于200ml室溫的自來水中時(shí)，觀察到所得球形在l-2秒的時(shí)間段內(nèi)崩解。
由于從最后一個(gè)實(shí)施例中明顯地看出，如果濕潤劑和粘合劑能夠自然混合，所述濕潤劑(本實(shí)施例中是水)用物理方法混合到所述方法的粘合劑(本實(shí)施例中是糖漿)中是不必要的。更加稀釋的糖漿能夠被用于此實(shí)施例中，因?yàn)檎扯冗m合的有機(jī)流體已經(jīng)含有隨后被蒸發(fā)的濕潤劑。
如以上所述實(shí)施例顯示，通過本發(fā)明方法能夠得到含有形狀被限定的中空空間的高度多孔的金屬產(chǎn)品IO(也稱為金屬泡沫)。這樣的金屬泡沫能夠用于多種用途。作為打開的氣孔，他們在固體(所述泡沫與其密切接觸)和流體(通過泡沫的孔流動(dòng))之間需要熱傳遞的領(lǐng)域中更易于找到用途。從熱傳遞最大化的角度來看，有趣地注意到本方法可以制造異常高純度的泡沫，因?yàn)?i)在預(yù)成型件(由NaCl加上來自面粉裂解的基于碳的殘留物制得)和鋁之間沒有化學(xué)相互作用或煉制合金；及(ii)不需要向金屬添加煉制合金元素或陶瓷顆粒以有助于鑄造或泡沫穩(wěn)定性。在此方法中使用99.99%的Al給料制造的泡沫的實(shí)驗(yàn)室樣品成份的化學(xué)分析指示元素Ti、 B、 Fe、 Si、 Cu、 Mn、 Zn、 Mg、 Pb、 Cr、 Li、 Ni、V、 K、 Sr和Zr都在0.01 wt。/。(對于金屬Li是0.005% )的指示界限之下。以可測量水平出現(xiàn)在鋁中的僅有的金屬元素是Sn和Ca，其每一種僅有0.01 wt。/。的比例。
在復(fù)制步驟中以熱解鹽面團(tuán)替代鹽，因此而開拓新的處理方法的可能性并指示出低成本的稱為鋁泡沫的制造開口的新方式。此方法特征在泡沫設(shè)計(jì)方面和成分結(jié)構(gòu)方面都是高度靈活的。
本發(fā)明已經(jīng)以優(yōu)選實(shí)施方式加以說明。{旦是，這些實(shí)施方式4又是實(shí)例，本發(fā)明并不限于這些實(shí)施方式。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的在于其它變型和改變在如所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明范圍內(nèi)能夠易于制造，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍僅限于由如下權(quán)利要求所做出的限定。
權(quán)利要求
1.一種用于制造含有至少10％互連多孔結(jié)構(gòu)(12)的金屬或合金產(chǎn)品(10)的方法，該方法使用預(yù)成型件(11)，其特征在于，其包括-混合有機(jī)粘合劑(26)、濕潤劑和粒狀材料(25)以獲得可鑄造的糊狀物(20)，該糊狀物(20)含有體積百分比為10％或更多的所述粒狀材料(25)，所述粒狀材料(25)在液體溶劑(24)中易于溶解，且所述有機(jī)粘合劑(26)是可熱降解的；-使所述可鑄造糊狀物(20)成型為充氣的預(yù)成型件并提供待由所述金屬或合金熔滲的打開的孔狀空間(28)；-蒸發(fā)所述濕潤劑并烘焙所述預(yù)成型件到足以降解所述有機(jī)粘合劑(26)的溫度并在所述預(yù)成型件(11)中形成互連、打開的多孔結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)；-用液體金屬或金屬合金(23)填充所述打開的孔狀空間(28)。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中與所述打開的孔狀空間(28)相 比，所述預(yù)成型件材料內(nèi)的打開的孔的尺寸等于所述孔狀空間(28)三 》t一或^力口纟田小。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述充氣的預(yù)成型件被置于 模具(M2)中并且隨后所述打開的孔狀空間(28)由所述液體金屬或所 述金屬合金(23)以低壓方法填充，所述液體金屬或金屬合金優(yōu)選鋁或 其一種合金，在所述金屬或合金固化之后，通過以液體溶劑(24)清洗 的方式，所有的預(yù)成型材料從固化的金屬或固化的合金中洗去。
4. 如權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述可鑄造的糊狀物 (20 )實(shí)質(zhì)上包括NaCl的可溶解顆粒和含碳的粘合劑。
5. 如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述粘合劑(26)實(shí) 際上包括碳水化合物，其優(yōu)選是全磨面粉的混合物。
6. 如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述粒狀材料(25) 實(shí)質(zhì)上包括被磨制成直徑低于150/mi的鹽顆粒。
7. 如權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的方法，其中得到所述可鑄造糊狀 物(20)的所述混合物包含5-20 wt。/。有機(jī)粘合劑(26), 50-80 wt。/。粒狀 材料(25)和作為濕潤劑的15-25 wt。/。的水。
8. 如權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述蒸發(fā)步驟包括加 熱糊狀物1-5小時(shí)以引起固化，加熱溫度在100°C和500°C之間。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述預(yù)成型件首先在100-200°C 下被加熱，此后所述固化的預(yù)成型件在400-500。C下被繼續(xù)加熱16小時(shí) 以減少由所述粘合劑留下的碳?xì)埩粑铩?br> 10. 如權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述成型步驟包括使 可鑄造糊狀物(20)成型為離散的球(B)，該球(B)被壓在一起以制成 所述充氣的預(yù)成型件。
11. 如權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述成型步驟包括使 所述可鑄造糊狀物(20)成型為離散的圓柱體，該圓柱體被壓制在一起 以形成所述充氣的預(yù)成型件。
12. 如權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的方法，其中根據(jù)所述方法制造的 多孔金屬產(chǎn)品(10)與至少一種相變熱管理材料組合以制造合成物材料。
13. 如權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的方法，其中根據(jù)所述方法制造的 多孔金屬產(chǎn)品(10)與密度金屬或合金產(chǎn)品無縫連接，所述密度金屬或 合金產(chǎn)品同時(shí)與所述多孔金屬產(chǎn)品(10)同時(shí)鑄造。
14. 一種適于制造含有至少10%的互連多孔結(jié)構(gòu)的金屬或合金產(chǎn)品 的預(yù)成型件(ll)，其特征在于，其包括-烘焙體，其含有中空空間(28)且實(shí)質(zhì)上包括粒狀材料(25)的顆 粒和含碳粘合劑(26)，所述烘焙體可溶于水，-第一打開的多孔結(jié)構(gòu)，其由所述烘焙體的中空空間(28)限定并被 設(shè)計(jì)為用液體金屬或金屬合金(23)來熔滲；及-第二打開的多孔結(jié)構(gòu)，其對應(yīng)于相鄰烘焙體顆粒之間的細(xì)小空間網(wǎng) 絡(luò)，該細(xì)小空間被設(shè)計(jì)為以水來填充。
15. 如權(quán)利要求14所述的預(yù)成型件，其中所述烘焙體內(nèi)的最大粒間 空間是100/xm的數(shù)量級。
16. —種具有限定形狀的中空空間的高度多孔的金屬產(chǎn)品(10)，其 通過在模具中鑄造的熔融金屬來制造，所述金屬產(chǎn)品(10)使用權(quán)利要 求1-13中任一項(xiàng)所述的方法制造，其特征在于，所述孔具有3-7mm的直 徑，多孔結(jié)構(gòu)(12)占據(jù)所述產(chǎn)品(10)體積的60-95%。
全文摘要
一種用于制造含有至少10％互連多孔結(jié)構(gòu)(12)的金屬或合金產(chǎn)品(10)，其使用預(yù)成型件(11)，所述方法包括混合有機(jī)粘合劑(26)、濕潤劑和粒狀材料(25)以獲得可鑄造的糊狀物(20)，該糊狀物(20)組合10％(體積)或更多的所述粒狀材料(25)，所述粒狀材料(25)在液體溶劑(24)中易于溶解；使所述糊狀物成型為充氣的預(yù)成型件并提供待由金屬或合金熔滲的打開的孔狀空間(28)；蒸發(fā)所述濕潤劑并烘焙所述預(yù)成型件到足以降解有機(jī)粘合劑(26)并在所述預(yù)成型件(11)中形成互連開口多孔結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)；用液體金屬或金屬合金(23)填充所述打開的孔狀空間(28)。烘焙的預(yù)成型件的部分或全部易于由液體溶劑通過細(xì)孔網(wǎng)來濾去。
文檔編號C22C1/08GK101646790SQ200880010332
公開日2010年2月10日 申請日期2008年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月16日
發(fā)明者安德里亞·莫坦森, 拉塞爾·古道 申請人:洛桑聯(lián)邦綜合工科學(xué)校