通過振動製造泡沫金屬的方法及由此獲得的泡沫金屬產品的製作方法

2024-03-03 06:19:15 5

專利名稱：通過振動製造泡沫金屬的方法及由此獲得的泡沫金屬產品的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種製造泡沫金屬的方法，其中為使金屬發泡，控制在液相可發泡金屬的體積中或者表面上所形成的氣泡的尺寸，優選地減小或增大氣泡的尺寸，尤其是通過在所述氣泡形成的同時施加振動來將氣泡的尺寸設到給定的值。本發明還涉及通過根據本發明的方法製造的泡沫金屬產品。
背景技術：
泡沫金屬是輕重量的閉孔或開孔結構材料，並具有突出的物理、機械以及隔熱和隔音性能。由於它們的性能，泡沫金屬用途廣泛，從結構材料到各種裝飾件。主要由於它們的低密度和特別的機械性能，泡沫金屬應用領域的一些示例包括例如飛行器工業(機翼、 座位)、航天技術(隔熱、減振)、汽車工業(各種緩衝元件、車體部件、隔音)、國防工業(無線電領域內的屏蔽設施、堅固防具)、醫療設備(比如骨假體)以及建築工業(框架結構、輕重量建築牆)以及其他領域。對於泡沫金屬的製造已知數種技術。在最常見的方式中，泡沫金屬通過將氣體形成添加劑(比如氫化物、碳酸鹽等)添加到還包括穩定微粒/顆粒的熔融金屬中來製備。 根據我們現有的知識，由於所進行的化學和物理反應的不可控性，不能通過引入氣體形成添加劑製備具有單一方式孔尺寸分布的泡沫金屬。另一種用於製造泡沫金屬的技術是將氣泡引入熔融金屬中。一般來講，氣泡的供應是通過攪動裝置(例如見日本公開專利公報 No. 2006-176874)或者合適的注射裝置(例如見美國專利申請No. 20030047036)實現的。德國專利申請No. DE 43 05 660 Al披露了一種用於調節液相中的氣泡介質的氣泡尺寸的方法和裝置，其中所述調節隨後進行，即，在形成所述氣泡之後進行。所述方法的核心是通過例如經由噴嘴注入氣體來使形成於介質中的氣泡在它們脫離所述噴嘴並離開噴嘴端部之後暴露於超聲波；這些氣泡在噴嘴端部形成，其直徑由所述噴嘴端部的幾何參數與影響注入方式的其他參數(比如氣體流速和氣體注入壓力)結合地限定。所施加的超聲波的頻率和功率以這樣的方式選擇，即由於所述接觸所述氣泡發生共振，因此爆裂成具有較小尺寸的氣泡。歐洲專利申請No. 0680779 Al教導了一種便於氣體溶解到保持流動的液體中的方法。在所述方法中，使起先通過經由噴嘴注入的氣體在液體中形成的氣泡與超聲波相互作用。由此，液體內的氣泡被激勵到超過共振頻率的頻率，然後由於從超聲波吸收的能量分裂成較小尺寸的氣泡。日本待審專利公報No. 57-165160披露了具有多孔和無定形結構的金屬帶的製造工藝以及用於實現所述製造工具的裝置。根據教導的技術方案，將熔融的金屬置入封閉的坩鍋中，然後通過經由入口管引入坩鍋中的氣體將壓力施加到坩鍋內的熔融金屬上、由此經由噴嘴注射到高速轉動的冷卻輥上。同時，氣態氮、空氣或其他惰性氣體也經由吹氣管吹入到熔融金屬中併到達所述噴嘴，從而在噴嘴端部附近的熔融金屬中形成氣泡。此後，通過由高頻發生器產生的機械振動分散從所述噴嘴脫離的氣泡，和/或通過由溶解到所述熔融金屬中的氣體導致的在所述熔融金屬中的空化效應形成進一步的氣泡。因此，在熔融金屬中獲得了相對細的氣泡分布。發泡的熔融金屬在轉動輥的表面上非常迅速地固化，並且在其上形成一無定形的薄泡沫金屬帶。所述製造工藝僅適用於基本以平面展開的薄泡沫金屬帶的製備，不能用於製造液體或大塊形式的固體泡沫金屬(即具有三個可清楚辨認的空間尺寸)。上面討論的技術方案的一個常見的缺點就是它們的目標都在於通過利用超聲波碎裂氣泡來減小先前形成於液體介質中的氣泡的尺寸。因為這種的技術基於通過超聲波使得已經存在的氣泡振動、從而導致其空間變形、然後將所述氣泡撕裂成等於的變形極值更小尺寸，所以此技術不適於以受控的方式執行氣泡的碎裂一般地，通過碎裂獲得的氣泡的尺寸在寬範圍內變化，因此通過此技術獲得的泡沫金屬的孔尺寸分布也在寬的範圍內變化。因此，不能通過這種技術確保形成具有大約相同尺寸的氣泡。也不能確保製造具有(幾乎)單一孔尺寸分布的泡沫金屬。使用的高頻發生器以不可控的方式影響從噴嘴端部脫離的氣泡的尺寸；由所述發生器發出的超聲波將減小先前已經形成的液相中的泡沫金屬的那些氣泡的尺寸。在歐洲專利No. 1419835B1中披露了一種用於從熔融金屬製造具有單一尺寸分布 (這裡，孔尺寸大於3mm)的液體泡沫金屬的方法和毛細管系統。所形成的液體泡沫金屬的期望孔尺寸主要通過確定毛細管系統的各個噴嘴的尺寸、以及適當地選擇所述噴嘴的相對距離和噴嘴端部的幾何設計來實現的。結果，僅能通過具有給定幾何形狀的毛細管系統獲得具有一定孔尺寸的泡沫金屬——具有不同孔尺寸的泡沫金屬的製備需要應用具有數種幾何形狀的毛細管系統。上述技術方案的又一常見缺點是經由一個或多個噴嘴(所述噴嘴用作形成氣泡的工具)注入氣體形成其要素。

發明內容
本發明的目標是消除上述的缺點。特別地，我們的目標是提供一種從熔融的可發泡金屬製造泡沫金屬的方法，其中氣泡尺寸的設定與所述氣泡的形成同時發生並以完全受控的方式發生，因此，不需要在氣泡形成之後執行後續的不可控的氣泡碎裂。我們的又一個目標是製造具有單一孔尺寸分布的泡沫金屬。我們的再又一個目標是提供一種製造泡沫金屬的方法，其中具有幾乎相同尺寸的氣泡的形成不需要應用具有特殊幾何形狀的噴嘴/噴嘴系統。此外，我們的再又一個目標是提供一種金屬發泡的氣體注入輔助方法，其中，在產生形成泡沫金屬氣孔的氣泡時，氣泡尺寸可以獨立於所使用的噴嘴/多個噴嘴的幾何設計 (比如內徑)地改變；換言之，也可通過利用具有給定內徑的噴嘴來製造具有不同的平均孔尺寸的泡沫金屬。再又一個目標是提供一種金屬發泡方法，通過該方法同樣可以容易地製造塊體形狀的塑性或固體泡沫金屬。本發明基於以下的發現在根據任意已知的現有技術實現的氣泡形成中，氣泡尺寸不能以期望和受控的方法調節。本發明的技術方案的要點在於當液相的可發泡金屬進行發泡時，形成於熔融金屬表面上或熔融金屬體積內的氣泡的「生長」始終在外力——該外力不同於氣泡形成期間不論以何種方式作用在氣泡上的力(比如浮力和表面張力)——的存在和影響之下進行。所述外力是以由縱波引發的振動的形式提供的，所述縱波通過發生器產生並施加在氣泡形成區(即所謂的相互作用區域)中。因此，在實際氣泡形成期間通過所述外力將氣泡本身的尺寸控制/調節到所期望的值。當熔融金屬由於代表所述外力的振動通過空化效應經歷表面發泡時，通過氣泡形成裝置在熔融金屬表面上形成比沒有振動形成氣泡的情形下顯著更小的氣泡。當熔融金屬在其體積中經歷發泡時，通過代表所述氣泡形成裝置的噴嘴將氣體注入到熔融金屬中，在氣泡形成的同時，所涉及的外力通過振動施加到在相互作用區域中剛從噴嘴表面脫離的氣泡上。這樣，取決於所施加的縱波——優選的是超聲波一一攜帶的能量，並基於待發泡的熔融金屬的屬性以及要通過所述熔融金屬的發泡獲得的泡沫金屬的性能進行選擇，氣泡從噴嘴脫離、具有比在沒有振動形成氣泡的情形下所能獲得的更小的氣泡直徑。此外，在後一情形下，受導引的超聲波僅將氣泡從噴嘴「推下」，但是不破壞形成的泡沫金屬。概括地說，當通過根據本發明的方法製備泡沫金屬時，不需要以不可控的方法對氣泡進行後續的切割/碎裂，因此可以獲得具有非常均勻的氣泡直徑和可塑稠度的泡沫金 jM ο在其一個方面中，本發明涉及一種如權利要求1所述的製造泡沫金屬的方法。該方法的優選實施方式由權利要求2-10限定。為了引發振動，使用能夠產生並發出縱波的發生器(優選地是聲波輻射源)以及適當地聯接到所述發生器的振動裝置。在表面發泡的情形下，所述振動裝置還用作氣泡形成裝置。在整體(或體積)發泡的情形下，所述振動裝置和氣泡形成裝置還可以作為彼此空間上分開的裝置設置。振動可以在寬頻率範圍內實行，所述頻率範圍優選地落入超聲波頻率範圍內；在20kHz到IOMHz之間延伸的頻率範圍是優選的，但是，從MkHz到2MHz的範圍是更優選的。振動可以通過連續或脈衝發生器引發。在又一個方面中，本發明涉及根據權利要求12所述的通過執行上述方法獲得的泡沫金屬。通過根據本發明的方法製造的泡沫金屬呈塊體的形式並具有可塑稠度。此外， 它們已經獲得了單一的孔尺寸分布。由於它們的塑性，泡沫金屬適於成型；通過例如鑄造、 擠壓、軋制/壓延，可選地通過注模，可以將它們成型成任何期望的形狀(比如板形或任何其他空間物體的形狀)。所述泡沫金屬的成型可以在它們固化之前、與固化同時或固化之後執行。正如本領域技術人員可以獲知的，通過根據本發明的方法製造的泡沫金屬可通過任何合適的技術固化。當處於液相時，還可以通過適當的塗層工藝將根據本發明的泡沫金屬塗敷到任何選定的表面上。


下面將參照附圖更詳細地討論本發明，其中-圖1示意性地圖示了作為根據本發明的方法的一個可行實施方式實現表面發泡的裝置；-圖2示意性地示出了作為根據本發明的方法的又一個可行實施方式實現整體發泡的裝置，其中所述發泡與氣體注入同時進行；-圖3A和;3B分別示出於整體發泡情形中在施加振動和沒有施加振動時在噴嘴的氣泡形成端部上測得的動壓隨時間變化的函數；
-圖4圖示了所獲得的氣泡尺寸隨為實現整體發泡而施加的振動的強度變化的函數；-圖5為通過根據本發明的整體發泡方法製造的固化鋁發泡件的截面的圖片，其呈現出了幾乎單一的孔尺寸分布；以及-圖6為通過根據本發明的表面發泡方法由熔融的Wood金屬製造的泡沫金屬的電子顯微照片；這裡，可以清楚地觀察到隨同時施加的振動產生的微米級的氣泡。
具體實施例方式圖1示意性地示出了根據本發明的泡沫金屬3的製造方法的一個優選實施方式 (表面發泡)。在該實施方式中，穩定的可發泡熔融金屬1布置在合適的容器中，例如布置在適當成型的坩鍋7中。所述坩鍋7成型為在整個發泡過程中保持所述熔融金屬1處於液相。為此，例如坩鍋7的壁設有至少一個加熱構件，優選地是加熱絲，其具有給定的加熱輸出功率以將熔融金屬1保持在恆定的溫度。接著，坩鍋7的壁還可設有合適的冷卻構件以在需要時實現成品泡沫金屬3的固化。布置在所述坩鍋7中的熔融金屬1的自由表面直接與氣體11接觸，優選地與空氣或惰性氣體氛圍接觸。為了製造泡沫金屬3，在給定的相互作用區域中，使振動裝置5與坩鍋7內的熔融金屬1接觸。在根據本發明的方法的該特殊實施方式中，所述相互作用區域基本位於熔融金屬1與氣體11的界面上，或位於其附近。振動裝置5連接到適於產生並發出縱波的發生器4上。所述發生器4優選地以能夠在寬頻率範圍內發射的可變功率聲波輻射源的形式提供。所述發生器4的操作頻率範圍優選地落入超聲波頻率範圍內。20kHz到IOMHz的範圍是高度優選的，但是，從MkHz到 2MHz的頻率範圍是更優選的。所述發生器4可以是連續或脈衝模式的發生器。發生器4與振動裝置5之間的聯接通過這樣的方式實現由所述發生器4產生的縱波可以通過所述聯接傳遞到振動裝置5的可與所述熔融金屬1接觸的區域，以便於使所述區域振動。對於根據圖1實現的本發明的方法，振動裝置還起到了氣泡形成裝置的作用。在所述發生器4啟動後，使振動裝置5的所述區域進入振動，從而在所述相互作用區域內—— 其位於所述振動裝置5的與熔融金屬1的接觸部分上——形成氣泡2。振動影響氣泡2的形成和/或由所述氣泡2從氣體11吸收的氣體量。即，氣泡2的實際尺寸是由振動強度決定的。由引發於相互作用區域內的振動(其具有高能量，即落在空化極限之上)形成的氣泡2在所述熔融金屬1的頂部形成泡沫金屬3。因此獲得的泡沫金屬3是由以受控方式 「生長」的氣泡2構成的；所述氣泡2的尺寸(因此也是泡沫金屬3的孔尺寸)一一根據稍後討論的示例——甚至可以減小到微米範圍。此外，因此形成的泡沫金屬3具有一可塑稠度(plastic consistency)，也可以在液相中容易地成型以及呈現塊體的形狀。圖2示意性地示出了根據本發明的泡沫金屬3的製造方法的一個優選實施方式 (整體發泡)。在該實施方式中，穩定的可發泡的熔融金屬1布置在由坩鍋7形成的容器中， 所述坩鍋7已經參照圖1詳細描述過，因此不再更詳細地討論。此外，在本發明方法的此實施方式中，氣泡形成裝置在給定的相互作用區域處浸入到所述熔融金屬1中，所述氣泡形成裝置以具有氣泡形成端部的噴嘴8的形式提供。所述氣泡形成裝置可包括一個或多個噴嘴。這裡，所述相互作用區域是由所述熔融金屬1的一部分體積構成的。所述噴嘴8的內徑和外徑是固定的。所述噴嘴8經由適當的管路通過其與氣泡形成端部相對設置的端部連接到優選地布置在坩鍋7外部的氣罐9。氣罐9儲存在執行氣泡形成時使用的氣體11。用於整體發泡的氣體11的壓力和流速通過插入到所述管路中的控制單元10調節。在圖2的裝置內，噴嘴8通過形成於坩鍋7底部上的適當密封開口引入到熔融金屬1中，其氣泡形成端部面向熔融金屬1的自由表面。對於本領域的技術人員清楚的是，噴嘴8可設置在坩鍋7內的任何位置上並可具有任意的取向。在本發明方法的該實施方式中，聯接到發生器4(已經參照圖1詳細討論過)的振動裝置5以不同於所述氣泡形成裝置8的獨立裝置的形式提供。振動裝置5可布置在坩鍋 7的內部或外部的任意位置上，其中，由發生器4發出的縱波施加到(特別是集中到)氣泡形成裝置8的接觸區中，或者更確切地是氣泡形成裝置8的氣泡形成端部和所述熔融金屬 1的接觸區中，即施加到相互作用區域中。因此，振動也將其影響僅僅施加在此區域中。為了執行熔融金屬1的整體發泡，氣體11以注入壓力從氣罐9通過所述管路輸送到噴嘴8，其中流速由控制單元10設定。注入的氣體11通過位於相互作用區域內的噴嘴8 的氣泡形成端部離開，以氣泡2的形式進入熔融金屬1。與使氣體11形成氣泡同時，根據需要通過發生器4產生一定功率的縱波，縱波經由振動裝置5發射到剛在相互作用區域內形成的氣泡2。這樣，在熔融金屬1內的氣泡形成位置處和/或在噴嘴8的氣泡形成端部中和/或在通過氣泡形成端部注入的氣體11內引起振動6(優選地具有中等能量，即落在空化極限之下)，由此確定剛剛形成的氣泡2的尺寸。因此形成的氣泡2積聚在熔融金屬1的自由表面上並且形成泡沫金屬3。因此獲得的泡沫金屬3是由以受控方式「生長」的氣泡構成的；所述氣泡2的尺寸(因此也是泡沫金屬3的孔尺寸)——根據下面討論的示例—— 將落入毫米或亞毫米範圍內或甚至更小，落入微米範圍。此外，因此獲得的泡沫金屬3具有一可塑稠度，也可以在液相中容易地成型並呈塊體的形狀。本發明技術方案相比於現有技術中的氣泡形成技術的優點是形成泡沫金屬的氣泡的尺寸可通過與所述氣泡的形成同時施加的振動以相對精確的方式調節。特別地，相比於通過已知的現有技術獲得的泡沫金屬，通過所述表面和整體發泡工藝的任一種都可甚至以大體積的形式製造孔尺寸更小的泡沫金屬。此外，正如由稍後參照示例1解釋的表1中的數據所反映的，通過根據本發明的發泡方法製造的泡沫金屬的孔尺寸可通過改變振動一所述振動通過振動裝置引發一一的功率密度來控制(其中縱波由發生器激勵)，即使在僅使用單個噴嘴直徑的情況下也是如此。不需要具有複雜幾何形狀的噴嘴設計。由根據本發明的方法製造的具有可塑稠度的泡沫金屬可以容易地成型，並且/或者其可通過本領域技術人員公知的任何適當方式固化以轉化成具有塊體形狀的產品。接下來，通過一些非限制性示例來說明根據本發明的發泡方法。示例 1空氣通過以無試劑毛細管(non-reagent capillary)形式設置的噴嘴8以 1. 41kPa的注入壓力注入Wood金屬中，從而形成氣泡，Wood金屬置於根據先前討論過的圖 2的裝置的容器中、並在70°C熔融。所述噴嘴8的氣泡形成端部的內徑和外徑分別是1. 3mm 和2. 3mm。當將頻率f = 30kHz且超聲功率密度為160W/cm2的超聲波以平行於毛細管縱向延伸方向的方向施加到所述毛細管時，形成的氣泡的直徑從8. 5mm減小到1.8mm。同時，氣泡形成頻率(即，在單個氣泡情形下測得的氣泡形成時間的倒數)的值是108Hz。在氣泡形成過程中，測量在毛細管氣泡形成端部上(即在氣泡形成處)的一般/ 主導動壓隨時間的變化，然後將測量數據繪圖，氣泡完全形成所需的時間周期的長度(即氣泡形成時間)可從獲得的圖中讀取，其實際上為在測得的動壓的兩個連續峰值之間的時間。在此，圖3A和;3B分別示出了在本發明裝置中施加超聲波之前和之後動壓值(單位是 kPa)與所花費的時間(單位是ms)之間的關係。這些曲線清楚地示出在這種情況下，由於在氣泡形成的同時通過施加超聲波所引起的振動，氣泡形成時間以及氣泡尺寸顯著地減小了。此後，使用相同的裝置，在形成氣泡期間，將各種超聲功率密度依次地施加到毛細管上，並測量因此形成的氣泡的直徑。測量結果總結在表1中。圖4中圖示了氣泡尺寸和超聲功率密度的相關性。表 1在利用幾何形狀不變的噴嘴執行整體發泡時，恆定超聲波頻率[f = 30kHz]下各種超聲功率時泡沫金屬的孔尺寸的變化。這裡，所述噴嘴的氣泡形成端部的內徑和外徑分別為0. 8mm和4. Omm,而其截面積大約為0. 126cm2。
權利要求
1.一種製造泡沫金屬的方法，包括以下步驟-將熔融的可發泡金屬布置在容器內，以提供熔融金屬的自由表面；-使氣泡形成裝置與所述熔融金屬在熔融金屬的給定區域中發生機械的相互作用，並且通過所述氣泡形成裝置在氣泡形成裝置與熔融金屬的所述相互作用區域內形成氣泡；-在形成氣泡時，將縱波引入所述相互作用區域中；以及-通過由所述縱波在所述相互作用區域內引發的振動，在所述氣泡形成的同時將所形成的氣泡的尺寸調節到給定值。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述相互作用區域位於所述熔融金屬的自由表面上。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，將縱波引入所述相互作用區域中的步驟由所述氣泡形成裝置執行。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述相互作用區域由所述熔融金屬的體積部分形成。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述氣泡形成裝置如此地形成能夠將氣體從外部氣體源注入到所述相互作用區域中。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述氣泡形成裝置經由氣體輸送連接裝置連接到外部氣體源，通過從所述外部氣體源經由所述氣泡形成裝置使氣體形成氣泡來實現氣泡的形成。
7.根據權利要求1-6中任一項所述的方法，其特徵在於，所述縱波由聲波輻射源產生。
8.根據權利要求1-7中任一項所述的方法，其特徵在於，振動的頻率範圍落入超聲波頻率範圍內。
9.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述超聲波頻率範圍對應於20kHZ-10MHz 的範圍，更優選地對應於MkHz-2MHz的範圍。
10.根據權利要求1-9中任一項所述的方法，其特徵在於，所述泡沫金屬被固化。
11.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，在固化之前、與固化同時或在固化之後對所述泡沫金屬進行成型。
12.一種通過權利要求1-11中任一項所述的方法製造的泡沫金屬產品。
13.在由液相的可發泡金屬製造發泡的泡沫金屬時於金屬的氣泡形成區域內應用由縱波引發的振動，以在氣泡形成的同時調節泡沫金屬的發泡尺寸。
全文摘要
本發明涉及一種製造發泡的泡沫金屬的方法，其中通過由縱波在氣泡形成區域內引發的振動，氣泡尺寸的調節與氣泡的形成同時發生。由此，可以避免在氣泡形成之後以不受控的方式進行的氣泡尺寸的減小。
文檔編號B22D25/00GK102307687SQ200980156011
公開日2012年1月4日 申請日期2009年12月4日 優先權日2008年12月4日
發明者N·鮑布恰, P·梅克, S·貝克 申請人:貝佐爾坦應用研究基金會