本發明涉及金屬材料加工領域，尤其涉及一種利用吹氣發泡法連續生產泡沫金屬夾芯材料的生產設備及其生產方法。

背景技術：

泡沫金屬夾芯材料屬于新型輕量化功能與結構材料，不僅具有泡沫鋁的優良功能特性，而且改善了它強度低、難以連接等缺陷。作為結構材料它具有輕質、高比剛度的特點和良好的減振(阻尼)性能，作為功能材料它具有吸聲、隔熱、阻燃、減震、阻尼、吸收沖擊能、電磁屏蔽等多種優異功能，可廣泛應用在航空航天、高速軌道交通、汽車、核工業等高端領域。面對越來越嚴峻的服役條件和巨大的市場需求，泡沫金屬夾芯材料產品種類多樣性及高效制備技術成為人們關注的重點。

近年來，單純的泡沫鋁已經可以運用吹氣發泡法實現連續生產，但泡沫金屬夾芯材料尚無可實現連續制備的工藝方法，本行業技術人員對泡沫金屬夾芯材料的發泡機理、工藝方案等進行了大量的研究與探索，同時也提出了多種制備方法，如粘結法、粉末冶金法、軋制復合-粉末冶金發泡法等，取得了一定的成果，推動了泡沫金屬夾芯材料的發展和應用。但仍處于小批量試驗階段，并且以上方法在實際生產中存在因生產線過長或工藝復雜而導致的生產率低、生產成本高、結合質量差等問題。

例如，粘結法工藝簡單最為常見，但屬于物理結合，自身易受到環境影響，在實際使用的過程中受到了很大的制約；粉末冶金法主要用于制備中空型材填充結構，該方法利于制備形狀較為復雜的復合結構，但是制備出的泡沫復合件相對密度較低；軋制復合-粉末冶金發泡法可以達到理想的冶金結合，但該方法需要較大的軋制壓下量，并且邊部在軋制中容易開裂導致粉末脫落，因此成品率較低。

綜上可知，泡沫金屬夾芯材料的泡孔尺寸及分布形式的精細化控制、芯部泡沫金屬與實體覆層間的結合強度以及高效率連續化生產工藝技術是目前亟待解決的關鍵問題。

技術實現要素：

為了解決上述提到的現有技術的不足，本發明提供了一種泡沫金屬夾芯材料生產設備及方法，解決了泡沫金屬夾芯材料產品質量不可控、種類單一、結合界面強度不高、生產效率低等問題。

具體地，一種泡沫金屬夾芯材料生產設備，其包括坩堝以及設置在所述坩堝外部的加熱裝置，

所述坩堝通過隔離裝置分隔為底部相連通的用于生產泡沫金屬夾芯材料的成型容腔和用于澆注金屬液的澆注容腔，所述澆注容腔的高度大于所述成型容腔的高度，

所述澆注容腔的上方設置有澆注裝置，所述澆注裝置與所述澆注容腔的中間設置有中間包，所述澆注裝置用于將金屬液通過所述中間包澆注至所述澆注容腔，

所述成型容腔的上部設置有提升裝置并且所述成型容腔中固定設置有匯流模具，所述提升裝置能夠沿垂直方向上下移動并設有與所述成型容腔內金屬液接觸的初始位置，所述匯流模具的外壁與所述成型容腔內壁之間具有一恒定間距H，

所述匯流模具底部設置為錐形開口，所述錐形開口的下方設置有吹氣裝置，所述匯流模具中的金屬液通過所述錐形開口收集吹氣裝置吹出的氣泡并形成芯部泡沫金屬，所述匯流模具的外壁與所述成型容腔內壁之間的金屬液通過擠壓形成具有厚度δ的金屬覆蓋層，所述金屬覆蓋層與所述芯部泡沫金屬經所述提升裝置提升形成泡沫金屬夾芯材料。

優選地，所述成型容腔的上方設置有冷卻結晶器，所述冷卻結晶器用于對所述泡沫金屬夾芯材料進行冷卻。

優選地，所述澆注容腔內部設置有整流罩，所述整流罩均勻設有孔或槽，所述整流罩用于對澆入的金屬液進行緩沖。

優選地，所述成型容腔的底部開設有用于安裝所述吹氣裝置的通孔，所述吹氣裝置包括氣體入口和氣體出口，所述氣體出口設置有多個大小形狀可調的微孔。

優選地，所述加熱裝置外部包覆有保溫層，用于進行隔熱和保溫。

優選地，所述中間包的出口設置有塞棒，所述澆注容腔中設置有液位檢測與控制裝置，用于檢測澆注容腔中的實時液位高度，所述液位檢測與控制裝置設定有液位高度閾值，當檢測到的液位高度與液位高度閾值不一致時，通過調節塞棒的上下位置來改變塞棒和中間包之間形成的出口面積，從而調節澆入到澆注容腔中的金屬液流量。

優選地，本發明還提供一種泡沫金屬夾芯材料生產方法，其包括以下步驟：

S1、開啟加熱裝置，對坩堝以及中間包進行預熱，對冷卻結晶器進行通水冷卻，利用澆注裝置澆注成分均勻的金屬熔體，所述金屬熔體流經中間包后經整流罩整流注入坩堝，當坩堝的澆注容腔的液面和成型容腔的液面相齊平并浸沒匯流模具時，停止澆注所述金屬熔體并進行保溫；

S2、將提升裝置下降至與金屬液接觸，當其下表面形成一層凝固坯殼時，開啟吹氣裝置、澆注裝置以及液位檢測與控制裝置，逐步在坩堝兩側形成穩態的液位差；

S3、通過吹氣裝置向金屬液中注入一定的壓力和流量的氣體，在金屬液中形成分散的氣泡并收集進入匯流模具，所述氣泡到達金屬液的液面后與提升裝置的下表面接觸并不斷匯聚凝固成芯部泡沫金屬；

S4、匯流模具的外壁和成型容腔的內壁之間的金屬液進入冷卻結晶器，之后在冷卻結晶器的冷卻作用下在泡沫金屬的外側形成金屬覆蓋層，所述金屬覆蓋層與所述芯部泡沫金屬經所述提升裝置提升形成泡沫金屬夾芯材料；以及

S5、當達到穩定狀態時，澆注容腔的液面和成型容腔的液面形成穩定的液位差，保持澆注裝置的澆注速度、提升裝置的提升速度、吹氣裝置的吹氣速度保持恒定，從而連續均勻的生產泡沫金屬夾芯材料。

優選地，根據需要生產的泡沫金屬夾芯材料的形狀能夠調節所述成型容腔、匯流模具以及冷卻結晶器的形狀。

優選地，步驟S4中匯流模具的外壁和成型容腔的內壁之間的間距H為10-200mm，所述金屬覆蓋層的厚度δ為3-15mm。

優選地，所述吹氣裝置吹出的氣體為空氣、氮氣、二氧化碳或者氬氣，所述金屬材料為鋁、銅、鐵、鎳、鈦或不銹鋼。

本發明的優點如下所述：

(1)在傳統吹氣發泡法基礎上，融合連鑄工藝中間包底吹氬技術和擠壓工藝中匯流模具設計理念，提供了一種泡沫金屬夾芯材料吹氣發泡與覆層液態反擠壓復合成型設備及方法，可實現覆層與芯部泡沫金屬的冶金結合，解決了泡沫金屬夾芯材料產品質量不可控、結合強度不高、生產效率低等問題。

(2)可根據生產需要靈活調整金屬材質和夾層復合材料類型，具有寬泛的產品種類生產范圍。一方面可以更換截面類型，如可生產泡沫鋁夾芯棒材、泡沫鋁夾芯板材或其他異形截面夾芯材料，另一方面是可更換基體材料，如將基體鋁換成銅、鐵、鎳、鈦、不銹鋼等其他可發泡材料。

(3)底吹氣裝置氣孔大小、布置方式簡便可調，可根據產品需求生產不同泡孔分布類型的泡沫金屬夾芯材料，如大孔徑泡孔均布、小孔徑泡孔均布、同徑泡孔變密度分布、異徑泡孔分布等。

(4)通過調整匯流模具外壁與成型容腔內壁間距離大小及匯流模具內壁尺寸，能精確控制覆層金屬基體和心部泡沫金屬的體積分配以及覆層厚度的均勻性。

(5)澆注容腔和成型容腔液位差、金屬液溫度、提拉速度、吹氣流量等工藝可控，可保證泡沫金屬夾芯材料成型過程的均勻性及連續性，產品質量穩定。

(6)本發明所述泡沫金屬夾芯材料生產方法工藝流程短，設備結構簡單可靠，生產成本低，具有顯著高效節能的特點。

附圖說明

圖1為本發明所述設備連續反擠壓成型工藝示意圖；

圖2為本發明所述設備開始反擠壓成型時的示意圖；

圖3為實施例1中生產泡沫鋁夾芯管時匯流模具結構示意圖；

圖4為實施例1中生產泡沫鋁夾芯板時匯流模具結構示意圖；以及

圖5為整流罩結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖及具體實施方式對本發明做進一步解釋：

具體地，本發明提出的泡沫金屬夾芯材料生產設備，如圖1所示，其包括澆注裝置1、中間包2、液位檢測與控制裝置3、坩堝4、整流罩5、加熱裝置6、保溫層7、底吹氣裝置8、匯流模具9、冷卻結晶器10以及提升裝置11。

所述加熱裝置6緊密貼合在坩堝4外部，對其加熱，保證內部金屬液A的溫度。所述保溫層7包覆在加熱裝置6外側，對整體裝置進行保溫。

坩堝4的內部通過隔板40分為澆注容腔41和成型容腔42，澆注容腔41所在坩堝部分的外壁411高于成型容腔42所在坩堝部分的外壁421，同樣的，隔板40與外壁411配合的部分的高度高于隔板40與外壁421配合的部分的高度，因此澆注容腔41的整體高度大于成型容腔42的整體高度，以保證在澆注過程中產生液位差，即對成型容腔42液體的反擠壓壓力。成型容腔42截面形狀可根據產品形狀調整，如生產泡沫金屬夾芯棒材，成型容腔為圓形；生產泡沫金屬夾芯板材，成型容腔為矩形；或者其他異形棒或板材等，在生產過程中，可以根據需要隨意變更成型容腔的形狀以達到生產不同形狀夾芯材料的目的。

澆注裝置1位于澆注容腔41最上方，用于向中間包2中澆入金屬液A。中間包2位于澆注裝置1和澆注容腔41之間，出口包含有塞棒21。液位檢測及控制裝置3設置在澆注容腔41內部，用于檢測坩堝澆注容腔41中液位高度變化，其內部設定有液位高度閾值，當檢測到的液位高度與液位高度閾值不一致時，通過調節塞棒21升或降來改變塞棒21和中間包2間形成的出口面積，來調節澆入澆注容腔41的金屬液A流量，以實現液位控制功能。

如圖5所示，整流罩5安裝在坩堝澆注容腔41內并浸入金屬液中，整流罩5開有均布的孔或者槽，對澆入的金屬液進行緩沖，以免澆注金屬液沖擊影響成型容腔42內泡沫金屬夾芯材料的連續成型。

吹氣裝置8安裝在坩堝成型容腔42底部，包含氣體入口和氣體出口，氣體出口處包含有許多細小微孔，微孔尺寸大小及布置形式可根據產品要求和坩堝的成型容腔42形狀調整。

匯流模具9的底面略低于坩堝成型容腔42出口，底部設有錐形開口91，匯流模具9外壁和坩堝成型容腔42內壁有一恒定間距H，H的范圍為10-200mm，并且四周通過支撐固定在坩堝成型容腔42中，并且浸入金屬液中，錐形開口41收集底吹氣裝置8吹出的氣泡，在內部形成芯部泡沫金屬C，同時，由于澆注容腔41和成型容腔42兩側有液位壓差，金屬液受到反擠壓壓力作用，通過匯流模具9外壁和坩堝成型容腔42內壁間的恒定間距H在芯部泡沫金屬外側形成恒定壁厚δ的實體金屬覆層，δ的范圍為3-15mm。匯流模具9的形狀可根據產品要求和成型容腔42的形狀進行調整，并且通過調整匯流模具9外壁和坩堝成型容腔42內壁間的間距H以及匯流模具9的內徑，可以實現泡沫金屬夾芯材料芯部與覆層基體的體積分配控制。

冷卻結晶器10位于坩堝成型容腔42上方，內部通有冷卻水，對初步成型的泡沫金屬夾芯材料進行持續冷卻，保證后續部分能夠連續提拉成型。冷卻結晶器10形狀可根據產品要求和成型容腔42形狀進行調整。

提升裝置11位于冷卻結晶器10上方，可沿垂直方向上下移動，開始時底部浸入金屬液中，當金屬液在表層開始凝固時，開始逐漸向上提升引錠，當在液位檢測與控制裝置3作用下，兩側達到穩定液位差時，以恒定速度向上提拉，實現泡沫金屬夾芯材料的連續成型。提升裝置11形狀可根據產品要求和所述坩堝的成型容腔42形狀調整。

利用上述設備連續生產泡沫金屬夾芯材料的方法，包括如下步驟：

S1、安裝調試設備，并開啟加熱裝置6，預熱坩堝4以及中間包2，冷卻結晶器10通水冷卻。將成分均勻的液態金屬A，利用澆注裝置1開始澆注，流經中間包2后經整流罩5整流注入澆注容腔41，當澆注容腔41和成型容腔42兩側液面相平并浸沒匯流模具9時，停止澆注并保溫；

S2、如圖2所示，將提升裝置11下降至與金屬液接觸，當提升裝置11表面形成一層凝固坯殼時，開啟吹氣裝置8、澆注裝置1、液位檢測與控制裝置3，逐步在坩堝4的澆注容腔41和成型容腔42兩側形成穩態時的液位差。首先，氣體以一定的壓力和流量通過吹氣裝置8注入金屬液中，分散的氣泡上浮后被收集進入匯流模具9，到達液面后與提升裝置11的底板接觸并不斷匯聚凝固成芯部泡沫金屬C；同時，在澆注容腔41和成型容腔42兩側液位差引起的熔體靜壓力作用下，對匯流模具9外壁和成型容腔42內壁之間的金屬液形成一個向上的反擠壓壓力，推動匯流模具9兩側的金屬液(無氣泡)擠入冷卻結晶器10，之后在冷卻結晶器10的冷卻作用下在泡沫金屬外側形成金屬覆蓋層B，形成泡沫金屬夾芯復合材料，然后在提升裝置11底端凝固金屬的牽引作用下連續成型，逐漸建立穩定狀態。

S3、當達到穩定狀態時，坩堝4的澆注容腔41和成型容腔42兩側形成穩定的液位差，使澆注裝置1的澆注速度、提升裝置11速度、吹氣裝置8的吹氣速度等保持恒定，連續均勻的生產泡沫金屬夾芯材料。

優選地，根據需要生產的泡沫金屬夾芯材料的形狀能夠調節所述成型容腔、匯流模具以及冷卻結晶器的形狀。以實現生產不同形狀的泡沫金屬夾芯材料。

優選地，S4中匯流模具9外壁和成型容腔41內壁之間的距離H可以根據需要進行調節，以實現泡沫金屬夾芯材料芯部與覆層基體的體積分配控制。

優選地，所述吹氣裝置吹出的氣體為空氣、氮氣、二氧化碳、Ar氣或其他氣體。

優選地，所述金屬材料為鋁、銅、鐵、鎳、鈦、不銹鋼或其他能夠發泡的金屬材料。

下面結合具體實施例對本發明設備使用方式具體說明：

實施例1：

S1、安裝調試設備，并開啟加熱裝置6，預熱坩堝4、中間包2等，冷卻結晶器10通水冷卻。將成分均勻的液態鋁A，利用澆注裝置1開始澆注，流經中間包2后經整流罩5整流注入坩堝澆注容腔41，當坩堝澆注容腔41和成型容腔42兩側液面相平并浸沒匯流模具9時，停止澆注并保溫在700℃；

S2、將提升裝置11下降至與鋁液接觸，當表面形成一層凝固坯殼時，開啟底吹氣裝置8、澆注裝置1、液位檢測與控制裝置3，逐步在坩堝4兩側形成穩態時的50mm液位差。首先，Ar氣以一定的壓力和流量通過底吹氣裝置8注入鋁液中，分散的氣泡上浮后被收集進入匯流模具9，到達液面后與提升裝置11的底板接觸并不斷匯聚凝固成芯部泡沫鋁C；同時，在澆注容腔41和成型容腔42兩側液位差引起的熔體靜壓力作用下，對匯流模具9外壁和成型容腔42內壁之間的鋁液形成一個向上的反擠壓壓力，推動鋁液(無氣泡)擠入冷卻結晶器10，之后在冷卻結晶器10的冷卻作用下在泡沫鋁外側形成金屬覆蓋層B，形成泡沫鋁夾芯復合材料，然后在提升裝置11底端凝固金屬的牽引作用下連續成型，逐漸建立穩定狀態。

S3、當達到穩定狀態時，坩堝4的澆注容腔41和成型容腔42兩側形成穩定的液位差，澆注裝置1的澆注速度、提升裝置11速度、底吹氣裝置8的吹Ar氣速度等保持恒定，連續均勻的生產泡沫鋁夾芯材料。

圖3為本實施例中生產泡沫鋁夾芯管時匯流模具的安裝結構示意圖，匯流模具內孔形狀設置為圓形，頂端有4個周向均布的支撐筋板安裝在成型容腔內壁，實現匯流模具的定位；圖4為實施例1中生產泡沫鋁夾芯板時匯流模具的安裝結構示意圖，匯流模具內孔形狀設置為矩形，兩側各有1個支撐筋板安裝于成型容腔內壁，實現匯流模具的定位。

最后應說明的是：以上所述的實施例僅用于說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或全部技術特征進行等同替換；而這些修改或替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的范圍。