CN105506337B - 一种有序多孔金属的设计优化及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种有序多孔金属的设计优化及制备方法，其属于金属制备的技术领域。该方法采用三维造型软件设计有序多孔结构，采用数值模拟方法模拟渗流过程优化预制体结构，采用激光烧结方法制备覆膜砂预制体，再通过渗流法渗流得到多孔金属原始铸锭，最后经加热溃散预制体最终得到有序多孔金属。该方法实现了有序多孔铝孔的设计性和可控性，达到了设计孔的大小、孔的形状和孔的排序的目的，该方法得到的孔的最小孔径为2mm，实现了球形孔、方形孔、圆柱形孔及多种简单孔型复合孔等有序多孔铝的设计和制备。应用快速成型技术制备渗流法所需的预制体，提高了生产效率，降低了生产成本。该方法具备设计性、可控性、成本低、效率高及原料可回收利用等优点。

Description

一种有序多孔金属的设计优化及制备方法

技术领域

本发明涉及一种有序多孔金属的设计优化及制备方法，其属于金属制备的技术领域。

背景技术

金属多孔材料由于其具备良好的性能，如比强度比刚度高，具备结构功能一体化的特性，在航空航天，汽车工业等领域发挥着重要作用。随着人们对多孔材料的进一步研究和发现，孔结构对多孔材料的性能具有重要的影响，因此孔结构的设计和可控成为人们研究多孔材料时关注的重点。在此基础之上，近年来具备非随机性孔结构的有序多孔金属引起了人们更多的关注。

从目前的多孔金属制备现状来看，制备工艺决定了多孔金属的结构特性，多孔金属的制备方法主要有熔体发泡法，粉末冶金法，渗流法等。熔体发泡法是在熔融的液态金属中加入适当比例的发泡剂，从而得到闭孔的多孔金属。由于发泡剂在液态金属中分布的位置具有不确定性，并且发泡过程和发泡效果相对难以完全掌控，因此不能用来制备有序多孔金属。粉末冶金法是将金属粉末和造孔剂按一定比例进行混合，再通过真空烧结等方式得到多孔金属。造孔剂和金属粉末混合后，所处的位置仍然具有随机性，并且孔的形成可控性不强，因此不能满足有序多孔金属的制备要求。以上提到的这两种方法产生的孔随机分布，无论是孔的大小还是孔的形态都难以直接有效控制，获得的多孔金属孔结构和孔分布随机性强。由于这两种方法工艺过程针对多孔金属的孔结构和孔分布可控性不高，导致性能变化范围较大，因此难以到达制备有序多孔金属的目的。

与前两种方法相比，渗流法是让金属液体在压力作用下渗流进入预制体，经过冷却和凝固，得到多孔金属的一种方法。通过渗流法得到的多孔金属，孔结构和孔分布的最直接影响因素为预制体的结构设计。由于这种方法所制备的多孔金属的孔结构和孔分布主要取决于预制体，而预制体的设计性和可控性相对较容易实现，因此渗流法可满足有序多孔金属的制备要求。传统的渗流法制备多孔金属成本较低，工艺简单，但是孔结构的设计性和可控性依然有待提升。因此，本申请要解决的问题是：渗流法中传统预制体结构存在的缺点，改善孔的设计性和可控性的不足，达到孔结构有序的目的。

现阶段发展迅速的快速成型技术，为多孔金属制备提供了条件并拓宽了途径。利用快速成型技术，对金属或非金属粉末进行激光烧结，可以达到直接制备有序多孔金属的目的。这种方法相比传统的方法体现出孔结构和孔分布良好的控制性，但是相应的也存在一些弊端限制其进一步推广应用。例如，直接快速成型金属如激光烧结所需的金属粉体原料价格昂贵、设备投入和技术成本很高；可制备材料种类有限，目前比较成熟的技术主要是在钛合金上的应用，少数应用在钢或者铝合金方面；此外，快速成型的金属成品仍存在一定缺陷，力学性能有待提高，激光烧结金属技术难度大、成本高、效率较低等问题现阶段制约着其在多孔金属制备领域的推广应用。

发明内容

为解决现有技术中传统渗流法孔结构设计性和可控性的不足，孔结构无序性等问题，本发明提供一种有序多孔金属的设计优化及制备方法，通过设计有序多孔金属的孔结构并进行优化得到相应的预制体结构，再对传统渗流法制备多孔金属进行改进，利用快速成型技术以覆膜砂为原料激光烧结制备渗流所需预制体，以达到有序多孔结构的可设计性和可控性，得到有序多孔金属。

本发明采用的技术方案为：一种有序多孔金属的设计优化及制备方法，包括以下步骤：

（1）通过三维造型软件设计有序多孔金属的孔结构，利用数值模拟软件对有序多孔金属的孔结构进行优化，有序多孔金属的互补结构为预制体结构；所述有序多孔金属与预制体结构为双通互联结构，这种结构基体部分和孔部分各自完全联通成为一体，使预制体在一定方向上具备贯穿整个预制体的若干通道，作为渗流内部通道。所述孔结构为孔的大小、孔的形状及孔的排序；

（2）利用快速成型技术，以覆膜砂为原料，以预制体结构为模板采用激光烧结的方法制备所需的预制体；激光烧结的方法中使用的激光功率为40-120W，采用的覆膜砂为40-200目；激光烧结对覆膜砂进行初次固化，在除掉多余覆膜砂后，填充原砂进行二次固化，二次固化温度150℃-250℃，从而得到渗流所需预制体；

（3）将预制体及模具放置在150℃-300℃环境中预热0.5-2.5小时，将金属熔化，待金属熔化后熔体温度稳定保持在高于相应熔点50℃-300℃，使熔体对预制体进行渗流；所述模具可为金属型和覆膜砂型，且模具的结构设计与预制体尺寸相配合，模具底面与预制体底面完全贴合，模具侧面有斜度，它与预制体侧面之间保持合适的空隙，为渗流提供合适的外部渗流通道。液态金属的渗流浇口冒口部分，为金属液体进入模具后提供压力和发挥补缩的作用，模具侧面与预制体侧面之间的空隙为外部渗流通道，促进渗流充分；

（4）在渗流过程中熔体温度逐渐降低，熔体通过内部和外部渗流通道充满整个模具；当熔体凝固时，视为熔体对预制体渗流过程结束，之后使其自然冷却，冷却后得到多孔金属原始铸锭；

（5）将多孔金属原始铸锭加热到覆膜砂的溃散温度，使预制体溃散，得到有序多孔金属；所述溃散温度低于金属熔化温度而高于覆膜砂最高固化温度，溃散温度为300℃-500℃，溃散保温时间为0.5-2小时。如果未能完全除去其中的覆膜砂预制体，再加热到覆膜砂的溃散温度将其除去，切除渗流冒口、外部渗流通道等部位。

所述金属选自纯铝、铝硅合金、铝镁合金、铝锰合金、铝锌合金、铝硅镁合金、铝硅铜镁合金。

所述有序多孔金属的最小孔径为2mm；有序多孔金属的孔的形状为球形、方形、圆柱形的一种或几种；孔的排序为周期排列、重复排列或梯度排列，周期排列是指每层的孔的形状和/或孔的大小呈周期规律，重复排列是指每层孔的形状及孔的大小排列一致，梯度排列是指每层金属孔的大小呈梯度变化。

本发明的有益效果为：通过三维造型软件设计有序多孔金属的结构，初步得到相应的预制体结构，采用数值模拟方法模拟渗流过程优化预制体结构，采用快速成型技术，以覆膜砂为原料激光烧结所需的预制体，将制得的预制体置于设计的模具中，当熔体温度合适时进行渗流，保证渗流充分后自然冷却，凝固后得到金属-覆膜砂的复合铸锭，加热到覆膜砂的溃散温度将其除去，最终得到所设计优化后的有序多孔金属结构。该方法实现了孔的设计性和可控性，可以设计孔的大小、孔的形状、孔的排序和孔的分布，该方法得到的孔的最小孔径在2mm左右，实现了孔的形状为球形、方形、圆柱形及多种简单孔型复合等多种孔形状的设计。应用快速成型技术制备渗流法所需的预制体，既可以体现有序多孔金属结构的设计性和控制性，同时还可以保证生产效率，降低生产成本。该方法工艺简单，与传统的渗流法相比，提升结构的设计性和可控性；与直接通过快速成型法制备有序多孔金属相比，制备成本低且预制体原料回收利用率高。

附图说明

图1是一种有序多孔金属的设计优化及制备方法的工艺流程图。

图2是有序多孔金属的渗流过程示意图。

图中：1、模具，2、液态金属，3、模具侧面，4、模具底面，5、预制体，6、预制体侧面，7、预制体底面，8、模具底座，9、球孔部，10、圆柱孔部。

图3是实施例1中方形孔有序多孔金属样品图。

图4是球形和圆柱形复合孔有序多孔金属预制体结构图。

图5是球形和圆柱形复合孔有序多孔金属预制体图。

图6是实施例3中球形和圆柱形复合孔有序多孔金属样品图。

图7是实施例4中梯度排列的有序多孔金属样品图。

具体实施方式

实施例1

方形孔有序多孔金属渗流包括以下步骤：

利用三维绘图软件ProENGINEER设计方形孔有序多孔金属的三维结构，该金属结构为3mm方形孔重复排列的结构，该金属结构的互补结构相应地得到预制体结构。有序多孔金属和预制体的结构为双通互联结构，这种结构基体部分和孔部分各自完全联通成为一体，且预制体在一定方向上具备贯穿整个预制体的若干通道，可作为渗流内部通道。预制体的结构设计在预制体的制备及下一步的渗流过程中会进一步优化。初步设计完成后利用数值模拟软件ProCAST模拟其渗流过程，模拟时选择浇注温度为710℃，预热温度190℃，观察预制体结构对渗流过程的影响，最终确定的预制体结构；

利用快速成型技术，以覆膜砂为原料，以预制体结构为模板采用激光烧结的方法制备所需的预制体；激光烧结的方法为选择性激光烧结法，使用的激光功率为50W，采用的覆膜砂为90目。激光烧结得到的覆膜砂预制体为初次固化，在除掉多余覆膜砂后，填充原砂进行二次加热固化，温度为185℃，从而得到渗流所需方形孔预制体。

在190℃的预热温度下预热0.5小时。将铝硅合金熔化，除渣后测温，当熔体温度为710℃时进行渗流；将熔化的铝合金熔体从金属模具的上部浇入，金属熔体从内部渗流通道和预制体与模具之间的外部渗流通道进入预制体中，通过渗流最终充满模具，当熔体凝固时视为渗流过程结束，使其自然冷却，凝固后得到有序多孔铝原始铸锭。加热到高于覆膜砂的溃散温度，在300℃保温1.5小时，冷却后将其除去，最终得到方形孔有序多孔金属。此实施例制备的方形孔有序多孔金属，方形孔边长3mm。

实施例2

球形孔有序多孔金属渗流包括以下步骤：

利用三维绘图软件ProENGINEER设计球形孔有序多孔金属的三维结构，该金属结构以10mm球形孔重复排列，其互补结构相应地得到预制体结构，要求有序多孔金属和预制体的结构为双通互联结构，这种结构基体部分和孔部分各自完全联通成为一体，且预制体在一定方向上具备贯穿整个预制体的若干通道，可作为渗流内部通道。预制体的结构设计在预制体的制备及下一步的渗流过程中会进一步优化。初步设计完成后利用数值模拟软件ProCAST模拟其渗流过程，模拟时选择浇注温度为850℃，预热温度180℃，观察预制体结构对渗流过程的影响，最终确定的预制体结构；

利用快速成型技术，以覆膜砂为原料，以预制体结构为模板采用激光烧结的方法制备所需的预制体；激光烧结的方法为选择性激光烧结法，使用的激光功率为50W，采用的覆膜砂为100目。激光烧结得到的覆膜砂预制体为初次固化，在除掉多余覆膜砂后，填充原砂进行二次加热固化，温度为185℃，从而得到渗流所需球形孔预制体。

在180℃的预热温度下预热0.5小时。将纯铝熔化，除渣后测温，当熔体温度为850℃时进行渗流；将熔化的铝熔体从金属模具的上部浇入，金属熔体从内部渗流通道和预制体与模具之间的外部渗流通道进入预制体中，通过渗流最终充满模具，当熔体凝固时视为渗流过程结束，使其自然冷却，凝固后得到有序多孔铝原始铸锭。加热到高于覆膜砂的溃散温度，在400℃保温0.5小时，冷却后将其除去，最终得到方形孔有序多孔金属。此实施例制备的球形孔有序多孔金属，球形孔直径10mm。

实施例3

球形和圆柱形复合孔有序多孔金属渗流包括以下步骤：

利用三维绘图软件ProENGINEER设计方形孔有序多孔金属的三维结构，该金属结构为10mm球形孔与5mm直径10mm高的圆柱孔间隔排列，金属结构的互补结构相应地得到预制体结构，要求有序多孔金属和预制体的结构为双通互联结构，这种结构基体部分和孔部分各自完全联通成为一体，且预制体在一定方向上具备贯穿整个预制体的若干通道，可作为渗流内部通道。预制体的结构设计在预制体的制备及下一步的渗流过程中会进一步优化。初步设计完成后利用数值模拟软件ProCAST模拟其渗流过程，模拟时选择浇注温度为840℃，预热温度180℃，观察预制体结构对渗流过程的影响，最终确定的预制体结构，如图4所示。以上过程中通过三维软件设计与优化结构以及激光烧结的方法制备预制体的过程，所采用的方法都是本领域中常用的方法。

利用快速成型技术，以覆膜砂为原料，以预制体结构为模板采用激光烧结的方法制备所需的预制体；激光烧结的方法为选择性激光烧结法，使用的激光功率为90W，采用的覆膜砂为90目。激光烧结得到的覆膜砂预制体为初次固化，在除掉多余覆膜砂后，填充原砂进行二次加热固化，温度为180℃，从而得到渗流所需球形和圆柱形预制体，如图5所示。

如附图2所示，将预制体5置于模具1中，预制体底面7与模具底面4完全贴合，模具侧面3具有一点的斜度，模具侧面3与预制体侧面6之间留有空隙，为外部渗流通道，促进渗流充分。渗流浇口冒口部分，金属液体进入模具后提供压力和发挥补缩的作用。在180℃的预热温度下预热1小时，将铝硅镁合金熔化，除渣后测温，当熔体温度为840℃时进行渗流；将熔化的铝硅镁合金熔体从金属模具的上部浇入，金属熔体从内部渗流通道和预制体与模具之间的外部渗流通道进入预制体中，通过渗流最终充满模具，当熔体凝固时视为渗流过程结束，使其自然冷却，凝固后得到有序多孔铝原始铸锭。加热到高于覆膜砂的溃散温度，在350℃保温1小时，冷却后将其除去，球孔部9溃散形成球孔，圆柱孔部10溃散形成圆柱孔，最终得到球形和圆柱形复合孔有序多孔金属，如图6所示。此实施例制备的球形和圆柱形复合孔有序多孔金属，圆柱孔直径为5mm，球形孔径为10mm。

实施例4

方形复合孔梯度有序多孔金属渗流包括以下步骤：

利用三维绘图软件ProENGINEER设计方形孔有序多孔金属的三维结构，该金属结构为第一层的10mm方形孔向第五层的6mm的方形孔梯度排列，金属结构的互补结构相应地得到预制体结构，要求有序多孔金属和预制体的结构为双通互联结构，这种结构基体部分和孔部分各自完全联通成为一体，且预制体在一定方向上具备贯穿整个预制体的若干通道，可作为渗流内部通道。预制体的结构设计在预制体的制备及下一步的渗流过程中会进一步优化。初步设计完成后利用数值模拟软件ProCAST模拟其渗流过程，模拟时选择浇注温度为845℃，预热温度180℃，观察预制体结构对渗流过程的影响，最终确定的预制体结构，如图4所示。以上过程中通过三维软件设计与优化结构以及激光烧结的方法制备预制体的过程，所采用的方法都是本领域中常用的方法。

利用快速成型技术，以覆膜砂为原料，以预制体结构为模板采用激光烧结的方法制备所需的预制体；激光烧结的方法为选择性激光烧结法，使用的激光功率为90W，采用的覆膜砂为100目。激光烧结得到的覆膜砂预制体为初次固化，在除掉多余覆膜砂后，填充原砂进行二次加热固化，温度为180℃，从而得到渗流所需球形和圆柱形预制体，如图5所示。

如附图2所示，将预制体5置于模具1中，预制体底面7与模具底面4完全贴合，模具侧面3具有一点的斜度，模具侧面3与预制体侧面6之间留有空隙，为外部渗流通道，促进渗流充分。渗流浇口冒口部分，金属液体进入模具后提供压力和发挥补缩的作用。在180℃的预热温度下预热1小时，将铝硅合金熔化，除渣后测温，当熔体温度为845℃时进行渗流；将熔化的铝硅合金熔体从金属模具的上部浇入，金属熔体从内部渗流通道和预制体与模具之间的外部渗流通道进入预制体中，通过渗流最终充满模具，当熔体凝固时视为渗流过程结束，使其自然冷却，凝固后得到有序多孔铝原始铸锭。加热到高于覆膜砂的溃散温度，在350℃保温1.2小时，冷却后将其除去，最终得到方形复合孔有序多孔金属，如图所示。此实施例制备的方形复合孔有序多孔金属，该金属结构的第一层到第五层方形孔由10mm到6mm梯度排列，连接长方体的长度从2mm到6mm均匀过渡。

以上方法中采用的设计多孔金属三维结构的方法及预制体激光烧结方法都是本领域常用方法，以上仅是本发明较好的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用同等变换或者等效替换而形成的技术方案，均在本发明权利保护范围之内。

Claims (1)

1.一种有序多孔金属的制备方法，其特征在于，方形复合孔梯度多孔金属渗流包括以下步骤，

（1）利用三维绘图软件ProENGINEER设计方形孔有序多孔金属的三维结构，该金属结构为第一层的10mm方形孔向第五层的6mm的方形孔梯度排列，金属结构的互补结构相应地得到预制体结构，要求有序多孔金属和预制体的结构为双通互联结构，这种结构基体部分和孔部分各自完全联通成为一体；

（2）初步设计完成后利用数值模拟软件ProCAST模拟其渗流过程，模拟时选择浇注温度为845℃，预热温度180℃，观察预制体结构对渗流过程的影响，最终确定预制体结构；

（3）利用快速成型技术，以覆膜砂为原料，以预制体结构为模板采用激光烧结的方法制备所需的预制体；激光烧结的方法为选择性激光烧结法，使用的激光功率为90W，采用的覆膜砂为100目；激光烧结得到的覆膜砂预制体为初次固化，在除掉多余覆膜砂后，填充原砂进行二次加热固化，温度为180℃，从而得到渗流所需球形和圆柱形预制体；

（4）将预制体（ 5） 置于模具（ 1） 中，预制体底面（ 7） 与模具底面（ 4） 完全贴合，模具侧面（ 3） 具有一点的斜度，模具侧面（ 3） 与预制体侧面（ 6） 之间留有空隙，为外部渗流通道，促进渗流充分；渗流浇口冒口部分，金属液体进入模具后提供压力和发挥补缩的作用；在180℃的预热温度下预热1小时，将铝硅合金熔化，除渣后测温，当熔体温度为845℃时进行渗流；将熔化的铝硅合金熔体从金属模具的上部浇入，金属熔体从内部渗流通道和预制体与模具之间的外部渗流通道进入预制体中，通过渗流最终充满模具，当熔体凝固时视为渗流过程结束，使其自然冷却，凝固后得到有序多孔铝原始铸锭；

（5）加热到高于覆膜砂的溃散温度，在350℃保温1.2小时，冷却后将其除去，最终得到方形复合孔有序多孔金属，该金属结构的第一层到第五层方形孔由10mm到6mm梯度排列，连接长方体的长度从2mm到6mm均匀过渡。