CN106521218B - 梯度孔隙率多孔金属材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种梯度孔隙率多孔金属材料及其制备方法，该梯度孔隙率多孔金属材料的开口孔隙率在5%～35%之间且沿着某个方向呈梯度变化，所述梯度孔隙率多孔金属材料呈梯度变化的方向尺寸为1～3cm，所述梯度变化至少有25层、至多有55层，所述梯度孔隙率多孔金属材料的孔径为5～50μm。该梯度孔隙率多孔金属材料的制备方法，包括准备金属粉体和非金属基板、采用低温超音速喷涂技术将金属粉体喷涂到非金属基板上以及将梯度孔隙率多孔金属材料与非金属基板分离。本发明的梯度孔隙率多孔金属材料可由20层以上逐渐递增或者递减的孔隙率沉积层沉积而成1～3cm的厚度，属于真正意义上的梯度孔隙率多孔金属材料。

Description

梯度孔隙率多孔金属材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种多孔金属材料及其制备方法，具体涉及一种梯度孔隙率多孔金属材料及其制备方法。
背景技术
多孔材料具有高比强度、高比刚度和良好的储油、消声、抗震、轻质等特性，是一种兼具功能和结构双重属性的性能优异的工程材料，被广泛应用于航空航天、机械、石油化工、环保、医药等领域。对于孔隙率均匀的多孔材料而言，若其孔隙率较高，则储油率高，但强度和刚度性能较差，从而制约了高孔隙率多孔材料作为轴承等承载部件的应用；若其孔隙率较低，则强度和刚度较高，但储油率会受到限制，难以发挥多孔材料的自润滑特性。
梯度孔隙率材料是指孔隙率沿着某个方向呈梯度变化的材料，如梯度孔隙板，在板的一侧孔隙率较大，沿着板的厚度方向，材料的孔隙率逐渐减少，到板的另一侧时，孔隙率最小。梯度孔隙率材料兼有低孔隙率材料强度和刚度较高以及高孔隙率材料储油率高的优点。
目前多孔材料的制备方法大致可以分成烧结法和快速原形技术法两类。采用烧结法制备多孔材料时，由于烧结工艺的影响因素较多，难以精确控制，无法制备真正意义上的梯度孔隙率材料；而采用快速原形技术方法制备的孔隙多为规则的直通孔，且孔隙尺寸过大，因而储油性能会受到限制。
另外，也有文献报道了最多由四层不同孔隙率材料叠合在一起构成的多层多孔材料，而由于受层数的限制，在这种材料的不同层的交界面处还存在着孔隙率的突变，其梯度变化是不连续的，同样不属于真正意义上的梯度孔隙率材料。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种孔隙率连续演变且精确可控的梯度孔隙率多孔金属材料及其制备方法。
实现本发明上述目的的技术方案是：一种梯度孔隙率多孔金属材料，其开口孔隙率在5%～35%之间且沿着某个方向呈梯度变化。
所述某个方向为梯度孔隙率多孔金属材料的厚度方向（也可称为高度方向），该方向一般是指在制备涂层时材料的增长方向。
所述梯度孔隙率多孔金属材料呈梯度变化的方向尺寸为1～3cm，优选1～2cm。
所述梯度变化至少有20层，优选至少为30层，更优选至少为35层。
所述梯度变化至多有60层，优选至多有50层，更优选至多有45层。
所述梯度孔隙率多孔金属材料的孔径为5～50μm。
所述多孔金属材料为青铜合金材料、不锈钢材料或者镍基合金。
上述梯度孔隙率多孔金属材料的制备方法，包括准备金属粉体和非金属基板、采用低温超音速喷涂技术将金属粉体喷涂到非金属基板上以及将梯度孔隙率多孔金属材料与非金属基板分离。
上述制备方法还包括建立多孔金属材料孔隙率预测模型，具体可参照中国专利文献CN105117599A。
上述低温超音速喷涂技术采用的气体参数随着孔隙率逐渐增大或者逐渐减小而变化。
上述金属粉体为球状或者类球状的青铜合金粉体、不锈钢粉体或者镍基合金粉体。
所述青铜合金粉体粒径范围为90～140μm；所述不锈钢粉体粒径范围为70～120μm；所述镍基合金粉体粒径范围为60～100μm；所述金属基粉体的粒径在所述范围内呈正态分布。
所述的非金属基板的选择十分关键，申请人经过大量试验最终选择了高温强度好、热膨胀系数小的硅板，而且该硅板后续去除工艺十分简便。
本发明具有的积极效果：（1）本发明的梯度孔隙率多孔金属材料可由20层以上逐渐递增或者递减的孔隙率沉积层沉积而成1～3cm的厚度，属于真正意义上的梯度孔隙率多孔金属材料（也即孔隙率连续演变），该材料兼具低孔隙率材料优异的力学性能以及高孔隙率材料储油率高的优点，尤其适用于制备含油轴承等零件。（2）本发明的方法能够精确控制多孔金属材料的孔隙率，实现孔隙率的连续变化，而且工艺过程简单，可操作性强，可再现性强，工艺稳定性好，成本低廉，可应用于大规模生产。
附图说明
图1为实施例1中采用不同气体参数下高铝青铜材料孔隙率的全局预测图。
图2为实施例1制得的梯度孔隙率高铝青铜多孔材料的截面SEM图。
图3为实施例1制得的梯度孔隙率高铝青铜多孔材料中孔隙的局部放大SEM图。
具体实施方式
（实施例1）
本实施例为梯度孔隙率高铝青铜多孔材料的制备方法，具体步骤如下：
S1：参照中国专利文献CN105117599A公开的方法建立高铝青铜多孔材料孔隙率预测模型。
S11：选用球状的高铝青铜粉末作为原材料，使用筛粉器得到粒径为90～140μm的粉体，并置于80℃烘箱中烘干3h，以提高粉体的流动性。
本实施例采用的球状的高铝青铜粉末的化学成分为如下：Al：13.30wt%、Fe：4.93wt%、Mn：1.62wt%、Zn：0.33wt%、Ni：0.31wt%、Co：5.49%、Cu余量。
S12：采用超精密机床对硅板表面进行加工预处理，使其表面粗糙度达到Ra=1.6μm。
本实施例采用的硅板的导热率为611W/（m·k），明显高于其他材料（不同材料的导热率如表1所示），该硅板在多孔材料制备过程中可提高多孔材料的冷却速率，降低多孔材料的温度，避免多孔材料制备过程中的氧化和相变。
表1
材料 硅 银 铜 金 铍 铝 氮化铝 钨 锌 镍 铁
导热率W/（m·k） 611 429 401 317 250 240 200 180 116 91 84～90
S13：将上述硅板固定于工装系统中，使其与喷枪出口距离保持在200±5mm，且与喷枪轴线夹角保持在90±5°。
本实施例采用的喷枪为分体设计，其配置方案为：燃烧室直径6cm、枪管长度25cm、注粉管长度6cm。
S14：以喷涂距离、送粉速率、喷枪线速度、氮气流量、氢气流量、空气压力以及丙烷压力为输入变量，孔隙率为输出变量，参照中国专利文献CN105117599A公开的方法建立高铝青铜多孔材料孔隙率预测模型。
该预测模型经验证后，其孔隙率误差在5%以下。
S2：在其它工艺参数保持不变的条件下（喷涂距离为150mm、送粉速率7r/s、喷枪线速度为700mm/s、氮气流量为40L/min、氢气流量为40L/min），应用S1建立的预测模型建立不同气体参数下（空气压力和丙烷压力）孔隙率的全局预测图，结果见图1。
从图1中选择空气压力恒定为86PSI、丙烷压力从90PSI逐渐递减至77PSI的40组气体参数，按照S3的方法进行喷涂。
这40组丙烷压力及对应的孔隙率预测值见表2。
表2
丙烷压力/PSI 90.0 89.7 89.4 89.1 88.8 88.5 88.2 87.9 87.6 87.3
孔隙率预测值/% 6.21 6.24 6.29 6.36 6.43 7.29 8.74 9.12 9.74 10.64
丙烷压力/PSI 87.0 86.7 86.4 86.1 85.9 85.6 85.3 85.0 84.7 84.4
孔隙率预测值/% 11.22 11.69 11.96 12.37 13.19 13.65 14.12 14.18 14.61 15.04
丙烷压力/PSI 84.1 83.8 83.5 83.2 82.9 82.6 82.3 82.0 81.7 81.4
孔隙率预测值/% 15.26 15.31 16.77 17.43 18.15 18.36 18.73 19.43 20.79 21.88
丙烷压力/PSI 81.1 81.0 80.8 80.5 80.2 79.6 79.0 78.4 77.8 77.0
孔隙率预测值/% 22.46 23.91 24.56 25.43 25.98 26.17 26.94 27.16 27.84 28.59
S3：采用低温超音速喷涂技术将高铝青铜粉末喷涂到硅板。
S31：以空气压力为86PSI、丙烷压力为90PSI的气体参数以及S2的其它工艺参数，使喷枪在硅板上横向移动10cm喷涂高铝青铜粉末，并往复喷涂一遍。
S32：然后使喷枪相对于硅板纵向向下移动2.5mm，继续S31的横向往复喷涂一遍。
S33：重复S32的纵向移动喷涂动作19遍（也即纵向距离为5cm）后，将喷枪移动至喷枪初始位置。
S34：在已喷涂的10cm×5cm的涂层上重复S31～S33的喷涂4～6遍。
S35：按照表2中的丙烷压力逐渐递减的其它39组工艺参数重复S31～S34的喷涂。
从而在硅板上制得孔隙率由下之上逐渐变大的高铝青铜多孔材料。
该喷涂工艺参数产生的焰流温度为630℃，喷涂颗粒温度为350℃。
在喷涂过程中控制已成形多孔材料的最高温度≤200℃，具体控制方法如下：用数字表面温度计（AR892实时非接触红外测温仪）实时测量已成形多孔材料的温度，当测量到已成形多孔材料的温度达到190±2℃时立即停止喷涂，待其自然冷却至150±5℃时再继续喷涂。
S4：采用专用夹具对硅板和所制备的多孔金属材料施加适当频率与振幅的振动，使硅板与多孔金属材料之间形成微小裂缝，在此基础上，对硅板和所制备的多孔金属材料施加一定的脱模力，完成多孔金属材料的脱模过程。
最终得到尺寸为10cm×5cm×1.5cm的梯度孔隙率高铝青铜多孔材料。
该梯度孔隙率高铝青铜多孔材料的截面SEM图以及孔隙的局部放大SEM图分别见图2和图3。

Claims (3)

1.一种梯度孔隙率多孔金属材料，其特征在于：它是采用低温超音速喷涂技术将金属粉体喷涂到非金属基板上以及将梯度孔隙率多孔金属材料与非金属基板分离得到；所述多孔金属材料为青铜合金材料、不锈钢材料或者镍基合金；所述梯度孔隙率多孔金属材料的孔径为5～50μm；其开口孔隙率在5%～35%之间且沿着某个方向呈梯度变化；所述某个方向为梯度孔隙率多孔金属材料的厚度方向；所述梯度孔隙率多孔金属材料呈梯度变化的方向尺寸为1～3cm；所述梯度变化至少有20层，至多有60层。
2.根据权利要求1所述的梯度孔隙率多孔金属材料，其特征在于：所述梯度变化至少有30层，至多有50层。
3.根据权利要求2所述的梯度孔隙率多孔金属材料，其特征在于：所述梯度变化至少有35层，至多有45层。
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