CN109249022A - 一种双梯度金属多孔材料及其制备方法 - Google Patents

一种双梯度金属多孔材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于梯度金属多孔材料制备领域，其公开了一种双梯度金属多孔材料及其制备方法，该方法包括以下步骤：(1)构建双梯度金属多孔材料的三维结构模型；(2)分析三维结构模型以得到三维结构模型的应力分布图；(3)选取不同成分的金属粉末，并将金属粉末分别装入激光选区熔化设备的第一送粉筒及第二送粉筒内；(4)设定成形基板的预热温度及成形工艺参数；(5)将第一送粉筒内的金属粉末送至成形基板，并开始激光选区熔化成形；(6)当即将成形的区域需要不同金属材料粉末时，将第二送粉筒内的金属粉末送至成形区域；(7)重复步骤(5)及(6)，直至完成双梯度金属多孔材料的成形。本发明降低了成本，提高了成形效率及灵活性。

Description

一种双梯度金属多孔材料及其制备方法
技术领域
本发明属于梯度金属多孔材料制备相关技术领域，更具体地，涉及一种双梯度金属多孔材料及其制备方法。
背景技术
金属多孔(泡沫金属)材料是一类具有明显孔隙特征的金属功能材料，其由刚性骨架和内部的孔洞组成，具有优异的物理特性和良好的机械性能。特别地，由于孔隙的存在，具有分离过滤、流体渗透与分布控制、液态化、高效燃烧、强化传质传热、阻燃防爆等功能。正因为金属多孔材料具有结构材料和功能材料的特点，已经被广泛地应用在航空航天、交通运输、建筑工程、机械工程、电化学工程、环境保护工程等领域，是国民经济发展必不可少的关键材料之一。
随着现代工业的快速发展，对金属多孔材料性能的要求越来越高，比如应用较多的过滤分离领域，要求材料的孔径越来越小，过滤精度越来越高，透过率越来越大。由此，梯度金属多孔材料便应运而生，即金属多孔材料的内部孔径在某一方向上呈梯度变化，其是由多个不同孔径层组成的复合体，且其孔径及孔隙率随材料厚度的变化而变化，使得透过性能和过滤精度优于传统的金属多孔材料。梯度金属多孔材料在过滤领域的应用较为广泛，如高温烟气除尘、食品行业、医用生物和燃料电池领域。
目前，梯度金属多孔材料的制备技术主要包括喷涂或者离心喷涂技术、有机泡沫浸渍技术、离心沉积技术、溶胶凝胶法及粉末注射成型技术。梯度金属多孔材料应用越来越广泛，要求也越来越高，上述梯度金属多孔材料制备方法均存在自身的缺陷，例如孔径不好控制，孔隙分布不均匀，工艺复杂，设备成本高昂，最大的缺点是较难或者无法制备具有复杂孔隙结构、不同功能的双梯度金属多孔材料。相应地，本领域存在着发展一种能够制造双梯度金属多孔材料的制备方法的技术需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种双梯度金属多孔材料及其制备方法，其基于现有梯度金属多孔材料的制备特点，研究及设计了一种双梯度金属多孔材料及其制备方法。所述制备方法引入了激光选区熔化技术，简化了工艺流程，缩短了工艺周期，节约制造成本，且制备出同时具有梯度结构及梯度成分的双梯度金属多孔材料，为工业发展需求提供有效的解决方案。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种双梯度金属多孔材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
(1)构建具有复杂孔隙结构的双梯度金属多孔材料的三维结构模型；接着，将所述三维结构模型进行离散并生成STL文件，同时对所述STL文件进行修复及切片；
(2)采用仿真软件分析所述三维结构模型的受力以得到所述三维结构模型不同区域的应力分布图；
(3)根据所述双梯度金属多孔材料的材料成分及所述应力分布图来选取制备所述双梯度金属多孔材料所需的不同成分的金属粉末，并将选取的金属粉末分别装入激光选区熔化设备的第一送粉筒及第二送粉筒内；
(4)设定所述激光选区熔化设备的成形基板的预热温度及所述激光选区熔化设备的成形工艺参数；
(5)所述激光选区熔化设备将所述第一送粉筒内的金属粉末送至所述成形基板，并开始激光选区熔化成形；
(6)当即将成形的区域需要不同金属材料粉末时，所述激光选区熔化设备自动将所述第二送粉筒内的金属粉末送至成形区域，并继续进行激光选区熔化成形，同时调节所述激光选区熔化设备的成形工艺参数；
(7)重复步骤(5)及步骤(6)，直至完成所述双梯度金属多孔材料的成形，所述双梯度金属多孔材料同时具有梯度结构及梯度成分。
进一步地，采用软件对所述STL文件进行修复和切片以得到二维切片信息。
进一步地，将步骤(1)中得到的所述STL文件输入到所述激光选区熔化设备，所述激光选区熔化设备根据所述二维切片信息自动生成扫描路径；成形过程中，激光按照所述扫描路径对金属粉末进行选择性熔化。
进一步地，所述金属粉末为以下粉末中的任一种：不锈钢粉末、铝合金粉末、钛合金粉末、镍合金粉末及金属陶瓷复合材料粉末。
进一步地，所述金属粉末的粉末粒径为25μm～75μm。
进一步地，所述预热温度为100℃～200℃。
进一步地，所述成形工艺参数中的激光功率为150W～280W，激光扫描速度为600mm/s～1000mm/s，扫描间距为0.7mm～0.12mm，分层厚度为0.03mm～0.05mm。
进一步地，激光选区熔化成形过程中，持续向所述激光选区熔化设备的成形腔内通入氩气。
按照本发明的另一个方面，提供了一种双梯度金属多孔材料，所述双梯度金属多孔材料是采用如上所述的双梯度金属多孔材料的制备方法制备而成的。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的双梯度金属多孔材料及其制备方法主要具有以下有益效果：
1.所述制备方法采用激光选区熔化设备来制备结构及成分均呈梯度变化的双梯度金属多孔材料，能够成形任意复杂孔隙结构及不同金属粉末材料的金属多孔材料，实现了梯度金属多孔材料的结构及成分功能双梯度一体化制备。
2.激光按照所述扫描路径对金属粉末进行选择性熔化，简化了工艺流程，大大缩短了产品开发周期，成形速度快，满足了工业生产需求，降低了时间成本及加工成本，提高了经济效益。
3.激光选区熔化成形过程中，持续向所述激光选区熔化设备的成形腔内通入氩气，防止了氧化，提高了成形质量。
4.所述制备方法易于实施，能够满足产品要求，极大地促进了梯度金属多孔材料的生产及应用，且为双梯度金属多孔材料的制备提供了切实可行的制备途径。
附图说明
图1是本发明较佳实施方式提供的双梯度金属多孔材料的制备方法的流程示意图。
图2是本发明第一实施方式提供的双梯度金属多孔材料的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1，本发明较佳实施方式提供的双梯度金属多孔材料的制备方法，该制备方法采用了激光选区熔化技术(Selective laser melting,SLM)，其主要包括以下步骤：
步骤一，设计出具有复杂孔隙结构的双梯度金属多孔材料的三维结构模型；接着，将所述三维结构模型进行离散并生成STL文件，同时对所述STL文件进行修复及切片。
通过计算得到双梯度金属多孔材料的孔隙率及孔径大小，进而采用三维软件UG制作出具有复杂孔隙结构的双梯度金属多孔材料的三维结构模型。此外，根据工艺要求，按照一定的规则和精度要求将所述三维结构模型离散为一系列的单元并生成STL文件，然后采用软件对所述STL文件进行修复和切片以得到二维切片信息。
步骤二，采用仿真软件分析所述三维结构模型的受力以得到所述三维结构模型不同区域的应力分布图。具体地，采用仿真软件ANSYS来分析所述三维结构模型的受力情况并得到所述三维结构模型不同区域的受力分布图。
步骤三，根据所述双梯度金属多孔材料的材料成分及所述应力分布图来选取制备所述双梯度金属多孔材料所需的不同梯度成分的金属粉末材料，并将选取的金属粉末材料分别装入激光选区熔化设备(SLM设备)的第一送粉筒及第二送粉筒内。
具体地，选区不同梯度成分的金属粉末材料，继而满足双梯度金属多孔材料的不同功能。所述金属材料粉末为不锈钢粉末、铝合金粉末、钛合金粉末、镍合金粉末、金属陶瓷复合材料粉末等，粉末粒径为25μm～75μm。
步骤四，设定所述激光选区熔化设备的成形基板的预热温度及所述激光选区熔化设备的成形工艺参数。
具体地，所述预热温度为100℃～200℃；所述成形工艺参数中的激光功率为150W～280W，激光扫描速度为600mm/s～1000mm/s，扫描间距为0.7mm～0.12mm，分层厚度为0.03mm～0.05mm。此外，步骤四还包括将所述激光选区熔化设备的成形腔内的空气抽空以形成真空的步骤。
步骤五，所述激光选区熔化设备将所述第一送粉筒内的金属粉末送至所述成形基板，并开始激光选区熔化成形。
具体地，激光选区熔化成形过程中，持续向所述激光选区熔化设备的成形腔内通入氩气，以防止氧化。成形过程中，激光按照扫描路径对金属粉末进行选择性熔化以得到切片的截面形状，逐层熔化，层层叠加。其中，所述扫描路径是所述激光选区熔化设备根据所述二维切片信息自动生成的。
步骤六，当即将成形的区域需要不同金属材料粉末时，所述激光选区熔化设备自动将所述第二送粉筒内的金属粉末送至成形区域，并继续进行激光选区熔化成形，同时调节所述激光选区熔化设备的成形工艺参数。
步骤七，重复步骤五及步骤六，直至完成所述双梯度金属多孔材料的成形，所述双梯度金属多孔材料同时具有梯度结构及梯度成分，即所述双梯度金属多孔材料的结构呈梯度变化，其成分也呈梯度变化。
本发明较佳实施方式还提供一种双梯度金属多孔材料，所述双梯度金属多孔材料采用如上所述的双梯度金属多孔材料的制备方法制备而成的。
请参阅图2，本发明第一实施方式提供的双梯度金属多孔材料的制备方法主要包括以下步骤：
根据实际需求，首先，利用UG设计双梯度金属多孔材料的三维结构模型。然后，使用ANSYS软件分析双梯度金属多孔材料的三维结构模型的受力情况，进而选取316不锈钢粉末、钛合金Ti6Al4V粉末作为原材料并分别装入送粉筒a及送粉筒b内，且两者的粉末粒径分别为25μm和50μm。接着，将激光选区熔化成形设备的成形基板的预热温度设为200℃，激光功率为200W，激光扫描速度为750mm/s，扫描间距为0.12mm，分层厚度为0.05mm。之后，将316不锈钢粉末送至成形基板，开始激光选区熔化成形。接着，将Ti6Al4V粉末送入成形区域，并调节SLM设备的工艺参数：激光功率为250W，激光扫描速度为800mm/s，扫描间距为0.10mm，分层厚度为0.03mm。如此，激光选区熔化成形反复进行，直至完成双梯度金属多孔材料的三维结构模型的SLM成形。
本发明第二实施方式提供的双梯度金属多孔材料的制备方法主要包括以下步骤：
根据实际需求，首先，利用UG设计双梯度金属多孔材料的三维结构模型。然后，使用ANSYS软件分析度金属多孔材料的三维结构模型的受力情况以得到应力分布图，进而选取铝合金AlSi10Mg粉末、钛合金Ti6Al4V粉末作为原材料，且两者的粉末粒径分别为30μm和50μm。接着，将激光选区熔化设备的成形基板的预热温度设为100℃，激光功率为180W，激光扫描速度为800mm/s，扫描间距为0.07mm，分层厚度为0.05mm。之后，将铝合金AlSi10Mg粉末送至所述成形基板，并开始激光选区熔化成形。接着，将Ti6Al4V粉末送入成形区域，并调节SLM设备的成形工艺参数：激光功率为250W，激光扫描速度为800mm/s，扫描间距为0.10mm，分层厚度为0.03mm。如此，激光选区熔化成形反复进行，直至完成双梯度金属多孔材料的三维结构模型的SLM成形。
本发明提供的双梯度金属多孔材料及其制备方法，该制备方法采用了激光选区熔化技术，其能够制造出具有复杂孔隙率结构的双梯度金属多孔材料，满足了工业要求，成形工艺简单，降低了成本，提高了经济效益，且为双梯度金属多孔材料的制备提供了有效的制备途径。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双梯度金属多孔材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)构建具有复杂孔隙结构的双梯度金属多孔材料的三维结构模型；接着，将所述三维结构模型进行离散并生成STL文件，同时对所述STL文件进行修复及切片；
(2)采用仿真软件分析所述三维结构模型的受力以得到所述三维结构模型不同区域的应力分布图；
(3)根据所述双梯度金属多孔材料的材料成分及所述应力分布图来选取制备所述双梯度金属多孔材料所需的不同成分的金属粉末，并将选取的金属粉末分别装入激光选区熔化设备的第一送粉筒及第二送粉筒内；
(4)设定所述激光选区熔化设备的成形基板的预热温度及所述激光选区熔化设备的成形工艺参数；
(5)所述激光选区熔化设备将所述第一送粉筒内的金属粉末送至所述成形基板，并开始激光选区熔化成形；
(6)当即将成形的区域需要不同金属材料粉末时，所述激光选区熔化设备自动将所述第二送粉筒内的金属粉末送至成形区域，并继续进行激光选区熔化成形，同时调节所述激光选区熔化设备的成形工艺参数；
(7)重复步骤(5)及步骤(6)，直至完成所述双梯度金属多孔材料的成形，所述双梯度金属多孔材料同时具有梯度结构及梯度成分。
2.如权利要求1所述的双梯度金属多孔材料的制备方法，其特征在于：采用软件对所述STL文件进行修复和切片以得到二维切片信息。
3.如权利要求2所述的双梯度金属多孔材料的制备方法，其特征在于：将步骤(1)中得到的所述STL文件输入到所述激光选区熔化设备，所述激光选区熔化设备根据所述二维切片信息自动生成扫描路径；成形过程中，激光按照所述扫描路径对金属粉末进行选择性熔化。
4.如权利要求1所述的双梯度金属多孔材料的制备方法，其特征在于：所述金属粉末为以下粉末中的任一种：不锈钢粉末、铝合金粉末、钛合金粉末、镍合金粉末及金属陶瓷复合材料粉末。
5.如权利要求4所述的双梯度金属多孔材料的制备方法，其特征在于：所述金属粉末的粉末粒径为25μm～75μm。
6.如权利要求1-5任一项所述的双梯度金属多孔材料的制备方法，其特征在于：所述预热温度为100℃～200℃。
7.如权利要求6所述的双梯度金属多孔材料的制备方法，其特征在于：所述成形工艺参数中的激光功率为150W～280W，激光扫描速度为600mm/s～1000mm/s，扫描间距为0.7mm～0.12mm，分层厚度为0.03mm～0.05mm。
8.如权利要求1所述的双梯度金属多孔材料的制备方法，其特征在于：激光选区熔化成形过程中，持续向所述激光选区熔化设备的成形腔内通入氩气。
9.一种双梯度金属多孔材料，其特征在于：所述双梯度金属多孔材料是采用权利要求1-8任一项所述的双梯度金属多孔材料的制备方法制备而成的。
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