CN112276091B - 一种具有高能量吸收特性的低成本钛基多孔材料制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有高能量吸收特性的低成本钛基多孔材料制备工艺，该工艺包括：一、将聚集的钛基屑料沿厚度方向预压缩得到钛基多孔生坯；二、将钛基多孔生坯进行高温真空烧结得到钛基多孔坯体；三、向钛基多孔坯体的孔隙中注入502胶水至充满各结点区域，室温晾干后得到钛基多孔材料。本发明以钛基屑料为原料，采用粉末冶金工艺制备钛基多孔坯体，使得铁屑之间产生结点并产生冶金结合，结合对钛基多孔坯体的孔隙中注入502胶水，提高了钛基屑料之间的结合面积，进而提高总体结合强度，得到的钛基多孔材料的压缩强度和能量吸收特性均显著提高，且密度较低，适用于车辆和飞机的冲击防护，同时原料成本大大降低。

Description

一种具有高能量吸收特性的低成本钛基多孔材料制备工艺
技术领域
本发明属于钛基多孔材料技术领域，具体涉及一种具有高能量吸收特性的低成本钛基多孔材料制备工艺。
背景技术
冲击防护材料在发生高速撞击事故时可有效保护人员和关键部件免于冲击应力损害，因此在车辆和飞行器中有广泛的应用。冲击防护材料不仅需要具有高能量吸收性能，还需要具有低密度，高强度，低成本等特性，以减轻车辆和飞行器的附加重量和成本。现有的金属多孔冲击防护材料有钛合金蜂窝材料，泡沫铝多孔材料等，前者采用钛薄板机加而成，成本较高，后者强度较低，成本也较高。因此需要开发新型低成本，高能量吸收率的金属多孔冲击防护材料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种具有高能量吸收特性的低成本钛基多孔材料制备工艺。该工艺以钛基屑料为原料，采用粉末冶金工艺使得铁屑之间产生结点并产生冶金结合，并对钛基多孔坯体的孔隙中注入502胶水，提高了钛基屑料之间的结合面积，进而提高总体结合强度，最终得到的钛基多孔材料的压缩强度和能量吸收特性均显著提高，且成本大大降低。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种具有高能量吸收特性的低成本钛基多孔材料制备工艺，其特征在于，该工艺包括以下步骤：
步骤一、在室温下将聚集的钛基屑料沿厚度方向进行预压缩，得到钛基多孔生坯；所述钛基多孔生坯的孔隙度为60％～90％；
步骤二、将步骤一中得到的钛基多孔生坯进行高温真空烧结，使得钛基多孔生坯中的结点部位产生冶金结合，冷却后得到钛基多孔坯体；所述高温真空烧结的温度为1000℃～1200℃，真空度小于9×10-2Pa，保温时间为0.5h～2h；
步骤三、在室温下向步骤二中得到的钛基多孔坯体的孔隙中注入502胶水至充满各结点区域，室温晾干后得到钛基多孔材料；所述钛基多孔材料的单位质量能量吸收能力大于3J/g。
钛基屑料是车加工钛基金属零件时产生的废料，与现有的金属多孔冲击防护材料如钛合金薄板蜂窝以及泡沫铝相比，其原料成本接近于零，而其外形为长度几十厘米，宽0.2～2厘米，厚度约0.02厘米的螺旋状长条，非常适合于制备金属多孔材料。本发明以钛基屑料为原料，采用粉末冶金工艺制备冲击防护的钛基多孔材料，首先将聚集的钛基屑料沿其厚度方向进行预压缩，形成具有一定孔隙度的钛基多孔生坯，然后进行高温真空烧结，使得钛基多孔生坯中的接触点即结点部位产生冶金结合，得到具有一定强度的钛基多孔坯体，高温真空烧结过程中孔隙度不变；由于钛基屑料本身具有脆性，且钛基屑料之间的接触面积相对于钛基屑料的表面积偏小，经高温真空烧结后钛基屑料之间的结合强度偏小，导致钛基多孔坯体的总体结合强度不足，在压缩时容易发生结点分离，进而导致钛基多孔坯体的压缩应力快速下降，钛基多孔坯体逐渐解体，因此，本发明在钛基多孔坯体的孔隙中注入502胶水至充满各结点区域，为钛基屑料之间提供附加的结合力，从而提高了钛屑之间的结合面积，进而提高总体结合强度，最终得到的钛基多孔材料的压缩强度和能量吸收特性均显著提高。
另外，钛基多孔材料的形成过程直接受钛屑之间接点发育的影响。本发明通过控制高温真空烧结的工艺参数，尤其是温度和保温时间，使得钛基屑料之间进行冶金结合形成结点，同时避免了烧结过度导致钛屑晶粒过粗、不利于提高钛基多孔材料的能量吸收特性。
上述的一种具有高能量吸收特性的低成本钛基多孔材料制备工艺，其特征在于，步骤一所述钛基屑料为钛屑或钛合金屑。
上述的一种具有高能量吸收特性的低成本钛基多孔材料制备工艺，其特征在于，步骤三中所述钛基多孔材料的等效孔隙度较步骤一中钛基多孔生坯的孔隙度降低了5％～10％。
本发明中的等效孔隙度＝[1-(钛基屑料质量+502胶水质量)/钛基屑料几何体积/钛基屑料对应钛合金成分密度)]×100％。
本发明中的室温是指0～40℃。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明以钛基屑料为原料，采用粉末冶金工艺制备钛基多孔坯体，使得铁屑之间产生结点并产生冶金结合，结合对钛基多孔坯体的孔隙中注入502胶水，提高了钛基屑料之间的结合面积，进而提高总体结合强度，最终得到的钛基多孔材料的压缩强度和能量吸收特性均显著提高，且成本大大降低。
2、本发明的钛基多孔材料兼具高强度和优异的能量吸收特性，且密度较低，适用于车辆和飞机的冲击防护。
3、本发明的制备流程短，制备效率高。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例1和对比例1制备的钛基多孔材料试样的压缩应力应变曲线。
图2为本发明实施例2和实施例3制备的钛基多孔材料试样的压缩应力应变曲线。
具体实施方式
实施例1
本实施例包括以下步骤：
步骤一、在室温下将聚集的钛屑沿厚度方向进行预压缩，得到钛基多孔生坯；所述钛基多孔生坯的孔隙度为80％；
步骤二、将步骤一中得到的钛基多孔生坯放置于真空炉中，在温度为1200℃、真空度为1×10-2Pa的条件下保温2h进行高温真空烧结，使得钛基多孔生坯中的结点部位产生冶金结合，冷却后得到钛基多孔坯体；
步骤三、在室温下向步骤二中得到的钛基多孔坯体的孔隙中注入502胶水至充满各结点区域，室温晾干后得到钛基多孔材料；所述钛基多孔材料的等效孔隙度为70％。
将本实施例制备的钛基多孔材料通过线切割制成25mm×15mm×10mm(长×宽×高)的长方体压缩试样并进行测试，结果显示该长方体压缩试样的压缩强度为12MPa，单位体积能量吸收为8.29J/cm3。单位质量能量吸收为6.14J/g。
对比例1
本对比例包括以下步骤：
步骤一、在室温下将聚集的钛屑沿厚度方向进行预压缩，得到钛基多孔生坯；所述钛基多孔生坯的孔隙度为70％；
步骤二、将步骤一中得到的钛基多孔生坯放置于真空炉中，在温度为1200℃、真空度为1×10-2Pa的条件下保温2h，进行高温真空烧结，使得钛基多孔生坯中的结点部位产生冶金结合，冷却后得到钛基多孔材料；所述钛基多孔材料的等效孔隙度为70％。
将本对比例制备的钛基多孔材料通过线切割制成25mm×15mm×10mm(长×宽×高)的长方体压缩试样并进行测试，结果显示该长方体压缩试样的压缩强度为9.5MPa，单位体积能量吸收为2.51J/cm3，单位质量能量吸收为1.86J/g。
图1为本发明实施例1和对比例1制备的钛基多孔材料试样的压缩应力应变曲线，从图1可以看出，实施例1制备的钛基多孔材料试样的压缩强度为12MPa，对比例1制备的钛基多孔材料试样的压缩强度为9.5MPa，说明本发明采用向钛基多孔坯体中注入502胶水，为钛屑之间提供附加的结合力，从而提高了钛屑之间的结合面积，进而提高总体结合强度，最终实施例1制备的钛基多孔材料的压缩强度和能量吸收特性均较对比例1显著提高。
本实施例中的钛屑还可替换为钛合金屑。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
步骤一、在室温下将聚集的钛屑沿厚度方向进行预压缩，得到钛基多孔生坯；所述钛基多孔生坯的孔隙度为87％；
步骤二、将步骤一中得到的钛基多孔生坯放置于真空炉中，在温度为1200℃、真空度为1×10-2Pa的条件下保温2h进行高温真空烧结，使得钛基多孔生坯中的结点部位产生冶金结合，冷却后得到钛基多孔坯体；
步骤三、在室温下向步骤二中得到的钛基多孔坯体的孔隙中注入502胶水至充满各结点区域，室温晾干后得到钛基多孔材料；所述钛基多孔材料的等效孔隙度为77％。
将本实施例制备的钛基多孔材料通过线切割制成25mm×15mm×10mm(长×宽×高)的长方体压缩试样并进行测试，结果显示该长方体压缩试样的压缩强度为6.1MPa，单位体积能量吸收为3.61J/cm3，单位质量能量吸收为3.49J/g。
本实施例中的钛屑还可替换为钛合金屑。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
步骤一、在室温下将聚集的钛屑沿厚度方向进行预压缩，得到钛基多孔生坯；所述钛基多孔生坯的孔隙度为72％；
步骤二、将步骤一中得到的钛基多孔生坯放置于真空炉中，在温度为1200℃、真空度为1×10-2Pa的条件下保温2h进行高温真空烧结，使得钛基多孔生坯中的结点部位产生冶金结合，冷却后得到钛基多孔坯体；
步骤三、在室温下向步骤二中得到的钛基多孔坯体的孔隙中注入502胶水至充满各结点区域，室温晾干后得到钛基多孔材料；所述钛基多孔材料的等效孔隙度为64％。
将本实施例制备的钛基多孔材料通过线切割制成25mm×15mm×10mm(长×宽×高)的长方体压缩试样并进行测试，结果显示该长方体压缩试样的压缩强度为14.5MPa，单位体积能量吸收为12.20J/cm3，单位质量能量吸收为7.35J/g。
图2为本发明实施例2和实施例3制备的钛基多孔材料试样的压缩应力应变曲线，从图2可以看出，实施例2制备的钛基金多孔材料试样的压缩强度为6.1MPa，实施例3制备的钛基多孔材料试样的压缩强度为14.5MPa。
本实施例中的钛屑还可替换为钛合金屑。
实施例4
本实施例包括以下步骤：
步骤一、在室温下将聚集的钛屑沿厚度方向进行预压缩，得到钛基多孔生坯；所述钛基多孔生坯的孔隙度为60％；
步骤二、将步骤一中得到的钛基多孔生坯放置于真空炉中，在温度为1200℃、真空度为1×10-2Pa的条件下保温2h进行高温真空烧结，使得钛基多孔生坯中的结点部位产生冶金结合，冷却后得到钛基多孔坯体；
步骤三、在室温下向步骤二中得到的钛基多孔坯体的孔隙中注入502胶水至充满各结点区域，室温晾干后得到钛基多孔材料；所述钛基多孔材料的等效孔隙度为50％。
将本实施例制备的钛基多孔材料通过线切割制成25mm×15mm×10mm(长×宽×高)的长方体压缩试样并进行测试，结果显示该长方体压缩试样的压缩强度为24MPa，单位体积能量吸收为16.22J/cm3，单位质量能量吸收为7.21J/g。
本实施例中的钛屑还可替换为钛合金屑。
实施例5
本实施例包括以下步骤：
步骤一、在室温下将聚集的钛屑沿厚度方向进行预压缩，得到钛基多孔生坯；所述钛基多孔生坯的孔隙度为90％；
步骤二、将步骤一中得到的钛基多孔生坯放置于真空炉中，在温度为1200℃、真空度为1×10-2Pa的条件下保温2h进行高温真空烧结，使得钛基多孔生坯中的结点部位产生冶金结合，冷却后得到钛基多孔坯体；
步骤三、在室温下向步骤二中得到的钛基多孔坯体的孔隙中注入502胶水至充满各结点区域，室温晾干后得到钛基多孔材料；所述钛基多孔材料的等效孔隙度为80％。
将本实施例制备的钛基多孔材料通过线切割制成25mm×15mm×10mm(长×宽×高)的长方体压缩试样并进行测试，结果显示该长方体压缩试样的压缩强度为5.1MPa，单位体积能量吸收为3.29J/cm3，单位质量能量吸收为3.66J/g。
本实施例中的钛屑还可替换为钛合金屑。
实施例6
本实施例包括以下步骤：
步骤一、在室温下将聚集的钛屑沿厚度方向进行预压缩，得到钛基多孔生坯；所述钛基多孔生坯的孔隙度为80％；
步骤二、将步骤一中得到的钛基多孔生坯放置于真空炉中，在温度为1000℃、真空度为1×10-2Pa的条件下保温2h进行高温真空烧结，使得钛基多孔生坯中的结点部位产生冶金结合，冷却后得到钛基多孔坯体；
步骤三、在室温下向步骤二中得到的钛基多孔坯体的孔隙中注入502胶水至充满各结点区域，室温晾干后得到钛基多孔材料；所述钛基多孔材料的等效孔隙度为70％。
将本实施例制备的钛基多孔材料通过线切割制成25mm×15mm×10mm(长×宽×高)的长方体压缩试样并进行测试，结果显示该长方体压缩试样的压缩强度为12.3MPa，单位体积能量吸收为8.19J/cm3，单位质量能量吸收为6.07J/g。
本实施例中的钛屑还可替换为钛合金屑。
实施例7
本实施例包括以下步骤：
步骤一、在室温下将聚集的钛屑沿厚度方向进行预压缩，得到钛基多孔生坯；所述钛基多孔生坯的孔隙度为80％；
步骤二、将步骤一中得到的钛基多孔生坯放置于真空炉中，在温度为1100℃、真空度为1×10-2Pa的条件下保温2h进行高温真空烧结，使得钛基多孔生坯中的结点部位产生冶金结合，冷却后得到钛基多孔坯体；
步骤三、在室温下向步骤二中得到的钛基多孔坯体的孔隙中注入502胶水至充满各结点区域，室温晾干后得到钛基多孔材料；所述钛基多孔材料的等效孔隙度为70％。
将本实施例制备的钛基多孔材料通过线切割制成25mm×15mm×10mm(长×宽×高)的长方体压缩试样并进行测试，结果显示该长方体压缩试样的压缩强度为11.2MPa，单位体积能量吸收为8.14J/cm3，单位质量能量吸收为6.03J/g。
本实施例中的钛屑还可替换为钛合金屑。
实施例8
本实施例包括以下步骤：
步骤一、在室温下将聚集的钛屑沿厚度方向进行预压缩，得到钛基多孔生坯；所述钛基多孔生坯的孔隙度为80％；
步骤二、将步骤一中得到的钛基多孔生坯放置于真空炉中，在温度为1200℃、真空度为1×10-2Pa的条件下保温0.5h，进行高温真空烧结，使得钛基多孔生坯中的结点部位产生冶金结合，冷却后得到钛基多孔坯体；
步骤三、在室温下向步骤二中得到的钛基多孔坯体的孔隙中注入502胶水至充满各结点区域，室温晾干后得到钛基多孔材料；所述钛基多孔材料的等效孔隙度为70％。
将本实施例制备的钛基多孔材料通过线切割制成25mm×15mm×10mm(长×宽×高)的长方体压缩试样并进行测试，结果显示该长方体压缩试样的压缩强度为13MPa，单位体积能量吸收为8.57J/cm3，单位质量能量吸收为6.35J/g。
本实施例中的钛屑还可替换为钛合金屑。
实施例9
本实施例包括以下步骤：
步骤一、在室温下将聚集的钛屑沿厚度方向进行预压缩，得到钛基多孔生坯；所述钛基多孔生坯的孔隙度为80％；
步骤二、将步骤一中得到的钛基多孔生坯放置于真空炉中，在温度为1200℃、真空度为1×10-2Pa的条件下保温1h进行高温真空烧结，使得钛基多孔生坯中的结点部位产生冶金结合，冷却后得到钛基多孔坯体；
步骤三、在室温下向步骤二中得到的钛基多孔坯体的孔隙中注入502胶水至充满各结点区域，室温晾干后得到钛基多孔材料；所述钛基多孔材料的等效孔隙度为70％。
将本实施例制备的钛基多孔材料通过线切割制成25mm×15mm×10mm(长×宽×高)的长方体压缩试样并进行测试，结果显示该长方体压缩试样的压缩强度为11.2MPa，单位体积能量吸收为8.63J/cm3，单位质量能量吸收为6.39J/g。
本实施例中的钛屑还可替换为钛合金屑。
实施例10
本实施例包括以下步骤：
步骤一、在室温下将聚集的钛屑沿厚度方向进行预压缩，得到钛基多孔生坯；所述钛基多孔生坯的孔隙度为80％；
步骤二、将步骤一中得到的钛基多孔生坯放置于真空炉中，在温度为1200℃、真空度为8×10-2Pa的条件下保温2h进行高温真空烧结，使得钛基多孔生坯中的结点部位产生冶金结合，冷却后得到钛基多孔坯体；
步骤三、在室温下向步骤二中得到的钛基多孔坯体的孔隙中注入502胶水至充满各结点区域，室温晾干后得到钛基多孔材料；所述钛基多孔材料的等效孔隙度为75％。
将本实施例制备的钛基多孔材料通过线切割制成25mm×15mm×10mm(长×宽×高)的长方体压缩试样并进行测试，结果显示该长方体压缩试样的压缩强度为12MPa，单位体积能量吸收为5.39J/cm3，单位质量能量吸收为3.99J/g。
本实施例中的钛屑还可替换为钛合金屑。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (3)

1.一种具有高能量吸收特性的低成本钛基多孔材料制备工艺，其特征在于，该工艺包括以下步骤：
步骤一、在室温下将聚集的钛基屑料沿厚度方向进行预压缩，得到钛基多孔生坯；所述钛基多孔生坯的孔隙度为60％～90％；
步骤二、将步骤一中得到的钛基多孔生坯进行高温真空烧结，使得钛基多孔生坯中的结点部位产生冶金结合，冷却后得到钛基多孔坯体；所述高温真空烧结的温度为1000℃～1200℃，真空度小于9×10-2Pa，保温时间为0.5h～2h；
步骤三、在室温下向步骤二中得到的钛基多孔坯体的孔隙中注入502胶水至充满各结点区域，室温晾干后得到钛基多孔材料；所述钛基多孔材料的单位质量能量吸收能力大于3J/g。
2.根据权利要求1所述的一种具有高能量吸收特性的低成本钛基多孔材料制备工艺，其特征在于，步骤一所述钛基屑料为钛屑或钛合金屑。
3.根据权利要求1所述的一种具有高能量吸收特性的低成本钛基多孔材料制备工艺，其特征在于，步骤三中所述钛基多孔材料的等效孔隙度较步骤一中钛基多孔生坯的孔隙度降低了5％～10％。
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