CN112355277B - 一种高熔点Kelvin结构点阵金属及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

一种高熔点Kelvin结构点阵金属及其制备方法与应用，属于点阵金属制备技术领域。本发明解决了目前点阵金属单元结构普遍存在各向异性导致应用工况受限以及低熔点的点阵金属导致应用范围较窄的问题。本发明基于Kelvin结构点阵单元进行铸造工艺的适应性设计，开发出兼具高温强度和脱除性的新型陶瓷预制体材料，采用间接3D打印结合精密铸造工艺制备高熔点的Kelvin结构点阵金属。所述的高熔点金属主要为钢铁材料和高温合金。本发明制备的高熔点Kelvin结构点阵金属拥有趋向各向同性的力学性能，且具有更高的强度、刚度和耐温性能，极大地拓展了点阵金属的应用空间。

Description

一种高熔点Kelvin结构点阵金属及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于点阵金属制备技术领域，具体的涉及一种高熔点Kelvin结构点阵金属及其制备方法。

背景技术

点阵金属作为多孔金属的一种，因具有周期有序的结构且与晶体点阵构型类似而得名。2001年，在多孔泡沫金属力学行为和变形模式研究的启发下，加州大学Evans教授、剑桥大学Ashby教授、麻省理工学院Gibson教授、哈佛大学Hutchinson教授等提出了轻质点阵结构的概念。点阵金属具有质量轻、比强度大、比刚度高的结构特点以及减振降噪、缓冲吸能等功能特性，因此受到国际学术界的广泛关注，被认为是最具前景的新一代轻量化材料之一。其中，以钢铁材料、高温合金为代表的高熔点金属为基体的点阵金属，在强度、耐温性能等方面展现出更加优异的综合性能，可以极大地拓宽点阵金属工程化应用的广度和深度。

在点阵金属的研究中，首先面临的问题是点阵金属单元结构的选择，人们提出过各式各样的代表性拓扑构型。其中，四面体、金字塔、Kagome等单元结构是应用最多的点阵单元结构，但是采用上述单元结构设计的点阵金属普遍具有各向异性的特点，应用工况受限，适用性明显不足。寻求一种更加趋向于各向同性的点阵结构单元是点阵金属重要的研究方向。开尔文结合柏拉图假说提出完美多孔结构的设想：多孔结构应该是由14个面组成的多面体三维结构，其中包含8个六面体和6个四面体，该结构具有高度的对称性，他提出的正十四面体结构被命名为Kelvin结构。相关理论计算和数值模拟结果表明，相比于其他结构，Kelvin结构具有优异的力学各向同性，是构筑点阵金属的理想单元结构。但由于Kelvin结构复杂的空间拓扑构型，使得以Kelvin结构为单元的点阵金属及其制备方法尚未见报道。

点阵金属的制备方法主要有熔模铸造法、冲压成型法、金属丝编织法等。其中，冲压成型法和金属丝编织法对基体材料的延展性有较高的要求，可选范围较窄，且制备的点阵金属孔型结构受限。熔模铸造法以高分子聚合物材料作为点阵材料的前驱体，通过涂覆耐火陶瓷浆料并在高温下烧结，使聚合物分解从而得到点阵材料陶瓷预制体，结合熔模铸造工艺将金属熔体浇注到铸型中，凝固后将陶瓷预制体脱除从而获得点阵金属。熔模铸造法制备点阵金属的胞元尺寸可以小到几个毫米，该方法的主要优点是孔结构的制造适应性好，可以实现复杂点阵结构的设计要求。同时，熔模铸造法可以获取高孔隙率的点阵金属，最大限度地满足轻量化的现实需求，熔模铸造法成为制备点阵金属的最佳工艺方法之一。但是，目前采用熔模铸造法制备点阵金属，主要是以低熔点的铝合金为主，而其采用的石膏等预制体材料并不适合高熔点金属的工艺要求。另一方面，Kelvin等复杂孔型结构在制备过程中金属基体与陶瓷材料网络互穿，若采用刚玉、氧化锆等传统型壳材料又难以脱除。可见，寻求一种具有高温强度且易于脱除的陶瓷预制体材料是制备高熔点Kelvin结构点阵金属的关键。

以上分析可以看出，传统点阵金属由于单元结构普遍具有各向异性的特点导致其应用工况受限，同时低熔点基体点阵金属的强度和耐温性能不足，且其制备所用预制体材料的高温强度和脱除性不能满足高熔点基体点阵金属制备的工艺要求，极大地限制了点阵金属的应用和推广。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种高熔点Kelvin结构点阵金属及其制备方法，本发明的目的之一是解决目前点阵金属所采用的单元结构普遍具有各向异性的特点导致应用工况受限，适应性不足的问题，提出了更加趋向于各向同性的Kelvin结构点阵金属设计理念。本发明的另一目的是解决目前以低熔点金属为基体的点阵材料强度和耐温性能不足导致点阵金属应用范围较窄的问题，通过研制适用于高熔点金属且易于脱除的陶瓷预制体材料，最终制备出高熔点的Kelvin结构点阵金属，拓宽点阵金属应用的广度和深度。

本发明的技术方案是基于Kelvin结构点阵金属进行铸造工艺的适应性设计，研制新型陶瓷预制体材料，并采用间接3D打印结合精密铸造工艺制备高熔点Kelvin结构点阵金属。

所述的基于Kelvin结构点阵金属进行铸造工艺的适应性设计，是将十四面体的Kelvin结构，设计成棱柱结构为主体的Kelvin结构点阵金属单元，采用三维造型软件进行参数化建模，通过调整孔棱长径比，确定适用铸造工艺的孔型结构设计参数范围，并实现高熔点Kelvin结构点阵金属孔隙率的有效调控。

本发明具体提供一种高熔点Kelvin结构点阵金属，该点阵金属为由基本单元拓展而成的三维立体Kelvin结构,所述三维立体Kelvin结构的材质为高熔点金属材料，所述基本单元为以棱柱101结构为主体的Kelvin结构点阵金属单元100，所述Kelvin结构点阵金属单元100的棱柱101为实体，所述Kelvin结构点阵金属单元100除棱柱101之外的其余部分均为虚体，相邻两个Kelvin结构点阵金属单元100之间均有一个棱柱101重合，所述高熔点Kelvin结构点阵金属的孔隙率范围为58％～92％。

所述高熔点金属材料包括钢铁材料和高温合金材料。

所述高熔点Kelvin结构点阵金属的棱柱直径范围为2～10mm，长径比范围为1.2～3.0，可调控的点阵结构的孔隙率范围为58％～92％。

所述高熔点Kelvin结构点阵金属的压缩应力-应变曲线具有塑性屈服平台，在空间的三个方向具有相同的力学性能；

所述高熔点Kelvin结构点阵金属应用于航空航天轻量化、耐高温部件，船舶、汽车减振降噪、缓冲吸能设备中。

本发明制备所述高熔点Kelvin结构点阵金属的方法，包含以下步骤：

步骤一、采用选区激光烧结工艺制备高熔点Kelvin结构点阵金属前驱体，所述选区激光烧结工艺中三维模型STL文件处理参数为表面粗糙度0.04～0.1mm，三角形面片缩减合并为0.03～0.06mm。选区激光烧结工艺参数为单层厚度0.2mm，扫描速度为4000mm/s，起始层烧结温度为110～120℃，一般层(除起始层外)烧结温度为90～100℃。选区激光烧结工艺的材料为聚苯乙烯。

步骤二、采用石英玻璃为基体制备高熔点Kelvin结构点阵金属的陶瓷预制体，统筹考虑陶瓷预制体材料的化学稳定性、热稳定性、润湿性和可脱除性，创造性地形成一种新型陶瓷预制体材料的配方体系和焙烧工艺。

所述陶瓷预制体的配方体系为：陶瓷骨架为石英玻璃，其质量分数为48～55％；助烧剂为刚玉砂和高岭土，其质量分数分别为12～16％和1～3％；稳定剂为硅微粉，其质量分数为0.5～1.5％；粘结剂为硅溶胶，其质量分数为29.2～31.9％；消泡剂为有机硅，其质量分数为0.12～0.16％；表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚，其质量分数为0.13～0.18％，然后对陶瓷预制体进行挂浆和烧结。

所述陶瓷预制体材料的成形工艺为：采用挂浆工艺制备陶瓷预制体生坯，每次挂浆后常温下干燥8～12h，挂浆层数为10～12层，直至陶瓷浆料包覆整个前驱体，然后组建浇注系统，采用传统精密铸造模壳材料上店土-上店砂进行外层挂壳工艺实施。

所述陶瓷预制体材料的烧结制度为：根据DSC曲线制定陶瓷预制体的烧结制度，烧结温度在小于500℃时升温速率为50℃/h，温度大于500℃时升温速率为250℃/h，最高烧结温度为1000～1050℃，在烧结温度为1000～1050℃下保温4h。DSC曲线是指采用差示扫描量热法获得的温度曲线。

步骤三、采用ProCAST工艺模拟软件对上述高熔点Kelvin结构点阵金属进行充型过程、凝固行为、铸造热应力、凝固微观组织的数值模拟，优化工艺参数；采用真空重力铸造工艺制备高熔点Kelvin结构点阵金属，铸造工艺参数为：陶瓷预制体预热温度为900～1000℃，浇注温度为合金液相线以上50～200℃，真空度小于200Pa。所述的高熔点金属包括钢铁材料、高温合金材料。

步骤四、高熔点Kelvin结构点阵金属陶瓷预制体材料的脱除，采用高压脱芯釜进行陶瓷预制体材料的脱除，化学腐蚀剂为氢氧化钾，其脱除工艺参数为：温度设定为280～400℃，内胆压力为0.15～0.35MPa，脱除时间为4h。

本发明的优点及有益效果是：

采用三维造型软件进行了参数化建模，设计了以棱柱结构为主体的Kelvin结构点阵金属单元，通过调整棱柱直径和长径比，实现了高熔点Kelvin结构点阵金属的铸造工艺性设计和孔隙率的有效调控。基于间接3D打印技术结合精密铸造工艺，制备了高熔点Kelvin结构点阵金属。研制的新型陶瓷预制体材料配方体系和焙烧工艺，保证了陶瓷预制体的高温强度和脱除性。高熔点Kelvin结构点阵金属拥有更加趋向于各向同性的力学性能，且具有更高的强度、刚度和耐温性能，极大地拓展了点阵金属的应用空间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1a为Kelvin结构点阵金属单元设计模型。

图1b为高熔点Kelvin结构点阵金属三维结构设计模型。

图2为高熔点Kelvin结构点阵金属制备工艺流程图。

图3为高熔点Kelvin结构点阵金属的陶瓷预制体材料的DSC曲线。

图4为高熔点Kelvin结构点阵金属的陶瓷预制体材料的烧结制度曲线。

图5为高熔点Kelvin结构点阵金属的陶瓷预制体图。

图6为高熔点Kelvin结构点阵金属样品图。

图7为304不锈钢为基体的Kelvin结构点阵金属空间三个方向的压缩应力-应变曲线。

其中，棱柱101、Kelvin结构点阵金属单元100。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的制备方法进行详细描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本实施例是设计与制备以孔隙率为58％的以304不锈钢为基体的Kelvin结构点阵金属；

如图1a所示，为Kelvin结构点阵金属单元设计模型，所述Kelvin结构点阵金属单元是采用三维造型软件进行铸造工艺适应性设计，设计出以棱柱101为主体的三维Kelvin结构点阵金属单元100，其棱柱101直径为2mm，棱柱101长度为2.4mm，棱柱长径比为1.2，Kelvin结构点阵金属三维设计模型，如图1b所示，所述高熔点Kelvin结构点阵金属设计模型的外轮廓尺寸为48×27×27mm，孔隙率为58％。

如图2所示，为高熔点Kelvin结构点阵金属制备工艺流程图，采用间接3D打印结合精密铸造工艺制备304不锈钢为基体的Kelvin结构点阵金属，包括以下步骤：

步骤201、采用选区激光烧结工艺制备高熔点Kelvin结构点阵金属前驱体，选区激光烧结工艺中三维模型STL文件处理参数为表面粗糙度0.05mm，同时对三角形面片采用0.04mm的缩减合并。选区激光烧结工艺参数为单层厚度0.2mm，扫描速度为4000mm/s，起始层烧结温度为120℃，一般层烧结温度为90℃。选区激光烧结工艺的材料为聚苯乙烯。

步骤202、采用石英玻璃为基体制备高熔点Kelvin结构点阵金属的陶瓷预制体，高熔点Kelvin结构点阵金属的陶瓷预制体的配方为：陶瓷骨架为石英玻璃，其质量分数为48％；助烧剂为刚玉砂和高岭土，其质量分数分别为16％和3％；稳定剂为硅微粉，其质量分数为0.8％；粘结剂为硅溶胶，其质量分数为31.9％；消泡剂为有机硅，其质量分数为0.12％；表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚，其质量分数为0.15％。

所述陶瓷预制体材料的成形工艺为：采用挂浆工艺制备陶瓷预制体生坯，每次挂浆后常温下干燥8h，挂浆层数为10层，直至陶瓷浆料包覆整个前驱体。组建浇注系统后，采用传统模壳材料上店土和上店砂进行外层挂壳工艺实施。

陶瓷预制体材料的烧结制度为：根据陶瓷预制体材料的DSC曲线制定陶瓷预制体的烧结制度，所述陶瓷预制体的DSC曲线如图3所示，陶瓷预制体在1000℃之前曲线平稳，基本无吸热放热发生，可以判定陶瓷预制体材料没有发生晶型转变。在1079±10℃，DSC曲线出现了一个放热峰，可判定是由于石英玻璃开始向α方石英发生转变，反玻璃化过程中放热，因此最高烧结温度不能超过1079±10℃。根据所述陶瓷预制体的DSC曲线制定陶瓷预制体的烧结制度如图4所示，烧结温度在小于500℃时升温速率为50℃/h，烧结温度大于500℃时升温速率为250℃/h，最高烧结温度为1000℃，保温4h，随炉冷却后最终获得如图5所示的高熔点Kelvin结构点阵金属的陶瓷预制体。

步骤203、采用ProCAST工艺模拟软件对上述304不锈钢为基体的Kelvin结构点阵金属铸造工艺进行充型过程、凝固行为、铸造热应力、凝固微观组织的数值模拟，指导铸造工艺实施过程。采用真空重力铸造工艺制备以304不锈钢为基体的Kelvin结构点阵金属，铸造工艺参数为：陶瓷预制体预热温度为950℃，合金浇注温度为1555℃，真空度小于200Pa。

步骤204、采用高压脱芯釜进行陶瓷预制体材料的脱除，化学腐蚀剂为氢氧化钾，其脱除工艺参数为：温度设定为280℃，内胆压力为0.15MPa，脱除时间为4h，最终获得如图6所示的高熔点Kelvin结构点阵金属。

实施例2

本实施例是设计与制备孔隙率为82％的以304不锈钢为基体的Kelvin结构点阵金属；

所述Kelvin结构点阵金属单元是采用三维造型软件进行铸造工艺适应性设计，设计出以棱柱101为主体的三维Kelvin结构点阵金属单元100，其棱柱101直径为3mm，棱柱101长度为6mm，棱柱长径比为2。所述高熔点Kelvin结构点阵金属三维设计模型的外轮廓尺寸为119×68×68mm，孔隙率为82％。

如图2所示，为高熔点Kelvin结构点阵金属制备工艺流程图，采用间接3D打印结合精密铸造工艺制备304不锈钢为基体的Kelvin结构点阵金属，包括以下步骤：

步骤201、采用选区激光烧结工艺制备高熔点Kelvin点阵金属前驱体，选区激光烧结工艺中的三维模型STL文件处理参数为表面粗糙度0.04mm，同时对三角形面片采用0.03mm的缩减合并。选区激光烧结工艺参数为单层厚度0.2mm，扫描速度为4000mm/s，起始层烧结温度为110℃，一般层烧结温度为100℃。选区激光烧结工艺的材料为聚苯乙烯。

步骤202、采用石英玻璃为基体制备高熔点Kelvin结构点阵金属的陶瓷预制体，高熔点Kelvin结构点阵金属的陶瓷预制体配方为：陶瓷骨架为石英玻璃，其质量分数为51％；助烧剂为刚玉砂和高岭土，其质量分数分别为14％和2％；稳定剂为硅微粉，其质量分数为1.5％；粘结剂为硅溶胶，其质量分数为31.2％；消泡剂为有机硅，其质量分数为0.15％；表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚，其质量分数为0.18％。

所述陶瓷预制体生坯的成形工艺为：采用挂浆工艺制备陶瓷预制体生坯，每次挂浆后常温下干燥9h，挂浆层数为10层，直至陶瓷浆料包覆整个前驱体，然后组建浇注系统，采用传统模壳材料上店土-上店砂进行外层挂壳工艺实施。

所述陶瓷预制体材料的焙烧工艺中烧结制度为：根据陶瓷预制体的DSC曲线制定陶瓷预制体的烧结制度，根据所述陶瓷预制体的DSC曲线制定陶瓷预制体的烧结制度，烧结温度在小于500℃时，升温速率为50℃/h，温度大于500℃时，升温速率为250℃/h，最高烧结温度为1030℃，保温4h，随炉冷却后获得高熔点Kelvin结构点阵金属的陶瓷预制体。

步骤203、采用ProCAST工艺模拟软件对上述304不锈钢为基体的Kelvin结构点阵金属铸造工艺进行充型过程、凝固行为、铸造热应力、凝固微观组织的数值模拟，指导铸造工艺实施过程。采用真空重力铸造工艺制备以304不锈钢为基体的Kelvin结构点阵金属，铸造工艺参数为：陶瓷预制体预热温度为1000℃，合金浇注温度为1555℃，真空度小于200Pa。

步骤204、采用高压脱芯釜进行陶瓷预制体材料的脱除，化学腐蚀剂为氢氧化钾，其脱除工艺参数为：温度设定为300℃，内胆压力为0.25MPa，脱除时间为4h，最终获得孔隙率为82％的304不锈钢Kelvin结构点阵金属。如图7所示为Kelvin结构点阵金属在空间三个方向的压缩应力-应变曲线，本实例所获得的304不锈钢为基体的Kelvin结构点阵金属具有明显的塑性屈服平台，平台应力为10MPa，在空间三个方向具有相同的力学性能。

实施例3

本实施例是设计与制备孔隙率为88％的以304不锈钢为基体的Kelvin结构点阵金属；

所述Kelvin结构点阵金属单元是采用三维造型软件进行铸造工艺适应性设计，设计出以棱柱101为主体的三维Kelvin结构点阵金属单元100，其棱柱101直径为10mm，棱柱101长度为30mm，棱柱长径比为3.0。所述高熔点Kelvin结构点阵金属三维设计模型的外轮廓尺寸为594×339×339mm，孔隙率为92％。

如图2所示，为高熔点Kelvin结构点阵金属制备工艺流程图，采用间接3D打印结合精密铸造工艺制备304不锈钢为基体的Kelvin结构点阵金属，包括以下步骤：

步骤201、采用选区激光烧结工艺制备高熔点Kelvin结构点阵金属前驱体，选区激光烧结工艺中的三维模型STL文件处理参数为表面粗糙度0.06mm，同时对三角形面片采用0.05mm的缩减合并。选区激光烧结工艺参数为单层厚度0.2mm，扫描速度为4000mm/s，起始层烧结温度为110℃，一般层烧结温度为95℃。选区激光烧结工艺的材料为聚苯乙烯。

步骤202、采用石英玻璃为基体制备高熔点Kelvin结构点阵金属的陶瓷预制体，高熔点Kelvin结构点阵金属的陶瓷预制体配方为：陶瓷骨架为石英玻璃，其质量分数为55％；助烧剂为刚玉砂和高岭土，其质量分数分别为12％和1％；稳定剂为硅微粉，其质量分数为0.5％；粘结剂为硅溶胶，其质量分数为31.2％；消泡剂为有机硅，其质量分数为0.16％；表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚，其质量分数为0.16％。

所述陶瓷预制体生坯的成形工艺为：采用挂浆工艺制备陶瓷预制体生坯，每次挂浆后常温下干燥12h，挂浆层数为12层，直至陶瓷浆料包覆整个前驱体，然后组建浇注系统，采用传统模壳材料上店土-上店砂进行外层挂壳工艺实施。

所述陶瓷预制体材料的烧结制度为：根据陶瓷预制体的DSC曲线制定陶瓷预制体的烧结制度，根据所述陶瓷预制体的DSC曲线制定陶瓷预制体的烧结制度，烧结温度在小于500℃时，升温速率为50℃/h，温度大于500℃时，升温速率为250℃/h，最高烧结温度为1050℃，保温4h，随炉冷却后获得高熔点Kelvin结构点阵金属的陶瓷预制体。

步骤203、采用ProCAST工艺模拟软件对上述304不锈钢为基体的Kelvin结构点阵金属铸造工艺进行充型过程、凝固行为、铸造热应力、凝固微观组织的数值模拟，指导铸造工艺实施过程。采用真空重力铸造工艺制备以304不锈钢为基体的Kelvin结构点阵金属，铸造工艺参数为：陶瓷预制体预热温度为900℃，合金浇注温度为1555℃，真空度小于200Pa。

步骤204、采用高压脱芯釜进行陶瓷预制体材料的脱除，化学腐蚀剂为氢氧化钾，其脱除工艺参数为：温度设定为400℃，内胆压力为0.35MPa，脱除时间为4h，最终获得孔隙率为88％的304不锈钢Kelvin结构点阵金属。

实施例4

本实施例是设计与制备以孔隙率为82％的K418高温合金为基体的Kelvin结构点阵金属；

采用三维造型软件进行以K418高温合金为基体的Kelvin结构点阵金属的铸造工艺适应性设计，设计出以棱柱101为主体的三维Kelvin结构点阵金属单元100，其棱柱101直径为5mm，棱柱101长度为10mm，棱柱长径比为2，孔隙率为82％，所述以K418高温合金为基体的Kelvin结构点阵金属外轮廓尺寸为198×113×113mm。

如图2所示，为高熔点Kelvin结构点阵金属制备工艺流程图，采用间接3D打印结合精密铸造工艺制备K418高温合金为基体的Kelvin结构点阵金属，包括以下步骤：

步骤201、采用选取激光烧结工艺制备高熔点Kelvin点阵金属前驱体，其特征在于，三维模型STL文件处理参数为表面粗糙度0.1mm，同时对三角形面片采用0.06mm的缩减合并。选区激光烧结工艺参数为单层厚度0.2mm，扫描速度为4000mm/s，起始层烧结温度为120℃，一般层烧结温度为90℃。选区激光烧结工艺的材料为聚苯乙烯。

步骤202、采用石英玻璃为基体制备高熔点Kelvin点阵金属的陶瓷预制体，陶瓷预制体的配方为：陶瓷骨架为石英玻璃，其质量分数为52.5％；助烧剂为刚玉砂和高岭土，其质量分数分别为15％和2％；稳定剂为硅微粉，其质量分数为1％；粘结剂为硅溶胶，其质量分数为29.2％；消泡剂为有机硅，其质量分数为0.13％；表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚，其质量分数为0.13％。

陶瓷预制体的成形工艺为：采用挂浆工艺制备陶瓷预制体生坯，每次挂浆后常温下干燥10h，挂浆层数为11层，直至陶瓷浆料包覆整个前驱体，然后组建浇注系统，采用传统模壳材料上店土-上店砂进行外层挂壳工艺实施。

所述陶瓷预制体材料的烧结制度为：根据陶瓷预制体的DSC曲线制定陶瓷预制体的烧结制度，根据所述陶瓷预制体的DSC曲线制定陶瓷预制体的烧结制度，烧结温度在小于500℃时，升温速率为50℃/h，温度大于500℃时升温速率为250℃/h，最高烧结温度为1030℃，保温4h，随炉冷却后获得高熔点Kelvin结构点阵金属的陶瓷预制体。

步骤203、采用ProCAST工艺模拟软件对上述K418高温合金为基体的Kelvin结构点阵金属铸造工艺进行充型过程、凝固行为、铸造热应力、凝固微观组织的数值模拟，指导具体铸造工艺实施。采用真空重力铸造工艺制备以K418高温合金为基体的Kelvin结构点阵金属，铸造工艺参数为：陶瓷预制体预热温度为930℃，浇注温度为1550℃，真空度小于200Pa。

步骤204、陶瓷预制体材料的脱除，采用高压脱芯釜进行陶瓷预制体材料的脱除，化学腐蚀剂为氢氧化钾，其脱除工艺参数为：温度设定为300℃，内胆压力为0.25MPa，脱除时间为4h。

Claims (10)

1.一种高熔点Kelvin结构点阵金属，其特征在于，该点阵金属为由基本单元拓展而成的三维立体Kelvin结构,所述三维立体Kelvin结构的材质为高熔点金属材料，所述基本单元为以棱柱(101)结构为主体的Kelvin结构点阵金属单元(100)，所述Kelvin结构点阵金属单元(100)的棱柱(101)为实体，所述Kelvin结构点阵金属单元(100)除棱柱(101)之外的其余部分均为虚体，相邻两个Kelvin结构点阵金属单元(100)之间均有一个棱柱(101)重合，所述高熔点Kelvin结构点阵金属的孔隙率范围为58％～92％；所述棱柱(101)的直径为2～10mm，棱柱长径比为1.2～3.0；

所述点阵金属压缩应力-应变曲线有塑性屈服平台，且在空间的三个方向具有相同的力学性能；

具体包括以下步骤：

步骤一、采用选区激光烧结工艺制备高熔点Kelvin点阵金属前驱体；

步骤二、采用石英玻璃为基体制备高熔点Kelvin结构点阵金属的陶瓷预制体，并对陶瓷预制体材料进行挂浆和焙烧；

所述高熔点Kelvin结构点阵金属的陶瓷预制体的配方为：陶瓷骨架为石英玻璃，其质量分数为48～55％；助烧剂为刚玉砂和高岭土，其质量分数分别为12～16％和1～3％；稳定剂为硅微粉，其质量分数为0.5～1.5％；粘结剂为硅溶胶，其质量分数为29.2～31.9％；消泡剂为有机硅，其质量分数为0.12～0.16％；表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚，其质量分数为0.13～0.18％；

步骤三、采用ProCAST工艺模拟软件对所述高熔点Kelvin结构点阵金属的铸造工艺进行充型过程、凝固行为、铸造热应力、凝固微观组织的数值模拟，指导铸造工艺实施过程，并采用真空重力铸造工艺制备高熔点Kelvin结构点阵金属；

步骤四、采用高压脱芯釜进行陶瓷预制体材料的脱除。

2.根据权利要求1所述的高熔点Kelvin结构点阵金属，其特征在于，所述高熔点金属材料包括钢铁材料和高温合金材料。

3.一种如权利要求1-2中任一权利要求所述高熔点Kelvin结构点阵金属的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤一、采用选区激光烧结工艺制备高熔点Kelvin点阵金属前驱体；

步骤二、采用石英玻璃为基体制备高熔点Kelvin结构点阵金属的陶瓷预制体，并对陶瓷预制体材料进行挂浆和焙烧；

步骤三、采用ProCAST工艺模拟软件对所述高熔点Kelvin结构点阵金属的铸造工艺进行充型过程、凝固行为、铸造热应力、凝固微观组织的数值模拟，指导铸造工艺实施过程，并采用真空重力铸造工艺制备高熔点Kelvin结构点阵金属；

步骤四、采用高压脱芯釜进行陶瓷预制体材料的脱除。

4.根据权利要求3所述高熔点Kelvin结构点阵金属的制备方法，其特征在于，所述步骤一中选区激光烧结工艺具体参数如下：制备三维模型STL文件处理参数为表面粗糙度0.04～0.1mm，三角形面片缩减合并参数为0.03～0.06mm，选区激光烧结工艺单层厚度为0.2mm，扫描速度为4000mm/s，起始层烧结温度为110～120℃，一般层烧结温度为90～100℃，选区激光烧结工艺的材料为聚苯乙烯。

5.根据权利要求3所述高熔点Kelvin结构点阵金属的制备方法，其特征在于，所述步骤二中高熔点Kelvin结构点阵金属的陶瓷预制体的配方为：陶瓷骨架为石英玻璃，其质量分数为48～55％；助烧剂为刚玉砂和高岭土，其质量分数分别为12～16％和1～3％；稳定剂为硅微粉，其质量分数为0.5～1.5％；粘结剂为硅溶胶，其质量分数为29.2～31.9％；消泡剂为有机硅，其质量分数为0.12～0.16％；表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚，其质量分数为0.13～0.18％。

6.根据权利要求3所述高熔点Kelvin结构点阵金属的制备方法，其特征在于，所述步骤二中挂浆为采用挂浆工艺制备陶瓷预制体生坯，每次挂浆后常温下干燥8～12h，挂浆层数为10～12层，直至陶瓷浆料包覆整个前驱体。

7.根据权利要求3所述高熔点Kelvin结构点阵金属的制备方法，其特征在于，所述步骤二中焙烧为根据DSC曲线制定陶瓷预制体的烧结制度，烧结温度小于500℃时升温速率为50℃/h，烧结温度大于500℃时升温速率为250℃/h，最高烧结温度为1000～1050℃，在烧结温度为1000～1050℃下保温4h。

8.根据权利要求3所述高熔点Kelvin结构点阵金属的制备方法，其特征在于，所述步骤三中真空重力铸造的工艺参数为：陶瓷预制体预热温度为900～1000℃，浇注温度为合金液相线以上50～200℃，真空度小于200Pa。

9.根据权利要求3所述高熔点Kelvin结构点阵金属的制备方法，其特征在于，所述步骤四脱除过程中化学腐蚀剂为氢氧化钾，其脱除工艺参数为：温度设定为280～400℃，内胆压力为0.15～0.35MPa，脱除时间为4h。

10.一种如权利要求1-2任一所述的高熔点Kelvin结构点阵金属的应用，其特征在于，高熔点Kelvin结构点阵金属应用于航空航天轻量化、耐高温部件，船舶、汽车减振降噪、缓冲吸能设备中。

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