CN112553494B - 一种冷冻装置及其制备高强韧层状多孔钛合金材料的方法 - Google Patents

一种冷冻装置及其制备高强韧层状多孔钛合金材料的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112553494B
CN112553494B CN202011267741.8A CN202011267741A CN112553494B CN 112553494 B CN112553494 B CN 112553494B CN 202011267741 A CN202011267741 A CN 202011267741A CN 112553494 B CN112553494 B CN 112553494B
Authority
CN
China
Prior art keywords
cooling
metal
semiconductor refrigerating
temperature
die
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202011267741.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112553494A (zh
Inventor
姚正军
杜文博
张莎莎
束长青
章旗超
张帆
李祥硕
姚孟欣
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Original Assignee
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University of Aeronautics and Astronautics filed Critical Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority to CN202011267741.8A priority Critical patent/CN112553494B/zh
Publication of CN112553494A publication Critical patent/CN112553494A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112553494B publication Critical patent/CN112553494B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/08—Alloys with open or closed pores
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/10—Sintering only
    • B22F3/11—Making porous workpieces or articles
    • B22F3/1121—Making porous workpieces or articles by using decomposable, meltable or sublimatable fillers
    • B22F3/1125—Making porous workpieces or articles by using decomposable, meltable or sublimatable fillers involving a foaming process
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F5/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
    • B22F9/16—Making metallic powder or suspensions thereof using chemical processes
    • B22F9/18—Making metallic powder or suspensions thereof using chemical processes with reduction of metal compounds
    • B22F9/20—Making metallic powder or suspensions thereof using chemical processes with reduction of metal compounds starting from solid metal compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/08—Alloys with open or closed pores
    • C22C1/083—Foaming process in molten metal other than by powder metallurgy
    • C22C1/086—Gas foaming process
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C14/00—Alloys based on titanium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B21/00—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B21/02—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effect; using Nernst-Ettinghausen effect
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2321/00—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B2321/02—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effects; using Nernst-Ettinghausen effects
    • F25B2321/021—Control thereof
    • F25B2321/0212—Control thereof of electric power, current or voltage

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

本发明公开了一种冷冻装置及其制备高强韧层状多孔钛合金材料的方法，冷冻装置包括模具、金属薄片、半导体制冷片组、热敏半导体、温控器、电源、金属空心板、冷却管路、冷却液存储单元及冷却和动力单元；模具置于金属薄片上，金属薄片固定在半导体制冷片组上；半导体制冷片组与电源连接；热敏半导体固定在模具底部，温控器与热敏半导体连接，监测模具底部的温度；温控器还与电源连接，通过调节电源的输出控制半导体制冷片组；半导体制冷片组固定在金属空心板上；冷却液存储单元通过冷却管路与金属空心板连通；冷却和动力单元对冷却液进行降温和输送。本发明具有材料结构可调控、制备简单成本低等优点。

Description

一种冷冻装置及其制备高强韧层状多孔钛合金材料的方法
技术领域
本发明属于材料领域，涉及一种层状多孔钛合金材料的制备方法，尤其涉及一种冷冻装置及其制备高强韧层状多孔钛合金材料的方法。
背景技术
金属多孔材料是一种含有内部孔和骨架特征结合的结构功能一体化材料。它具有金属材料强度高、韧性高，导热性好，耐高温、抗腐蚀，可焊接、易加工等优良特性，同时，其内部孔隙结构特征又给予了其特殊特性，如渗透能力，吸附能力，缓冲能力等。广泛的应用于生物医药、催化电池、吸声降噪、过滤等行业。伴随着社会与科技的发展，金属多孔材料向着高性能、多功能化方面发展，体现在材料上则是对于材料的要求更加苛刻，需求更高的耐温性、更强的韧性和更优异的耐蚀性。
因此对于研发具有高性能、长耐久、耐高温的新型多孔材料迫在眉睫。如过滤材料、热传导材料、吸声降噪材料等多孔材料，在骨架和孔隙处往往存在能量的交换和传递，或者动量的转化，力学性能与孔隙的形貌密切相关。而研究表明，作为仿生结构的层状贝壳结构具有高强韧的性能。
但是由于粉末制备多孔材料的工艺限制，其中泡沫金属材料，蜂窝金属材料居多，且内部孔隙极难控制。
此外，金属粉末在传统的烧结过程中，对于气氛的要求非常高，尤其是对于氧原子非常敏感，因此对于烧结的要求非常高。并且粉粒周边会固有的吸附一层氧原子，无法去除。对于烧结后的产品的塑韧性造成非常严重的下降。
发明内容
本发明公开了冷冻装置及其制备高强韧层状多孔钛合金材料的方法，主要是针对在目前多孔材料制备技术中，多孔钛合金往往为泡沫状或蜂窝状，层状多孔难制备的限制，并改善多孔钛合金的韧性。通过本申请的冷冻装置实现一种新的冷冻浇铸技术，将TiH2、B4C浆料通过冷冻装置的冷冻，随后将冷冻成固体的浆料在冷冻情况下抽真空，水升华变为孔隙，制备出具有孔隙率范围宽(30％-80％)，孔径选择性大(20μm-1000μm),层状分布可控(各向异性、各向同性)等多孔层状原始胚体。最后烧结获得层状多孔钛合金构件，以满足不同应用对于多孔材料的需求。
为实现上述目的，本发明提供一种冷冻装置，具有这样的特征：包括模具、金属薄片、半导体制冷片组、热敏半导体、温控器、电源、金属空心板、冷却管路、冷却液存储单元及冷却和动力单元；模具为具有一圈闭合侧壁的框体，无底面上下贯穿，可以为圆环形等任意形状；模具置于金属薄片上，金属薄片固定在半导体制冷片组上；半导体制冷片组与电源连接，电源为半导体制冷片组供电，半导体制冷片组通电制冷；热敏半导体固定在模具底部，温控器与热敏半导体连接，监测模具底部的温度；温控器还与电源连接，通过调节电源的输出控制半导体制冷片组的制冷温度和冷却速率；半导体制冷片组固定在金属空心板上；冷却液存储单元存储有冷却液，冷却液存储单元通过冷却管路与金属空心板连通，形成冷却回路，为金属空心板提供循环的冷却液；冷却和动力单元包括冷却装置和动力装置，设置在冷却管路上，对冷却液进行降温和输送。
其中，所述模具为聚四氟乙烯等隔热材料或铜等导热材料。采用隔热材料的模具时，产物为单向的层片结构；采用导热材料的模具时，产物为多向的层片结构。金属薄片和金属空心板的材料优选为铜。
进一步，本发明提供一种冷冻装置，还可以具有这样的特征：还包括若干深度热敏半导体，固定在模具内的不同深度处，均与所述温控器连接，监测模具内不同深度的温度。
进一步，本发明提供一种冷冻装置，还可以具有这样的特征：其中，所述金属薄片上表面为水平或与模具底部相互匹配的楔形平面。楔形平面可以实现同一水平面内的浆料冷却温度不同。此外，还可以根据需求在模具放置位置以内区域的水平金属薄片上黏贴隔热薄膜，也会实现同一水平面内的浆料冷却温度不同。
本发明还提供一种制备高强韧层状多孔钛合金材料的方法，具有这样的特征：包括以下步骤：步骤一、将粘结增稠剂、粉体及去离子水制成混合浆料；其中，粘结增稠剂包括三仙胶和聚乙烯醇，粉体包括TiH2、B4C、低熔点液态传递介质；步骤二、将步骤一获得的混合浆料倒入上述冷冻装置的隔热材料的模具中，进行单向凝固冷冻；步骤三、将步骤二冻结为固体的浆料在冷冻环境下抽真空，去离子水升华形成孔隙，获得原始胚体；步骤四、将原始胚体烧结获得层状多孔钛合金材料。
进一步，本发明提供一种制备高强韧层状多孔钛合金材料的方法，还可以具有这样的特征：所述低熔点液态传递介质为低熔点金属(例如Al、Ni)或低熔点玻璃助剂(例如Al2O3-SiO2)。其中，低熔点是指其与其他粉末发生合金化生成低熔点的混合浆料，降低烧结温度。
进一步，本发明提供一种制备高强韧层状多孔钛合金材料的方法，还可以具有这样的特征：其中，所述三仙胶占去离子水体积含量的0.1％-0.4％；所述粉体占整体混合浆料体积含量的10％-30％，粉体的粒径在1μm-100μm；B4C与TiH2的质量比不超过1.5％，低熔点液态传递介质与TiH2的质量比不超过6％；所述聚乙烯醇的质量含量为粉体质量含量的1％。
进一步，本发明提供一种制备高强韧层状多孔钛合金材料的方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤一的具体过程为：配置三仙胶溶液，将TiH2、B4C、低熔点液态传递介质、聚乙烯醇加入三仙胶溶液中，采用磁力搅拌或球磨进行均匀混合5～8h，然后去气泡。
进一步，本发明提供一种制备高强韧层状多孔钛合金材料的方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤二的冷却温度为0～-50℃，冷却速率小于混合浆料的临界冷却速率。其中，混合浆料的临界冷却速率可由现有技术的公式得出。
进一步，本发明提供一种制备高强韧层状多孔钛合金材料的方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤三中，将冻结的固体的浆料转移至冷冻干燥预冻室中进行冷冻5h以上，随后进行冷冻干燥24h以上，直至完全干燥。
进一步，本发明提供一种制备高强韧层状多孔钛合金材料的方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤四中，原始胚体进行真空炉1300℃烧结，真空度为10-3Pa以下，或者氩气保护1400℃烧结，烧结时间均为2h。
本发明的有益效果在于：本发明提供一种冷冻装置及其制备高强韧层状多孔钛合金材料的方法，采用该装置和方法制备的钛基合金或化合物多孔材料，可通过调控工艺参数和配方，实现不同孔隙率和不同层状结构的控制。具体的，本申请的冷冻装置具有冷却温度可控和冷却速率可控的优点，通过装置对于冷却速率和温度的可控性，实现不同孔隙率和片层间距以及壁厚的多孔材料的制备。进而制备出具有仿贝壳层状结构，孔隙率范围宽(30％-80％)，孔径选择性大(20μm-1000μm),层状分布可控(各向异性、各向同性)等优点的多孔材料。
其中，冷冻浇铸(冰模板)技术利用水凝固后的冰晶作为造孔剂，具有无污染、低成本的优点，同时由于冰的凝固方式和特有转置的保证，使得成型后的孔径可以为层状结构，并且可以通过调控装置，进而控制孔隙率、孔径等结构，从而使得孔的制备具有高度的可控性，进而能够应对不同应用背景下多孔材料的开发。同时，水凝固为冰的过程直接影响材料中的孔结构，进而影响多孔材料的性能和用途，本申请采用定向凝固(即单向凝固，装置环境为大气，因此顶部温度为室温，从而实现单向温度梯度冷冻)，使得层状多孔延同一方向，以符合如人造骨骼，过滤等行业的需求。从而更够更好满足产品的需求。
其次，采用水系浆料制备，无污染，设备需求低，可实现低沉本制备。
具体的，本申请采用TiH2为钛源，在大于1000℃时，活性H原子可以自发还原并保护金属粉末，从而降低了对于烧结设备的需求度和提高产品的纯净度。而且配合渗硼、碳钛合金配方，TiB，TiC原位析出在多孔骨架中，进一步提高了多孔材料的力学性能。同时，本申请采用三仙胶，其除了具有粘结作用，还具有优异的增稠功能，降低沉降速率。本申请浆料还包括Al等低熔点液态传递介质，可实现降低钛的烧结温度。
最终，产物材料具有钛合金本身的耐蚀、高比强等优势，还兼具高强高韧于一体的结构功能一体化材料。从而匹配在过滤、催化、生物医用等领域的应用。
附图说明
图1是冷冻装置的结构示意图；
图2是各实施例层状多孔钛合金材料的光学显微镜截面层片状结构放大图；
图3是实施例3层状多孔钛合金材料及其他对比例的抗压强度曲线图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种冷冻装置，包括模具1、金属薄片2、半导体制冷片组3、热敏半导体4、温控器5、电源6、金属空心板7、冷却管路8、冷却液存储单元9及冷却和动力单元10。
模具1为具有一圈闭合侧壁的框体，无底面上下贯穿，可以为圆环形等任意形状。
模具1置于金属薄片2上，金属薄片2固定在半导体制冷片组3上。其中，模具1可通过密封脂粘贴在金属薄片2上，从而避免浆料泄漏，脱模时将模具1与金属薄片2分离即可。
半导体制冷片组3与电源6连接，电源6为半导体制冷片组3供电，半导体制冷片组3通电制冷。热敏半导体4固定在模具1底部，温控器5与热敏半导体4连接，监测模具1底部的温度。温控器5还与电源6连接，通过调节电源6的输出控制半导体制冷片组3的制冷温度和冷却速率。
半导体制冷片组3固定在金属空心板7上。冷却液存储单元9存储有冷却液，冷却液存储单元9通过冷却管路8与金属空心板7连通，形成冷却回路，为金属空心板7提供循环的冷却液。冷却和动力单元10包括冷却装置和动力装置，设置在冷却管路8上，对冷却液进行降温和输送。
其中，模具1为聚四氟乙烯等隔热材料或铜等导热材料。采用隔热材料的模具1时，产物为单向的层片结构；采用导热材料的模具1时，产物为多向的层片结构。
金属薄片2和金属空心板7的材料优选为铜。
工作时，半导体制冷片组3通过导热性能良好的金属薄片2对模具1内的浆料进行制冷降温，温控器5根据热敏半导体4监测的温度控制电源6，从而调节制冷温度和冷却速率。同时，冷却管路8、冷却液存储单元9及冷却和动力单元10为半导体制冷片组3进行散热。
在一优选的实施例中，冷冻装置还包括若干深度热敏半导体，固定在模具内的不同深度处，均与温控器连接，监测模具内不同深度的温度。
金属薄片2上表面为水平或与模具1底部相互匹配的楔形平面。楔形平面可以实现同一水平面内的浆料冷却温度不同。此外，还可以根据需求在模具放置位置以内区域的水平金属薄片上黏贴隔热薄膜，也会实现同一水平面内的浆料冷却温度不同。
实施例2
本实施例提供一种制备高强韧层状多孔钛合金材料的方法，包括以下步骤：
步骤一、将粘结增稠剂、粉体及去离子水制成混合浆料。其中，粘结增稠剂包括三仙胶和聚乙烯醇，粉体包括TiH2、B4C、低熔点液态传递介质。低熔点液态传递介质为低熔点金属(例如Al、Ni)或低熔点玻璃助剂(例如Al2O3-SiO2)。低熔点是指其与其他粉末发生合金化生成低熔点的混合浆料，降低烧结温度。
具体的，配置三仙胶占去离子水含量0.4％(体积分数vol％)的三仙胶溶液。将TiH2、B4C、Al混合均匀后加入三仙胶溶液中，其中，TiH2、B4C和Al的质量比为100∶1.5∶6，粒径均为50μm，粉体体积占混合浆料体积的10％。同时加入质量为粉体总质量1％的聚乙烯醇，采用球磨进行均匀混合，球为氧化锆球，球磨8小时。去气泡。
本实施例中Al也可以为Al2O3-SiO2。
步骤二、将步骤一获得的混合浆料倒入实施例1冷冻装置的隔热材料的模具中，进行单向凝固冷冻。具体的，将PTFE模具置于铜薄板之上，缓慢倒入浆料，调整冷却速率为1℃/min，冷却温度为-30℃，冷冻至表面完全冻实。
步骤三、将步骤二冻结为固体的浆料在冷冻环境下抽真空，去离子水升华形成孔隙，获得原始胚体。具体的，将冻完的固体浆料放入预冻室继续冷冻5h后，进行冷冻干燥，冷冻干燥24小时后取出。
步骤四、将原始胚体烧结获得层状多孔钛合金材料。具体的，将原始胚体送入真空烧结炉中进行烧结，烧结温度1300℃，真空度为10-3，烧结时间为2h。
对产物进行形貌表征，其光学显微镜截面层片状结构放大图如图2中c和h所示。其中，c图放大倍数10倍，可看到大孔隙率试样的相对宏观照片；h图放大倍数100，可看出多孔材料的孔隙率。
实施例3
本实施例提供一种制备高强韧层状多孔钛合金材料的方法，包括以下步骤：
步骤一、具体的，配置三仙胶占去离子水含量0.1％(体积分数vol％)的三仙胶溶液。将TiH2、B4C、Al混合均匀后加入三仙胶溶液中，其中，TiH2、B4C和Al的质量比为100∶1.5∶6，粒径均为1μm，粉体体积占混合浆料体积的30％。同时加入质量为粉体总质量1％的聚乙烯醇，采用球磨进行均匀混合，球为氧化锆球，球磨8小时。去气泡。
步骤二、具体的，将实施例1冷冻装置的PTFE模具置于铜薄板之上，缓慢倒入浆料，调整冷却速率为10℃/min，冷却温度为-30℃，冷冻至表面完全冻实。
步骤三、将冻完的固体浆料放入预冻室继续冷冻5h后，进行冷冻干燥，冷冻干燥24小时后取出。
步骤四、将原始胚体送入真空烧结炉中进行烧结，烧结温度1300℃，真空度为10-3，烧结时间为2h。
对产物进行形貌表征，其光学显微镜截面层片状结构放大图如图2中b和e所示。其中，b图放大倍数10倍，可看到小层片产物的层片间距；e图放大倍数100，可看出烧结后小层片间距和壁厚试样。
对本实施例获得的层状多孔材料、与本实施例相同工艺但未添加B4C获得的材料、及不同于本申请工艺发泡成型的材料分别进行抗压强度表征，结果如图3所示。由图可知，本申请方法制备出的材料抗压强度高达250MPa，而采用不同工艺发泡成型，利用发泡剂和粉末压制成型后烧结的试样在相同孔隙率下抗压强度为50MPa，本申请是利用其它工艺的同类产品的抗压50MPa的5倍，且其韧性远远大于采用不同工艺发泡成型的产品。同时本申请加入了B4C原位生成增强体，其强度高于利用同工艺不同配方(未添加B4C)制备的多孔钛及钛合金，但韧性并未明显下降。
实施例4
本实施例提供一种制备高强韧层状多孔钛合金材料的方法，包括以下步骤：
步骤一、具体的，配置三仙胶占去离子水含量0.1％(体积分数vol％)的三仙胶溶液。将TiH2、B4C、Al混合均匀后加入三仙胶溶液中，其中，TiH2、B4C和Al的质量比为100∶1.5∶6，粒径均为100μm，粉体体积占混合浆料体积的30％。同时加入质量为粉体总质量1％的聚乙烯醇，采用球磨进行均匀混合，球为氧化锆球，球磨8小时。去气泡。
步骤二、具体的，将实施例1冷冻装置的铜模具置于铜薄板之上，缓慢倒入浆料，调整冷却速率为1℃/min，冷却温度为-30℃，冷冻至表面完全冻实。
步骤三、将冻完的固体浆料放入预冻室继续冷冻5h后，进行冷冻干燥，冷冻干燥24小时后取出。
步骤四、将原始胚体送入真空烧结炉中进行烧结，烧结温度1300℃，真空度为10-3，烧结时间为2h。
对产物进行形貌表征，其光学显微镜截面层片状结构放大图如图2中f所示。f图放大倍数100倍，可看到大层片产物的大层片间距和壁厚试样。
实施例5
本实施例提供一种制备高强韧层状多孔钛合金材料的方法，包括以下步骤：
步骤一、具体的，配置三仙胶占去离子水含量0.1％(体积分数vol％)的三仙胶溶液。将TiH2、B4C、Al混合均匀后加入三仙胶溶液中，其中，TiH2、B4C和Al的质量比为100∶1.5∶6，粒径均为1μm，粉体体积占混合浆料体积的30％。同时加入质量为粉体总质量1％的聚乙烯醇，采用球磨进行均匀混合，球为氧化锆球，球磨8小时。去气泡。
步骤二、具体的，将实施例1冷冻装置的铜模具置于铜薄板之上，缓慢倒入浆料，调整冷却速率为10℃/min，冷却温度为-50℃，冷冻至表面完全冻实。
步骤三、将冻完的固体浆料放入预冻室继续冷冻5h后，进行冷冻干燥，冷冻干燥24小时后取出。
步骤四、将原始胚体送入真空烧结炉中进行烧结，烧结温度1300℃，真空度为10-3，烧结时间为2h。
对产物进行形貌表征，其光学显微镜截面层片状结构放大图如图2中i所示，可看出各向同性的多孔材料的200倍放大图片。
实施例6
本实施例提供一种制备高强韧层状多孔钛合金材料的方法，包括以下步骤：
步骤一、具体的，配置三仙胶占去离子水含量0.1％(体积分数vol％)的三仙胶溶液。将TiH2、B4C、Al混合均匀后加入三仙胶溶液中，其中，TiH2、B4C和Al的质量比为100∶1.5∶6，粒径均为20μm，粉体体积占混合浆料体积的25％。同时加入质量为粉体总质量1％的聚乙烯醇，采用球磨进行均匀混合，球为氧化锆球，球磨8小时。去气泡。
步骤二、具体的，将实施例1冷冻装置的铜模具置于铜薄板之上，缓慢倒入浆料，调整冷却速率为10℃/min，冷却温度为-30℃，冷冻至表面完全冻实。
步骤三、将冻完的固体浆料放入预冻室继续冷冻5h后，进行冷冻干燥，冷冻干燥24小时后取出。
步骤四、将原始胚体送入真空烧结炉中进行烧结，烧结温度1300℃，真空度为10-3，烧结时间为2h。
对产物进行形貌表征，其光学显微镜截面层片状结构放大图如图2中a和g所示。a图放大倍数10倍，可看到大层片产物的大层片间距；g图图放大倍数100，可看出多孔材料的孔隙率。
实施例7
本实施例提供一种制备高强韧层状多孔钛合金材料的方法，包括以下步骤：
步骤一、具体的，配置三仙胶占去离子水含量0.2％(体积分数vol％)的三仙胶溶液。将TiH2、B4C、Ni混合均匀后加入三仙胶溶液中，其中，TiH2、B4C和Ni的质量比为100∶1∶5，粒径均为20μm，粉体体积占混合浆料体积的15％。同时加入质量为粉体总质量1％的聚乙烯醇，采用机械搅拌进行均匀混合5小时。去气泡。
步骤二、具体的，将实施例1冷冻装置的铜模具置于铜薄板之上，缓慢倒入浆料，调整冷却速率为1℃/min，冷却温度为0℃，冷冻至表面完全冻实。
步骤三、将冻完的固体浆料放入预冻室继续冷冻8h后，进行冷冻干燥，冷冻干燥48小时后取出。
步骤四、将原始胚体氩气保护1400℃烧结，烧结时间为2h。

Claims (9)

1.一种冷冻装置，其特征在于：
包括模具、金属薄片、半导体制冷片组、热敏半导体、温控器、电源、金属空心板、冷却管路、冷却液存储单元及冷却和动力单元；
模具为具有一圈闭合侧壁的框体；
模具置于金属薄片上，金属薄片固定在半导体制冷片组上；
半导体制冷片组与电源连接，电源为半导体制冷片组供电，半导体制冷片组通电制冷；
热敏半导体固定在模具底部，温控器与热敏半导体连接，监测模具底部的温度；
温控器还与电源连接，通过调节电源的输出控制半导体制冷片组的制冷温度和冷却速率；
半导体制冷片组固定在金属空心板上；
冷却液存储单元存储有冷却液，冷却液存储单元通过冷却管路与金属空心板连通，形成冷却回路，为金属空心板提供循环的冷却液；
冷却和动力单元包括冷却装置和动力装置，设置在冷却管路上，对冷却液进行降温和输送；
其中，所述模具为隔热材料或导热材料；
冷冻装置制备高强韧层状多孔钛合金材料的方法包括以下步骤：
步骤一、将粘结增稠剂、粉体及去离子水制成混合浆料；
其中，粘结增稠剂包括三仙胶和聚乙烯醇，粉体包括TiH2、B4C、低熔点液态传递介质；
步骤二、将步骤一获得的混合浆料倒入所述冷冻装置的隔热材料的模具中，进行单向凝固冷冻；
步骤三、将步骤二冻结为固体的浆料在冷冻环境下抽真空，获得原始胚体；
步骤四、将原始胚体烧结获得层状多孔钛合金材料。
2.根据权利要求1所述的冷冻装置，其特征在于：
还包括若干深度热敏半导体，固定在模具内的不同深度处，均与所述温控器连接，监测模具内不同深度的温度。
3.根据权利要求1所述的冷冻装置，其特征在于：
其中，所述金属薄片上表面为水平或与模具底部相互匹配的楔形平面。
4.根据权利要求1所述的冷冻装置，其特征在于：
其中，所述低熔点液态传递介质为低熔点金属、或低熔点玻璃助剂。
5.根据权利要求1所述的冷冻装置，其特征在于：
其中，所述三仙胶占去离子水体积含量的0.1%-0.4%；
所述粉体占整体混合浆料体积含量的10%-30%，粉体的粒径在1μm-100μm；
B4C与TiH2的质量比不超过1.5%，低熔点液态传递介质与TiH2的质量比不超过6%；
所述聚乙烯醇的质量含量为粉体质量含量的1%。
6.根据权利要求1所述的冷冻装置，其特征在于：
其中，步骤一的具体过程为：配置三仙胶溶液，将TiH2、B4C、低熔点液态传递介质、聚乙烯醇加入三仙胶溶液中，采用磁力搅拌或球磨进行均匀混合5～8h，然后去气泡。
7.根据权利要求1所述的冷冻装置，其特征在于：
其中，步骤二的冷却温度为0～-50℃，冷却速率小于混合浆料的临界冷却速率。
8.根据权利要求1所述的冷冻装置，其特征在于：
其中，步骤三中，将冻结的固体的浆料转移至冷冻干燥预冻室中进行冷冻5h以上，随后进行冷冻干燥24h以上，直至完全干燥。
9.根据权利要求1所述的冷冻装置，其特征在于：
其中，步骤四中，原始胚体进行真空炉1300℃烧结，真空度为10-3Pa以下，或者氩气保护1400℃烧结，烧结时间均为2h。
CN202011267741.8A 2020-11-13 2020-11-13 一种冷冻装置及其制备高强韧层状多孔钛合金材料的方法 Active CN112553494B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011267741.8A CN112553494B (zh) 2020-11-13 2020-11-13 一种冷冻装置及其制备高强韧层状多孔钛合金材料的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011267741.8A CN112553494B (zh) 2020-11-13 2020-11-13 一种冷冻装置及其制备高强韧层状多孔钛合金材料的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112553494A CN112553494A (zh) 2021-03-26
CN112553494B true CN112553494B (zh) 2022-03-01

Family

ID=75042059

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011267741.8A Active CN112553494B (zh) 2020-11-13 2020-11-13 一种冷冻装置及其制备高强韧层状多孔钛合金材料的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112553494B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114106399B (zh) * 2021-11-30 2022-12-16 江南大学 一种制备含孔道结构胶原蛋白取向支架的方法及装置
CN114316573B (zh) * 2022-01-07 2023-02-03 南京航空航天大学 一种基于浆料的定向有序三维联通网络导电导热结构的制备方法
CN114918406B (zh) * 2022-04-25 2024-04-26 哈尔滨工业大学 一种制备多孔材料的新型冷冻铸造装置及铸造方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101070341B1 (ko) * 2008-10-08 2011-10-06 서울대학교산학협력단 생체용 다공성 티타늄 골지지체와 그 제조방법
KR20160077958A (ko) * 2014-12-24 2016-07-04 주식회사 덴티움 생체용 다공성 티타늄의 제조방법 및 이에 의해 제조된 다공성 티타늄
CN105541369A (zh) * 2015-12-14 2016-05-04 西北工业大学 一种基于冰模板法制备多孔陶瓷的定向凝固装置及方法
CN106222467B (zh) * 2016-07-19 2018-02-13 中南大学 一种具有高取向度层状定向连通孔隙的钛材及其制备方法
CN109940162B (zh) * 2019-04-30 2020-05-22 西安理工大学 一种碳化钛原位增强钛及钛合金支架的制备方法
CN111848170A (zh) * 2020-07-31 2020-10-30 合肥工业大学 一种碳化硼基复合陶瓷材料及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN112553494A (zh) 2021-03-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112553494B (zh) 一种冷冻装置及其制备高强韧层状多孔钛合金材料的方法
Sofie Fabrication of functionally graded and aligned porosity in thin ceramic substrates with the novel freeze–tape‐casting process
Liu et al. A review of fabrication strategies and applications of porous ceramics prepared by freeze-casting method
Deville Freeze‐casting of porous ceramics: a review of current achievements and issues
CN105624455B (zh) 一种多孔高熵合金及其制备方法
Koh et al. Freezing dilute ceramic/camphene slurry for ultra‐high porosity ceramics with completely interconnected pore networks
WO2017036082A1 (zh) 高导热聚合物复合材料及其制备方法和应用
Jo et al. Morphological study of directionally freeze-cast nickel foams
Yang et al. Pore structure and gas permeability of high Nb-containing TiAl porous alloys by elemental powder metallurgy for microfiltration application
CN105903969A (zh) 一种具有定向层状孔隙的多孔铜材及其制备方法
CN108484213B (zh) 一种陶瓷金属多孔复合材料及其制备方法
CN109482882B (zh) 具有微观定向孔结构的泡沫金属及其制备方法
CN105755307A (zh) 一种蜂窝状结构增强复合材料及制备方法
CN110732672B (zh) 一种梯度金属基多孔材料及其制备方法和应用
Nakajima Porous metals with directional pores
CN106222467A (zh) 一种具有高取向度层状定向连通孔隙的钛材及其制备方法
White et al. Investigations of ice‐structuring agents in ice‐templated ceramics
CN103627920A (zh) 一种多孔镍的制备方法
Fukushima Microstructural control of macroporous silicon carbide
Zhang et al. Control of pore structures and sizes in freeze cast ceramics
Ru et al. Microstructure, capillary performance and gas permeability of biporous copper fabricated by tape casting
CN104117675B (zh) 一种多孔铝或铝合金基复合材料的制备方法
Sun et al. Fabrication and characterization of robust freeze-cast alumina scaffolds with dense ceramic walls and controllable pore sizes
CN111479791B (zh) 制备氮化铝泡沫的方法
CN106571473A (zh) 一种多级孔结构的Cu/Cu2O/CuO三维复合材料制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant