CN112872354B - 一种梯度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多孔金属材料及其制备方法，涉及金属材料加工领域，梯度多孔金属材料的孔径和孔隙率从材料表面到中心区域逐渐减小，孔径尺寸为1‑200微米，所述孔隙率为20％‑60％。其制备方法为将一定配比的金属粉末和造孔剂放入球磨机中进行球磨混合，得到混合均匀的粉末并放入模具中，利用压机压制成预制块，然后放入烧结炉中进行烧结，再用砂纸打磨平整进行超声清洗，然后放入真空干燥箱烘干，最后进行激光表面处理。本发明利用激光加热诱导多孔材料表面气孔高温膨胀的方法，制备出孔径和孔隙率从材料表面到内部呈梯度分布的多孔结构材料，具有制备工艺简单，成本低廉，易于工业化生产等特点。

Description

一种梯度多孔金属材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料加工领域，尤其涉及一种梯度多孔金属材料及其制备方法。
背景技术
多孔金属材料具有密度低、比表面积高、比强度高、能量吸收率高等特点，在航空航天、电子信息、生物医学等领域有着广泛的应用。孔径大小及分布直接影响多孔金属的性能。当孔结构沿着某一方向呈现连续梯度变化时，多孔材料的性能也呈现非对称型的梯度变化，从而展现出其它均匀多孔材料所不具备的性能特征，在传热、过滤及人体骨骼材料等方面有着极其重要的应用价值。
当前，梯度多孔材料的制备方法主要有粉末层铺压制烧结法，喷涂或喷刷法，溶胶凝胶法以及3D打印冷冻烧结法等。开发新型梯度多孔金属材料制备方法对于提高其性能，拓展其应用领域具有重要意义。
激光表面处理是通过对工件表面进行设计和激光加工，从而改善其表面性能的方法。它是利用激光束快速、局部地加热工件，实现局部急热或急冷，可在大气、真空等环境中进行处理。通过改变激光参数，可解决不同的表面处理工艺问题，因此在工业生产中具有广泛应用。目前，激光表面处理已经在激光上釉、激光重熔、激光合金化、激光涂敷和激光清洗等方面有大量的应用，然而利用激光表面处理方法制备梯度多孔金属材料的研究和应用尚未见报道。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种孔隙结构具有梯度分布特征的多孔金属材料及其工艺简便、成本低廉的制备方法。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何开发一种孔隙结构具有梯度分布特征的多孔金属材料及其工艺简便、成本低廉的制备方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种梯度多孔金属材料，所述金属材料孔径和孔隙率从材料表面到中心区域逐渐减小，孔径尺寸为1-200微米，所述孔隙率为20％-60％。
进一步地，所述金属材料是不锈钢、铜、镍、高温合金以及钛合金中的一种。
一种梯度多孔金属材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、将一定配比的金属粉末和造孔剂放入球磨机中进行球磨混合，得到混合均匀的粉末；
步骤2、将所述混合均匀的粉末放入模具中，利用压机压制成预制块；
步骤3、将所述预制块放入烧结炉中进行烧结；
步骤4、将所述烧结好的样品用砂纸打磨平整；
步骤5、将所述打磨好样品进行超声清洗，然后放入真空干燥箱烘干；
步骤6、将所述烘干后的样品进行激光表面处理。
进一步地，步骤1所述造孔剂为PMMA粉末，粒径在10-100微米之间，体积分数为20-60％，所述球磨的磨料比为1:1-50:1，转速为50-300rpm，时间为0.5-12小时。
进一步地，步骤2所述压机压制的压强为1-500MPa，保压时间为1-10分钟。
进一步地，步骤3所述烧结还包括以下步骤：
步骤3.1、将所述预制块加热到300-500℃并保温时间为1-5小时，以脱除造孔剂；
步骤3.2、再按5-20℃/分钟的升温速率加热到800-1300℃并保温30-120分钟。
进一步地，步骤3所述烧结炉为气氛烧结炉或真空烧结炉。
进一步地，步骤6所述激光加热功率为50-800W。
进一步地，步骤6所述激光离焦量为1-20mm。
进一步地，步骤6所述激光光源移动速率为10-100mm/s。
本发明的技术效果如下：
(1)针对梯度多孔材料制备工艺复杂、孔隙结构不易调控的难题，利用激光加热诱导多孔材料表面气孔高温膨胀的方法，制备出孔径和孔隙率从材料表面到内部呈梯度分布的多孔结构材料。
(2)该方法具有制备工艺简单，成本低廉，易于工业化生产等特点，利用该方法制备出的梯度多孔材料结构可控，适用于大多数金属及金属基复合材料。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例获得的梯度多孔金属材料低倍扫描电镜照片；
图2是本发明的一个较佳实施例获得的梯度多孔金属材料表面附件区域高倍扫描电镜照片；
图3是本发明的一个较佳实施例获得的梯度多孔金属材料内部中心区域高倍扫描电镜照片。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
实施例1
梯度多孔K438高温合金的制备：
步骤一，分别称取100g的K438高温合金粉末和6.3g的PMMA粉末，将上述混合粉末放入球磨罐中进行球磨，球磨时间为6小时，球磨机转速为200rpm，球料比为2:1；
步骤二，将球磨后的粉末在压制成直径为28mm，高为28mm的圆柱形粉末压坯，作用在压坯上的压强为100MPa，保压时间为5分钟；
步骤三，将粉末压坯放入气氛炉中，以10℃/分钟的速率加热温度至400℃，随后在400℃下保温2小时，以脱除粉末压坯中的造孔剂；
步骤四，待保温时间结束后，继续以10℃/分钟的速率加热至1000℃，然后再以5℃/分钟的速率将压坯从1000℃加热至1200℃，随后在1200℃下保温1小时进行烧结；保温结束后，待炉子冷却至室温时取出样品；
步骤五，将烧结好的多孔材料样品进行激光表面加工，激光功率为300W，离焦量为5mm，激光扫描速率为30mm/s。
将本实施例中步骤五中得到的样品进行扫描电子显微镜表征，获得的电镜照片如图1所示，可以看出样品具有多孔结构，并且孔径尺寸和孔隙率从表面到中心区域逐渐减小。
图2为样品表面附近孔隙结构高倍扫描电镜照片，可以看出孔径尺寸在30-100微米之间，孔隙率为40-50％。
图3为样品内部中心区域孔隙结构高倍扫描电镜照片，可以看出孔径尺寸在5-50微米之间，孔隙率为25-35％。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种梯度多孔金属材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、将一定配比的金属粉末和造孔剂放入球磨机中进行球磨混合，得到混合均匀的粉末；
步骤2、将所述混合均匀的粉末放入模具中，利用压机压制成预制块；
步骤3、将所述预制块放入烧结炉中进行烧结；
步骤4、将所述烧结好的样品用砂纸打磨平整；
步骤5、将所述打磨好样品进行超声清洗，然后放入真空干燥箱烘干；
步骤6、将所述烘干后的样品进行激光表面处理；
所述梯度多孔金属材料孔径和孔隙率从材料表面到中心区域逐渐减小，所述孔径尺寸为1-200微米，所述孔隙率为20%-60%，所述梯度多孔金属材料是利用激光加热诱导多孔材料表面气孔高温膨胀的方法制备的，步骤6所述激光加热功率为50-800W，步骤6所述激光离焦量为1-20 mm，步骤6所述激光光源移动速率为10-100mm/s。
2.如权利要求1所述的梯度多孔金属材料的制备方法，其特征在于，所述金属材料是不锈钢、铜、镍、高温合金以及钛合金中的一种。
3.如权利要求1所述的梯度多孔金属材料的制备方法，其特征在于，步骤1所述造孔剂为PMMA粉末，粒径在10-100微米之间，体积分数为20-60%，所述球磨的磨料比为1:1-50:1，转速为50-300rpm，时间为0.5-12小时。
4.如权利要求1所述的梯度多孔金属材料的制备方法，其特征在于，步骤2所述压机压制的压强为1-500MPa，保压时间为1-10分钟。
5.如权利要求1所述的梯度多孔金属材料的制备方法，其特征在于，所述梯度多孔金属材料为多孔K438高温合金，步骤3所述烧结还包括以下步骤：
步骤3.1、将所述预制块以10℃/分钟的升温速率加热到400℃并保温时间为2小时，以脱除造孔剂；
步骤3.2、再按10℃/分钟的升温速率加热到1000℃，然后再以5℃/分钟的速率将所述预制块从1000℃加热至1200℃，随后在1200℃保温1小时进行烧结。
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