CN117961082A - 基于微滴喷射粘结成形的多孔金属材料及制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于多孔金属材料制备相关技术领域，其公开了一种基于微滴喷射粘结成形的多孔金属材料及制备方法与应用，该方法包括以下步骤：(1)以淀粉与金属粉末所形成的混合粉为原料，采用微滴喷射粘结成形工艺打印出初坯，并对所述初坯进行预烧结以得到坯体；(2)将坯体进行再次烧结，使得淀粉发生分解而消失形成孔洞，进而得到多孔金属材料。本发明既能够既发挥微滴喷射粘结成形技术制备效率高的优势，又能对多孔金属孔洞的粒径、形状、分布进行精细控制，将有利于扩展多孔金属材料的应用范围。
Description
技术领域
本发明属于多孔金属材料制备相关技术领域，更具体地，涉及一种基于微滴喷射粘结成形的多孔金属材料及制备方法与应用。
背景技术
多孔金属材料内部具有不同结构的孔洞，兼具金属和多孔材料的特性，具有致密金属和其它多孔材料所不具备的优势，如密度小、吸音、隔声、耐高温、耐腐蚀、电磁屏蔽性能好、比强度和比刚度高等。在工业结构、生物医学、过滤、催化、电极材料、吸声降噪、热交换器等领域具有广阔的应用前景。多孔金属材料的制备工艺主要有熔模铸造法、粉末冶金法、熔体发泡法、固-气共晶凝固法、渗流铸造法、激光选区熔化成形方法等。但是都存在一定的缺点，如铸造法制备多孔金属工艺较为复杂，对多孔金属的质量和孔洞直径控制较为困难，无法做到微米级的孔隙。粉末冶金法得到的多孔金属致密度不高，强度较低，且需要相关模具，成本较高。熔体发泡法制备的孔洞通常属于孔径较大的闭孔，并且发泡过程不易控制，工艺稳定性存在问题。固-气共晶凝固法制备的多孔金属材料大多都具有不规则孔隙，无法对孔隙结构、孔隙率进行优化，工艺要求一般企业难以达到。激光选区熔化成形的成型速度慢、工艺成本较高，多孔材料表面容易粘粉，影响质量。
微滴喷射粘结成形技术属于增材制造技术中的一种，该技术通过喷墨打印头逐层选区喷射粘结剂沉积在粉末床上，进而得到三维实体结构件初坯，最后通过烧结使其致密化获得零件。该技术可直接制备出复杂的多孔金属件，形状可根据需要任意设计，制备效率高。但对金属粉末的要求较高，对孔洞的结构不能做到精细化控制。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于微滴喷射粘结成形的多孔金属材料及制备方法与应用，其能够提高多孔金属孔洞的控制精度。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于微滴喷射粘结成形的多孔金属材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)以淀粉与金属粉末所形成的混合粉为原料，采用微滴喷射粘结成形工艺打印出初坯，并对所述初坯进行预烧结以得到坯体；
(2)将坯体进行再次烧结，使得淀粉发生分解而消失形成孔洞，进而得到多孔金属材料。
进一步地，预烧结的烧结温度为180℃～220℃，烧结时间为2h～4h。
进一步地，再次烧结分为两个阶段，首先升温到280℃～320℃保温1h～3h，再升温到合金粉末熔点以下20℃～50℃烧结1h～3h。
进一步地，再次烧结所采用的升温速率及降温速率相同，均为2℃/min-10℃/min。
进一步地，所述微滴喷射粘结成形中的打印参数为：打印层高为0.05mm～0.3mm，粘接剂饱和度80％～160％。
进一步地，所述淀粉为马铃薯、玉米、小麦、大麦、大米、青稞中的一种或几种的混合物。
进一步地，所述淀粉的粒径为5μm～200μm；所述金属粉末的粒径为30μm～300μm。
进一步地，淀粉占混合粉总质量的5％～70％。
本发明还提供了一种基于微滴喷射粘结成形的多孔金属材料，所述多孔金属材料是采用如上所述的基于微滴喷射粘结成形的多孔金属材料的制备方法制备而成的。
本发明还提供了一种如上所述的基于微滴喷射粘结成形的多孔金属材料在工业结构、生物医学、过滤、催化、电极材料、吸声降噪、热交换器中的应用。
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，本发明提供的基于微滴喷射粘结成形的多孔金属材料及制备方法与应用主要具有以下有益效果：
1.采用淀粉与金属粉末打印初坯，通过预烧结使初坯获得一定的强度，通过高温烧结去除初坯中的粘结剂和淀粉。淀粉占据位置，在高温下分解并留下孔洞，金属粉末之间则通过烧结达到冶金结合。淀粉与造孔剂相比，成本更低，并且金属粉末与一种或多种形状不一的淀粉混合可以得到具有多种孔径和结构的多孔金属材料，通过控制淀粉所占的比例也可较为方便的控制孔隙率。
2.采用微滴喷射粘结成形技术制备多孔金属，工艺简单、效率高、制备成本低。制备过程无需模具，可根据需要制备出各种形状复杂的坯体，满足个性化定制要求；且该技术制备坯体的过程中无热源和热变形，后续烧结过程都在惰性气体保护或真空条件下进行，可有效防止易氧化的合金粉末发生氧化。
3.所述多孔金属材料的孔径均为微米级，既具有多孔材料的特点，同时又极大程度地保留了金属的强度特性。另外，本发明提供的制备方法可以较为方便地通过在原材料中混入其它粉末来提高多孔金属材料的强度、耐腐蚀性和抗高温氧化性等。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于微滴喷射粘结成形的多孔金属材料的制备方法的流程图；
图2是微滴喷射粘结成形工艺原理的示意图；
图3是本发明中高温烧结过程坯体变化过程的示意图。
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。
本发明提供了一种基于微滴喷射粘结成形的多孔金属材料的制备方法既能够既发挥微滴喷射粘结成形技术制备效率高的优势，又能对多孔金属孔洞的粒径、形状、分布进行精细控制，将有利于扩展多孔金属材料的应用范围。
请参阅图1、图2及图3，所述制备方法主要包括以下步骤：
S1，以淀粉与金属粉末所形成的混合粉为原料，采用微滴喷射粘结成形工艺打印出初坯，并对所述初坯进行预烧结以得到坯体。
本实施方式中，所述微滴喷射粘结成形工艺中的打印参数为：打印层高为0.05mm～0.3mm，粘接剂饱和度80％～160％；所述淀粉为马铃薯、玉米、小麦、大麦、大米、青稞中的一种或几种的混合物；所述淀粉的粒径为5μm～200μm；所述金属粉末的粒径为30μm～300μm；淀粉和合金粉末配比根据目标材料的孔隙率确定，淀粉占混合粉总质量的5％～70％；预烧结在惰性气体保护或者真空条件下进行，所述惰性气体为氦气、氮气或氩气中的至少一种；预烧结的烧结温度为180℃～220℃，烧结时间为2h～4h。
S2，将坯体进行再次烧结，使得淀粉发生分解而消失形成孔洞，进而得到多孔金属材料。
再次烧结分为两个阶段，首先升温到280℃～320℃保温1h～3h，再升温到合金粉末熔点以下20℃～50℃烧结1h～3h，升温速率为2℃/min-10℃/min，最后以同样的速率冷却到室温。再次烧结是在惰性气体保护或者真空条件下进行，所述惰性气体为氦气、氮气或氩气中的至少一种。
本发明还提供了一种基于微滴喷射粘结成形的多孔金属材料，所述多孔金属材料是采用如上所述的基于微滴喷射粘结成形的多孔金属材料的制备方法制备而成的。
本发明还提供了一种如上所述的基于微滴喷射粘结成形的多孔金属材料在工业结构、生物医学、过滤、催化、电极材料、吸声降噪、热交换器中的应用。
本实施方式中，孔洞有两部分来源，一部分是微滴喷射粘结成形本身就形成一部分孔洞，另一部分就是来源于淀粉被烧结消失而在淀粉原所在位置形成孔洞。
以下以几个实施例来对本发明进行进一步的详细说明。
实施例1
本发明实施例1提供的多孔金属材料的制备方法包括以下步骤：
(1)将粒径为30μm～100μm的金属粉末与马铃薯粉均匀混合，马铃薯粉占粉末总质量的20％，混合后的粉末在80℃下干燥5h。将混合粉末铺满粉缸，在计算机导入三维结构模型，设置3D打印各项参数，开始打印。所述3D打印设备打印参数为：打印层高0.05mm，粘结剂饱和度80％。
(2)打印结束后，将初坯与粉床一同放入烧结炉进行预烧结，烧结温度为180℃，时间为4h。冷却后清理粉末取出坯体。
(3)用球形氧化铝颗粒填埋坯体，随后放入马弗炉中进行高温烧结。高温烧结分为两个阶段，先在280℃烧结3h，然后在合金粉末熔点以下20℃烧结3h，最后随炉冷却得到多孔金属材料。升温速率和降温速率相同，均为2℃/min。
实施例2
本发明实施例2提供的多孔金属材料的制备方法包括以下步骤：
(1)将粒径为50μm～100μm的金属粉末与玉米粉均匀混合，玉米粉占粉末总质量的30％，混合后的粉末在80℃下干燥6h。将混合粉末铺满粉缸，在计算机导入三维结构模型，设置3D打印各项参数，开始打印。所述3D打印设备的打印参数为：打印层高为0.1mm，粘结剂饱和度为100％。
(2)打印结束后，将初坯与粉床一同放入烧结炉进行预烧结，烧结温度为190℃，时间为3.5h。冷却后清理粉末取出坯体。
(3)用球形氧化铝颗粒填埋坯体，随后放入马弗炉中进行高温烧结。高温烧结分为两个阶段，先在290℃烧结2h，然后在合金粉末熔点以下25℃烧结2h，最后随炉冷却得到多孔金属材料。升温速率和降温速率相同，均为3℃/min。
实施例3
本发明实施例3提供的多孔金属材料的制备方法包括以下步骤：
(1)将粒径为100μm～200μm的金属粉末与青稞粉均匀混合，青稞粉占粉末总质量的40％，混合后的粉末在80℃下干燥7h。将混合粉末铺满粉缸，在计算机导入三维结构模型，设置3D打印各项参数，开始打印。所述3D打印设备的打印参数为：打印层高为0.2mm，粘结剂饱和度为120％。
(2)打印结束后，将初坯与粉床一同放入烧结炉进行预烧结，烧结温度为200℃，时间为3h。冷却后清理粉末取出坯体。
(3)用球形氧化铝颗粒填埋坯体，随后放入马弗炉中进行高温烧结。高温烧结分为两个阶段，先在300℃下烧结1.5h，然后在合金粉末熔点以下30℃烧结1.5h，最后随炉冷却得到多孔金属材料。升温速率和降温速率相同，均为5℃/min。
实施例4
本发明实施例4提供的多孔金属材料的制备方法包括以下步骤：
(1)将粒径为200μm～300μm的金属粉末与小麦粉均匀混合，小麦粉占粉末总质量的40％，混合后的粉末在80℃下干燥10h。将混合粉末铺满粉缸，在计算机导入三维结构模型，设置3D打印的各项参数，开始打印。所述3D打印设备的打印参数为：打印层高为0.3mm，粘结剂饱和度为140％。
(2)打印结束后，将初坯与粉床一同放入烧结炉进行预烧结，烧结温度为210℃，时间为2h。冷却后清理粉末取出坯体。
(3)用球形氧化铝颗粒填埋坯体，随后放入马弗炉中进行高温烧结。高温烧结分为两个阶段，先在310℃下烧结1h，然后在合金粉末熔点以下40℃烧结1h，最后随炉冷却得到多孔金属材料。升温速率和降温速率相同，均为8℃/min。
实施例5
本发明实施例5提供的多孔金属材料的制备方法包括以下步骤：
(1)将粒径为200μm～300μm的金属粉末与大麦粉均匀混合，大麦粉占粉末总质量的50％，混合后的粉末在80℃下干燥12h。将混合粉末铺满粉缸，在计算机导入三维结构模型，设置3D打印的各项参数，开始打印。所述3D打印设备的打印参数为：打印层高为0.3mm，粘结剂饱和度为160％。
(2)打印结束后，将初坯与粉床一同放入烧结炉进行预烧结，烧结温度为220℃，时间为2h。冷却后清理粉末并取出坯体。
(3)用球形氧化铝颗粒填埋坯体，随后放入马弗炉中进行高温烧结。高温烧结分为两个阶段，先在320℃下烧结1h，然后在合金粉末熔点以下50℃烧结1h，最后随炉冷却得到多孔金属材料。升温速率和降温速率相同，均为10℃/min。
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 (10)
1.一种基于微滴喷射粘结成形的多孔金属材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)以淀粉与金属粉末所形成的混合粉为原料，采用微滴喷射粘结成形工艺打印出初坯，并对所述初坯进行预烧结以得到坯体；
(2)将坯体进行再次烧结，使得淀粉发生分解而消失形成孔洞，进而得到多孔金属材料。
2.如权利要求1所述的基于微滴喷射粘结成形的多孔金属材料的制备方法，其特征在于：预烧结的烧结温度为180℃～220℃，烧结时间为2h～4h。
3.如权利要求1所述的基于微滴喷射粘结成形的多孔金属材料的制备方法，其特征在于：再次烧结分为两个阶段，首先升温到280℃～320℃保温1h～3h，再升温到合金粉末熔点以下20℃～50℃烧结1h～3h。
4.如权利要求3所述的基于微滴喷射粘结成形的多孔金属材料的制备方法，其特征在于：再次烧结所采用的升温速率及降温速率相同，均为2℃/min-10℃/min。
5.如权利要求1-4任一项所述的基于微滴喷射粘结成形的多孔金属材料的制备方法，其特征在于：所述微滴喷射粘结成形中的打印参数为：打印层高为0.05mm～0.3mm，粘接剂饱和度80％～160％。
6.如权利要求1-4任一项所述的基于微滴喷射粘结成形的多孔金属材料的制备方法，其特征在于：所述淀粉为马铃薯、玉米、小麦、大麦、大米、青稞中的一种或几种的混合物。
7.如权利要求6所述的基于微滴喷射粘结成形的多孔金属材料的制备方法，其特征在于：所述淀粉的粒径为5μm～200μm；所述金属粉末的粒径为30μm～300μm。
8.如权利要求1-4任一项所述的基于微滴喷射粘结成形的多孔金属材料的制备方法，其特征在于：淀粉占混合粉总质量的5％～70％。
9.一种基于微滴喷射粘结成形的多孔金属材料，其特征在于：所述多孔金属材料是采用权利要求1-8任一项所述的基于微滴喷射粘结成形的多孔金属材料的制备方法制备而成的。
10.一种权利要求9所述的基于微滴喷射粘结成形的多孔金属材料在工业结构、生物医学、过滤、催化、电极材料、吸声降噪、热交换器中的应用。
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