一种多孔金属材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于多孔材料制备相关技术领域，其公开了一种多孔金属材料及其制备方法，该方法包括以下步骤：(1)采用3D打印挤出成型工艺制备出与待制备多孔金属材料相对应的多孔陶瓷坯体，并将所述多孔陶瓷坯体进行干燥及烧结以形成可溶多孔陶瓷；(2)将熔融的金属渗入所述可溶多孔陶瓷中，并使熔融的金属充满所述可溶多孔陶瓷的空腔，以获得可溶陶瓷/金属复合坯体；(3)将得到的可溶陶瓷/金属复合坯体置于沸水中以使所述可溶陶瓷/金属复合坯体中的可溶陶瓷溶解，进而得到所述多孔金属材料。本发明专利技术制备工序简单、成本较低、适用范围广、环保。

A porous metal material and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种多孔金属材料及其制备方法
本专利技术属于多孔材料制备相关
，更具体地，涉及一种多孔金属材料及其制备方法。
技术介绍
多孔金属具有金属基体和大量孔洞的特性，因而具有致密金属和其他多孔材料所不具备的独特性质，如轻质、高强度、高比刚度、优秀的能量吸收性能、减震隔振性能等。目前，多孔金属材料的制备工艺主要有渗流法、熔体发泡法、粉末冶金法、固-气共晶凝固法等。其中，渗流铸造法将熔融金属液在一定压力渗流进入铸型填料间隙中，从而获得金属与填料的复合材料，优点在于：制备成本低，工艺简单，孔洞大小和分布可控，机械性能好。熔体发泡法，通过对熔融金属液粘度进行调节后，加入发泡剂，高速搅拌均匀，由于热作用，发泡剂分解放出气体，气体膨胀使金属熔体发泡，该方法制备的多孔金属材料孔隙大，通常属于闭孔且孔径较大，且存在发泡剂发泡时间的间隔短、发泡过程不易控制、气泡分布不均匀、工艺稳定性及力学性能差的问题。粉末冶金法，通过将金属粉末与发泡剂预先混合均匀，压制成坯，然后加热至金属熔点以上温度，此时均匀分布于致密基体中的发泡剂分解成气泡，使基体材料膨胀形成多孔材料，粉末冶金法的优点在于，可通过控制发泡剂的分布均匀度和发泡温度来控制孔洞的大小与分布，缺点是该方法能耗大，工艺成本较高。固-气共晶凝固法，在一定压力的氢气气氛压力下，使氢气溶解于液态金属中，通过精确调控压力、冷却速度和散热方向等冷却条件来控制孔隙的形状和大小，获得高孔隙度多孔金属。然而，通过这些方法制备的多孔金属材料大多为无规则多孔结构，尽管这些无规则多孔结构可能满足机械性能要求，但是却难以对材料的孔隙度、刚度和渗透率等性质进行优化，且无法对材料的孔隙结构进行精细化设计。这些方法尽管有的可实现批量生产，但大多工艺比较复杂，且很难在制备过程中对随机多孔结构进行有效的控制。这些随机的多孔结构通常在宏观上具有均匀的力学和生物学特性，但是在微观层面的性能却存在着差异，导致材料支撑骨架易产生弯曲，存在有效承载能力低的问题。3D打印技术在近些年取得了发展与应用，为复杂结构的制备带来了新的途径。3D打印技术是一种增材制造技术，它在计算机的控制下使材料按需逐层堆叠成三维实体，在可制备的结构方面具有很大的灵活性，是一种理想的制备有序多孔结构的方法。但是采用3D打印技术直接进行多孔金属材料的制备，对金属粉末的质量要求较高，只能用于部分金属材料的成型，且所需材料及设备的成本极高。目前，已有文献公开了以NaCl、Al2O3、SiC为原料采用3D打印技术，通过间接的方法进行有序多孔金属的制备。但是采用3D打印制备出的有序多孔结构NaCl骨架，存在材料耐热度低，需要大量水进行溶解，而制备出有序多孔结构Al2O3、SiC陶瓷骨架，则存在去除困难且去除过程中污染较大等问题。因此，研发一种广泛适用于多种材料的有序结构多孔金属材料的低成本制备方法，将有利于扩展有序多孔结构材料的应用范围。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种多孔金属材料及其制备方法，其基于多孔材料的制备特点，研究及设计了一种制备工序简单、成本较低、适用范围广、环保的多孔金属材料及其制备方法。所述方法采用3D打印挤出成型工艺制备可溶陶瓷坯体，制备成本较低，而且易于制备各种复杂、孔径不同的可溶多孔陶瓷，陶瓷基体强度和精度较高，且可承受较高的熔渗温度，适用范围广，溶解过程中采用水即可进行溶解，用水进行溶解的过程为CaO和水的反应过程，不会受到材料自身溶解度的限制，且反应产物Ca(OH)2溶解度小，大部分会形成沉淀，便于进行回收处理，同时只需对沉淀进行去除即可进行循环适用，且污水污染小易处理，处理成本低，具有较大的应用前景。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种多孔金属材料的制备方法，其基于3D打印可溶多孔陶瓷来制备多孔金属材料，所述方法包括以下步骤：(1)采用3D打印挤出成型工艺制备出与待制备多孔金属材料相对应的多孔陶瓷坯体，并将所述多孔陶瓷坯体进行干燥及烧结以形成可溶多孔陶瓷；(2)将熔融的金属渗入所述可溶多孔陶瓷中，并使熔融的金属充满所述可溶多孔陶瓷的空腔，以获得可溶陶瓷/金属复合坯体；(3)将得到的可溶陶瓷/金属复合坯体置于沸水中以使所述可溶陶瓷/金属复合坯体中的可溶陶瓷溶解，进而得到所述多孔金属材料。进一步地，步骤(1)中的烧结分为3个阶段，分别在在180℃～250℃下烧结1～3h、在700℃～900℃烧结2h～3h、在1100℃～1300℃下烧结2h～3h，烧结过程中升温速率为5～20℃/min。进一步地，步骤(1)包括以下子步骤：(11)制备均匀的浆料，并将制备得到的浆料放入3D打印机的针管中；(12)采用45℃～55℃的预热温度将3D打印机的底板进行预热，并开始打印以得到多孔陶瓷坯体；(13)将所述多孔陶瓷坯体在45℃～55℃下进行干燥，并将干燥后的所述多孔陶瓷坯体放入高温烧结炉内烧结预定时间，随后，随炉冷却以得到可溶多孔陶瓷。进一步地，所述3D打印机的喷嘴直径为0.2mm～0.8mm，打印层高0.15mm～0.75mm，打印速率为20mm/s～40mm/s。进一步地，所制备的浆料采用2000～5000目的Al2O3、ZrO2、SiO2、MgO、SiC、Si3N4中的一种或几种与1000～3000目的CaCO3以任意比例混合得到的混合物作为其原料之一。进一步地，步骤(2)采用的金属熔渗方法包括低压铸造、压铸、消失模铸造及气压熔渗。进一步地，所述多孔金属材料的空洞排布成规则有序结构。进一步地，所述3D打印机的喷嘴直径为0.3mm，打印层高为0.25mm，打印速率为20mm/s。进一步地，所述可溶多孔陶瓷的孔径为0.3mm。进一步地，步骤(2)中熔融的金属不与CaO发生反应。本专利技术还提供了一种多孔金属材料，所述多孔金属材料是采用如上所述的多孔金属材料的制备方法制备而成的。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本专利技术提供的多孔金属材料及其制备方法主要具有以下有益效果：1.采用3D打印挤出成型工艺制备出可溶多孔陶瓷坯体，制备成本低，而且可以比较容易制备各种形状复杂、孔径不同的多孔陶瓷，陶瓷基体强度和精度高，且可承受较高的熔渗温度，除适用于Al合金、Mg合金等低熔点金属外，还可用于较高熔点金属的多孔材料制备，适用范围广。2.采用3D打印挤出成型工艺制备的经烧结后得到的有序结构多孔可溶陶瓷直接采用水进行溶解，溶解的过程为CaO和水的反应过程，不会受到材料自身溶解度的限制，且反应产物Ca(OH)2溶解度小，大部分会形成沉淀，便于进行回收处理，同时只需对沉淀进行过滤即可将水进行循环使用，且废水的污染小易处理，处理成本低，具有较大的应用前景。3.所述多孔金属材料的空洞排布成规则有序结构，可以有效避免微观层面的性能差异，提高了承载能力。附图说明图1是本专利技术较佳实施方式提供的多孔金属材料的制备方法的流程示意图。图2是本专利技术实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多孔金属材料的制备方法，其基于3D打印可溶多孔陶瓷来制备多孔金属材料，其特征在于，该方法包括以下步骤：/n(1)采用3D打印挤出成型工艺制备出与待制备多孔金属材料相对应的多孔陶瓷坯体，并将所述多孔陶瓷坯体进行干燥及烧结以形成可溶多孔陶瓷；/n(2)将熔融的金属渗入所述可溶多孔陶瓷中，并使熔融的金属充满所述可溶多孔陶瓷的空腔，以获得可溶陶瓷/金属复合坯体；/n(3)将得到的可溶陶瓷/金属复合坯体置于沸水中以使所述可溶陶瓷/金属复合坯体中的可溶陶瓷溶解，进而得到所述多孔金属材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种多孔金属材料的制备方法，其基于3D打印可溶多孔陶瓷来制备多孔金属材料，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)采用3D打印挤出成型工艺制备出与待制备多孔金属材料相对应的多孔陶瓷坯体，并将所述多孔陶瓷坯体进行干燥及烧结以形成可溶多孔陶瓷；
(2)将熔融的金属渗入所述可溶多孔陶瓷中，并使熔融的金属充满所述可溶多孔陶瓷的空腔，以获得可溶陶瓷/金属复合坯体；
(3)将得到的可溶陶瓷/金属复合坯体置于沸水中以使所述可溶陶瓷/金属复合坯体中的可溶陶瓷溶解，进而得到所述多孔金属材料。


2.如权利要求1所述的多孔金属材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中的烧结分为3个阶段，分别为在180℃～250℃下烧结1～3h；在700℃～900℃下烧结2h～3h；在1100℃～1300℃烧结2h～3h，烧结过程中升温速率为5～20℃/min。


3.如权利要求1所述的多孔金属材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)包括以下子步骤：
(11)制备均匀的浆料，并将制备得到的浆料放入3D打印机的针管中；
(12)采用45℃～55℃的预热温度将3D打印机的底板进行预热，并开始打印以得到多孔陶瓷坯体；
(13)将所述多孔陶瓷坯体在45℃～55℃下进行干燥，并将干燥后的所述多孔陶瓷坯体放入高温烧结炉内烧结预定时间，随后，随炉冷却以得到可溶多孔陶瓷。
...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋文明，管峰，李广宇，朱俊文，杨力，樊自田，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42