一种有序多孔金属的设计优化及制备方法技术

一种有序多孔金属的设计优化及制备方法，其属于金属制备的技术领域。该方法采用三维造型软件设计有序多孔结构，采用数值模拟方法模拟渗流过程优化预制体结构，采用激光烧结方法制备覆膜砂预制体，再通过渗流法渗流得到多孔金属原始铸锭，最后经加热溃散预制体最终得到有序多孔金属。该方法实现了有序多孔铝孔的设计性和可控性，达到了设计孔的大小、孔的形状和孔的排序的目的，该方法得到的孔的最小孔径为2mm，实现了球形孔、方形孔、圆柱形孔及多种简单孔型复合孔等有序多孔铝的设计和制备。应用快速成型技术制备渗流法所需的预制体，提高了生产效率，降低了生产成本。该方法具备设计性、可控性、成本低、效率高及原料可回收利用等优点。

Design optimization and preparation method of ordered porous metal

The invention relates to a design and optimization of ordered porous metal, and belongs to the technical field of metal preparation. The design method of ordered porous structure with 3D modeling software, the numerical simulation of preform structure optimization of flow process, using laser sintering preparation method of pre coated sand body, and porous metal ingots obtained by the original method of seepage flow, the preform obtained by heating porous metal pieces. The method realizes the ordered porous aluminum hole design and controllability, reached the size, shape and design of hole hole hole sort, the minimum aperture of the obtained hole is 2mm, design and implement the system of spherical hole, square hole, a cylindrical hole and a variety of simple composite holes orderly pass the preparation of porous aluminum. Application of rapid prototyping technology in the preparation of the seepage method of prefabricated body, improve production efficiency, reduce production costs. The method has the advantages of design, controllability, low cost, high efficiency and recyclable materials.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种有序多孔金属的设计优化及制备方法，其属于金属制备的

技术介绍
金属多孔材料由于其具备良好的性能，如比强度比刚度高，具备结构功能一体化的特性，在航空航天，汽车工业等领域发挥着重要作用。随着人们对多孔材料的进一步研究和发现，孔结构对多孔材料的性能具有重要的影响，因此孔结构的设计和可控成为人们研究多孔材料时关注的重点。在此基础之上，近年来具备非随机性孔结构的有序多孔金属引起了人们更多的关注。从目前的多孔金属制备现状来看，制备工艺决定了多孔金属的结构特性，多孔金属的制备方法主要有熔体发泡法，粉末冶金法，渗流法等。熔体发泡法是在熔融的液态金属中加入适当比例的发泡剂，从而得到闭孔的多孔金属。由于发泡剂在液态金属中分布的位置具有不确定性，并且发泡过程和发泡效果相对难以完全掌控，因此不能用来制备有序多孔金属。粉末冶金法是将金属粉末和造孔剂按一定比例进行混合，再通过真空烧结等方式得到多孔金属。造孔剂和金属粉末混合后，所处的位置仍然具有随机性，并且孔的形成可控性不强，因此不能满足有序多孔金属的制备要求。以上提到的这两种方法产生的孔随机分布，无论是孔的大小还是孔的形态都难以直接有效控制，获得的多孔金属孔结构和孔分布随机性强。由于这两种方法工艺过程针对多孔金属的孔结构和孔分布可控性不高，导致性能变化范围较大，因此难以到达制备有序多孔金属的目的。与前两种方法相比，渗流法是让金属液体在压力作用下渗流进入预制体，经过冷却和凝固，得到多孔金属的一种方法。通过渗流法得到的多孔金属，孔结构和孔分布的最直接影响因素为预制体的结构设计。由于这种方法所制备的多孔金属的孔结构和孔分布主要取决于预制体，而预制体的设计性和可控性相对较容易实现，因此渗流法可满足有序多孔金属的制备要求。传统的渗流法制备多孔金属成本较低，工艺简单，但是孔结构的设计性和可控性依然有待提升。因此，本申请要解决的问题是：渗流法中传统预制体结构存在的缺点，改善孔的设计性和可控性的不足，达到孔结构有序的目的。现阶段发展迅速的快速成型技术，为多孔金属制备提供了条件并拓宽了途径。利用快速成型技术，对金属或非金属粉末进行激光烧结，可以达到直接制备有序多孔金属的目的。这种方法相比传统的方法体现出孔结构和孔分布良好的控制性，但是相应的也存在一些弊端限制其进一步推广应用。例如，直接快速成型金属如激光烧结所需的金属粉体原料价格昂贵、设备投入和技术成本很高；可制备材料种类有限，目前比较成熟的技术主要是在钛合金上的应用，少数应用在钢或者铝合金方面；此外，快速成型的金属成品仍存在一定缺陷，力学性能有待提高，激光烧结金属技术难度大、成本高、效率较低等问题现阶段制约着其在多孔金属制备领域的推广应用。
技术实现思路
为解决现有技术中传统渗流法孔结构设计性和可控性的不足，孔结构无序性等问题，本专利技术提供一种有序多孔金属的设计优化及制备方法，通过设计有序多孔金属的孔结构并进行优化得到相应的预制体结构，再对传统渗流法制备多孔金属进行改进，利用快速成型技术以覆膜砂为原料激光烧结制备渗流所需预制体，以达到有序多孔结构的可设计性和可控性，得到有序多孔金属。本专利技术采用的技术方案为：一种有序多孔金属的设计优化及制备方法，包括以下步骤：（1）通过三维造型软件设计有序多孔金属的孔结构，利用数值模拟软件对有序多孔金属的孔结构进行优化，有序多孔金属的互补结构为预制体结构；所述有序多孔金属与预制体结构为双通互联结构，这种结构基体部分和孔部分各自完全联通成为一体，使预制体在一定方向上具备贯穿整个预制体的若干通道，作为渗流内部通道。所述孔结构为孔的大小、孔的形状及孔的排序；（2）利用快速成型技术，以覆膜砂为原料，以预制体结构为模板采用激光烧结的方法制备所需的预制体；激光烧结的方法中使用的激光功率为40-120W，采用的覆膜砂为40-200目；激光烧结对覆膜砂进行初次固化，在除掉多余覆膜砂后，填充原砂进行二次固化，二次固化温度150℃-250℃，从而得到渗流所需预制体；（3）将预制体及模具放置在150℃-300℃环境中预热0.5-2.5小时，将金属熔化，待金属熔化后熔体温度稳定保持在高于相应熔点50℃-300℃，使熔体对预制体进行渗流；所述模具可为金属型和覆膜砂型，且模具的结构设计与预制体尺寸相配合，模具底面与预制体底面完全贴合，模具侧面有斜度，它与预制体侧面之间保持合适的空隙，为渗流提供合适的外部渗流通道。液态金属的渗流浇口冒口部分，为金属液体进入模具后提供压力和发挥补缩的作用，模具侧面与预制体侧面之间的空隙为外部渗流通道，促进渗流充分；（4）在渗流过程中熔体温度逐渐降低，熔体通过内部和外部渗流通道充满整个模具；当熔体凝固时，视为熔体对预制体渗流过程结束，之后使其自然冷却，冷却后得到多孔金属原始铸锭；（5）将多孔金属原始铸锭加热到覆膜砂的溃散温度，使预制体溃散，得到有序多孔金属；所述溃散温度低于金属熔化温度而高于覆膜砂最高固化温度，溃散温度为300℃-500℃，溃散保温时间为0.5-2小时。如果未能完全除去其中的覆膜砂预制体，再加热到覆膜砂的溃散温度将其除去，切除渗流冒口、外部渗流通道等部位。所述金属选自纯铝、铝硅合金、铝镁合金、铝锰合金、铝锌合金、铝硅镁合金、铝硅铜镁合金。所述有序多孔金属的最小孔径为2mm；有序多孔金属的孔的形状为球形、方形、圆柱形的一种或几种；孔的排序为周期排列、重复排列或梯度排列，周期排列是指每层的孔的形状和/或孔的大小呈周期规律，重复排列是指每层孔的形状及孔的大小排列一致，梯度排列是指每层金属孔的大小呈梯度变化。本专利技术的有益效果为：通过三维造型软件设计有序多孔金属的结构，初步得到相应的预制体结构，采用数值模拟方法模拟渗流过程优化预制体结构，采用快速成型技术，以覆膜砂为原料激光烧结所需的预制体，将制得的预制体置于设计的模具中，当熔体温度合适时进行渗流，保证渗流充分后自然冷却，凝固后得到金属-覆膜砂的复合铸锭，加热到覆膜砂的溃散温度将其除去，最终得到所设计优化后的有序多孔金属结构。该方法实现了孔的设计性和可控性，可以设计孔的大小、孔的形状、孔的排序和孔的分布，该方法得到的孔的最小孔径在2mm左右，实现了孔的形状为球形、方形、圆柱形及多种简单孔型复合等多种孔形状的设计。应用快速成型技术制备渗流法所需的预制体，既可以体现有序多孔金属结构的设计性和控制性，同时还可以保证生产效率，降低生产成本。该方法工艺简单，与传统的渗流法相比，提升结构的设计性和可控性；与直接通过快速成型法制备有序多孔金属相比，制备成本低且预制体原料回收利用率高。附图说明图1是一种有序多孔金属的设计优化及制备方法的工艺流程图。图2是有序多孔金属的渗流过程示意图。图中：1、模具，2、液态金属，3、模具侧面，4、模具底面，5、预制体，6、预制体侧面，7、预制体底面，8、模具底座，9、球孔部，10、圆柱孔部。图3是实施例1中方形孔有序多孔金属样品图。图4是球形和圆柱形复合孔有序多孔金属预制体结构图。图5是球形和圆柱形复合孔有序多孔金属本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种有序多孔金属的设计优化及制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）通过三维造型软件设计有序多孔金属的孔结构，利用数值模拟软件对有序多孔金属的孔结构进行优化，有序多孔金属的互补结构为预制体结构；所述有序多孔金属与预制体结构为双通互联结构，预制体结构具备贯穿整个结构的通道；所述孔结构为孔的大小、孔的形状及孔的排序；（2）以覆膜砂为原料，以预制体结构为模板采用激光烧结的方法快速成型制备渗流法所需的预制体；激光烧结对覆膜砂进行初次固化，使用的激光功率为40W‑120W，采用的覆膜砂为48目‑200目，之后进行二次固化，二次固化温度150℃‑250℃；（3）将预制体及模具放置在150℃‑300℃的环境中预热0.5小时‑2.5小时；将金属熔化，待金属熔化后熔体温度稳定保持在高于相应熔点50℃‑300℃，使熔体对预制体进行渗流；所述模具为金属模具或覆膜砂模具；（4）在渗流过程中熔体温度逐渐降低，熔体通过内部和外部渗流通道充满整个模具；当熔体凝固时，熔体对预制体渗流过程结束，之后使其自然冷却，冷却后得到多孔金属原始铸锭；（5）将多孔金属原始铸锭加热到覆膜砂的溃散温度，使预制体溃散，得到有序多孔金属；所述溃散温度低于金属熔化温度而高于覆膜砂固化温度，溃散温度为300℃‑500℃，溃散保温时间为0.5‑2小时。...

【技术特征摘要】
1.一种有序多孔金属的设计优化及制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）通过三维造型软件设计有序多孔金属的孔结构，利用数值模拟软件对有序多孔金属的孔结构进行优化，有序多孔金属的互补结构为预制体结构；所述有序多孔金属与预制体结构为双通互联结构，预制体结构具备贯穿整个结构的通道；所述孔结构为孔的大小、孔的形状及孔的排序；
（2）以覆膜砂为原料，以预制体结构为模板采用激光烧结的方法快速成型制备渗流法所需的预制体；激光烧结对覆膜砂进行初次固化，使用的激光功率为40W-120W，采用的覆膜砂为48目-200目，之后进行二次固化，二次固化温度150℃-250℃；
（3）将预制体及模具放置在150℃-300℃的环境中预热0.5小时-2.5小时；将金属熔化，待金属熔化后熔体温度稳定保持在高于相应熔点50℃-300℃，使熔体对预制体进行渗流；所述模具为金属模具或...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝海，王晗，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21