本發(fā)明屬于金屬材料加工，特別涉及基于冷噴涂制備蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)金屬材料的制備方法及其獲得的多孔結(jié)構(gòu)金屬材料。

背景技術(shù)：

1、多孔結(jié)構(gòu)金屬材料因其具有輕質(zhì)、高比表面積等優(yōu)點(diǎn)，并結(jié)合了基體材料優(yōu)異特性，被廣泛用于催化、散熱器、蒸發(fā)器、隔音材料、生物醫(yī)用、輕量化結(jié)構(gòu)材料等領(lǐng)域。傳統(tǒng)制造多孔結(jié)構(gòu)的方法包括鑄造、粉末冶金和增材制造。然而，鑄造和粉末冶金等傳統(tǒng)方法在尺寸、形狀、孔隙率控制和集成多功能結(jié)構(gòu)方面存在局限性。盡管選擇性激光熔化等增材制造方法能在多孔結(jié)構(gòu)金屬材料的形狀設(shè)計(jì)和力學(xué)性能方面有所改進(jìn)，但它們?cè)谥圃炀哂写蟪叽绲亩嗫捉Y(jié)構(gòu)金屬材料時(shí)依然具有成型效率低、制造過(guò)程不連續(xù)和對(duì)氣氛要求苛刻等缺陷。因此，盡管多孔結(jié)構(gòu)金屬材料具有巨大的應(yīng)用場(chǎng)景，但是制備該材料流程復(fù)雜，成本較高。

2、冷噴涂是一種新興的固態(tài)增材制造方法，粉末在低于熔點(diǎn)的條件下變形并固結(jié)。微米尺寸約5～75μm的金屬粉末顆粒在低于1000℃的加熱條件下通過(guò)高速惰性氣體帶動(dòng)金屬粉末加速，并在通過(guò)de?laval噴嘴后達(dá)到臨界沉積速度，其在完全固態(tài)的條件下沖擊基體，通過(guò)金屬顆粒與基體界面處的劇烈塑性變形產(chǎn)生鍵合并沉積。該方法具有成型快速，氧化少和避免與熔化相關(guān)各類缺陷等問(wèn)題的優(yōu)點(diǎn)，是目前常用的金屬快速制造方法。因?yàn)槔鋰娡康募庸ば矢撸瑢?duì)粉末球形度要求低，成本低等優(yōu)勢(shì)，研究者開(kāi)發(fā)了基于冷噴涂制造多孔金屬材料的方法，通過(guò)首先將鈦與鎂、鋁元素混合后進(jìn)行冷噴涂制備塊體，之后通過(guò)真空加熱去除低熔點(diǎn)的鎂、鋁元素，從而獲得多孔結(jié)構(gòu)鈦。再者，通過(guò)調(diào)控氣體溫度和顆粒沖擊速度，制備孔隙率為30％的多孔ti-6al-4v合金涂層。然而，上述方法制備材料的孔洞為內(nèi)部通孔，此類方法無(wú)法制備蜂窩狀的多孔結(jié)構(gòu)金屬材料。因此，現(xiàn)有的包括鑄造、粉末冶金、增材制造和冷噴涂等技術(shù)均無(wú)法快速、短流程的制備蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)金屬材料。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)材料的巨大應(yīng)用潛力，亟需開(kāi)發(fā)一種基于冷噴涂制備蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)金屬材料的快速、短流程、低成本制備技術(shù)的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于氫化鈦粉末的蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)金屬材料及其制備方法。

2、本發(fā)明的第一方面提供了一種基于氫化鈦粉末的蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)金屬材料的制備方法，包括以下步驟：

3、s1、制備金屬氫化粉末，具體為：

4、s11、將金屬塊放入氣氛爐中，在1個(gè)大氣壓高純h2氛圍下將所述金屬塊加熱至第一設(shè)定溫度，保溫2～3h，隨后爐冷至室溫獲得金屬氫化物塊體；

5、s12、將金屬氫化物塊體倒入行星球磨機(jī)中按預(yù)設(shè)的球磨參數(shù)進(jìn)行球磨，取出球磨后的粉末篩分獲得微米粒徑的金屬氫化物粉末；所述球磨參數(shù)包括：球磨氣氛為1個(gè)大氣壓的高純氬氣，球料比為1～2:1，轉(zhuǎn)速為400～500rpm，球磨時(shí)間為10～15min；

6、s2、冷噴涂成型：將s1制備的金屬氫化物粉末在惰性氣體加速下與基板結(jié)合并形成坡面、曲面和平面三種結(jié)構(gòu)的表面，連續(xù)冷噴涂過(guò)程中，金屬氫化物粉末邊界在高應(yīng)變速率的變形過(guò)程中升溫并發(fā)生脫氫行為，形成表面韌性的粉末顆粒，所述粉末顆粒沖擊曲面與坡面結(jié)構(gòu)時(shí)，所述粉末顆粒的韌性相在坡面和曲面上具有高的沉積效率，在平面上難以沉積，經(jīng)過(guò)后續(xù)反復(fù)的冷噴涂過(guò)程，坡面結(jié)構(gòu)和曲面結(jié)構(gòu)的表面上不斷沉積增高形成墻結(jié)構(gòu)，平面結(jié)構(gòu)的表面形成孔結(jié)構(gòu)，最終形成氫化的多孔結(jié)構(gòu)金屬材料；

7、s3、脫氫處理：將步驟s2制備的氫化的多孔結(jié)構(gòu)金屬材料在真空條件下加熱至400～750℃并保溫2～8h后爐冷至室溫，獲得多孔結(jié)構(gòu)金屬材料。

8、可優(yōu)選的是，步驟s2具體包括以下子步驟：

9、s21：將步驟s1制備的金屬氫化物粉末裝入粉倉(cāng)，選擇合適的惰性氣體作為氣體源；

10、s22：調(diào)整噴槍與基板的間距、噴槍移動(dòng)速度、惰性氣體的加熱溫度及壓力，噴涂層數(shù)設(shè)置為10～50層；

11、s23：?jiǎn)?dòng)裝置，加熱壓縮氣體后，噴嘴移動(dòng)并按照相同的系統(tǒng)參數(shù)重復(fù)噴涂10～50層，所述金屬氫化物粉末在惰性氣體加速下冷噴涂在基板表面，獲得氫化的多孔結(jié)構(gòu)金屬材料。

12、可優(yōu)選的是，步驟s1制備所述金屬氫化物塊體的反應(yīng)方程式為：

13、m+h→mhx

14、其中，m為所述金屬塊，x為特定氫含量，所述金屬塊選用鈦、鋯、鈦合金、鋯合金或鈦鋯合金，所述金屬塊需具備吸氫，脫氫的金屬成分，氫化過(guò)程完成后所述金屬塊達(dá)到特定氫含量，即所述金屬塊的氫含量介于0與飽和氫含量之間，所述特定氫含量的控制因素為第一設(shè)定溫度以及保溫時(shí)間，氫化過(guò)程中選用不同的金屬塊則第一設(shè)定溫度不同。

15、可優(yōu)選的是，步驟s1中所述高純h2氛圍指氫氣含量≧99.999％，球磨過(guò)程中選用的不銹鋼磨球直徑分別為15mm、10mm和6mm，所述金屬氫化粉末為微米尺度粉末，所述金屬氫化粉末的尺寸范圍為25～75μm。

16、可優(yōu)選的是，所述冷噴涂成型過(guò)程中采用的惰性氣體為氮?dú)狻鍤饣蚝?，所述惰性氣體的含量≧99.999％，所述惰性氣體的壓力為20～50bar，所述噴涂成型過(guò)程中每10層噴涂層數(shù)的厚度為1.1～1.3mm。

17、可優(yōu)選的是，步驟s2與步驟s3中將氫化的金屬材料脫氫過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)方程式為：mhx→m+h；

18、其中，mhx為氫化的金屬材料，m為未氫化金屬材料，x為特定氫含量，在脫氫處理的加熱過(guò)程中，由于環(huán)境中的h氣氛環(huán)境壓力為0，h會(huì)從tihx基體中擴(kuò)散脫出，實(shí)現(xiàn)脫氫處理。

19、本發(fā)明的第二方面提供了基于冷噴涂制備蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)金屬材料的制備方法制備的多孔結(jié)構(gòu)金屬材料，所述多孔結(jié)構(gòu)金屬材料的金屬結(jié)構(gòu)為蜂窩狀的多孔結(jié)構(gòu)，所述多孔結(jié)構(gòu)包含孔、孔壁和三角形節(jié)點(diǎn)組成，孔由相鄰的孔壁經(jīng)三角形節(jié)點(diǎn)連接而成，其中，孔密度為35％～60％，孔尺寸為100～3000μm，孔壁厚度為10～120μm，孔壁深度為1～5mm。

20、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

21、(1)本發(fā)明的制備方法與傳統(tǒng)的鑄造、粉末冶金和增材制造等制備方法相比，能夠?qū)崿F(xiàn)快速且連續(xù)、短流程、低成本的制備蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)金屬材料，解決了鑄造、粉末冶金難以制備蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)金屬材料以及不能連續(xù)制造大幅面多孔材料等問(wèn)題。

22、(2)本發(fā)明的制備方法與傳統(tǒng)的冷噴涂方法制備金屬材料相比，金屬氫化物冷噴涂過(guò)程中的原位脫氫將部分脫除金屬顆粒界面間的氧化層，確保了冷噴涂樣品顆粒界面處具有更優(yōu)的金屬結(jié)合效果，從而提高顆粒間結(jié)合強(qiáng)度，宏觀體現(xiàn)為金屬材料強(qiáng)度的提高。此外，應(yīng)用金屬氫化物粉末有效避免冷噴涂加工特別粉末需要高臨界噴涂速率等要求，極大拓寬了冷噴涂加工金屬材料的可行性。

23、(3)本發(fā)明的制備方法制備的蜂窩狀多空結(jié)構(gòu)金屬材料以金屬氫化物為原料，首次基于冷噴涂技術(shù)制備蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)金屬材料，與常規(guī)冷噴涂加工的金屬材料相比具備優(yōu)良的電磁屏蔽性能，可低成本的應(yīng)用于催化、散熱器、蒸發(fā)器和隔音材料等領(lǐng)域。

技術(shù)特征：

1.一種基于冷噴涂制備蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)金屬材料的制備方法，其特征在于，制備方法包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于冷噴涂制備蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)金屬材料的制備方法，其特征在于，步驟s2具體包括以下子步驟：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于冷噴涂制備蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)金屬材料的制備方法，其特征在于，步驟s1制備所述金屬氫化物塊體的反應(yīng)方程式為：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于冷噴涂制備蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)金屬材料的制備方法，其特征在于，步驟s1中所述高純h2氛圍指氫氣含量≧99.999％，球磨過(guò)程中選用的不銹鋼磨球直徑分別為15mm、10mm和6mm，所述金屬氫化粉末為微米尺度粉末，所述金屬氫化粉末的尺寸范圍為25～75μm。

5.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的基于冷噴涂制備蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)金屬材料的制備方法，其特征在于，所述冷噴涂成型過(guò)程中采用的惰性氣體為氮?dú)狻鍤饣蚝?，所述惰性氣體的含量≧99.999％，所述惰性氣體的壓力為20～50bar，所述噴涂成型過(guò)程中每10層噴涂層數(shù)的厚度為1.1～1.3mm。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于冷噴涂制備蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)金屬材料的制備方法，其特征在于，步驟s2與步驟s3中將氫化的金屬材料脫氫過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)方程式為：mhx→m+h；

7.一種根據(jù)權(quán)利要求1～6之一所述的基于冷噴涂制備蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)金屬材料的制備方法制備的多孔結(jié)構(gòu)金屬材料，其特征在于，所述多孔結(jié)構(gòu)金屬材料的金屬結(jié)構(gòu)為蜂窩狀的多孔結(jié)構(gòu)，所述多孔結(jié)構(gòu)包括孔、孔壁和三角形節(jié)點(diǎn)，孔由相鄰的孔壁經(jīng)三角形節(jié)點(diǎn)連接而成，其中，孔密度為35％～60％，孔尺寸為100～3000μm，孔壁厚度為10～120μm，孔壁深度為1～5mm。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于金屬材料加工領(lǐng)域，涉及提供一種基于冷噴涂制備蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)金屬材料及其制備方法，本發(fā)明通過(guò)以金屬氫化物為冷噴涂原料，使噴涂粉末顆粒呈現(xiàn)出不同的附著偏向，形成蜂窩結(jié)構(gòu)。制備方法具體包括以下步驟：S1、制備金屬氫化粉末；S2、冷噴涂成型；S3、脫氫處理。本發(fā)明的制備方法降低了冷噴涂加工尤其是粉末需要高臨界噴涂速率等要求，拓寬了冷噴涂加工金屬材料的可行性，而且本發(fā)明的制備方法與鑄造、粉末冶金和增材制造等制備方法相比具有快速且連續(xù)、短流程的特點(diǎn)。本發(fā)明制備的多孔結(jié)構(gòu)金屬材料與常規(guī)冷噴涂加工的金屬材料相比具有更高的電磁屏蔽性能，可低成本的應(yīng)用于電磁屏蔽領(lǐng)域。

技術(shù)研發(fā)人員：張新宇,陳濤,劉日平
受保護(hù)的技術(shù)使用者：燕山大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10