基于单一直径高强度金属球的轻量化金属多孔材料强化方法

摘要

本发明公开了一种基于单一直径高强度金属球的轻量化金属多孔材料强化方法，利用单一直径的高强度金属球填充金属多孔材料内部和外部空间，通过挤压金属球，使金属多孔材料局部收到挤压，进而使金属多孔材料组织更加细化和致密，从而提升其力学性能。

说明书

技术领域

本发明属于材料科学领域，具体是指基于单一直径高强度金属球的轻量化金属多孔材料强化方法。

背景技术

多孔介质在自然界动植物体中发挥着不可替代的功能。许多天然结构材料本身就是多孔固体，如木材、骨头以及珊瑚等等，能长时间承受静载荷和疲劳载荷。在航空航天、船舶、汽车等工业领域，高强度、低重量的材料一直是工程技术人员关注的焦点。近年来出现的人工金属多孔材料也具有很高的孔隙率，同时具有高比强度、高比刚度、高强韧、抗冲击等优良力学性能，除此之外还具有多功能集成的特性，如屏蔽电磁辐射、减震以及隔热降噪等等。

金属多孔材料按其微结构的规则程度可分为无序和有序两大类，前者主要包括泡沫材料，后者主要指点阵材料，即杆件按一定规则重复排列而成的空间桁架结构。但目前通过熔模铸造或3D打印制备的金属多孔材料，大多存在组织不致密，性能不理想的问题。

为解决上述问题，目前金属多孔材料的强化手段有如下几种：(1)调整材料成分：调整基体材料成分，即添加强化元素起到固溶或第二相强化的作用。添加变质剂起到细化组织的作用；(2)改变多孔结构，例如调整泡沫金属材料的空隙率和杆径，优化金属多孔材料的点阵结构：杆径、杆长、角度等；(3)通过热等静压进行后期强化，以消除内部缺陷(一般为孔隙)。

对于(1)和(2)的强化方式，只能在金属多孔材料制备前进行，当金属多孔材料被制备出来后，则不能再作为金属多孔材料的强化手段。方式(3)可对制备成型的金属材料进行强化，但热等静压设备价格昂贵，一般为百万以上。同时热等静压处理工艺也较为复杂。上述两点均限制了其应用。

发明内容

本发明的发明目的是克服现有技术中针对已制备出的金属多孔材料组织不致密、性能不理想，而热等静压处理设备昂贵、工艺复杂的问题，而提供一种基于单一直径的高强度金属球的轻量化金属多孔材料的强化方法，从而提高其材料性能。

为实现上述目的，本发明的技术方案是利用单一直径的高强度金属球填充金属多孔材料内部和外部空间，通过模具挤压金属球，使金属多孔材料局部受到挤压，进而使金属多孔材料组织更加细化和致密。

具体包括以下步骤：

(1)使用金属多孔材料，其中孔径≥1.5mm，杆径≥0.5mm，同时，孔径与杆径的比例≥3；

(2)将金属多孔材料放入压缩模具内，压缩模具的内壁与金属多孔材料的距离大于等于金属多孔材料杆径的1.5倍；

(3)振动模具的同时填充单一直径的高强度金属圆球，其中高强度金属球硬度为金属多孔材料硬度的2倍以上，高强度金属球的直径为金属多孔材料杆径的0.5～1.5倍，金属多孔材料的四周尤其是压缩方向上必须均被高强度金属球包围，保证金属多孔材料不与压缩模具和压头直接接触；

(4)采用与压缩模具相配合的压头，压头与模具间的距离小于高强度金属球直径的0.5倍，使得高强度金属球不会从压缩模具与压头间的缝隙溢出；

(5)以0.1～0.5mm/s的速度向下进行压缩，使压缩模具内的压缩强度为金属多孔材料所用基体金属材料屈服强度的0.1～0.5倍，该压缩强度为压力/模具内的横截面积，并保压10秒～30秒，使高强度金属圆球填充到金属多孔材料的内部空间；

(6)以0.1～3mm/s的速度向下进行压缩，压缩模具内的压缩强度大于金属多孔材料所用基体金属材料的屈服强度，保压30秒～60秒，其中压缩强度为压力/模具内的横截面积；

(7)卸载压力，松动高强度金属球后取出经过强化处理的金属多孔材料。

进一步设置是重复(2)～(7)步骤1至3次。

本发明提出了一种创新的强化方式：利用高强度金属球填充金属多孔材料内部和外部空间，通过挤压金属球，使金属多孔材料局部收到挤压，进而使金属多孔材料组织更加细化和致密，从而提升其力学性能。

本发明的优点是：

(1)采用普通压机和模具，设备成本低，相对于数百万的热等静压设备，本发明更加推广和应用价值。

(2)工艺简单，操作安全。相对于热等静压处理的高温高压，本发明仅仅通过挤压高强度金属球即可使金属多孔材料组织更加细化和致密。

(4)高强度金属球可反复使用，降低成本。

(5)强化效果突出，可提升金属多孔材料屈服强度1.5～2倍，甚至以上。

(6)由于金属多孔材料为高强度金属球所包围，在挤压时，宏观尺寸变化不大。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。

图1在模具内放置金属多孔材料的示意图；

图2填充高强度金属球的示意图；

图3在模具内继续填充高强度金属球至包围金属多孔材料的示意图；

图4压头向下挤压高强度金属球的示意图；

图5本发明实施例1挤压一次后的纯铝多孔材料扫描电子显微镜照片；

图6本发明实施例1原始样、挤压一次、挤压三次后的纯铝多孔材料压缩力学性能曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

实施例1纯铝多孔材料的强化

如图1至图6所示，为本发明实施例1中，包括以下步骤：

(1)使用纯铝多孔材料，其中孔径6mm，杆径2mm，孔径与杆径的比例等于3。制备方法为熔模铸造，铸造纯铝的屈服强度约为30Mpa。

(2)将纯铝多孔材料放入压缩模具内，压缩模具的内壁与纯铝多孔材料的距离为4mm，参见图1；

(3)振动模具的同时填充单一直径的高强度金属圆球，采用304不锈钢球，其硬度值为175HV，约为铸造纯铝硬度的4倍。采用304不锈钢球的直径为1mm，为纯铝多孔材料杆径的0.5倍。参见图2、图3；

(4)采用与压缩模具相配合的压头，压头与模具间的距离小于0.1mm。

(5)以0.1mm/s速度下进行压缩至压缩模具内的压缩强度(压力/模具内的横截面积)为10MPa，约为铸造纯铝屈服强度的0.33倍，并保压20秒。参见图4；

(6)以1mm/s向下进行压缩至压缩模具内的压缩强度(压力/模具内的横截面积)为45MPa，约为铸造纯铝屈服强度的1.5倍，保压60秒。

(7)卸载压力，松动304不锈钢球后取出纯铝多孔材料，得到挤压一次试样。

(8)重复(2)～(7)步骤2次，得到挤压三次试样。

通过本发明的实施例，熔模铸造法制备的纯铝多孔材料，通过金属球挤压之后可看出明显的金属球挤压压痕。同时，随着挤压次数的增加，金属球挤压的压痕分布越密集。

图5为挤压一次后的纯铝多孔材料扫描电子显微镜照片，可以看出杆径已经被金属球挤压过。图6为原始样、挤压一次、挤压三次后的纯铝多孔材料压缩力学性能曲线，可以发现，经过金属球挤压之后，纯铝多孔材料的力学性能有明显提升，完全达到本发明的目的。

实施例2镁基合金多孔材料的强化

(1)使用镁基合金多孔材料，其中孔径4mm，杆径1mm，孔径与杆径的比例为4。

(2)将镁基合金多孔材料放入压缩模具内，压缩模具的内壁与镁基合金多孔材料的距离为3mm；

(3)振动模具的同时填充单一直径的高强度金属圆球，采用304不锈钢球，其硬度值为175HV，约为铸造镁基合金硬度的4倍。采用304不锈钢球的直径为1.5mm，为镁基合金多孔材料杆径的1.5倍。

(4)采用与压缩模具相配合的压头，压头与模具间的距离小于0.1mm。

(5)以0.5mm/s速度下进行压缩，使压缩模具内的压缩强度(压力/模具内的横截面积)达到铸造镁基合金屈服强度的0.5倍，并保压30秒。

(6)以3mm/s向下进行压缩至压缩模具内的压缩强度(压力/模具内的横截面积)为铸造镁基合金屈服强度的1.5倍，保压30秒。

(7)卸载压力，松动304不锈钢球后取出镁基合金多孔材料，得到挤压一次试样。

实施例3铝基合金多孔材料的强化

(1)使用铝基合金多孔材料，其中孔径1.5mm，杆径0.5mm，孔径与杆径的比例为3。

(2)将铝基合金多孔材料放入压缩模具内，压缩模具的内壁与铝基合金多孔材料的距离为3mm；

(3)振动模具的同时填充单一直径的高强度金属圆球，采用304不锈钢球，其硬度值为175HV，约为铸造铝基合金硬度的3倍。采用304不锈钢球的直径为0.5mm，为铝基多孔材料杆径的1倍。

(4)采用与压缩模具相配合的压头，压头与模具间的距离小于0.1mm。

(5)以0.1mm/s速度下进行压缩，使压缩模具内的压缩强度(压力/模具内的横截面积)达到铸造铝基合金屈服强度的0.1倍，并保压10秒。

(6)以0.1mm/s向下进行压缩至压缩模具内的压缩强度(压力/模具内的横截面积)为铸造铝基合金屈服强度的1.5倍，保压60秒。

(7)卸载压力，松动304不锈钢球后取出铝基合金多孔材料，得到挤压一次试样。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。