CN109252062B - 一种基于p曲面空间结构的泡沫镍的制备方法 - Google Patents

一种基于p曲面空间结构的泡沫镍的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于P曲面空间结构的泡沫镍的制备方法。属于高温结构材料制备领域。所述制备方法主要包括利用PLA材料3D打印出具有P曲面空间结构，涂挂浆料的制备、浇注等几个步骤。本方法制备的泡沫镍材料可以通过控制P曲面空间结构的参数，直接控制所需制备的泡沫镍材料的孔隙率及结构，以期达到合适的力学性能。这种具有P曲面空间结构的泡沫镍材料，不仅具备普通泡沫金属所特有的高孔隙率、比重小、比表面积大、比强度高、阻尼减震性能好、隔热和隔声性能优良的特点，还具有可调孔隙率以达到要求特定性能的特点，使制备的泡沫镍更适合多变的工业生产需求。

Description

一种基于P曲面空间结构的泡沫镍的制备方法
技术领域
本发明涉及一种泡沫镍的制备方法。具体的涉及一种基于P曲面空间结构的泡沫镍的制备方法，属于高温结构材料领域。
背景技术
泡沫镍是一种镍金属基体中分布着大量连通孔洞的新型轻质高温结构功能材料。泡沫镍不仅具备泡沫材料所特有的高孔隙率、比重小和比表面积大等特点，而且兼具金属相韧性好且具备抗腐蚀的特点。这种特殊的孔洞结构使得泡沫金属具有比强度高、阻尼减震性能好、隔热和隔声性优良，而且具有优异的热物理性能，良好的声学及电磁学性能等特点，所以具备十分广阔的应用前景。近年来，泡沫金属应用广泛。但目前泡沫金属的生产方法大多数为发泡法，使用发泡剂发泡不能提供具有一定力学性能的泡沫金属。本发明“一种基于P曲面空间结构的泡沫镍及其制备方法”所制备的泡沫镍分布着大量连通或的孔结构，孔隙率可调，且可以通过曲面参数控制泡沫镍在各个方向上的力学性能。
发明内容
本发明提供一种基于P曲面空间结构的泡沫镍的制备方法，这种三维周期极小曲面结构除力学性能好的优点，在防撞击性能上较其他结构具备明显优势外，还具备光滑连续、连通性良好、三维贯通的孔隙结构。通过该方法可以对孔结构、孔隙率进行任意控制和调整，可以保证孔结构的均匀一致，便于获取特定工况下的最佳孔隙度。其中，该制备方法包含以下几个步骤：
步骤一、利用3D打印的方法将PLA材料制备成具有一定厚度的P曲面空间结构；
步骤二、将耐火材料和粘结剂按一定比例混合而成制备涂挂浆料，其具体成分为：Al2O3，CaO和SiO2，粘结剂的主要成分为水玻璃和硅溶液。其中耐火材料，水玻璃，硅溶胶的质量比为80-90：5-20：3-8，加水搅拌调节波美度，使波美度在35~45范围。
步骤三、利用步骤一获得的P曲面空间结构和步骤二获得的涂挂浆料制备型壳，即先将P曲面空间结构浸涂一层浆料后撒一层砂料，在第一层浆料层和撒砂层干燥完成后重复浸涂、撒砂多次以获得具有分层结构的型壳。待浆料硬化后，放入190-250℃烘干箱中干燥1.5-2.5h，使PLA熔化，清除熔融的PLA材料，然后将其置于焙烧炉中焙烧，先以100℃/h的温度速率，加热到450-500℃焙烧2-3h，然后以200℃/h的速率加热到900-1000℃焙烧3-4h，即可得到具有P曲面空间结构的型壳；
步骤四、将镍合金在真空下加热到（1550-1650）±10℃进行熔化；
步骤五、再将步骤三所获得的具有P曲面空间结构的型壳放在模具中，将型壳预热到800-900℃，再将步骤四获得的镍合金液体直接浇注到型壳中，在此要保证镍合金液的浇注温度在（1500-1600）±10℃，同时对其施加0.03-0.05MPa的压力；
步骤六、采用高频震动退壳后再使用空气压缩的方式进行清壳，最后使用酸洗和喷砂的工序去除镍表面的残渣即可制备具有P曲面空间结构的泡沫镍；
所述步骤二涂挂浆料的主要成分是Al2O3，耐火材料的主要成分是Al2O3，还有少量的CaO和SiO2。其含量为95％≤Al2O3≤97％，0.5％≤SiO2≤2％，2.5％≤CaO≤3％，并且以水玻璃和硅溶胶为粘结剂，在步骤三中撒砂使用400目、200目和100目混合比例为65-70：15-20：8-12的莫来石。由此制造的涂挂浆料比重大，热导性好，热膨胀小而均匀，在高温下呈碱性或中性，故用它制作的型壳尺寸稳定，热稳定性和高温化学稳定性好。
本发明具备如下有益效果：
本发明的技术方案提供一种具有P曲面空间结构的泡沫镍，该模型的支撑结构是一种具有三维周期的极小曲面结构，独特的孔隙结构使得泡沫镍的密度小，比表面积大，能量吸收率高。在孔隙率相同的情况下，泡沫金属的力学性能取决于基体金属的力学性能和空间结构，所以通过控制P曲面空间结构参数直接控制所生产的泡沫镍材料的孔隙率和力学性能。
通过本发明的步骤制备出的泡沫镍通过对P曲面空间结构进行设计，构造可控的结构预制块以控制和调整孔径大小、孔隙率、气孔形状分布，孔隙率可在70%~95%范围内调整，同时保证成品的力学性能。另外，该方法制备的泡沫镍的孔是在相互连通的三维多孔结构，形状规则且可控，使泡沫镍获得优良的力学性能，工艺简单，生产周期较短，同时合理设计的P曲面空间结构能够保证力学强度。
附图说明
下面结合具体实例对本发明做进一步说明。
图1为单胞P曲面空间结构。
图2为3周期参数P曲面空间结构。
图3为1mm厚2周期参数P曲面空间结构。
图4为1mm厚3周期参数P曲面空间结构。
具体实施方式
实施例一
步骤一、利用3D打印的方法将PLA材料制备成具有一定厚度的P曲面空间结构，其中周期参数为2，曲面厚度为1mm，如图3所示。
步骤二、将耐火材料和粘结剂按一定比例混合而成制备涂挂浆料，其具体成分为：Al2O3，CaO和SiO2，粘结剂的主要成分为水玻璃和硅溶液。其中耐火材料，水玻璃，硅溶胶的质量比为85：10：5，耐火材料的主要成分是Al2O3，还有少量的CaO和SiO2，其质量含量为Al2O3：95％，SiO2：2％，CaO：3％，加水搅拌调节波美度，使波美度为40。
步骤三、利用步骤一获得的P曲面空间结构和步骤二获得的涂挂浆料制备型壳，即先将P曲面空间结构浸涂一层浆料后撒一层砂料，在第一层浆料层和撒砂层干燥完成后重复浸涂、撒砂多次以获得具有分层结构的型壳，撒砂使用400目、200目和100目混合比例为70：20：10的莫来石。待浆料硬化后，放入200℃烘干箱中干燥2h，使PLA熔化，清除熔融的PLA材料，然后将其置于焙烧炉中焙烧，先以100℃/h的温度速率，加热到500℃时保温2h，然后以200℃/h的速率加热到900℃保温3h。即可得到具有P曲面空间结构的型壳；
步骤四、将镍合金在真空下加热到1600℃进行熔化；
步骤五、再将步骤三所获得的具有P曲面空间结构的型壳放在模具中，将型壳预热到800-900℃，再将步骤四获得的镍合金液体直接浇注到型壳中，镍合金液的浇注温度1600℃，同时对其施加0.03-0.05MPa的压力；
步骤六、使用高频震动的方法退壳，使用空气压缩的方式进行清壳，最后使用酸洗和喷砂的工序去除镍表面的残渣即可制备具有P空间结构的泡沫镍，其孔隙率为：87.96％。
实施例二
步骤一、利用3D打印的方法将PLA材料制备成具有一定厚度的P曲面空间结构，其中周期参数为3，曲面厚度为1mm，如图3所示（实例二和实例一的空间结构相同，区别为曲面厚度不同）。
步骤二、将耐火材料和粘结剂按一定比例混合而成制备涂挂浆料，其具体成分为：Al2O3，CaO和SiO2，粘结剂的主要成分为水玻璃和硅溶液。其中耐火材料，水玻璃，硅溶胶的质量比为85：10：5，耐火材料的主要成分是Al2O3，还有少量的CaO和SiO2，其质量含量为Al2O3：95％，SiO2：2％，CaO：3％，加水搅拌调节波美度，使波美度为40。
步骤三、利用步骤一获得的P曲面空间结构和步骤二获得的涂挂浆料制备型壳，即先将P曲面空间结构浸涂一层浆料后撒一层砂料，在第一层浆料层和撒砂层干燥完成后重复浸涂、撒砂多次以获得具有分层结构的型壳，撒砂使用400目、200目和100目混合比例为70：20：10的莫来石。待浆料硬化后，放入200℃烘干箱中干燥2h，使PLA熔化，清除熔融的PLA材料，然后将其置于焙烧炉中焙烧，先以100℃/h的温度速率，加热到500℃时保温2h，然后以200℃/h的速率加热到900℃保温3h。即可得到具有P曲面空间结构的型壳；
步骤四、将镍合金在真空下加热到1600℃进行熔化；
步骤五、再将步骤三所获得的具有P曲面空间结构的型壳放在模具中，将型壳预热到800-900℃，再将步骤四获得的镍合金液体直接浇注到型壳中，镍合金液的浇注温度1600℃，同时对其施加0.03-0.05MPa的压力；
步骤六、使用高频震动的方法退壳，使用空气压缩的方式进行清壳，最后使用酸洗和喷砂的工序去除镍表面的残渣即可制备具有P空间结构的泡沫镍，其孔隙率为83.5％。

Claims (7)

1.一种P曲面空间结构泡沫镍的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）利用3D打印的方法将PLA材料制备成具有一定厚度的P曲面空间结构；
（2）将耐火材料和粘结剂混合后制备得到涂挂浆料；
（3）利用步骤一获得的P曲面空间结构和步骤二获得的涂挂浆料制备型壳，即先将P曲面空间结构浸涂一层涂挂浆料后撒一层砂料，在第一层涂挂浆料层和撒砂层干燥完成后重复浸涂、撒砂料多次以获得具有分层结构的型壳，待浆料硬化、干燥后将其置于焙烧炉中焙烧，即可得到具有P曲面空间结构的型壳；
（4）将镍合金在真空下加热熔化；
（5）将步骤（3）所获得的具有P曲面空间结构的型壳放在模具中，将型壳预热到800-900℃，再将步骤（4）获得的镍合金液体直接浇注到型壳中，得到浇注材料；
（6）将步骤（5）得到的浇注材料采用高频震动退壳后再使用空气压缩的方式进行清壳，最后使用酸洗和喷砂的工序去除镍表面的残渣即可制备具有P曲面空间结构的泡沫镍。
2.根据权利要求1所述的P曲面空间结构泡沫镍的制备方法，其特征在于，步骤（2）中耐火材料具体成分为：Al2O3，CaO和SiO2；粘结剂的具体成分为硅溶胶和水玻璃，其中耐火材料，水玻璃，硅溶胶的质量比为80-90：5-20：3-8，加水搅拌调节波美度，使波美度在35~45范围。
3.根据权利要求2所述的P曲面空间结构泡沫镍的制备方法，其特征在于，所述的耐火材料的主要成分是Al2O3，含有少量的CaO和SiO2，其含量为95％≤Al2O3≤97％，0.5％≤SiO2≤2％，2.5％≤CaO≤3％。
4.根据权利要求1所述的P曲面空间结构泡沫镍的制备方法，其特征在于，将P曲面空间结构重复浸涂涂挂浆料、撒砂料多次以获得具有分层结构的型壳，待浆料硬化后，放入190-250℃烘干箱中干燥1.5-2.5h，使PLA熔化，清除熔融的PLA材料，然后将其置于焙烧炉中，先以100℃/h的温度速率，加热到450-500℃焙烧2-3h，然后以200℃/h的速率加热到900-1000℃焙烧3-4h，即可得到具有P曲面空间结构的型壳。
5.根据权利要求1所述的P曲面空间结构泡沫镍的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述的砂料为莫来石经分别磨碎400目、200目和100目后按质量比为65-70：15-20：8-12混合。
6.根据权利要求1所述的P曲面空间结构泡沫镍的制备方法，其特征在于，步骤（4）中镍合金在真空下加热到（1550-1650）±10℃进行熔化。
7.根据权利要求1所述的P曲面空间结构泡沫镍的制备方法，其特征在于，步骤（5）中镍合金液的浇注温度在（1500-1600）±10℃，浇注过程中施加的压力为0.03-0.05MPa。
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