（材料学专业论文）选区激光熔化制备多孔316l不锈钢和多孔钛的研究.pdf

p t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo fm a t e r i a ls c i e n c ea n dt e c l l l l o l o g y p r e p a r a t i o no f p o r o u s316 ls t a i n l e s ss t e e l a n dp o r o u st i t a n i u mb ys e l e c t i v el a s e r m e l t i n g a 。i 。h e s l sm m a t e r i a l o g y b y w 撕gz 1 1 i y a n g a d v i s e db y p r o fs h e l 】y i 6 1 s u b m i t t e di np a n i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rm e d e 舒e eo f m a s t e ro fe n g i n e 耐n g m a r c h ，2 0 1 0 一 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：至垄里! 日期： 麴f 生至至盆墨乡旧 r 南京航空航天大学硕+ 学位论文 摘要 选区激光熔化是一种典型的快速原型制造技术，可以在没有工装夹具或模具的条件下，利 川激光束将粉体材料熔融堆积而快速成形出任意复杂形状的三维零件。本文将选区激光熔化技 术引入多孔金属制备领域，选用3 1 6 l 不锈钢、钛为基体，以n h 4 h c 0 3 、t i h 2 粉末为造孔剂， 成功制备出了多孔3 1 6 l 不锈钢和多孔t i 。利用、s e m 、e d x 等分析和检测手段，研究了 获得的多孔结构的物相、显微组织和成分，分析了造孔剂种类、含量及激光功率与扫描速率等 激光工艺参数对成形的多孔试样显微组织特征和性能的影响规律：并阐述了不同造孔剂组分和 激光工艺条件下多孔结构的成形机制。 使用n h 4 h c 0 3 粉末作为造孔剂成形多孔3 1 6 l 不锈钢时，在优化的工艺条件( n h 4 h c 0 3 造孔剂含量为4 o 叭、激光功率8 0 0w 、扫描速率o o lm 瓜) 下，获得了新颖的蜂窝状微孔结 构。该多孔结构中孔隙分布均匀，孔径在2 5 胂之间，开孔孔隙率达到4 5 ，多孔结构中不 存在造孔剂残余物，具有较高的化学纯度。 使用t i h 2 粉末作为造孔剂成形多孔3 1 6 l 不锈钢时，在激光功率6 5 0w 、扫描速率o 0 3 以 工艺条件下，制备出平均孔径在亚毫米量级( 约2 5 0 3 0 0 胛) 的多孔不锈钢，当t i h 2 造孔剂 含量由2 叭增至1 0 吼时，多孔试样的孔隙率由2 8 7 增加到3 8 7 ；此外，还研究了s i c 陶瓷颗粒的加入对3 1 6 l 不锈钢厂i 讯2 混合粉体s l m 成形多孔结构的影响，研究表明s i c 陶瓷的 加入有利于获得较高的孔隙率，但同时也恶化了粉体成形性能。 对同 1 2 仍粉末体系进行了s l m 实验研究，在t i h 2 组分含量6 0 眦及激光功率1 0 0 0w 、 扫描速率0 0 2n 以工艺条件下，成形出孔隙率为4 2 8 、平均孔径约3 5 0 弘m 的多孔t i 试样， 且大部分孔隙为近圆形，孔径分布较为均匀，分布范围为 2 0 0 一 6 0 0 肛m 。研究发现，在激光 ： 艺过程中删2 粉末除了充当造孔剂外，还可提供保护气氛，粉体成形时未发生显著氧化，保 证了获得的多孔t i 结构具有较高的化学纯度。 研究还发现，所用扫描速率对成形的多孔t i 试样的孔隙率及孔壁显微硬度有重要影响。在 t i h 2 含量6 0 叭、激光功率吲定为1 0 0 0w 的实验条件下，当扫描速率由o 0 lm s 增加到o 0 3 i 彬s 时，多孔试样的孔隙率由3 2 4 增大到4 7 2 ，而扫描速率进一步增至o 0 5n 以时，多孔试 样的孔隙率下降至1 8 4 ；而多孔试样孔壁显微硬度随扫描速率的变化趋势与上述孔隙率的变 化趋势相反，当扫描速率从o 0 1i 幽增加至0 0 3m s 时，孑l 壁显微硬度从4 4 2 3h v o 0 2 5 降至4 0 3 6 h v o 0 2 5 ；扫描速率进一步增加至o 0 5m s 时，孔壁显微硬度增加至4 3 0 9h v o 麟。 关键词：选区激光熔化，多孔3 1 6 l 不锈钢，多孔钛，显微组织，成形性能，显微硬皮 选区激光熔化制备多孔3 1 6 l 不锈钢和多孔钛的研究 a b s t r a c t s e l e c t i v el a s e rm e l t i n g ( s l m ) ，觞ab ，p i c a lr 印i dm a i l u f a c t u r i n g ( r m ) t e c l l i l i q u e ，e n a b l e s 雠 q u i c kp r o d u c t i o no fc o m p l e xs h a p e dt l l r e e _ d i m e n s i o n a l ( 3 d ) c o m p o n e n t sb yl a y e r w i s e 如s i n gp o w d e r m a t e r i a l s 谢mas c a n n i n gl 笛e rb e 锄，、) l ，i t h o u tt l l eu s eo ff i x t u r e0 rt 0 0 1 i n g h lt i l ep r e s e n tp a p e r ，s l m m e t l l o di si n 的d u c e di l l t ot 1 1 ef i e l do f p o r o u sm e t a l sf a b r i c a t i o n 3 1 6 ls t a j n l e s ss t e e lb 雏e 狮dt i t a i l i u m b 笛e p o r o l l sm e t a l sw e r es u c c e s s 鼬l yp r e p a r e dl l s i n gn h 4 h c 0 3a n dt i h 2p o w d e r s 躯t i l e p o r e f 跏n ga g e n t s p h a s e s ，1 1 1 i c r o s t l l 】c t u 他sa n dc o m p o s i t i o n so fm ep c e s s e dp o r o u ss 仇l c t u r 嚣 w e r ei n v e s t i g a t e du s i n gx r d ，s e ma i l de d x 1 ke 艉c t so fc o n 驴n e n 缸a l ( t l l e t ) ，p e sa n dc o n t e 鹏o f p o r e - f b m i i i l ga g e i l t s ) a j l dp r o c e s s i i l gc o n d i t i o 璐( 1 弱既p o 、d e ra n ds c a l l l l i i l gs p e e d ) 0 n1 1 1 i c r o s 仇l c t i l 】融 f e a t u r e so fm eo b t a i n e dp o r o u ss 价l c t l l r e s 觚dt l l e i rp m p e r t i e s 、e a n a l y 跫d t h ef o 姗a t i o n m e c l 疵s m so fp o r o u ss 扪j c t l l r e sm l d 盯v a r i o u si n g r e d i e i i t so fp o 豫一f o 皿 1 i 】唱a g e n t s 蛆dl 豳e r p r o c e s s i n gc o n d i 石o i l sw e r ea l s oe l u c i d a t e d t h es e l e c t i v el a l s e rm e l t i i l go fab l e n d e d p o w d e rs y s t e mc o n s i s t i i l go f31 6 l s t a i l l l e s ss t e e lp o w d e r a i l d g 嬲一g e n e m t i n gp o w d 盯n h 4 h c 0 3w 弱p e r f 0 加舱d an o v e lh 0 y c o m b l i k em i c r o c e l l u l 盯 s 饥l c t u p o s s e s s i n gu r i u s u a l l ym i c r o m e t 盱s c a l e dp o r e sw 觞p r 印a r e d ，丽t l l l ea d d i t i o no f4 0 嘶 n h 4 h c 0 3p o w d e ra n du s i i 喀叩t i l 协dp r o c e s s m gc o n d i t i o l l s ( 1 舔e rp 佣惯o f8 0 0w a n ds c 锄n i n g s p e e do f o 0 1n 以) 1 1 圮o b t a 证e dp o r o l l ss 仃u c t i l p r e s e r l t e dau n i f 0 1 肌p o r ed i s 缸访u 垃o ni i l 吐圮r 她g e0 f 2 t 0 5 胂a n d h a da i l o p e n p o r o s 时o f 4 5 a h i g l lc l 圮r n i c a l p 嘣t y 嘲a l s o y i e l d e d f o r l i s p o r o u s s 仇l c t i l r ew i 也o u tt l l ed e t e c t i o no fr e s i d u a lg 弱一g e r a t i n ga g e n t p o r 0 惦31 6 ls t a i l l l e s ss t e e l 、j l ，i ls u b - m i l l i m e t e rs c a l e dp o 陀s ( ，之5 0t o ，3 0 0p m ) w 觞p r e p a r e d w i t hn l ea d d i t i o no ft i h 2p o r e - f 0 m l i i l ga g e n t ，璐m gal 雒e rp o w e ro f6 5 0wa 1 1 das c 锄i n gs p e e do f 0 0 3i t 以a s 也ec o n t e n to ft i h 2p 0 、砌e rr 0 自o m2 叭t 01 0w t ，i ep o r o s i t yo ft l l ep o r 0 璐 s a i n p l e sm r e a s e da c c o r d i n g l y 丘o m2 8 7 t o3 8 7 1 1 l er o l e0 fs i cc e r a i i l i cp a r t i c l e sa d d i t i o n0 n m es l m - p r o c e s s e dp o r o u ss 打u c t u r e s 丘o m3 16 ls t a i l l l e s ss t e e l 锄dt i h 2b l e n d e dp o w d e rw 觞a l s o 姗e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h tt l l es i ca d d i t i o nw a sf a v o 讪l et oa c l l i e v eal l i g hp o r o s 啵b u t 、a si i l f a u s tf o rd e g 阻d i n gt h ef 0 肌i r i gp 掣r 哆 1 1 l c s e l e c t i v el a s e rm e l t i n go ft 1 1 et i h 2 1 ib l e n d e dp o w d e rw 嬲c a r 打e do u t p o r o u st i t a n i u m s a r l l p l e sc l l a m c t e r i z e db yap o r o s 时o f4 2 8 柚da na v e r a g e dp o r es i z eo f3 5 0 弘mw e r eo b t a i l l e d w i m6 0 叭t i h 2a d d i t i o n ，a tai a l s e rp o w 盯o fl o o owa i l das c a i l i 妇gs p e e do fo 0 3r n s 1 k m a j o f i t yo ft h ep d r e si n t h ep o r 0 璐s t r u c t u r 豁e x h i b j t e dan e a h o u n ds h 印e ，a n dt h ep o r es i z e s ， 4 7 2 w h e nt h ea p p l i e ds c 籼i n gs p e e dr o s e 舶mo 0 1 州st o0 0 3 毗心t l l es c 锄吨s p e e df h 砒e r i n c r e a s e dt 0o 0 5n 以，t l l ep o r o s 时d e c r e 笛e dt o18 4 i l lc o n t m s t ，m ec h a n g e so fm ei n i c r o h 疵1 1 1 e s s o ft i 、a l l sw i t h 吐屺s c 锄i 1 1 9s p e e ds h o w e dar e v e r s et e n d e n c y - w 1 1 e nn l es c 锄i n gs p e e dr o s e 鱼) m o o lm st oo 0 3m ，s ，也em i c r o h a r d n e s so ft iw a l l sd e c l i n e d 舶m4 4 2 3h v o 0 2 5t 04 0 3 6h v o 0 2 5 w h i i e 觞t l 圮s c 锄n i n gs p e e d 眦rm c r e 舔e dt oo 0 5m s ，t h em i c r o h a r d 鹏s sv a i u eo ft iw a l l s i n c r e 笛e ds l i g h t l yt 04 3 0 9h v o 0 2 5 k e yw o r d s ：s e l e c t i v el a s e rm e l t i n g ，p o r o l l s3 16 ls t a i l l l e s ss t e e l ，p o r 0 惦t i u m ，m i c p o s t r u c t i l r e ， f o m m gp r o p e r t y ，m i c r o h a r d n e s s 选区激光熔化制备多孔3 1 6 l 不锈钢和多孔钛的研究 目录 第一章绪论1 1 1 多孔金属材料的结构与性能l 1 1 1 多孔金属的结构特征1 1 1 2 多孔金属的主要性能2 1 2 多孔金属材料的应用3 1 1 3 多孔金属制备研究现状分析。5 1 3 1 多孔金属主要制备方法概述5 1 3 2 多孔金属制备存在的主要问题及对策7 1 3 3 激光快速成形技术的引入8 1 4 激光快速成形技术制备多孔金属研究现状1 2 1 5 课题的主要研究内容1 4 第二章3 1 6 l 不锈钢n h 4 h c 0 3 粉末体系选区激光熔化蜂窝状多孔结构的制备1 6 2 1 实验1 6 2 1 1 粉末制备1 6 2 1 2 激光工艺1 7 2 1 3 试样表征1 8 2 2 多孔3 1 6 l 不锈钢显微组织特征1 9 2 2 1 不同激光功率下多孔结构衍变1 9 2 2 2 高功率下蜂窝状多孔结构微观特征分析2 0 2 2 3 造孔剂含量对孔隙特征的影响2 l 2 3 蜂窝状微孔结构成形机制2 3 2 3 1 气体的产生2 3 1 2 3 2 成形机制分析2 3 2 4 本章小结2 5 第三章t i h 2 及s i c 的加入对激光熔化多孔3 1 6 l 不锈钢显微组织特征和成形性能的影响。2 6 3 1 实验2 6 3 1 1 粉末制备2 6 3 1 2 成形j i ：艺。2 7 3 1 3 试样表征2 8 南京航空航天大学硕：t 学位论文 3 2 高激光功率条什下3 1 6 l 2 o 研t i h 2 混合粉体的选区激光熔化。2 8 3 2 1 物相分析2 8 3 2 2 显微组织分析2 9 3 2 3 机理分析3 0 3 3 低激光功率条什下3 1 6 u t i h 2 混合粉体的选区激光熔化3 l 3 3 1t 矾2 含量对多孔结构成形的影响3 l 3 3 2s i c 的加入对多孔结构成形的影响。3 4 3 4 本章小结3 4 第四章t m 2 用粉末体系选区激光熔化多孔t i 的显微组织及性能。3 6 4 1 实验3 6 4 1 1 粉末制备3 6 4 1 2 激光工艺3 7 4 1 3 试样表征3 8 。4 2 多孔t i 结构微观特征分析。3 8 4 2 1 删2 造孔剂含量对多孔结构微观特征的影响。3 8 4 2 2 扫描速率对多孔结构特征的影响。4 2 4 3 多孔t i 结构成形机理分析4 4 4 3 1 成形性能4 4 4 3 2 孔隙形成机制4 5 4 4 本章小结4 6 第五章结论与展望4 8 5 1 结论4 8 5 2 展望4 9 致谢一5 6 攻读硕士学位期间发表或己完成的学术论文。5 7 v 选区激光熔化制备多孔3 1 6 l 不锈钢和多孔钛的研究 图表清单 图清单 图1 1 多孔金属材料制备工艺方法【2 】5 图1 2r p 工艺过程示意图【3 l 】9 图l - 3 金属零件激光快速成形工艺分类p 7 】1 0 图1 4s l s 成形件中存在的典型的工艺缺陷1 1 图1 5 不同成形机制下3 1 6 l 不锈钢激光成形件的表面形貌1 2 图1 6s l m 涉及的典型工艺问题1 2 图1 7 不同成形策略下多孔体显微组织1 3 图1 8 不同工艺参数条件下s l m 制备的藕状3 1 6 l 不锈钢多孔结构一1 4 图2 1 原始3 1 6 l 不锈钢粉末的颗粒形貌1 7 图2 2 实验使用的高能球磨机1 7 图2 3 激光熔化实验设计1 8 图2 4 不同激光功率下激光熔化试样典型的表面形貌( s e m ) 1 9 图2 5 激光功率为8 0 0w 时获得的多孔试样的显微组织、化学成分及物相表征2 l 图2 6 不同n h 4 h c 0 3 造孔剂含量下s l m 多孔试样典型的表面形貌( s e m ) 2 2 图2 7 多孔试样开口孔隙率随n h 4 h c 0 3 含量的变化2 3 图2 8 选区激光熔化工艺过程中蜂窝状微孔结构形成机制示意图2 4 图3 1 原始3 1 6 l 不锈钢细粉的颗粒形貌图j 2 7 图3 2s l ，m 试样实物图片。2 8 图3 33 1 6 l ，2 o 叭乡h 2 粉体及其s l m 试样的x 射线衍射谱( x r d ) 2 9 图3 4a 组粉体s l m 试样典型的表面形貌、横截面显微组织及化学成分表征。3 0 图3 5s l ，m 过程中激光与粉体材料作用机制示意图。3 1 图3 6 不同含量删2 造孔剂条件下s l m 多孔结构特征及典型孔隙形态( s e m ) 3 3 图3 7d 组粉末体系s l r m 多孔试样典璀的显微组织( s e m ) 3 4 图4 1 原始t i 粉末的颗粒形貌3 7 图4 2s l m 实验设计及典型成形试样3 8 图4 3 不同t i h 2 一xt i ( 叭) 粉末体系s l ，m 制备多孔试样的显微组织表征3 9 图4 4t i h 2 4 0t i ( 叭) 粉末体系s l m 制备多孔t i 试样的孔径分布图4 0 图4 5 图4 3 中不同位置的化学成分分析( e d x ) 4 1 图4 6s u 多孔试样的x 射线衍射谱( x r d ) 4 1 t 南京航空航天大学硕士学位论文 图4 7 不同扫描速率( ，) 下s u 以多孔试样典型的显微组织及物相表征4 2 图4 8 扫描速率为o 0 3r n s 时s 【m 制备多孔t i 试样的孔径分布图4 3 图4 9 不同扫描速率下多孔试样的孔隙率及其基体的显微硬度4 4 图4 1 0 在o 1m p a 氢气压力条件下不同金属中氢溶解度随温度的变化曲线3 1 4 5 表清单 表1 1 商刚多孔泡沫金属的性能范围m 2 表1 2 多孔泡沫金属的潜在用途【1 1 1 4 表1 3 泡沫金属的基本成形策略、铝基泡沫金属的制造商及其产品的商品名【3 】6 表2 1 图2 5 a 所示多孔结构中不同孔壁位置化学成分的e d x 点扫描分析2 l 表3 1 不同组分比例下制备的粉末体系一2 7 南京航空航天人学硕十学位论文 第一章绪论 多孔材料是一类包含大量孔隙的材料，主要由形成材料本身基本构架的连续固相和形成孔 隙的流体相( 多为气相) 所组成。多孑l 材料中的孔隙是设计者和使用者所希望出现的功能相， 它们为材料的性能提供优化作用。在材料使用过程中经常遇到的孔洞、裂隙等以缺陷形式存在 的孔隙，它们的出现会降低材料的使用性能，这是设计者所不希望的，这些材料就不能叫做多 孔材料。所谓多孔材料，须具备如下两个要素：一是材料中包含大量的孔隙；二是所含孔隙被 用来满足某种或某些设计要求以达到所期待的使用性能指标【l 】。 多孔材料按照材质组成的不同主要分为多孔金属、多孔陶瓷和泡沫塑料。一般的有机和陶 瓷等多孔体总是难以同时满足强度、塑性、高温等使用条件的要求，多孔金属材料在一定程度 上弥补了以上各类多孔材料的不足，从而得到了迅速的发展。多孔金属材料不仅保留了金属的 延展性、可焊性及导电性等优良特性，还具有密度低、比表面积大、比刚度高、透气率高、热 导率高等优异的物理、力学性能，已成为一种新颖的功能结构材料。这种轻质材料被广泛用于 过滤与分离、电化学反应、热交换与冷却、医学移植、石油化工及航空航天等领域，而目前有 关多孔金属加j i i 制备的研究已受到国内外材料科学界的广泛关注【2 一钉。 1 1 多孔金属材料的结构与性能 1 1 1 多孔金属的结构特征 多孔金属由于孔洞的存在是一种不均匀的材料，孔的形状和分布称为几何结构。多孔金属 的结构直接决定其性能，气孔分布愈均匀、孔径愈趋于一致，则应力集中效应愈小，综合机械 性能愈高，且其热、电、声等物理性能也愈趋丁：均匀，便于实际应用与控制【5 】。对多孔金属结 构特征的表征可确定相关的结构参数，并了解它们对多孔材料性能的影响。一般地，多孔金属 材料的主要结构特征参数如下： ( 1 ) 孔隙率( 口) ：是指多孔金属中气孑l 所- 岬体积与多孔金属总体积的比率。孔隙率是表征 多孔金属中气孑l 含量的一个重要结构参数，同时也是决定多孔材料导热性、导电性、光学行为、 声学性能、拉压强度、蠕变率等物理、力学性能的关键因素【6 】； ( 2 ) 相对密度( p ) ：是指多孔金属的密度( p ) 与基体金属密度( p s ) 的相对值，p = p p 。 = l 一口。典型的泡沫金属的相对密度都小予o 3 ，而其他多孔金属的相对密度在o 3 1 之间【7 j ； ( 3 ) 孔尺寸：可用孔的等效直径( 定义为利这个孔具有相同体积或者面积的球形或圆形的 直径) 及孔的最人、最小或者平均直径这两组特征参数来定量描述； ( 4 ) 比表面i 积：是指材料单位体积或单伉质量所具有的表面积。多孔金属具有大的比表面 l 选区激光熔化制备多孔3 1 6 l 不锈钢和多孔钛的研究 积，可达1 0 4 0 c m 2 c m 3 。在多孑l 金属的大部分应用中，如消声降噪、过滤分离、反应催化、热 量交换以及人骨生物组织内生长等许多场合，都需要利用孔隙的内表面，其使用性能强烈地依 赖于内表面积的大小，故此时多孔体的比表面积成为整个多孔部件的一项重要指标。 1 1 2 多孑l 金属的主要性能 表1 1 示出了几种商用多孔泡沫金属的性能范围m 。可见，金属的多孔化显著地扩大了金属 的性能范围。这种性能的延伸，使得轻质多孔金属材料具备结构功能一体化的新颖特性。作为 结构材料，多孔金属具有轻质、高比强度、高比刚度的特点；作为功能材料，多孔金属具有多 孔、减振、阻尼、吸音、隔音、散热、吸收冲击能、电磁屏蔽等多种物理性能；因此其在工程 领域的应用范围不断拓宽。 表1 1 商用多孔泡沫金属的性能范卧7 】 多孔金属主要具有如下儿方面的性能优势： ( 1 ) 力学性能 多孔金属通常是韧性的，其力学性能主要包括压缩性能、拉伸性能和断裂性能等。压缩时， 多孔金属在一定应力水平下显示出了范围较宽的应变段，这时应力几乎不变；这种大范嗣平台 期的存在使得多孔金属具有良好的能量吸收能力和较大的能域吸收率。拉伸时的变形集中在多 孔金属的薄弱区域，最终的火效机理取决于金属基体材料的韧性；由于孔棱和孔壁韧性断裂相 2 明，拉伸强度的大小与压缩变形的平台应力大小基本相同。断裂性能和断裂韧性值对于承载的 多孔泡沫金属的应用有着重要的意义，但由于多孔金属结构的不均匀性，目前，多孔金属的临 界断裂韧性值还没有相应的测试标准。 作为结构材料，多孔金属j 泛刚于承载、包装及抗冲击等方面，而且多孔金属在加工过程 中和在作为功能材料时也经常会受到一定的载荷作用，所以多孔金属力学性能的相关研究是非 常重要的。 ( 2 ) 电性能 由于气孔的存在使得多孔金属的导电能力下降了许多，但其导电性仍足够提供良好的电场、 低的接触电压和吸收电磁波的能力。就开孔结构的金属海绵而言，其导电性可使电势分布在较 大的区域内，这对于电池电极的应j 4 ； 是很有吸引力的，泡沫镍就是很好的应用例子【钔。 ( 3 ) 热性能 多孔金属孔隙中存在的低导热系数的空气介质使其导热性随着孔隙率的增加而呈指数下降 的趋势，一般金属或合金的导热系数为1 0 3 0 0 w ( m k ) ，而多孔泡沫金属的表观导热系数为 金属或合金的o 0 1 0 1 倍。泡沫金属的导热系数介于金属材料与隔热材料之间，闭孔结构的绝 热性能优于通孔结构。具有通孔结构的泡沫金属具有很好的散热能力，在自然对流的条件下， 在一定范围内增大孔径、孔隙率均有利于提高对流换热能力 9 j 。 ( 4 ) 声学性能 多孔金属具有良好的吸声性能( 吸声系数可达0 8 5 ) ，可与最好的声控材料一聚合物泡沫的 吸声性能相媲美，并能在高温下加以保持。多孔金属因同时具有优良的吸声效率、透声损失、 透气性、耐火性和结构强度，因此被广泛用于建筑和自动办公设备、无线电录音室等，既作外 表装饰，又做吸声材料。日本开发的泡沫铝合金具有良好的消音吸震效果，可有效控制汽车和 火车发出的噪音，可用作汽车、火车等减震、消声的阻尼材料【0 1 。 ( 5 ) 渗透性能 多孔金属的渗透性能是指流体在一定压力差下透过多孔金属的能力，其大小取决于流体的 性质( 如粘度、流速) 、多孔体的通孔率、孔径及其分布、孔隙形状和多孔层厚度等因素。对用 于过滤分离、流体混合、布气分流等方面的多孔金属，渗透性能是一项十分关键的性能指标【6 1 。 通过对多孔金属孔结构( 如孔径人小、通孔率等) 的调整，可以获得不同渗透性能要求的多孔 金属材料。 1 2 多孔金属材料的应用 根据材料的结构和性能。多孔材料的应用主要有三个方面：一是作为结构型材料，二是作 3 选区激光熔化制备多孔3 1 6 l 不锈钢和多孔钛的研究 为功能型材料，三是作为结构和功能结合型材料，其中第三个方面是设计者更希望追求的。在 多孔材料体系中，多孔陶瓷质脆且抗热震性能差，有机泡沫塑料则强度低且不耐火、耐高温， 而多孔金属克服了这些弱点。多孔金属兼具多孔材料的绝大部分优异性能，且其导电性、导热 性、加工性、装卸方便性、耐温性、抗热震性，以及强度、韧性、抗冲击能力等综合力学性能 等，均优于其他多孔材料。因而，多孔金属在用于多孔电极、电磁屏蔽、换热散热、高温密封 和高性能结构等方面，有着其他多孔材料难以比拟的独特优势。表1 2 列出了多孔泡沫金属的潜 在应用范耐】。 表1 2 多孔泡沫金属的潜在用途【l l 】 应用评述 轻质结构 当承受弯曲载荷时，表现出优异的比刚度 “三明治”夹层结构芯材泡沫金属具有低密度兼良好的剪切强度和断裂强度 应变隔离泡沫金属可以通过受控压力下坍塌的方式协调应变失配 机械阻尼泡沫金属的阻尼能力可达实体金属的1 0 倍 振动控制( 减振)泡沫金属的固有扰振频率高于单位面积上质量相同的实体片材 声音吸收 网状泡沫金属具有吸声能力 泡沫金属可在几乎恒定的压力作用下进行能量吸收，这是其他任何 能量控制 结构的材料所不能实现的 耐高温包装可在恒定载荷下吸收冲击能，兼备高于室温条件下的热稳定性 人造木材具有某些类似木材的特性：轻质、刚硬，并可通过木质螺钉相连接 热量控制：开孔泡沫具有较大的可及表面积和较高的孔壁传导性，从而使其具 换热器或冰箱备了优越的热传输性能 热量控制：泡沫金属孔棱的热导率高，加之表面积大，从而具备了使燃烧熄灭 火焰阻止器( 阻火器)的能力 泡沫金属不会产生火焰，闭孔泡沫铝的孔穴表面氧化赋予其阻止明 热量控制：热屏蔽 火的优异性能 铸造用自耗型芯将泡沫金属注射成形为复杂的形状，可用作铝锭的消耗型芯 生物相容性植入体生物相容性泡沫金属( 如钛) 的多孔结构可促进细胞生长 过滤器具有一定孔隙尺寸的开孔泡沫体可用于高温气体和流体过滤 良好的导电性、机械强度雨i 低密度等特性使泡沫金属在电屏蔽方面 电屏蔽 具有诱人前景 电极和催化剂载体泡沫金属的体积比表面积高，可赋予小型电极以很高的反应表面积 漂浮泡沫金属的密度低，抗蚀性好，可用于漂浮 1 3 1 多孔金属主要制备方法概述 多孔金属的制备方法很多，按照所处理的金属状态，可以分为以下几类：( 1 ) 基于金属熔 体的方法：( 2 ) 基于金属粉末的方法；( 3 ) 基于金属蒸气或气态金属化合物的方法；( 4 ) 基于 金属离子的制各方法【1 2 】。在每一类中义包含很多方法，如图1 1 所示。目前，制备多孔金属应 用最广泛的工艺方法主要有九种，现将其罗列如下【j ： ( 1 ) 吹气法发泡工艺：通过熔融a 1 s i c 合金或剐2 0 3 合金产生起泡气体；该工艺主要 用于制备灿基和m g 基多孔金属。 ( 2 ) 熔体中加入发泡剂：将发泡剂( 一般为t i h 2 ) 拌入熔融合金( 一般为铝合金) ，并在 冷却过程中控制好压力；该工艺主要用于制备a 1 基多孔金属。 ( 3 ) 粉末压实体熔化技术：将金属粉末( 铝合金最为普遍) 与颗粒发泡剂( 又如，i m 2 ) 一起压实，然后加热到糊状，此时发泡剂释放出氢气，从而使材料膨胀发泡；该技术主要用于 制备a l ，z n ，f e ，p b 及a u 等基体的多孔金属。 ( 4 ) 熔模铸造法：首先通过石蜡或聚合物泡沫前体制备出陶瓷模具，接着烧除前驱体并压 入熔融金属或金属粉末浆料，然后凝固或烧结；该法主要用于制备a l ，m g ，n i - c r ，不锈钢和 c u 等基体的多孔金属。 图1 1 多孔金属材料制备工艺方法( 2 1 ( 5 ) 沉积法：先由气相沉积或电沉积的方式将金属沉积到聚合物泡沭前体上，然后烧除前 驱体，留j 卜中空孔棱；该法主要用于制备n i 基和t i 基多孔金属。 5 选区激光熔化制备多孔3 1 6 l 不锈钢和多孔钛的研究 ( 6 ) 气体卷入法：先通过粉末热等静压( h i p ) 捕入高压惰性气体，然后在高温下使气体 膨胀；该法主要用于制各t i 基多孔金属。 ( 7 ) 利用金属中空球：将中空球烧结在一起成为多孔体。中空球既可由改进的雾化法制得， 又可由金属一氧化物球还原法制得，也可由金属一氢化物球脱氢法制得，还可由聚合物球金属 气相沉积法制得：该工艺主要用于制备n i 、c o 和n i c r 合金等基体的多孔金属。 ( 8 ) 渗流铸造法：将金属粉末与可溶滤粉末共压，或者将液态金属压入可溶滤颗粒层，然 后进行溶滤而留下泡沫金属骨架：该工艺中一般以以盐为可溶滤粉末，主要制备a l 基多孔金属。 ( 9 ) 固气共晶凝固法( g 舔a r 工艺) ：加压将气体( 一般为氢) 溶入液态金属中，然后一 边凝固一边将气体调控释放；该法主要用于制备c u ，m g ，n i 和a g 等基体的多孔金属。 表l - 3 泡沫金属的基本成形策略、铝基泡沫金属的制造商及其产品的商品名1 3 】 d j r e c tf o a m i n gm e l ta l l o yi n d i r e c tf o a m i n g p r 印a r ef o a m a b l ep 陀c u r s o r 删l l 【ea l l o yf o a m b l er e m e l tp r e c u 塔o r c r e a tg b u _ b b l e s c r e a t f 0 锄 c o l l e c tf 0 a m s o l i d i 母f 0 锄1 s o l i d i 锣f o a m m a l l u f a c t u r e s c ”t l a t ，c a m d a 俾刀m 眦u t u 北sa l m ，g e 册锄y 口月夥 侈r 口如c 矽f 0 a n l t e c h ，k o r e a 仁口s d ，砂仞r d 也c 纠a l u l i g h t ，a u s t r i a 向缸西劝砂 h n t t e e i i 矾i c h c n b a c h g l e i n - 研e ，g e n m n y ( h k b ) ，a l l s t r i a 沈f c d m 矽 s c h u l l l 【，g e m 删1 y s h i l l l 【o - w i r e ，j a p 锄( a l p o r a s ) ( d i s t r i b u t o r ：g l e i c h ，g e 玎m n y ) 上述九种方法中只有前面五种已用于商业生产，其中发泡法是商业化生产中最有前景的制 备方法。无论是基于熔体的直接发泡法，还是基于固态发泡先驱体的间接发泡法，在工业上都 得到了广泛的应用【13 1 ，目前市场上已出现许多商品化的铝基泡沫金属( 表1 3 ) 。此外，值得一 提的是，在各种制备多孔金属的工艺方法中，固气共晶凝固法( g a s a r 工艺) 是一种可制备出 定向规则多孔金属的新颖的工艺方法，最早由乌克兰学者s h a p o v a l o v 【1 4 ) 提出，可得到气孔排列 方向、形状、孔隙率和孔径分布可控的定向规则多孔结构。制备出的具有规则孔隙结构的多孔 材料被命名为g a s 撕t c ，有时也直接称其为g a l s a r s 。由于通常得到的多孔结构形状跟藕根相似， 日本人阪人学n a k a j 妇等人称该种多孔材料为藕状( l o t i l s 咖e ) 多孔材料f 3 1 。g 筋撕t e 材料除具 有传统发泡、烧结多孔金属的轻质、高刚皮、机械阻尼、吸音以及良好的电磁屏蔽等性能外， 南京航空航天人学硕十学位论文 验室制备，尚不能进行商业化生产。 1 3 2 多孔金属制备存在的主要问题及对策 上述的制备多孔金属的各种工艺方法都可制备一些金属体系的多孔材料，这些多孔体具有 不同的孔隙率和孔径范围、气孔形态和空间排布方式等孔隙结构特征，每种方法在各自特定领 域内有一定的适用性，有着较为突出的 ：艺局限性。例如，熔体发泡法虽是最经济的泡沫金属 制备工艺，但也存在如下的一些不足：( 1 ) 因发泡剂分解温度与金属熔点的不匹配，使得发泡 过程中熔体膨胀能力差，最终获得的多孔结构不均匀【l9 】；( 2 ) 由于制备过程中会加入增黏剂以 阻止发泡过程中气体的逸出，使得形成的多孔体中存在脆性相，这些脆性相将恶化多孔金属的 力学性能【2 0 】；( 3 ) 该工艺主要适用于铝及铝合金，且制备