多孔Ni-Cu合金的半固态制备方法

多孔ni-cu合金的半固态制备方法
技术领域
1.本发明涉及多孔金属制备领域，尤其涉及多孔ni-cu合金的半固态制备方法。


背景技术：

2.多孔金属是指在金属材料中弥散分布有大量孔洞的一种新兴金属材料。与传统金属材料相比，多孔金属材料具有比强度高、比表面积大、吸能减震等优点。多孔金属具有结构材料和功能材料的双重性质，因此，近年来多孔金属得到了广泛的应用并实现了快速发展，其应用领域涉及汽车机械、航空航天工业、生物医学、过滤分离、催化剂、消声器、电池电极和热交换等。粉末冶金法是目前最广泛的一种多孔金属制备方法，传统的粉末烧结法制备多孔金属通常包括以下步骤：(1)以金属粉末为原料，并将其与造孔剂混合均匀；(2)将所得混合粉末冷压成型，获得前驱体；(3)将获得的前驱体在真空环境下进行长时间的高温烧结，最终制备而成多孔金属。粉末烧结法具有工艺流程简单，孔隙率可控的优点。但是在其制备过程中，样品始终保持固态，烧结颈的形成和长大依赖于分子的扩散，这种方法需要较长的烧结时间，并且难以对孔隙特征进行有效调控。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种多孔ni-cu合金的半固态制备方法，所述制备方法能够对多孔ni-cu合金中的孔隙形貌和分布进行有效的调控。
4.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
5.本发明提供了一种多孔ni-cu合金的半固态制备方法，包括以下步骤：
6.将镍粉、铜粉和碳酸氢铵混合，得到混合粉末；所述镍粉和铜粉的质量比为5：1～1：2；
7.将所述混合粉末依次进行压制成型和电磁悬浮感应半固态加热，得到所述多孔ni-cu合金。
8.优选的，所述镍粉和铜粉的粒径独立的为50～400目。
9.优选的，所述混合粉末中碳酸氢铵的质量百分含量为3～7％。
10.优选的，所述混合的方式为球磨；
11.所述球磨的转速为100～350r/min，时间为20～60min。
12.优选的，所述压制成型的成型压力为1～5mpa，保压时间为1～5min。
13.优选的，所述压制成型后得到的前驱体为圆柱状；
14.所述圆柱状的直径为4～8mm，高度为4～10mm。
15.优选的，所述电磁悬浮感应半固态加热的加热温度为1200～1450℃，加热时间为1～4min。
16.优选的，所述电磁悬浮感应半固态加热采用的装置为电磁悬浮熔炼装置；
17.所述电磁悬浮熔炼装置包括高频感应加热线圈，所述高频感应加热线圈包括间距为10～20mm的上端线圈和下端线圈；
18.所述上端线圈和下端线圈均为直径为3～8mm的空心铜导管，并反向串联绕制。
19.优选的，所述电磁悬浮熔炼装置的输入电流为13～17a，输入功率为5～15kw，频率为100～500khz。
20.本发明提供了一种多孔ni-cu合金的半固态制备方法，包括以下步骤：将镍粉、铜粉和碳酸氢铵混合，得到混合粉末；所述镍粉和铜粉的质量比为5：1～1：2；将所述混合粉末依次进行压制成型和电磁悬浮感应半固态加热，得到所述多孔ni-cu合金。本发明利用电磁悬浮的快速加热效应，使前驱体的熔化和碳酸氢铵的分解(nh4hco3→
nh3↑
+h2o+co2↑
)可以同时进行。通过控制电磁悬浮装置的实验参数，使样品处于ni-cu两相区温度范围内，这样样品中有充足的液相供气泡长大，同时碳酸氢铵的分解为气泡长大提供了动力，而且，在制备过程中存在的未熔化ni抑制了孔隙的聚集和合并；
21.与现有技术相比，本发明所述技术方案具有以下有益效果：
22.1)制备过程中样品中处于半固态，可通过控制在制备过程中液相的流动，进而改变气泡的生长环境和运动状态，实现对孔隙形貌、孔径和分布等特征的有效调控；
23.2)在制备过程中存在的未熔化ni抑制了孔隙的聚集和合并，使孔隙在样品中均匀分布且孔径集中度高，有效避免了应力集中可能造成的疲劳裂纹的产生和扩展等问题；
24.3)采用电磁悬浮感应半固态加热熔凝制备多孔金属，其升温速度远高于传统方式的升温速度，大大缩短了实验周期，尤其在高熔点金属的制备方面有很大优势，其制备方法简便，技术新颖；
25.4)在制备过程中，样品始终处于无容器状态，避免了在常规条件下样品因与容器壁接触发生坍塌而造成的孔隙分布不均、孔隙形貌不规则等问题；
26.5)制备过程中采用的电磁悬浮感应半固态加热中存在的电磁搅拌作用，保证了在制备过程中的液相成分的均匀分布，有利于制备高性能的多孔金属材料。
附图说明
27.图1为实施例1所述多孔ni-cu合金的宏观形貌图；
28.图2为实施例1所述多孔ni-cu合金的扫描电子显微镜图；
29.图3为实施例1所述多孔ni-cu合金的孔径分布图；
30.图4为实施例2所述多孔ni-cu合金的扫描电子显微镜图；
31.图5为对比例1所述多孔ni-cu合金的宏观形貌图；
32.图6为对比例2所述多孔ni-cu合金的扫描电子显微镜图。
具体实施方式
33.本发明提供了一种多孔ni-cu合金的半固态制备方法，包括以下步骤：
34.将镍粉、铜粉和碳酸氢铵混合，得到混合粉末；所述镍粉和铜粉的质量比为5：1～1：2；
35.将所述混合粉末依次进行压制成型和电磁悬浮感应半固态加热，得到所述多孔ni-cu合金。
36.在本发明中，若无特殊说明，所有制备原料均为本领域技术人员熟知的市售产品。
37.本发明将镍粉、铜粉和碳酸氢铵混合，得到混合粉末。
38.在本发明中，所述镍粉和铜粉的粒径独立的优选为50～400目，更优选为100～300目。
39.在本发明中，所述镍粉和铜粉的质量比为5：1～1：2，优选为4：1～2：3，更优选为3.5：1～2：2.5。
40.在本发明中，所述混合粉末中碳酸氢铵的质量百分含量优选为3～7％，更优选为3.5～5.5％。
41.在本发明中，所述混合的方式优选为球磨；所述球磨的转速优选为100～350r/min，更优选为100～200r/min；时间优选为20～60min，更优选为35～45min。
42.得到混合粉末后，本发明将所述混合粉末依次进行压制成型和电磁悬浮感应半固态加热，得到所述多孔ni-cu合金。
43.在本发明中，所述压制成型的成型压力优选为1～5mpa，更优选为1～2.5mpa；保压时间优选为1～5min，更优选为1～3min。
44.在本发明中，所述压制成型后得到的前驱体优选为圆柱状；所述圆柱状的直径优选为4～8mm，更优选为5～6mm；所述圆柱状的高度优选为4～10mm，更优选为5～7mm。
45.在本发明中，所述电磁悬浮感应半固态加热的加热温度优选为1200～1450℃，更优选为1250～1400℃；加热时间优选为1～4min，更优选为1～3min。
46.在本发明中，所述电磁悬浮感应半固态加热采用的装置优选为电磁悬浮熔炼装置；所述电磁悬浮熔炼装置优选包括高频感应加热线圈，所述高频感应加热线圈优选包括间距为10～20mm的上端线圈和下端线圈，所述上端线圈和下端线圈之间的间距更优选为13～16mm；所述上端线圈和下端线圈均优选为直径为3～8mm的空心铜导管，并反向串联绕制。
47.在本发明中，所述电磁悬浮熔炼装置的输入电流优选为13～17a，更优选为14～16a；输入功率优选为5～15kw，更优选为8～12kw；频率优选为100～600khz，更优选为200～350khz。
48.在本发明中，所述电磁悬浮感应半固态加热过程中优选对所述空心铜导管进行冷却，所述冷却的方式优选为在所述空心铜导管内通入冷却水给线圈进行降温；所述冷却水的压力优选为0.3～0.7mpa，更优选为0.4～0.6mpa；流速优选为3～7l/min，更优选为4～6l/min。
49.在本发明中，所述电磁悬浮感应半固态加热的过程优选持续通入惰性气体以提供保护性气氛并实现控温；本发明所述惰性气体优选为氦气。
50.下面结合实施例对本发明提供的多孔ni-cu合金的半固态制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
51.实施例1
52.将4.75g镍粉(粒径为200目)、4.75g铜粉(粒径为200目)和0.5g碳酸氢铵倒入球磨罐中，并将所述球磨罐固定于行星式球磨机上，以150r/min的转速，球磨40min，得到混合粉末；
53.将0.95g所述混合粉末进行压制成型，所述压制成型的压力为1.5mpa，保压时间为1min，得到圆柱状前驱体(直径为6mm，高度为6mm)；
54.将所述圆柱状前驱体置于电磁悬浮熔炼装置中，并持续通入氦气以保持惰性气氛，并控制温度，调控电磁悬浮装置电流为15a，输入功率为10kv，频率为280khz，使样品稳
定悬浮，并通过吹气使样品保持在约1300℃，加热1min，在加热过程中，空心铜导管内通有冷却水给线圈降温，冷却水的压力为0.5mpa，流速为5l/min，得到所述多孔ni-cu合金；
55.将所述多孔ni-cu合金沿轴向切开，再进行镶样和抛光后，进行金相观察，其中图1为所述多孔ni-cu合金的宏观形貌图，图2为所述多孔ni-cu合金的扫描电子显微镜图，图3为所述多孔ni-cu合金的孔径分布图，由图1～3可知，所述多孔ni-cu合金的孔隙形状为球形且分布均匀，20～100μm的孔径集中度在80％以上，这是因为cu的含量比较多，在样品制备过程中可以产生足够多的液相供碳酸氢铵分解产生的气泡生长，且由于存在少量未熔化的ni，使得气泡不易聚集合并。
56.实施例2
57.将7.125g镍粉(粒径为200目)、2.375g铜粉(粒径为200目)和0.5g碳酸氢铵倒入球磨罐中，并将所述球磨罐固定于行星式球磨机上，以150r/min的转速，球磨40min，得到混合粉末；
58.将0.95g所述混合粉末进行压制成型，所述压制成型的压力为1.5mpa，保压时间为1min，得到圆柱状前驱体(直径为6mm，高度为6mm)；
59.将所述圆柱状前驱体置于电磁悬浮熔炼装置中，并持续通入氦气以保持惰性气氛，并控制温度，调控电磁悬浮装置电流为15.5a，输入功率为10kv，频率为280khz，使样品稳定悬浮，并通过吹气使样品保持在约1350℃，加热1min，在加热过程中，空心铜导管内通有冷却水给线圈降温，冷却水的压力为0.5mpa，流速为5l/min，得到所述多孔ni-cu合金；
60.将本实例制备的多孔ni-cu合金按照实施例1的方式进行切样、镶样和抛光处理，将抛光的样品在扫描电子显微镜下进行观察，其孔隙特征如图4所示。本实例制备得到多孔ni-cu合金的孔隙分布均匀，但孔隙形貌与实施例1明显不同。由于降低了液相的流动，气泡在长大过程中遇到未熔化ni的阻碍，因此生成孔隙的形貌与实施例1所述多孔ni-cu合金明显不同，但孔隙可以保持均匀分布。这表明通过控制在制备过程中液相的流动，可实现对孔隙特征的调控。
61.对比例1
62.将2.375g镍粉(粒径为200目)、7.125g铜粉(粒径为200目)和0.5g碳酸氢铵倒入球磨罐中，并将所述球磨罐固定于行星式球磨机上，以150r/min的转速，球磨40min，得到混合粉末；
63.将0.95g所述混合粉末进行压制成型，所述压制成型的压力为1.5mpa，保压时间为1min，得到圆柱状前驱体(直径为6mm，高度为6mm)；
64.将所述圆柱状前驱体置于电磁悬浮熔炼装置中，并持续通入氦气以保持惰性气氛，并控制温度，调控电磁悬浮装置电流为15a，输入功率为10kv，频率为280khz，使样品稳定悬浮，并通过吹气使样品保持在约1300℃，加热1min，在加热过程中，空心铜导管内通有冷却水给线圈降温，冷却水的压力为0.5mpa，流速为5l/min，得到所述多孔ni-cu合金；
65.将本实例制备的多孔ni-cu合金按照实施例1的方式进行切样、镶样和抛光处理，将抛光的样品在扫描电子显微镜下进行观察，其孔隙特征如图5所示。由图5可知，所述多孔ni-cu合金的孔隙存在明显的合并，且分布不均匀，这是因为在制备过程中样品全部熔化，导致气泡在熔体中的运动未受限制，从而造成大量气泡的聚集和合并。
66.对比例2
67.将4.75g镍粉(粒径为200目)、4.75g铜粉(粒径为200目)和0.5g碳酸氢铵倒入球磨罐中，并将所述球磨罐固定于行星式球磨机上，以150r/min的转速球磨40min，得到混合粉末；
68.将0.95g所述混合粉末进行压制成型，所述压制成型的压力为1.5mpa，保压时间为1min，得到圆柱状前驱体(直径为6mm，高度为6mm)；
69.将所述圆柱状前驱体置于箱式炉中进行真空气氛烧结，设置箱式炉的升温速率为10℃/min，升温至1300℃，保温5min后，在空气中冷却，得到多孔ni-cu合金；
70.将所述多孔ni-cu合金沿重力方向切开，再进行镶样和抛光处理，然后进行金相观察，其中图6为所述多孔ni-cu合金的扫描电子显微镜图，由图6可知，所述多孔ni-cu合金的孔隙形状不规则，且孔隙率很低。
71.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种多孔ni-cu合金的半固态制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将镍粉、铜粉和碳酸氢铵混合，得到混合粉末；所述镍粉和铜粉的质量比为5：1～1：2；将所述混合粉末依次进行压制成型和电磁悬浮感应半固态加热，得到所述多孔ni-cu合金。2.如权利要求1所述的半固态制备方法，其特征在于，所述镍粉和铜粉的粒径独立的为50～400目。3.如权利要求2所述的半固态制备方法，其特征在于，所述混合粉末中碳酸氢铵的质量百分含量为3～7％。4.如权利要求1所述的半固态制备方法，其特征在于，所述混合的方式为球磨；所述球磨的转速为100～350r/min，时间为20～60min。5.如权利要求1所述的半固态制备方法，其特征在于，所述压制成型的成型压力为1～5mpa，保压时间为1～5min。6.如权利要求1或5所述的半固态制备方法，其特征在于，所述压制成型后得到的前驱体为圆柱状；所述圆柱状的直径为4～8mm，高度为4～10mm。7.如权利要求1所述的半固态制备方法，其特征在于，所述电磁悬浮感应半固态加热的加热温度为1200～1450℃，加热时间为1～4min。8.如权利要求1或7所述的半固态制备方法，其特征在于，所述电磁悬浮感应半固态加热采用的装置为电磁悬浮熔炼装置；所述电磁悬浮熔炼装置包括高频感应加热线圈，所述高频感应加热线圈包括间距为10～20mm的上端线圈和下端线圈；所述上端线圈和下端线圈均为直径为3～8mm的空心铜导管，并反向串联绕制。9.如权利要求8所述的半固态制备方法，其特征在于，所述电磁悬浮熔炼装置的输入电流为13～17a，输入功率为5～15kw，频率为100～500khz。

技术总结
本发明涉及多孔金属制备领域，尤其涉及一种多孔Ni-Cu合金的半固态制备方法。本发明提供的制备方法，包括将镍粉、铜粉和碳酸氢铵混合，得到混合粉末；所述镍粉和铜粉的质量比为5：1～1：2；将混合粉末依次进行压制成型和电磁悬浮感应半固态加热，得到多孔Ni-Cu合金。本发明利用电磁悬浮的快速加热效应，使样品处于Ni-Cu两相区温度范围内，使前驱体的熔化和碳酸氢铵的分解可以同时进行。同时，还可以使样品中有充足的液相供气泡长大，同时碳酸氢铵的分解为气泡长大提供了动力，而且，在制备过程中存在的未熔化Ni抑制了孔隙的聚集和合并。进而使所述制备方法能够对多孔Ni-Cu合金中的孔隙形貌和分布进行有效的调控。隙形貌和分布进行有效的调控。隙形貌和分布进行有效的调控。


技术研发人员：阮莹 李晨 翟佳明 魏炳波
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2023.04.14
技术公布日：2023/7/12