[发明专利]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

说明书

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受到挤压，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。

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。