一种碳酸氢铵作造孔剂制备近球型孔隙多孔合金的方法

摘要

本发明公开了一种碳酸氢铵作造孔剂制备近球型孔隙多孔合金的方法；本发明针对目前广泛存在的利用碳酸氢铵作造孔剂制备的多孔合金的孔隙分布不均匀、孔隙形状和大小不规则的问题。在常规粉末冶金的基础上，首先通过对碳酸氢铵造孔颗粒进行预先筛分、球化造粒、再次筛分和低温干燥等处理，实现对碳酸氢铵颗粒形状的近球型控制；然后将处理的干燥近球型碳酸氢铵颗粒和合金粉末在密封瓶中短时间混合，将混合粉末在合适压力下冷压制成生胚；最后将生坯放入管式炉中进行烧结，得到多孔合金产物。本发明制备的多孔合金不但具有近球型均匀孔隙结构，而且制备工艺简单、成本低廉易于工业化生产。

权利要求

1.一种碳酸氢铵作造孔剂制备近球型孔隙多孔合金的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：将合金粉末混合，在球磨机上球磨4～8h，获得元素分布均匀的合金粉末；

步骤二：把造孔剂碳酸氢铵颗粒预先筛分，然后将碳酸氢铵颗粒在圆盘造粒机上球化造粒，对球化后的碳酸氢铵颗粒再次筛分，最后将近球型碳酸氢铵颗进行干燥处理；

步骤三：将步骤一制备的合金粉末与步骤二制备的干燥近球型碳酸氢铵颗粒按照比例密封在瓶中，在混粉机上混合，然后将混合的粉末在液压机上压制成型，得到生胚；

步骤四：将步骤(3)所得生坯放入管式炉中真空烧结；

步骤二所述碳酸氢铵颗粒预先筛分的尺寸小于100μm，圆盘造粒机上球化造粒时间大于10min，干燥温度低于碳酸氢铵分解温度60℃，干燥时间大于20min；

步骤三所述混粉机的转速小于100r/min，混合时间5～10min；生胚成型压力为100～

600MPa，保压时间5～30min；

‑3

步骤四所述管式炉高温烧结的真空低于10 Pa，烧结温度1200～1400℃，烧结时间为5～10h。

2.根据权利要求1所述碳酸氢铵作造孔剂制备近球型孔隙多孔合金的方法，其特征在于：步骤一所述获得元素分布均匀的合金粉末，具体是指，将高纯Ti粉和Nb粉按照Ti原子和Nb原子比为87：13配比，将混合后的粉末在球磨机上球磨4～8h获得元素分布均匀的Ti‑

13Nb合金粉末。

3.根据权利要求1所述碳酸氢铵作造孔剂制备近球型孔隙多孔合金的方法，其特征在于：步骤一所述获得元素分布均匀的合金粉末，具体是指，将高纯Ti粉、Nb粉和Zr粉按照Ti原子、Nb原子和Zr原子比为72：22：6配比，将混合后的粉末在球磨机上球磨4～8h获得元素分布均匀的Ti‑22Nb‑6Zr合金粉末。

4.根据权利要求2或3所述碳酸氢铵作造孔剂制备近球型孔隙多孔合金的方法，其特征在于：步骤一所述合金粉末原始颗粒尺寸小于100μm。

说明书

一种碳酸氢铵作造孔剂制备近球型孔隙多孔合金的方法

技术领域

[0001] 本发明属于多孔金属材料领域，具体是指一种碳酸氢铵作造孔剂制备近球型孔隙多孔合金的方法。

背景技术

[0002] 多孔材料存在大量的孔隙，较致密材料具有大的比表面积、优异渗透性、好的能量吸收性和低的导热率等优点。其中，多孔金属材料已越来越广泛的用于吸能减震、消音降
噪、生物医用、隔热、过滤分离等领域。

[0003] 多孔金属材料的制备方法有很多，例如粉末冶金法、自蔓延烧结法、发泡法、渗流法等。在现阶段的实际应用中，粉末冶金法由于工艺简单、易于操作，制备出的材料孔隙参
数可通过调节造孔剂的添加量、尺寸等来控制，故为多数研究者所采用。目前，粉末冶金法
制备多孔金属材料可选择的造孔剂的种类有很多，例如铵盐(碳酸氢铵)、高分子微球、淀
粉、硬脂酸和氯化钠等，其中碳酸氢铵颗粒由于具有良好的去除性，在粉末烧结的升温过程
(约60℃)可完全分解且无残留，可避免与基体合金粉末在高温发生反应，故目前研究与应
用最为广泛。但是，由于碳酸氢铵本身的物理性质(吸水和潮解)所限制，筛分到一定小尺寸
的碳酸氢铵颗粒在室温容易团聚，团聚的碳酸氢铵颗粒难以均匀分散在合金粉末中。针对
此问题，大多数研究者利用机械搅拌促进团聚的碳酸氢铵颗粒在基体合金粉末中分散，其
结果表明虽然机械搅拌促进了碳酸氢铵颗粒在基体合金粉末中的分散，但是机械搅拌也会
打碎部分碳酸氢铵颗粒，形成带有尖角的不规则碳酸氢铵颗粒，而且不规则碳酸氢铵颗粒
难以均匀分散在合金粉末中。所以前期研究中利用碳酸氢铵做造孔剂制备的多孔合金的孔
隙分布不均匀、形状和大小不规则。

[0004] 目前，随着多孔金属的应用更为广泛，对多孔金属材料力学性能的要求也不断提高，部分多孔金属材料除了需要具有一定强度以外，还需要可以承受一定大小的循环应力
的作用。例如生物医用骨植入多孔金属材料和吸能减震多孔金属材料等。其中，生物医用骨
植入多孔金属材料需具有与人体骨相似的力学行为，即在承受长时间循环应力作用后仍能
保持一定强度，且还具有接近2％的可恢复应变。因此，对医用多孔金属孔隙结构的要求更
为严格，不仅需要孔隙分布均匀，而且需要孔隙形状和大小一致，以降低循环应力作用下不
规则孔隙处裂纹萌生与扩展的可能性。

[0005] 迄今为止，尚未见到利用碳酸氢铵颗粒制备出具有近球形孔隙(应力集中最小)且孔隙分布均匀的多孔合金的报道。因此，迫切需要开发出一种利用碳酸氢铵作造孔剂制备
近球型均匀孔隙多孔合金的方法，从而获得具有优异力学性能的多孔合金，以满足越来越
严格的应用要求。

发明内容

[0006] 为解决利用碳酸氢铵颗粒做造孔剂难以制备出具有近球形孔隙(应力集中最小)且孔隙分布均匀的多孔合金的难题，本发明提供一种碳酸氢铵作造孔剂制备近球型孔隙多
孔合金的方法。本发明制备工艺简便易行、成本低廉易于工业化生产。

[0007] 本发明通过下述技术方案实现：

[0008] 一种碳酸氢铵作造孔剂制备近球型孔隙多孔合金的方法，包括如下步骤：

[0009] 步骤一：将合金粉末混合，在球磨机上球磨4～8h，获得元素分布均匀的合金粉末；

[0010] 步骤二：把造孔剂碳酸氢铵颗粒预先筛分，然后将碳酸氢铵颗粒在圆盘造粒机上球化造粒，对球化后的碳酸氢铵颗粒再次筛分，最后将近球型碳酸氢铵颗粒进行干燥处理；

[0011] 步骤三：将步骤一制备的合金粉末与步骤二制备的干燥近球型碳酸氢铵颗粒按照比例密封在瓶中，在混粉机上混合，然后将混合的粉末在液压机上压制成型，得到生胚；

[0012] 步骤四：将步骤(3)所得生坯放入管式炉中真空烧结。

[0013] 上述步骤一所述合金粉末原始颗粒尺寸小于100μm。

[0014] 上述步骤二所述碳酸氢铵颗粒预先筛分的尺寸小于100μm，圆盘造粒机上球化造粒时间大于10min，干燥温度低于碳酸氢铵分解温度60℃，干燥时间大于20min。

[0015] 上述步骤三所述混粉机的转速小于100r/min，混合时间5～10min。生胚成型压力为100～600MPa，保压时间5～30min。

[0016] 上述步骤四所述管式炉高温烧结的真空低于10‑3Pa，烧结温度1200～1400℃，烧结时间为5～10h。

[0017] 一种碳酸氢铵作造孔剂制备近球型均匀孔隙多孔合金，由上述制备方法制得。

[0018] 按照上述方法利用碳酸氢铵颗粒做造孔剂制备的多孔合金具有近球型均匀孔隙，较前期研究具有更高的强度和更好的循环性能。

[0019] 本发明的原理：(1)把碳酸氢铵颗粒预先筛分到极细状态，由于碳酸氢铵本身的物理性质易吸水，吸水后的碳酸氢铵颗粒具有一定粘性可在不添加粘结剂的前提下相互粘
连，极细碳酸氢铵颗粒在圆盘造粒机上不断旋转和滚动的球形造粒过程中，会逐渐粘连在
一起，形成不同尺寸的大球形颗粒。(2)将球化后大小不一的碳酸氢铵颗粒进行筛分，并将
选定尺寸的近球型碳酸氢铵颗粒在一定温度下进行低温干燥处理,刚经过低温干燥处理的
碳酸氢铵颗粒是干燥的，可保持相互独立不粘连，不粘连的球型碳酸氢铵颗粒与合金粉末
可实现快速均匀的混合。

[0020] 本发明相对现有技术具有如下的优点及有益效果：

[0021] (1)本方法采用极细的碳酸氢铵颗粒进行球化造粒处理，首次成功制备出了近球形碳酸氢铵造孔颗粒，造粒方法简单、成本低。

[0022] (2)本方法通过对碳酸氢铵颗粒进行简单的低温干燥处理，并和合金粉末快速混合，实现了近球形碳酸氢铵颗粒在基体合金粉末中的均匀分散，首次利用碳酸氢铵颗粒做
造孔剂制备出了具有近球型均匀孔隙的多孔合金。

附图说明

[0023] 图1是本发明实施例1中碳酸氢铵颗粒的原始、预先筛分和球化造粒后的SEM形貌流程图。

[0024] 图2是本发明实施例1制备的多孔合金的金相图。

[0025] 图3是本发明实施例2制备的多孔合金的金相图。

[0026] 图4是实施例1和实施例2制备的多孔合金的压缩断裂曲线图。

具体实施方式

[0027] 为更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明作进一步描述，但本发明实施方式不限于此。

[0028] 实施例1

[0029] (1)把高纯Ti粉和Nb粉按照Ti原子和Nb原子比为87：13配比，将混合后的粉末在球磨机上球磨4h获得元素分布均匀的Ti‑13Nb合金粉末。

[0030] (2)把造孔剂碳酸氢铵颗粒预先筛分到小于50μm，然后将极细的碳酸氢铵颗粒在圆盘造粒机上球化造粒20min，对球化后的球型碳酸氢铵颗粒再次筛分到200～300μm。最后
将筛分后的近球型碳酸氢铵颗粒在40℃温度下干燥60min。

[0031] (3)将步骤(1)制备的Ti‑13Nb粉末与步骤(2)制备的干燥近球型碳酸氢铵颗粒按照造孔剂重量比为30％的比例混合，并密封在瓶中，在混粉机上以100r/min的速度混合
5min，然后以600MPa的压力压制成生胚，保压时间为5min。

[0032] (4)将步骤(3)所得生坯放入管式炉中真空烧结，烧结温度为1200℃，烧结时间为5h。

[0033] 实施例2

[0034] (1)把高纯Ti粉和Nb粉按照Ti原子和Nb原子比为87：13配比，将混合后的粉末在球磨机上球磨4h获得元素分布均匀的Ti‑13Nb合金粉末。

[0035] (2)把造孔剂碳酸氢铵颗粒筛分到200～300μm。

[0036] (3)将步骤(1)制备的Ti‑13Nb粉末与步骤(2)筛分的碳酸氢铵颗粒按照造孔剂重量比为30％的比例混合，在搅拌机上搅拌混合20min，然后以600MPa的压力压制成型，保压
时间为5min。

[0037] (4)将步骤(3)所得生坯放入管式炉中真空烧结，烧结温度为1200℃，烧结时间为5h。

[0038] 实施例3

[0039] (1)把高纯Ti粉、Nb粉和Zr粉按照Ti原子、Nb原子和Zr原子比为72：22：6配比，将混合后的粉末在球磨机上球磨4h获得元素分布均匀的Ti‑22Nb‑6Zr合金粉末。

[0040] (2)把造孔剂碳酸氢铵颗粒预先筛分到小于50μm，然后将极细的碳酸氢铵颗粒在圆盘造粒机上球化造粒20min，对球化后的球型碳酸氢铵颗粒再次筛分到200～300μm。最后
将筛分后的近球型碳酸氢铵颗粒在40℃的温度下干燥60min。

[0041] (3)将步骤(1)制备的Ti‑22Nb‑6Zr粉末与步骤(2)制备的干燥近球型碳酸氢铵颗粒按照造孔剂重量比为30％的比例混合，并密封在瓶中，在混粉机上以100r/min的速度混
合5min，然后以600MPa的压力压制成生胚，保压时间为5min。

[0042] (4)将步骤(3)所得生坯放入管式炉中真空烧结，烧结温度为1400℃，烧结时间为10h。

[0043] 本发明针对目前广泛存在的利用碳酸氢铵作造孔剂制备的多孔合金的孔隙分布不均匀、孔隙形状和大小不规则的问题。在常规粉末冶金的基础上，首先通过对碳酸氢铵造
孔颗粒进行预先筛分、球化造粒、再次筛分和低温干燥等处理，实现对碳酸氢铵颗粒形状的
近球型控制；然后将处理的干燥近球型碳酸氢铵颗粒和合金粉末在密封瓶中短时间混合，
将混合粉末在合适压力下冷压制成生胚；最后将生坯放入管式炉中进行烧结，得到多孔合
金产物。本发明制备的多孔合金不但具有近球型均匀孔隙结构，而且制备工艺简单、成本低
廉易于工业化生产。

[0044] 如上所述，便可较好地实现本发明。

[0045] 本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的
保护范围之内。