本發(fā)明屬于金屬基復(fù)合材料的，尤其涉及一種螺旋層狀結(jié)構(gòu)雙金屬復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、材料性能與微觀結(jié)構(gòu)的相應(yīng)關(guān)系日益明確，通過多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來定制復(fù)合材料的力學(xué)性能或功能特性是合理可行的途徑之一，在航空航天和電子工業(yè)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。目前，雙金屬復(fù)合材料的制備通常采用攪拌鑄造、粉末冶金等方法，如中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)枮閏n202011607989.4，公開號(hào)為cn112813293a，發(fā)明創(chuàng)造名稱為“一種金屬鈦顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料及其真空攪拌鑄造方法和應(yīng)用”的專利采用真空攪拌鑄造方法成功制備了金屬鈦顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料；又如中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)枮閏n201710114670.x，公開號(hào)為cn106903307b，發(fā)明創(chuàng)造名稱為“一種共成形共燒結(jié)鎢合金/鋼復(fù)合材料的粉末冶金制備方法”的專利采用粉末冶金壓制工藝制備了鎢合金/鋼復(fù)合材料，但上述金屬基復(fù)合材料中增強(qiáng)體顆粒均勻分布于金屬基體中，其強(qiáng)韌化效果有限，且在構(gòu)造復(fù)雜形狀和調(diào)控精細(xì)結(jié)構(gòu)方面存在很大的局限性。

2、近年來，3d打印已發(fā)展成為制備具有多尺度結(jié)構(gòu)工程材料的一種新方法。中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)枮閏n202110244923.1，公開號(hào)為cn113172724a，發(fā)明創(chuàng)造名稱為“一種可控網(wǎng)絡(luò)陶瓷/金屬復(fù)合材料制備工藝”的專利曾報(bào)道其采用光固化3d打印技術(shù)結(jié)合真空壓力浸滲技術(shù)制備出具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的al2o3/al復(fù)合材料。但是，以上專利采用的是光固化3d打印技術(shù)和壓力浸滲技術(shù)，且為陶瓷/金屬材料體系。從經(jīng)濟(jì)成本、可操控性、普遍適用性等角度考慮，墨水直寫技術(shù)(directinkwriting,diw)和無壓浸滲技術(shù)聯(lián)用是制做具有復(fù)雜宏觀形狀和精細(xì)微觀結(jié)構(gòu)雙金屬復(fù)合材料的理想途徑之一。diw可以靈活調(diào)控打印件材料的宏觀形狀和微觀結(jié)構(gòu)，獲得可預(yù)訂結(jié)構(gòu)的多孔骨架。無壓浸滲技術(shù)操作簡(jiǎn)單、成本低廉、通用性強(qiáng)和可近凈成形等優(yōu)點(diǎn)，通過填充金屬彌補(bǔ)骨架孔洞，進(jìn)而顯著提高復(fù)合材料的致密度和抗壓強(qiáng)度等特性。從文獻(xiàn)檢索知，目前國(guó)內(nèi)外尚未見到墨水直寫打印和無壓浸滲技術(shù)制備螺旋層狀結(jié)構(gòu)雙金屬復(fù)合材料及其具體方法的報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的關(guān)鍵問題是傳統(tǒng)工藝所制得的雙金屬復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)均一，宏觀形狀簡(jiǎn)單，生產(chǎn)周期長(zhǎng)等問題。本發(fā)明提供了一種靈活調(diào)控微觀結(jié)構(gòu)和宏觀形狀的短周期制備工藝，制備出了具有螺旋層狀結(jié)構(gòu)的雙金屬復(fù)合材料。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

3、一種螺旋層狀結(jié)構(gòu)雙金屬復(fù)合材料，包括骨架金屬和填充金屬，所述的骨架金屬具有螺旋層狀結(jié)構(gòu)，相鄰兩層之間的螺旋角度為30°、60°或90°；所述填充金屬灌裝在骨架金屬的間隙內(nèi)；所述骨架金屬的體積分?jǐn)?shù)為15％～75％，其余空間為填充金屬；所述的骨架金屬的熔點(diǎn)高于填充金屬。

4、所述骨架金屬的材料為不銹鋼；所述不銹鋼為316l不銹鋼；所述的填充金屬的材料為純銅或銅合金。

5、所述的骨架金屬中每層厚度均為260～2000μm。

6、一種螺旋層狀結(jié)構(gòu)雙金屬復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

7、(1)配制構(gòu)建骨架金屬所用的漿料；(2)漿料通過墨水直寫打印技術(shù)獲得螺旋層狀結(jié)構(gòu)的骨架金屬坯料，再經(jīng)干燥和高溫?zé)Y(jié)后，獲得具有預(yù)定孔隙結(jié)構(gòu)的骨架金屬；(3)將填充金屬置于骨架金屬頂部，采用熔體浸滲法制得螺旋層狀結(jié)構(gòu)雙金屬復(fù)合材料。

8、所述漿料的制備方法為：將分散劑溶于去離子水中，再和不銹鋼粉末混合，進(jìn)行球磨和真空攪拌除氣，得到漿料；

9、所述去離子水和骨架金屬粉末按質(zhì)量比1:(5～20)，分散劑的加入質(zhì)量為去離子水的20～40wt.％；所述漿料中固相含量為35～65vol％。

10、所述分散劑為pluronic?f-127、海藻酸鈉、聚甲基丙烯酸鈉和羧甲基纖維素鈉中的一種或多種；球磨的工藝條件：采用機(jī)械攪拌的方式，攪拌1～10h；真空攪拌除氣工藝條件：除氣10～20min，攪拌速度為30～80r/min。

11、所述骨架金屬坯料的制備方法為：將漿料在室溫下裝填入墨水直寫打印機(jī)容器，再經(jīng)0.1～0.5mpa擠出，按照預(yù)設(shè)三維模型進(jìn)行打印，得到具有螺旋層狀的骨架金屬坯料。

12、所述步驟(2)中高溫?zé)Y(jié)的工藝參數(shù)為：真空度為5-30pa，惰性氣體氛圍中，先以5℃/min-10℃/min升溫至450℃-550℃并保溫80-90min，然后繼續(xù)以5℃/min-10℃/min升至1100-1400℃，保溫1-2h。

13、所述步驟(3)中所述熔體浸滲為無壓浸滲，工藝參數(shù)為：常溫下抽真空至0.01～10pa，以5℃/min-10℃/min升溫至450℃-550℃并保溫0.5-1.5h，然后繼續(xù)以5℃/min-10℃/min升到1100-1400℃，保溫0.3-1.5h。

14、本發(fā)明的有益效果：

15、(1)本發(fā)明所述的墨水直寫打印工藝所制得的螺旋層狀多孔骨架，其整體外觀可呈定制的不規(guī)則形狀，呈層狀旋轉(zhuǎn)堆疊排列，并具有均勻微觀孔隙結(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)制造工藝難以獲得。本發(fā)明所提出的新工藝在對(duì)骨架的結(jié)構(gòu)調(diào)控上取得了極大進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了對(duì)宏微觀結(jié)構(gòu)的精確控制，同時(shí)也可通過改變工藝參數(shù)來靈活地調(diào)整骨架金屬的宏微結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同的性能需求。

16、(2)本發(fā)明利用無壓浸滲工藝將填充金屬灌裝入骨架金屬中，從而成功制備出整體致密的雙金屬復(fù)合材料。該方法工藝簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備的要求低，能夠制備出形狀比較復(fù)雜的零部件，且制備出來的復(fù)合材料幾乎可以達(dá)到近凈成形，大大降低制備和加工成本。

17、(3)本發(fā)明提供的技術(shù)新穎實(shí)用，具有很強(qiáng)的普遍適用性和可擴(kuò)展性，可適用于多種材料體系，有助于拓寬金屬復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)空間，而且方法簡(jiǎn)便易行，可實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，具有巨大的工業(yè)應(yīng)用潛力。

技術(shù)特征：

1.一種螺旋層狀結(jié)構(gòu)雙金屬復(fù)合材料，其特征在于，包括骨架金屬和填充金屬，所述的骨架金屬具有螺旋層狀結(jié)構(gòu)，相鄰兩層之間的螺旋角度為30°、60°或90°；所述填充金屬灌裝在骨架金屬的間隙內(nèi)；所述骨架金屬的體積分?jǐn)?shù)為15％～75％，其余空間為填充金屬；所述的骨架金屬的熔點(diǎn)高于填充金屬。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋層狀結(jié)構(gòu)雙金屬復(fù)合材料，其特征在于，骨架金屬的材料為不銹鋼；所述不銹鋼為316l不銹鋼；所述的填充金屬的材料為純銅或銅合金。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的螺旋層狀結(jié)構(gòu)雙金屬復(fù)合材料，其特征在于，所述的骨架金屬中每層厚度均為260～2000μm。

4.權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的螺旋層狀結(jié)構(gòu)雙金屬復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的螺旋層狀結(jié)構(gòu)雙金屬復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述漿料的制備方法為：將分散劑溶于去離子水中，再和骨架金屬粉末混合，進(jìn)行球磨和真空攪拌除氣，得到漿料。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的螺旋層狀結(jié)構(gòu)雙金屬復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述去離子水和骨架金屬粉末按質(zhì)量比1:(5～20)，分散劑的質(zhì)量為去離子水的20～40wt.％；所述漿料中固相含量為35～65vol％。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的螺旋層狀結(jié)構(gòu)雙金屬復(fù)合材料及其制備方法，其特征在于，所述分散劑為pluronic?f-127、海藻酸鈉、聚甲基丙烯酸鈉和羧甲基纖維素鈉中的一種或多種；球磨的工藝條件：采用機(jī)械攪拌的方式，攪拌1～10h；真空攪拌除氣工藝條件：除氣10～20min，攪拌速度為30～80r/min。

8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的螺旋層狀結(jié)構(gòu)雙金屬復(fù)合材料及其制備方法，其特征在于，所述骨架金屬坯料的制備方法為：將漿料在室溫下裝填入墨水直寫打印機(jī)容器，再經(jīng)0.1～0.5mpa擠出，按照預(yù)設(shè)三維模型進(jìn)行打印，得到具有螺旋層狀的骨架金屬坯料。

9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的螺旋層狀結(jié)構(gòu)雙金屬復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中高溫?zé)Y(jié)的工藝參數(shù)為：惰性氣體氛圍中，先以5℃/min-10℃/min升溫至450℃-550℃并保溫80-90min，然后繼續(xù)以5℃/min-10℃/min升至1100-1400℃，保溫1-2h。

10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的螺旋層狀結(jié)構(gòu)雙金屬復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)中熔體浸滲的工藝參數(shù)為：常溫下抽真空至0.01～10pa，以5℃/min-10℃/min升溫至450℃-550℃并保溫0.5-1.5h，然后繼續(xù)以5℃/min-10℃/min升到1100-1400℃，保溫0.3-1.5h。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于金屬基復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明公開了一種螺旋層狀結(jié)構(gòu)雙金屬復(fù)合材料及其制備方法，所述螺旋層狀結(jié)構(gòu)雙金屬復(fù)合材料包括骨架金屬和填充金屬，所述的骨架金屬具有螺旋層狀結(jié)構(gòu)，相鄰兩層之間的螺旋角度為30°、60°或90；所述填充金屬灌裝在骨架金屬的間隙內(nèi)；所述骨架金屬的體積分?jǐn)?shù)為15％～75％，其余空間為填充金屬；所述的骨架金屬的熔點(diǎn)高于填充金屬。本發(fā)明所公開的制備方法能夠靈活調(diào)控雙金屬復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀形態(tài)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜宏微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建；本發(fā)明所得到的螺旋層狀結(jié)構(gòu)雙金屬復(fù)合材料，在抗壓強(qiáng)度、彈性模量和耐腐蝕性等性能方面表現(xiàn)優(yōu)異。

技術(shù)研發(fā)人員：楊立凱,袁斌,何錦華,呂博梁,岑俊池,林巧力,石玗
受保護(hù)的技術(shù)使用者：蘭州理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9