专利名称：一种金属空心球的制备方法
一种金属空心球的制备方法技术领域
本发明属于空心球金属泡沫的制备技术领域，尤其是涉及一种金属空心球的制备方法。
背景技术：
目前的热防护体系中间部分所采用的隔热材料一般为氧化铝陶瓷纤维，虽然它轻质，耐热性、抗氧化性好，但抗热震性差，导热率随温度的变化很大，而且由于非金属和金属盖板间热膨胀系数的差异，容易引起热循环中的结构不稳定性。而由烧结或连接空心球颗粒制备的空心球金属泡沫内部空心、球壳致密，是一种兼具功能和结构双重属性的新型功能材料，能有效地抑制对流和辐射传热。在发动机、燃烧室等高温环境下的缓冲防护、降噪隔热等方面有潜在应用。
目前金属空心球的制备方法有雾化法、金属流化床法和滚粉烧结法等。雾化法产量低(通常只有 5% )，而且获得的空心球的尺寸较小；金属流化床法从理论上讲可以制备任何金属及合金的空心球材料，但工序复杂，成本较高；滚粉烧结法制备的空心球表面干燥，壁厚薄且不易控制，球与球之间需要采用合金粉浆加以粘接，制备效率很低。目前国际、国内对金属空心球材料制备工艺控制的理论研究极为薄弱。以上几种方法都存在球体尺寸不易控制、球壳容易破裂等现象。电子束快速成形的优点很多，主要包括能量利用率高、可应用材料广泛、真空环境无污染、成型速度快、成型精度高等。但在现有研究技术中， 用电子束熔覆/烧结制备复杂零件的报导很多，但用此法制备金属多孔材料以及空心球结构材料的工艺及理论研究，国内外暂无报导，也没有相关专利。发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种金属空心球的制备方法，其设计合理，操作便捷，智能化程度较高，制备效率高，金属空心球的成型精度高，球体尺寸易控制，球体表面致密，球壳壁厚均勻，球壳不易破裂，制备过程无污染，通用性强，应用范围广。该方法适用于所有金属及合金粉末制备的金属空心球。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种金属空心球的制备方法，该方法采用的设备包括电子束快速成型机和与电子束快速成型机相接并用于对电子束快速成型机的工作过程进行控制的控制计算机，所述控制计算机中装有作图软件和与电子束快速成型机配套使用的电子束快速成型软件，其特征在于该方法包括以下步骤
步骤一、建立金属空心球的三维实体模型根据所需制备的金属空心球的直径和球壳厚度在控制计算机中用作图软件建立金属空心球的三维实体模型，所述三维实体模型由多个排列设置成两层的金属空心球构成，位于上层的每个金属空心球的顶端和位于下层的每个金属空心球的底端均设置有粉末出口孔；
步骤二、将步骤一中所建立的三维实体模型导入电子束快速成型软件中，通过控制计算机输入电子束扫描参数，所述电子束扫描参数包括束流大小、扫描速度和扫描层数；
步骤三、将金属粉末按一定的铺粉厚度平铺在电子束快速成型机的铺粉台上，控制计算机在电子束快速成型软件环境下，根据步骤二中所导入的三维实体模型和输入的电子束扫描参数控制所述电子束快速成型机对金属粉末进行分层、逐层扫描烧结，完成所述金属空心球的烧结；
步骤四、烧结完成后，将每个金属空心球中多余的金属粉末从粉末出口孔处倒出；
步骤五、将粉末出口孔焊接封闭，得到内部空心、表面致密的金属空心球。
上述的一种金属空心球的制备方法，其特征在于所述金属空心球的直径不大于 10mm，所述金属空心球的球壳厚度为0. Imm 3mm。
上述的一种金属空心球的制备方法，其特征在于步骤二中所述束流大小为 ImA 7mA。
上述的一种金属空心球的制备方法，其特征在于步骤二中所述扫描速度包括预热扫描速度和成型扫描速度，所述预热扫描速度为40dm/s，所述成型扫描速度为2dm/s 6dm/s0
上述的一种金属空心球的制备方法，其特征在于步骤三中所述铺粉厚度为 0. Imm 0. 3mmο
上述的一种金属空心球的制备方法，其特征在于所述粉末出口孔为圆形孔或方形孔，所述圆形孔的直径不大于3mm，所述方形孔的长边长度不大于3mm。
本发明与现有技术相比具有以下优点
1、本发明设计合理，金属空心球的制备方法步骤简便且实现方便。
2、本发明的通用性强，对所有金属及合金粉末制备的金属空心球均可制备，应用范围广。
3、制备过程简单且操控方便，实际加工时，只需在作图软件中建立金属空心球的三维实体模型，将建立的三维实体模型导入电子束快速成型软件中并输入电子束扫描参数，然后将金属粉末平铺在电子束快速成型机的铺粉台上，电子束快速成型机便可在控制计算机的控制下自动完成金属空心球的烧结，烧结完成后，将每个金属空心球中多余的金属粉末从粉末出口孔处倒出，将粉末出口孔焊接封闭便得到了内部空心、表面致密的金属空心球；制备过程中，无需人工干预，操作便捷，智能化程度较高。
4、制备效果好且制备效率高，金属空心球的成型速度快、成型精度高，球体尺寸易控制，球体表面致密，球壳壁厚均勻，球壳不易破裂。
5、本发明较之现有技术中金属空心球制备的雾化法、金属流化床法和滚粉烧结法等，能够制备出尺寸较大、强度较高的金属空心球。
6、本发明的能量利用率高，制备过程无污染，所制备的金属空心球能够广泛地应用在吸能减震、消声降噪、电磁屏蔽、隔热等技术领域。
综上所述，本发明设计合理，操作便捷，智能化程度较高，制备效率高，金属空心球的成型精度高，球体尺寸易控制，球体表面致密，球壳壁厚均勻，球壳不易破裂，制备过程无污染，通用性强，应用范围广。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本发明的方法流程框图。
图2为本发明金属空心球三维实体模型的立体图。
图3为图2的主视图。
图4为图3的A-A视图。
附图标记说明
I-金属空心球； 2-连接孔。
具体实施方式
如图1所示的一种金属空心球的制备方法，该方法采用的设备包括电子束快速成型机和与电子束快速成型机相接并用于对电子束快速成型机的工作过程进行控制的控制计算机，所述控制计算机中装有作图软件和与电子束快速成型机配套使用的电子束快速成型软件；该方法包括以下步骤
步骤一、建立金属空心球1的三维实体模型根据所需制备的金属空心球1的直径和球壳厚度在控制计算机中用作图软件建立金属空心球1的三维实体模型，所述三维实体模型由多个排列设置成两层的金属空心球1构成，位于上层的每个金属空心球1的顶端和位于下层的每个金属空心球1的底端均设置有粉末出口孔2 ；详见图2、图3和图4。
步骤二、将步骤一中所建立的三维实体模型导入电子束快速成型软件中，通过控制计算机输入电子束扫描参数，所述电子束扫描参数包括束流大小、扫描速度和扫描层数；
步骤三、将金属粉末按一定的铺粉厚度平铺在电子束快速成型机的铺粉台上，控制计算机在电子束快速成型软件环境下，根据步骤二中所导入的三维实体模型和输入的电子束扫描参数控制所述电子束快速成型机对金属粉末进行分层、逐层扫描烧结，完成所述金属空心球1的烧结；
步骤四、烧结完成后，将每个金属空心球1中多余的金属粉末从粉末出口孔2处倒出；
步骤五、将粉末出口孔2焊接封闭，得到内部空心、表面致密的金属空心球1。
所述金属空心球1的直径不大于10mm，所述金属空心球1的球壳厚度为0. Imm 3mm。上述步骤二中所述束流大小为ImA 7mA，束流大小根据用于加工金属空心球的金属粉末的熔点来调节，束流大小决定了电子束快速成型机的底板温度和金属空心球1的成型温度。上述步骤二中所述扫描速度包括预热扫描速度和成型扫描速度，所述预热扫描速度为40dm/s，所述成型扫描速度为2dm/s 6dm/s。上述步骤二中所述扫描层数由分层出来的每层厚度和所加工的金属空心球的直径和球壳厚度决定，每层厚度一般为0. 05mm 0. 5mm，每层厚度越薄，球面越光滑。上述步骤三中所述铺粉厚度为0. Imm 0. 3mm，铺粉厚度根据所加工的金属空心球的球壳厚度来调节，铺粉厚度越厚球壳表面越粗糙。其中，扫描速度和铺粉厚度决定了金属空心球1成型的完整性。所述粉末出口孔2为圆形孔或方形孔， 所述圆形孔的直径不大于3mm，所述方形孔的长边长度不大于3mm，粉末出口孔2的直径尺寸设计应尽量的小，以能倒出扫描完成后多余的金属粉末为原则。
另外，上述步骤二中所述电子束扫描参数还包括预热电流，即用来加热电子束快速成型机中底板的电流，它的大小决定了底板加热的快慢。一般情况下先用小束流高速扫描预热可以使金属粉末表皮烧结，相当于被轰击的金属粉末的质量增大，动量一定的情况下质量增大可以使烧结金属粉末移动速度减小，因此预热使金属粉末烧结可以固定位置， 减少飞溅。其中，底板温度和所要烧结的金属粉末有关系，(例如不锈钢粉末烧结时底板温度一般为550°C左右；Ti600粉末烧结时底板温度一般为850左右，TiAl粉末烧结时底板温度一般为1000度左右)，底板温度达不到金属粉末就无法成型。
实施例1
本实施例中，所需制备的金属空心球为316L不锈钢空心球，要求直径为5mm，球壳厚度为0. 1mm，所采用的电子束快速成型机的型号为EBSM250 ；其制备方法如下
步骤一、建立316L不锈钢空心球的三维实体模型根据直径5mm、球壳厚度0. Imm 在控制计算机中用作图软件建立316L不锈钢空心球的三维实体模型，所述三维实体模型由多个排列设置成两层的316L不锈钢空心球构成，位于上层的每个316L不锈钢空心球的顶端和位于下层的每个316L不锈钢空心球的底端均设置有粉末出口孔2 ；其中，粉末出口孔2为圆形孔且其直径为Imm ；详见图2、图3和图4 ；
步骤二、将步骤一中所建立的三维实体模型导入电子束快速成型软件中，通过控制计算机输入电子束扫描参数，其中，束流大小为5mA，扫描速度为60mm/s，扫描层数为98 层，预热电流为10mA，电子束快速成型机的底板温度550°C。
步骤三、将316L不锈钢粉末按0. 2mm的铺粉厚度平铺在电子束快速成型机的铺粉台上，控制计算机在电子束快速成型软件环境下，根据步骤二中所导入的三维实体模型和输入的电子束扫描参数控制所述电子束快速成型机对316L不锈钢粉末进行分层、逐层扫描烧结，完成所述316L不锈钢空心球的烧结；
步骤四、烧结完成后，将每个316L不锈钢空心球中多余的316L不锈钢粉末从粉末出口孔2处倒出；
步骤五、将粉末出口孔2焊接封闭，得到内部空心、表面致密的316L不锈钢空心球。
经测试，所制备出的316L不锈钢空心球的孔隙率为70%左右，抗压强度为 152士5MPa，而用模板法制备的不锈钢空心球的抗压强度最大为30 50MPa。
实施例2
本实施例中，所需制备的金属空心球为NiCrAPe高温合金空心球，要求直径为 6mm，球壳厚度为0. 2mm，所采用的电子束快速成型机的型号为EBSM250 ；其制备方法如下
步骤一、建立NiCrAPe高温合金空心球的三维实体模型根据直径6mm、球壳厚度0. 2mm在控制计算机中用作图软件建立NiCrAPe高温合金空心球的三维实体模型，所述三维实体模型由多个排列设置成两层的NiCrAli^e高温合金空心球构成，位于上层的每个 NiCrAlFe高温合金空心球的顶端和位于下层的每个NiCrAPe高温合金空心球的底端均设置有粉末出口孔2 ；其中，粉末出口孔2为圆形孔且其直径为1. 5mm ；详见图2、图3和图4 ；
步骤二、将步骤一中所建立的三维实体模型导入电子束快速成型软件中，通过控制计算机输入电子束扫描参数，其中，束流大小为6mA，扫描速度为40mm/s，扫描层数为110 层，预热电流为16mA，电子束快速成型机的底板温度700°C。
步骤三、将NiCrAli^e高温合金粉末按0. 2mm的铺粉厚度平铺在电子束快速成型机的铺粉台上，控制计算机在电子束快速成型软件环境下，根据步骤二中所导入的三维实体模型和输入的电子束扫描参数控制所述电子束快速成型机对MCrAPe高温合金粉末进行分层、逐层扫描烧结，完成所述NiCrAPe高温合金空心球的烧结；
步骤四、烧结完成后，将每个NiCrAPe高温合金空心球中多余的NiCrAPe高温合金粉末从粉末出口孔2处倒出；
步骤五、将粉末出口孔2焊接封闭，得到内部空心、表面致密的NiCrAPe高温合金空心球。
经测试，所制备出的NiCrAPe高温合金空心球的孔隙率为70%左右，抗压强度为 130士5MPa。
实施例3
本实施例中，所需制备的金属空心球为TC4空心球，要求直径为8mm，球壳厚度为 0. 5mm，所采用的电子束快速成型机的型号为EBSM250 ；其制备方法如下
步骤一、建立TC4空心球的三维实体模型根据直径8mm、球壳厚度0. 5mm在控制计算机中用作图软件建立TC4空心球的三维实体模型，所述三维实体模型由多个排列设置成两层的TC4空心球构成，位于上层的每个TC4空心球的顶端和位于下层的每个TC4空心球的底端均设置有粉末出口孔2 ；其中，粉末出口孔2为圆形孔且其直径为1. 5mm ；详见图 2、图3和图4 ；
步骤二、将步骤一中所建立的三维实体模型导入电子束快速成型软件中，通过控制计算机输入电子束扫描参数，其中，束流大小为7mA，扫描速度为60mm/s，扫描层数为130 层，预热电流为25mA，电子束快速成型机的底板温度760°C。
步骤三、将TC4粉末按0. Imm的铺粉厚度平铺在电子束快速成型机的铺粉台上，控制计算机在电子束快速成型软件环境下，根据步骤二中所导入的三维实体模型和输入的电子束扫描参数控制所述电子束快速成型机对TC4粉末进行分层、逐层扫描烧结，完成所述 TC4空心球的烧结；
步骤四、烧结完成后，将每个TC4空心球中多余的TC4粉末从粉末出口孔2处倒出；
步骤五、将粉末出口孔2焊接封闭，得到内部空心、表面致密的TC4空心球。
经测试，所制备出的TC4空心球的孔隙率为68%，抗压强度为172MPa。
从以上实施例能够看出，采用本发明的制备方法，制备效率高，能够制备出尺寸较大、强度较高的金属空心球，金属空心球的成型精度高，球体尺寸易控制，球体表面致密，球壳壁厚均勻。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
权利要求
1.一种金属空心球的制备方法，该方法采用的设备包括电子束快速成型机和与电子束快速成型机相接并用于对电子束快速成型机的工作过程进行控制的控制计算机，所述控制计算机中装有作图软件和与电子束快速成型机配套使用的电子束快速成型软件，其特征在于该方法包括以下步骤步骤一、建立金属空心球(1)的三维实体模型根据所需制备的金属空心球(1)的直径和球壳厚度在控制计算机中用作图软件建立金属空心球(1)的三维实体模型，所述三维实体模型由多个排列设置成两层的金属空心球(1)构成，位于上层的每个金属空心球(1)的顶端和位于下层的每个金属空心球(1)的底端均设置有粉末出口孔O)；步骤二、将步骤一中所建立的三维实体模型导入电子束快速成型软件中，通过控制计算机输入电子束扫描参数，所述电子束扫描参数包括束流大小、扫描速度和扫描层数；步骤三、将金属粉末按一定的铺粉厚度平铺在电子束快速成型机的铺粉台上，控制计算机在电子束快速成型软件环境下，根据步骤二中所导入的三维实体模型和输入的电子束扫描参数控制所述电子束快速成型机对金属粉末进行分层、逐层扫描烧结，完成所述金属空心球⑴的烧结；步骤四、烧结完成后，将每个金属空心球(1)中多余的金属粉末从粉末出口孔( 处倒出；步骤五、将粉末出口孔( 焊接封闭，得到内部空心、表面致密的金属空心球(1)。
2.按照权利要求1所述的一种金属空心球的制备方法，其特征在于所述金属空心球 ⑴的直径不大于10mm，所述金属空心球(1)的球壳厚度为0. Imm 3mm。
3.按照权利要求1或2所述的一种金属空心球的制备方法，其特征在于步骤二中所述束流大小为ImA 7mA。
4.按照权利要求1或2所述的一种金属空心球的制备方法，其特征在于步骤二中所述扫描速度包括预热扫描速度和成型扫描速度，所述预热扫描速度为40dm/s，所述成型扫描速度为2dm/s 6dm/s。
5.按照权利要求1或2所述的一种金属空心球的制备方法，其特征在于步骤三中所述铺粉厚度为0. Imm 0. 3mm。
6.按照权利要求1或2所述的一种金属空心球的制备方法，其特征在于所述粉末出口孔( 为圆形孔或方形孔，所述圆形孔的直径不大于3mm，所述方形孔的长边长度不大于 3mm ο
全文摘要
本发明公开了一种金属空心球的制备方法，该方法包括以下步骤一、建立金属空心球的三维实体模型；二、将三维实体模型导入电子束快速成型软件中，通过控制计算机输入电子束扫描参数；三、将金属粉末平铺在铺粉台上，控制计算机控制电子束快速成型机完成金属空心球的烧结；四、将每个金属空心球中多余的金属粉末从粉末出口孔处倒出；五、将粉末出口孔焊接封闭，得到内部空心、表面致密的金属空心球。本发明设计合理，操作便捷，智能化程度较高，制备效率高，金属空心球的成型精度高，球体尺寸易控制，球体表面致密，球壳壁厚均匀，球壳不易破裂，制备过程无污染，通用性强，应用范围广。
文档编号B22F3/11GK102489705SQ20111039084
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月30日 优先权日2011年11月30日
发明者谈萍, 贾文鹏, 赵培, 陈金妹 申请人:西北有色金属研究院