专利名称：一种撒粉装置及二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种撒粉装置及镍钛泡沫材料的制备领域。
背景技术：
镍钛泡沫材料具有优良的形状记忆效应、超弹性、生物相容性和力学性能。其孔结构扩大了材料与生物组织的接触面积，有利于植入物的可靠固定；连通孔隙结构有利于人体体液营养成分的传输，可大大缩短病人的康复期；特别是镍钛泡沫材料的弹性模量与骨组织的弹性模量相近，可以大大降低合金与骨组织的“应力屏蔽效应”，增加两者的结合可靠性。镍钛泡沫材料作为骨关节等硬组织的修复和替换植入材料，在生物材料领域有广阔的应用前景。镍钛泡沫材料的孔隙结构对其性能非常关键。目前制备的镍钛泡沫材料中，孔隙结构通常是三维分布的，孔隙在各个方向均勻分布，孔隙分布各向同性。因此这些镍钛泡沫材料性能特征，比如液体通过孔隙的渗流过程、力学特性和物理化学特性都是各向同性的。 例如模板法制备泡沫材料过程中需要采用造孔剂，通过在制备过程或制备后去除造孔剂从而在合金中留下孔隙，此孔隙遗传了造孔剂的尺寸和形状，因此称为模板法。其优点是可以有效控制孔隙的尺寸、形状、含量和分布，缺点制备过程中加入造孔剂，且在制备过程或制备后，需要去除上述造孔剂，提高了原材料和制备成本。因此采用现有撒粉混合装置和现有技术制备的镍钛泡沫材料均为三维分布，在液体通过孔隙的渗流过程、力学特性和物理化学特性都是各向同性的，不能达到定向传送或单向隔绝的问题。
发明内容
本发明要解决采用现有撒粉混合装置和现有技术制备的镍钛泡沫材料均为三维分布，在液体通过孔隙的渗流过程、力学特性和物理化学特性都是各向同性的，不能达到定向传送或单向隔绝的问题，而提供一种撒粉装置及二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料的制备方法。本发明的撒粉装置由电动搅拌器和模具组成，电动搅拌器由搅拌棒、搅拌叶和电机组成，搅拌棒的上端与电机固定连接，搅拌棒上每间隔10 20mm并垂直于搅拌棒焊接一个搅拌叶，且相邻两个搅拌叶之间的夹角为120度；模具由模具筒和模具底座组成，模具筒插在模具底座上，且模具筒与模具底座之间是完全密封的，电动搅拌器的搅拌棒伸入模具筒中，搅拌棒的底端位于模具筒下部。采用本发明的撒粉装置制备二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料的方法，具体是按以下步骤完成的一、粉末叠层铺设过程①分别称量纯度> 99. 9%的钛粉和纯度> 99. 9%的镍粉均勻混合即得到一份钛-镍混合物，共称取30 50份，且每一份钛-镍混合物之间的质量比为1 (0.9999 1.0001)；②取其中一份钛-镍混合物从撒粉装置顶部撒入盛有丙酮的模具筒中，并同时开动电动搅拌器进行搅拌，采取顺时针和逆时针方向交替旋转的方式搅拌，且每隔1 ^顺时针方向旋转与逆时针方向旋转交换一次，搅拌速度为1 5r/s，搅拌总时间为30 60s，搅拌完成后停止静置1 ;3min ；③重复操作步骤一②，直到将所有份数的钛-镍混合物全部均勻撒入并沉降到模具底部，静置1 15min ；④然后将丙酮用吸管移出模具筒，再将带有钛-镍混合物的模具静置12 36h (目的是让丙酮自然挥发)，最后置于温度60 90°C的干燥箱中，将带有钛-镍混合物的模具烘干至恒重为止；步骤一①中所述的每一份钛-镍混合物中钛与镍的原子比为1 (1 1.05)，且30 50份钛-镍混合物的总体积不能超过模具容积的1/20 ；步骤一②中所述的丙酮与步骤一①中所述30 50份钛-镍混合物的总体积比为(17 19) 1 ；二、双向冷压成形过程①从模具筒上端放入直径与模具筒内径相同的金属压杆， 并在金属压杆上以(1. 7 5. 0) X 104N/s的加压速度施加压力，金属压杆上的压力从零加压至(3. 4 5. 0) X 10 ，并在(3. 4 5. 0) X 10 的压力下保持15 30min，压力的施加方向与模具筒立直方向保持一致；②将步骤二①的施加压力撤除，并拆除模具底座，采用直径与模具筒内径相同的垫块放置模具筒下端，且保证与模具筒内壁完全契合，然后在金属压杆上以(1.7 5. 0) X 104N/s的加压速度施加压力，金属压杆上的压力从零加压至(3.4 5. 0) X IO5N,并在(3. 4 5. 0) X IO5N的压力下保持1 3h，即完成二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料的胚体的制备；③将步骤二②的施加压力撤除，并去掉模具筒内下面的垫块，然后将模具旋转180度垂直放置，在模具筒上面对正放置退模套筒，并将退模套筒固定，最后以 8 12mm/min的速度将二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料的胚体退入退模套筒中；步骤二③ 中所述的退模套筒的外径与模具筒的外径相同，退模套筒的内径比模具筒内径大2mm，退模套筒的高度为模具筒高度的1/10 ；三、冷等静压成形过程将步骤二制备的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料坯体放入隔油、可伸缩的筒形管中，然后将隔油、可伸缩的筒形管开口密封，并将隔油、可伸缩的筒形管内部抽至真空，使隔油、可伸缩的筒形管紧密贴紧坯体上，然后放置12 Mh，在放置 12 24h时间内如发现漏气现象必须重新密封，且继续放置12 24h观察漏气情况，至不出现漏气现象为止，然后将密封好的坯体放入冷等静压机中，以20 40MPa/min的加压速率将冷等静压机内部的压力从常压加压至150 250MPa，并在150 250MPa下保持1. 5 5min，最后以70 90MPa/min的卸压速率将冷等静压机内部卸至常压，即得到二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料的粗坯；四、干燥处理将步骤三制备的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料粗坯从隔油、可伸缩的筒形管中取出，然后将二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料的粗坯放在鼓风干燥箱中，在 120 150°C下烘干10 15h ；五、真空炉烧结将步骤四干燥后的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料粗坯整体放入内径比粗坯直径大2 5mm、高度为粗坯高度5 10倍的刚玉坩埚中，然后在干燥后的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料粗坯上整块放入直径与刚玉坩埚内径相同的耐火砖，并在耐火砖上表面撒一层纯度>99. 9%的钛粉，在坩埚口塞入耐火砖块制作的盖子，保证坩埚内部密封，并将耐火砖块制作的盖子与刚玉坩埚固定，最后放入真空烧结炉中，以10°C / min的升温速率将真空烧结炉内部温度从室温升温至980°C，并在980°C下烧结4 乩，再
5以10°C /min的升温速率将真空烧结炉内部温度从980°C升温至1020°C，并在1020°C下烧结2 4h，在烧结过程中炉内真空度保持在1. 2 5. OX 10_2Pa，烧结完成后随炉冷却至室温，即得到二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料。本发明的优点一、本发明提供的撒粉装置的搅拌棒上有多个搅拌叶，且采取顺时针和逆时针方向交替旋转的方式搅拌，可以保证撒粉过程中不同粉末在分散溶液中的均勻分布，沉降后每一层中不同粉末达到完全均勻混合；二、本发明制备的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料不加入任何造孔剂，降低制备成本；三、本发明在制备的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料过程中，混合粉末在模具筒中叠层铺设，孔隙分布特征是在每两层之间孔隙连通分布，垂直于层方向基本不连通，因此是一种二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料，这种孔隙分布各向异性造成其性能各向异性；四、本发明制备的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料的孔隙率10% 40%，孔棱和结点烧结致密、成分和组织可控、具有良好的阻尼和生物医学特性，且实现在液体通过孔隙的渗流过程、力学特性和物理化学特性都是各向异性的，达到定向传送或单向隔绝的目的，即可以促使液体定向渗流、过滤或热量定向传输；用作工程上的隔音、吸波或减震材料时，也可以实现在平行或垂直于二维连通孔隙方向上不同的性能，因此在机械、生物、医学等方面具有重要应用前景。
图1是具体实施方式
一的撒粉装置的主视图；图2是图1所示具体实施方式
一撒粉装置轴向转动120度后的主视图；图3是具体实施方式
一撒粉装置的三个相邻搅拌叶的西南等轴视图；图4是具体实施方式
三十一制备的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料采用 50倍金相显微镜的扫描图；图5是具体实施方式
三十一制备的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料单层内采用200倍的金相显微镜的扫描图；图6是具体实施方式
三十一制备的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料层间采用200倍的金相显微镜的扫描图；图7是具体实施方式
三十一制备的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料层间采用1000倍的金相显微镜的扫描图； 图8是为了观察具体实施方式
三十一制备的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料孔隙的层状分布特征的45倍SEM扫描图；图9是为了观察具体实施方式
三十一制备的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料孔隙的层状分布特征的300倍SEM扫描图；图10是具体实施方式
三十一制备的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料断口处的600倍SEM扫描图；图11是具体实施方式
三十一制备的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料断口处的2000倍SEM扫描图；图12是具体实施方式
三十一制备的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料X射线衍射图，图中的 是MTi， 图中的華是Ti2Ni，图中的A是Ni3T ；图13是具体实施方式
三十一制备的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料的6000倍SEM背散射电子图片；图14为具体实施方式
三十一制备的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料的差式扫描量热升温曲线图；图15为热处理后的具体实施方式
三十一制备的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料的差式扫描量热曲线图，图中的上部曲线为差式扫描量热降温曲线，图中的下部曲线为差式扫描量热升温曲线。
具体实施例方式具体实施方式
一结合图1、图2和图3进行说明，本实施方式提供一种撒粉装置本实施方式的撒粉装置由电动搅拌器1和模具2组成，本实施方式撒粉装置的电动搅拌器1由搅拌棒1-1、搅拌叶1-2和电机1-3组成，搅拌棒1-1的上端与电机1-3固定连接，搅拌棒1-1上每间隔10 20mm并垂直于搅拌棒1_1焊接一个搅拌叶1_2，且相邻两个搅拌叶1-2之间的夹角为120度；模具2由模具筒2-1和模具底座2-2组成，模具筒2_1 插在模具底座2-2上，且模具筒2-1与模具底座2-2之间是完全密封的，电动搅拌器1的搅拌棒1-1伸入模具筒2-1中，搅拌棒1-1的底端位于模具筒2-1下部。本实施方式提供撒粉装置的搅拌棒1-1顶端与模具2的模具底座2-2的距离为模具筒2-1高度的1/4 1/2。本实施方式提供的撒粉装置使用时，一定要将电动搅拌器1和模具2固定，避免在搅拌时电动搅拌器1的搅拌叶1-2外边缘与模具筒2-1内壁产生剧烈摩擦。本实施方式提供的撒粉装置的搅拌棒上有多个搅拌叶，且采取顺时针和逆时针方向交替旋转的方式搅拌，可以保证撒粉过程中不同粉末在分散溶液中的均勻分布，沉降后每一层中不同粉末达到完全均勻混合具体实施方式
二 本实施方式与具体实施方式
一不同点是相邻两个搅拌叶1-2 之间的垂直距离为15mm。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一或二之一不同点是搅拌叶1-2 外边缘距离模具筒2-1内壁的距离为1mm。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
四本实施方式采用具体实施方式
一的撒粉装置制备二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料的方法，具体是按以下步骤完成的一、粉末叠层铺设过程①分别称量纯度> 99. 9%的钛粉和纯度> 99. 9%的镍粉均勻混合即得到一份钛-镍混合物，共称取30 50份，且每一份钛-镍混合物之间的质量比为1 (0. 9999 1. 0001)；②取其中一份钛_镍混合物从撒粉装置顶部撒入盛有丙酮的模具筒2-1中，并同时开动电动搅拌器1进行搅拌，采取顺时针和逆时针方向交替旋转的方式搅拌，且每隔1 ^顺时针方向旋转与逆时针方向旋转交换一次，搅拌速度为1 5r/ s，搅拌总时间为30 60s，搅拌完成后停止静置1 ;3min ；③重复操作步骤一②，直到将所有份数的钛-镍混合物全部均勻撒入并沉降到模具2底部，静置1 15min ；④然后将丙酮用吸管移出模具筒2-1，再将带有钛-镍混合物的模具2静置12 3 (目的是让丙酮自然挥发)，最后置于温度60 90°C的干燥箱中，将带有钛-镍混合物的模具2烘干至恒重为止；二、双向冷压成形过程①从模具筒2-1上端放入直径与模具筒2-1内径相同的金属压杆，并在金属压杆上以(1. 7 5. 0) X 104N/s的加压速度施加压力，金属压杆上的压力从零加压至(3. 4 5. 0) X IO5N,并在(3. 4 5. 0) X IO5N的压力下保持15 30min，压力的施加方向与模具筒2-1立直方向保持一致；②将步骤二①的施加压力撤除，并拆除模具底座2-2，采用直径与模具筒2-1内径相同的垫块放置模具筒2-1下端，且保证与模具筒 2-1内壁完全契合，然后在金属压杆上以(1.7 5.0) X 104N/s的加压速度施加压力，金属压杆上的压力从零加压至(3. 4 5. 0) X IO5N,并在(3. 4 5. 0) X IO5N的压力下保持1 3h，即完成二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料的胚体的制备；③将步骤二②的施加压力撤除， 并去掉模具筒2-1内下面的垫块，然后将模具2旋转180度垂直放置，在模具筒2-1上面对正放置退模套筒，并将退模套筒固定，最后以8 12mm/min的速度将二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料的胚体退入退模套筒中；
三、冷等静压成形过程将步骤二制备的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料坯体放入隔油、可伸缩的筒形管中，然后将隔油、可伸缩的筒形管开口密封，并将隔油、可伸缩的筒形管内部抽至真空，使隔油、可伸缩的筒形管紧密贴紧坯体上，然后放置12 Mh，在放置 12 24h时间内如发现漏气现象必须重新密封，且继续放置12 24h观察漏气情况，至不出现漏气现象为止，然后将密封好的坯体放入冷等静压机中，以20 40MPa/min的加压速率将冷等静压机内部的压力从常压加压至150 250MPa，并在150 250MPa下保持1. 5 5min，最后以70 90MPa/min的卸压速率将冷等静压机内部卸至常压，即得到二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料的粗坯；四、干燥处理将步骤三制备的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料粗坯从隔油、可伸缩的筒形管中取出，然后将二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料的粗坯放在鼓风干燥箱中，在 120 150°C下烘干10 15h ；五、真空炉烧结将步骤四干燥后的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料粗坯整体放入内径比粗坯直径大2 5mm、高度为粗坯高度5 10倍的刚玉坩埚中，然后在干燥后的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料粗坯上整块放入直径与刚玉坩埚内径相同的耐火砖，并在耐火砖上表面撒一层纯度>99. 9%的钛粉，在坩埚口塞入耐火砖块制作的盖子，保证坩埚内部密封，并将耐火砖块制作的盖子与刚玉坩埚固定，最后放入真空烧结炉中，以10°C / min的升温速率将真空烧结炉内部温度从室温升温至980°C，并在980°C下烧结4 乩，再以10°C /min的升温速率将真空烧结炉内部温度从980°C升温至1020°C，并在1020°C下烧结2 4h，在烧结过程中炉内真空度保持在1. 2 5. OX 10_2Pa，烧结完成后随炉冷却至室温，即得到二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料。本实施方式的步骤一①中所述的每一份钛-镍混合物中钛与镍的原子比为 1 (1 1.05)，且30 50份钛-镍混合物的总体积不能超过模具2容积的1/20;步骤一 ②中所述的丙酮与步骤一①中所述30 50份钛-镍混合物的总体积比为(17 19) 1。本实施方式步骤二③中所述的退模套筒的外径与模具筒2-1的外径相同，退模套筒的内径比模具筒2-1内径大2mm，退模套筒的高度为模具筒2-1高度的1/10。本实施方式步骤一采用具体实施方式
二提供的装置，保证了撒粉过程中不同粉末在分散溶液中的均勻分布，沉降后每一层中不同粉末达到完全均勻混合。本实施方式步骤五的烧结过程分为两个阶段，第一阶段升高温度至980°C，此时处于固相烧结，镍粉、钛粉之间开始发生互扩散，形成镍钛等金属间化合物，由于两者扩散系数不同，柯肯达尔效应留下了较小的孔洞；第二阶段将温度升高至1020°C，此时体系中会出现少量的液相，进一步促进材料的烧结，使得合金化更加充分；通过记录真空炉的真空度发现，在第一和第二阶段，炉内真空度没有什么变化，说明没有其它物质大量挥发。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
四不同点是步骤一①中分别称量纯度> 99. 9%的钛粉和纯度> 99. 9%的镍粉均勻混合即得到一份钛-镍混合物，共称取40 份。其它与具体实施方式
四相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
四或五之一不同点是步骤一①中所述的每一份钛-镍混合物中钛与镍的原子比为49. 5 50. 5，且40份钛-镍混合物的总体积为模具容积的1/30。其它与具体实施方式
四或五相同。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
四至六之一不同点是步骤一②中
8所述的丙酮与步骤一①中所述40份钛-镍混合物的总体积比为18 1。其它与具体实施方式
四或六相同。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
四至七之一不同点是步骤一②取其中一份钛-镍混合物从撒粉装置顶部撒入盛有丙酮的模具筒2-1中，并同时开动电动搅拌器1进行搅拌，采取顺时针和逆时针方向交替旋转的方式搅拌，且每隔2 如顺时针方向旋转与逆时针方向旋转交换一次，搅拌速度为2 4r/s，搅拌总时间为35 55s，搅拌完成后停止静置anin。其它与具体实施方式
四或七相同。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
四至八之一不同点是步骤一②取其中一份钛-镍混合物从撒粉装置顶部撒入盛有丙酮的模具筒2-1中，并同时开动电动搅拌器1进行搅拌，采取顺时针和逆时针方向交替旋转的方式搅拌，且每隔3s顺时针方向旋转与逆时针方向旋转交换一次，搅拌速度为3r/s，搅拌总时间为45s，搅拌完成后停止静置 anin。其它与具体实施方式
四或八相同。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
四至九之一不同点是步骤一③中直到将所有份数的钛-镍混合物全部均勻撒入并沉降到模具2底部，静置3 13min。其它与具体实施方式
四或九相同。
具体实施方式
十一本实施方式与具体实施方式
四至十之一不同点是步骤一③ 中直到将所有份数的钛-镍混合物全部均勻撒入并沉降到模具2底部，静置5 llmin。其它与具体实施方式
四或十相同。
具体实施方式
十二 本实施方式与具体实施方式
四至十一之一不同点是步骤一 ③中直到将所有份数的钛-镍混合物全部均勻撒入并沉降到模具2底部，静置7 9min。 其它与具体实施方式
四或十一相同。
具体实施方式
十三本实施方式与具体实施方式
四至十二之一不同点是步骤一
③中直到将所有份数的钛-镍混合物全部均勻撒入并沉降到模具2底部，静置8min。其它与具体实施方式
四或十二相同。
具体实施方式
十四本实施方式与具体实施方式
四至十三之一不同点是步骤一
④中静置18 30h，最后置于温度65 85°C的干燥箱中，将带有钛-镍混合物的模具2烘干至恒重为止。其它与具体实施方式
四或十三相同。
具体实施方式
十五本实施方式与具体实施方式
四至十四之一不同点是步骤一 ④中静置Mh，最后置于温度75°C的干燥箱中，将带有钛-镍混合物的模具2烘干至恒重为止。其它与具体实施方式
四或十四相同。
具体实施方式
十六本实施方式与具体实施方式
四至十五之一不同点是步骤二①中从模具筒2-1上端放入直径与模具筒2-1内径相同的金属压杆，并在金属压杆上以O. 3 4. 3) X 104N/s的加压速度施加压力，金属压杆上的压力从零加压至(3. 8 4. 6) X IO5N,并在(3. 8 4. 6) X IO5N的压力下保持18 ^min，压力的施加方向与模具筒 2-1立直方向保持一致。其它与具体实施方式
四或十五相同。
具体实施方式
十七本实施方式与具体实施方式
四至十六之一不同点是步骤二①中从模具筒2-1上端放入直径与模具筒2-1内径相同的金属压杆，并在金属压杆上以3. 3X104N/s的加压速度施加压力，金属压杆上的压力从零加压至4. 2X105N，并在 4. 2X IO5N的压力下保持2%iin，压力的施加方向与模具筒2_1立直方向保持一致。其它与具体实施方式
四或十六相同。
具体实施方式
十八本实施方式与具体实施方式
四至十七之一不同点是步骤二 ②中在金属压杆上以(2. 3 4. 3) X 104N/s的加压速度施加压力，金属压杆上的压力从零加压至(3. 8 4. 6) X IO5N,并在(3. 8 4. 6) X IO5N的压力下保持池。其它与具体实施方式
四或十七相同。
具体实施方式
十九本实施方式与具体实施方式
四至十八之一不同点是步骤二
②中在金属压杆上以3.3X104N/S的加压速度施加压力，金属压杆上的压力从零加压至 4. 2 X 10 ，并在4. 2 X IO5N的压力下保持池。其它与具体实施方式
四或十八相同。
具体实施方式
二十本实施方式与具体实施方式
四至十九之一不同点是步骤二
③中以9 1lmm/min的速度将二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料的胚体退入退模套筒中。其它与具体实施方式
四或十九相同。
具体实施方式
二十一本实施方式与具体实施方式
四至二十之一不同点是步骤二③中以lOmm/min的速度将二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料的胚体退入退模套筒中。其它与具体实施方式
四或二十相同。
具体实施方式
二十二 本实施方式与具体实施方式
四至二十一之一不同点是步骤三中放置时间为18h。其它与具体实施方式
四或二十一相同。
具体实施方式
二十三本实施方式与具体实施方式
四至二十二之一不同点是 步骤三中以30MPa/min的加压速率将冷等静压机内部的压力从常压加压至200MPa，并在 200MPa下保持3. 5min，最后以80MPa/min的卸压速率将冷等静压机内部卸至常压。其它与具体实施方式
四或二十二相同。
具体实施方式
二十四本实施方式与具体实施方式
四至二十三之一不同点是步骤四中在130 140°C下烘干11 13h。其它与具体实施方式
四或二十三相同。
具体实施方式
二十五本实施方式与具体实施方式
四至二十四之一不同点是步骤四中在135°C下烘干12h。其它与具体实施方式
四或二十四相同。
具体实施方式
二十六本实施方式与具体实施方式
四至二十六之一不同点是步骤五中在980°C下烧结证。其它与具体实施方式
四或二十六相同。
具体实施方式
二十七本实施方式与具体实施方式
四至二十七之一不同点是步骤五中在1020°C下烧结池。其它与具体实施方式
四或二十七相同。
具体实施方式
二十八本实施方式与具体实施方式
四至二十七之一不同点是步骤五中在烧结过程中炉内真空度保持在2. 1 4. IXlO-2Pa0其它与具体实施方式
四或二十七相同。
具体实施方式
二十九本实施方式与具体实施方式
四至二十八之一不同点是步骤五中在烧结过程中炉内真空度保持在3. 1X10_2I^。其它与具体实施方式
四或二十八相同。
具体实施方式
三十本实施方式与具体实施方式
四至二十九之一不同点是步骤三和步骤四中所述的隔油、可伸缩的筒形管是采用橡胶制备而成的。其它与具体实施方式
四或二十九相同。
具体实施方式
三十一本实施方式采用具体实施方式
一的撒粉装置制备二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料的方法，具体是按以下步骤完成的
一、粉末叠层铺设过程①分别称量纯度> 99. 9%的钛粉和纯度> 99. 9%的镍粉均勻混合即得到一份钛-镍混合物，共称取40份，且每一份钛-镍混合物之间的质量比为 1 (0.9999 1.0001)；②取其中一份钛-镍混合物从撒粉装置顶部撒入盛有丙酮的模具筒2-1中，并同时开动电动搅拌器(1)进行搅拌，采取顺时针和逆时针方向交替旋转的方式搅拌，且每隔38顺时针方向旋转与逆时针方向旋转交换一次，搅拌速度为3r/S，搅拌总时间为45s，搅拌完成后停止静置aiiin ；③重复操作步骤一②，直到将所有份数的钛-镍混合物全部均勻撒入并沉降到模具2底部，静置Smin ；④然后将丙酮用吸管移出模具筒2-1，再将带有钛-镍混合物的模具2静置24h (目的是让丙酮自然挥发)，最后置于温度75°C的干燥箱中，将带有钛-镍混合物的模具2烘干至恒重为止；二、双向冷压成形过程①从模具筒2-1上端放入直径与模具筒2-1内径相同的金属压杆，并在金属压杆上以3. 3X104N/s的加压速度施加压力，金属压杆上的压力从零加压至4. 2 X IO5N,并在4. 2 X IO5N的压力下保持2%iin，压力的施加方向与模具筒2_1立直方向保持一致；②将步骤二①的施加压力撤除，并拆除模具底座2-2，采用直径与模具筒2-1 内径相同的垫块放置模具筒2-1下端，且保证与模具筒2-1内壁完全契合，然后在金属压杆上以3. 3 X 104N/s的加压速度施加压力，金属压杆上的压力从零加压至4. 2 X IO5N,并在 4. 2 X IO5N的压力下保持2h，即完成二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料的胚体的制备；③将步骤二②的施加压力撤除，并去掉模具筒2-1内下面的垫块，然后将模具2旋转180度垂直放置，在模具筒2-1上面对正放置退模套筒，并将退模套筒固定，最后以lOmm/min的速度将二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料的胚体退入退模套筒中；三、冷等静压成形过程将步骤二制备的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料坯体放入隔油、可伸缩的筒形管中，然后将隔油、可伸缩的筒形管开口密封，并将隔油、可伸缩的筒形管内部抽至真空，使隔油、可伸缩的筒形管紧密贴紧坯体上，然后放置18h，在放置18h时间内如发现漏气现象必须重新密封，且继续放置1 观察漏气情况，至不出现漏气现象为止，然后将密封好的坯体放入冷等静压机中，以30MPa/min的加压速率将冷等静压机内部的压力从常压加压至200MPa，并在200MPa下保持3. 5min，最后以80MPa/min的卸压速率将冷等静压机内部卸至常压，即得到二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料的粗坯；四、干燥处理将步骤三制备的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料粗坯从隔油、可伸缩的筒形管中取出，然后将二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料的粗坯放在鼓风干燥箱中，在 i:35°C 下烘干 12h ；五、真空炉烧结将步骤四干燥后的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料粗坯整体放入内径比粗坯直径大2 5mm、高度为粗坯高度5 10倍的刚玉坩埚中，然后在干燥后的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料粗坯上整块放入直径与刚玉坩埚内径相同的耐火砖，并在耐火砖上表面撒一层质量分数>99. 9%的钛粉，在坩埚口塞入耐火砖块制作的盖子，保证坩埚内部密封，并将耐火砖块制作的盖子与刚玉坩埚固定，最后放入真空烧结炉中，以10°C / min的升温速率将真空烧结炉内部温度从室温升温至980°C，并在980°C下烧结5h，再以 IO0C /min的升温速率将真空烧结炉内部温度从980°C升温至1020°C，并在1020°C下烧结池，在烧结过程中炉内真空度保持在3. lX10_2Pa，烧结完成后随炉冷却至室温，即得到二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料。本实施方式的步骤一①中所述的每一份钛-镍混合物中钛与镍的原子比为49.5 50. 5，且40份钛-镍混合物的总体积为模具容积的1/30;步骤一②中所述的丙酮与步骤一①中所述40份钛-镍混合物的总体积比为18 1。本实施方式步骤二③中所述的退模套筒的外径与模具筒2-1的外径相同，退模套筒的内径比模具筒2-1内径大2mm，退模套筒的高度为模具筒2-1高度的1/10。采用真空浸渍法测试本实施方式制备的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料的孔隙率测量，得到孔隙率为25. 5%，其中开孔率为8%，有0. 7%的闭合孔洞。采用金相显微镜观察本实施方式制备的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料，首先在 50倍的金相显微镜下观察，如图4所示，根据图4我们可以清楚地看到试样孔的分布具有明显的层状分布特征，在图4中的白色虚线处为存在大量的连通孔隙，这些孔隙分层排列， 属于“层内连通孔隙”，层所在的面与粉末叠层铺设面一致，且垂直于压力施加方向；在200 倍的金相显微镜下观察，如图5所示，通过图5可以清楚的看到层内的孔隙互相连通分布情况；在200倍的金相显微镜下观察，如图6所示，通过图6可以清楚的看到在这些连通孔隙层之间为孔隙含量相对较少的区域，内部含有的孔隙为“层间孔隙”，由封闭的小孔和部分不规则尺寸较大的孔组成，在1000倍的金相显微镜下观察，如图7所示，这些孔洞为粉末成型时形成的孔隙，是在最后烧结后留下来的。所以我们可得知层间闭合孔隙构成泡沫材料中的闭孔，而层内连通孔隙构成泡沫材料中的通孔。为了进一步了解本实施方式制备的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料孔隙结构以及粉末烧结情况，使用扫描电镜对抛光表面进行观察，如图8和图9所示，图8的孔隙分布的低倍形貌进一步说明了孔隙的层状分布特征；图9的孔隙分布的高倍形貌可观察到在孔的内部没有出现孤立的镍粉或钛粉粉末，说明粉末之间发生了互扩散，没有残余粉末残留， 并且在图9中还可以看出泡沫合金中已经不能分辨出镍钛或钛粉的形貌，而是形成了比较均勻的合金状态，说明粉末烧结过程进行得比较充分。采用通过三点弯曲方法，将本实施方式制备的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料制备成断口，断裂面沿着层内连通孔隙面，对断口处进行电镜扫面，如图10和图11所示，图10 可以看出断裂面内的孔隙相互连通，为通孔结构，这进一步说明图4中白色虚线出的孔隙为连通结构；由图11高倍断口扫描电镜图片可以看出，泡沫合金的断裂发生在直径几到十几微米左右的细小孔棱处，原因在于此处易产生应力集中，形成较大的应力而产生裂纹。通过X射线衍射物相分析本实施方式制备的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料，如图12所示，通过图12所示X射线衍射图谱中看出材料中没有单质镍或单质钛存在，说明在烧结过程中发生了合金化。材料中除含有NiTi主相外，还存在Ti2Ni、Ni3Ti杂质相。在烧结过程第一阶段是固相粉末之间互相扩散，从相图上可以看出首先生成的是Ti2Ni、Ni3Ti, 在随后进一步扩散产生NiTi，但是由于材料粉末的不均勻性以及Ti2Ni、Ni3Ti的自由能比 NiTi要低，因此在烧结结束后还会有Ti2Ni、Ni3Ti存在。这些杂质相可以提高镍钛固溶体的屈服强度，对镍钛泡沫材料的应用有有利的一面；同时这些杂质相会降低镍钛泡沫合金的形状记忆性能。根据镍钛泡沫合金应用的对象，可以通过高温固溶淬火处理，或淬火后时效，控制上述杂质相的数量。对本实施方式制备的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料进行成份分析，如图13的扫描电镜6000倍背散射电子图片所示，通过图13中①和②两个点处的能谱分析，①点处钛、镍元素含量分别为64. 0%，36. 0%，而②点处钛、镍元素含量分别为48. 5%和51. 5%。
12看出材料中除了镍钛主相外，还存在Ti2M相弥散分布，同时在图片中还看出白颜色条状组织，由于过于细小，无法使用能谱判断成分，但根据背散射电子衬度原理推测是富镍成分相。 采用热分析的方法检测本实施方式制备的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料相变温度，使用差式扫描量热仪对材料的相变温度进行测试，温度范围为-80 200°C，温度速率为10°C /min,图14为制备的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料的差式扫描量热升温曲线， 可以看出马氏体到奥氏体相变温度为-6.4°C 43.2°C。图15为热处理后的制备的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料的差式扫描量热曲线，可以看出马氏体到奥氏体相变温度为 15. 4°C 43. 2°C，奥氏体到马氏体相变温度为-21. 6°C 17. 6°C ；相变点测量表明，该镍钛泡沫合金在室温下为奥氏体相，为期在室温下的应用带来很大便利；如将镍钛泡沫合金在低温马氏体状态下变形后，升温到室温，合金通过形状记忆效应将恢复原奥氏体状态下的形状。
权利要求
1.一种撒粉装置，撒粉装置由电动搅拌器(1)和模具( 组成，其特征在于电动搅拌器 (1)由搅拌棒(1-1)、搅拌叶(1-2)和电机(1-3)组成，搅拌棒(1-1)的上端与电机(1-3)固定连接，搅拌棒(1-1)上每间隔10 20mm并垂直于搅拌棒(1_1)焊接一个搅拌叶(1_2)， 且相邻两个搅拌叶(1-2)之间的夹角为120度；模具(2)由模具筒(2-1)和模具底座(2-2) 组成，模具筒(2-1)插在模具底座(2- 上，且模具筒(2-1)与模具底座(2- 之间是完全密封的，电动搅拌器(1)的搅拌棒(1-1)伸入模具筒0-1)中，搅拌棒(1-1)的底端位于模具筒0-1)下部。
2.根据权利要求1所述一种撒粉装置，其特征在于搅拌叶(1-2)外边缘距离模具筒 (2-1)内壁的距离为1mm。
3.应用权利要求1制备的撒粉装置制备二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料的方法，其特征在于二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料的制备方法是按以下步骤完成的一、粉末叠层铺设过程①分别称量纯度>99. 9%的钛粉和纯度> 99. 9%的镍粉均勻混合即得到一份钛-镍混合物，共称取30 50份，且每一份钛-镍混合物之间的质量比为 1 (0.9999 1.0001)；②取其中一份钛-镍混合物从撒粉装置顶部撒入盛有丙酮的模具筒(2-1)中，并同时开动电动搅拌器(1)进行搅拌，采取顺时针和逆时针方向交替旋转的方式搅拌，且每隔1 ^顺时针方向旋转与逆时针方向旋转交换一次，搅拌速度为1 5r/s， 搅拌总时间为30 60s，搅拌完成后停止静置1 ;3min ；③重复操作步骤一②，直到将所有份数的钛-镍混合物全部均勻撒入并沉降到模具( 底部，静置1 15min ；④然后将丙酮用吸管移出模具筒0-1)，再将带有钛-镍混合物的模具( 静置12 36h，最后置于温度 60 90°C的干燥箱中，将带有钛-镍混合物的模具( 烘干至恒重为止；步骤一①中所述的每一份钛-镍混合物中钛与镍的原子比为1 (1 1.05)，且30 50份钛-镍混合物的总体积不能超过模具( 容积的1/20 ；步骤一②中所述的丙酮与步骤一①中所述30 50份钛-镍混合物的总体积比为(17 19) 1 ；二、双向冷压成形过程①从模具筒(2-1)上端放入直径与模具筒(2-1)内径相同的金属压杆，并在金属压杆上以(1. 7 5. 0) X 104N/s的加压速度施加压力，金属压杆上的压力从零加压至(3. 4 5. 0) X IO5N,并在(3. 4 5. 0) X IO5N的压力下保持15 30min，压力的施加方向与模具筒0-1)立直方向保持一致；②将步骤二①的施加压力撤除，并拆除模具底座0-2)，采用直径与模具筒0-1)内径相同的垫块放置模具筒(2-1)下端，且保证与模具筒0-1)内壁完全契合，然后在金属压杆上以(1.7 5.0)\10、/8的加压速度施加压力，金属压杆上的压力从零加压至(3. 4 5. 0) X IO5N,并在(3. 4 5. 0) X IO5N的压力下保持1 3h，即完成二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料的胚体的制备；③将步骤二②的施加压力撤除，并去掉模具筒0-1)内下面的垫块，然后将模具( 旋转180度垂直放置，在模具筒0-1)上面对正放置退模套筒，并将退模套筒固定，最后以8 12mm/min的速度将二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料的胚体退入退模套筒中；步骤二③中所述的退模套筒的外径与模具筒0-1)的外径相同，退模套筒的内径比模具筒0-1)内径大2mm，退模套筒的高度为模具筒0-1)高度的1/10 ；三、冷等静压成形过程将步骤二制备的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料坯体放入隔油、可伸缩的筒形管中，然后将隔油、可伸缩的筒形管开口密封，并将隔油、可伸缩的筒形管内部抽至真空，使隔油、可伸缩的筒形管紧密贴紧坯体上，然后放置12 Mh，在放置12 24h时间内如发现漏气现象必须重新密封，且继续放置12 24h观察漏气情况，至不出现漏气现象为止，然后将密封好的坯体放入冷等静压机中，以20 40MPa/min的加压速率将冷等静压机内部的压力从常压加压至150 250MPa，并在150 250MPa下保持1. 5 5min， 最后以70 90MPa/min的卸压速率将冷等静压机内部卸至常压，即得到二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料的粗坯；四、干燥处理将步骤三制备的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料粗坯从隔油、可伸缩的筒形管中取出，然后将二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料的粗坯放在鼓风干燥箱中，在 120 150°C下烘干10 15h ；五、真空炉烧结将步骤四干燥后的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料粗坯整体放入内径比粗坯直径大2 5mm、高度为粗坯高度5 10倍的刚玉坩埚中，然后在干燥后的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料粗坯上整块放入直径与刚玉坩埚内径相同的耐火砖，并在耐火砖上表面撒一层纯度>99. 9%的钛粉，在坩埚口塞入耐火砖块制作的盖子，保证坩埚内部密封，并将耐火砖块制作的盖子与刚玉坩埚固定，最后放入真空烧结炉中，以10°C /min的升温速率将真空烧结炉内部温度从室温升温至980°C，并在980°C下烧结4 乩，再以10°C / min的升温速率将真空烧结炉内部温度从980°C升温至1020°C，并在1020°C下烧结2 4h， 在烧结过程中炉内真空度保持在1. 2 5. OX 10_2Pa，烧结完成后随炉冷却至室温，即得到二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料。
4.根据权利要求3所述的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料的制备方法其特征在于步骤一①中所述的每一份钛-镍混合物中钛与镍的原子比为49. 5 50. 5，且40份钛-镍混合物的总体积为模具容积的1/30 ；步骤一②中所述的丙酮与步骤一①中所述40份钛-镍混合物的总体积比为18 1。
5.根据权利要求4所述的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料的制备方法其特征在于步骤一②中每隔3s顺时针方向旋转与逆时针方向旋转交换一次，搅拌速度为3r/s，搅拌总时间为45s，搅拌完成后停止静置aiiin。
6.根据权利要求3、4或5所述的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料的制备方法其特征在于步骤二①中在金属压杆上以3.3X104N/S的加压速度施加压力，金属压杆上的压力从零加压至4. 2 X IO5N,并在4. 2 X IO5N的压力下保持；步骤二②中在金属压杆上以3. 3X104N/S的加压速度施加压力，金属压杆上的压力从零加压至4. 2X105N，并在 4. 2 X IO5N的压力下保持池；步骤二③中以lOmm/min的速度将二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料的胚体退入退模套筒中。
7.根据权利要求6述的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料的制备方法其特征在于步骤三中以30MPa/min的加压速率将冷等静压机内部的压力从常压加压至200MPa，并在200MPa 下保持3. 5min，最后以80MPa/min的卸压速率将冷等静压机内部卸至常压。
8.根据权利要求7所述的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料的制备方法其特征在于步骤四中在i:35°C下烘干12h。
9.根据权利要求3、4、5或8所述的二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料的制备方法其特征在于步骤五中在980°C下烧结证；步骤五中在1020°C下烧结池；步骤五中在烧结过程中炉内真空度保持在3. IXlO-2Pa0
全文摘要
一种撒粉装置及二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料的制备方法，本发明涉及一种撒粉装置及镍钛泡沫材料的制备领域。本发明要解决采用现有撒粉混合装置和现有技术制备的镍钛泡沫材料均为三维分布，在液体通过孔隙的渗流过程、力学特性和物理化学特性都是各向同性的，不能达到定向传送或单向隔绝的问题。本发明的撒粉装置由电动搅拌器和模具组成；本发明具体是按以下步骤完成的一、粉末叠层铺设过程，二、双向冷压成形过程，三、冷等静压成形过程，四、干燥处理，五、真空炉烧结。本发明提供一种撒粉装置和主要用于制备二维连通孔隙结构镍钛泡沫材料。
文档编号C22C1/08GK102220509SQ20111017486
公开日2011年10月19日 申请日期2011年6月27日 优先权日2011年6月27日
发明者张学习, 李云祯, 耿林, 魏陇沙 申请人:哈尔滨工业大学