一种铝基密度梯度材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及一种铝基密度梯度材料及其制备方法和应用，具体涉及铝基密度梯度材料的粉末冶金制备技术。

背景技术：

随着国家现代化建设对航天领域需求的不断扩大，卫星探测、空间站、探月工程等领域对新一代航天器结构构件的承载能力、精度保持能力、空间碎片防护能力等提出了比以往更高、更严苛的要求。随着新一代航天器执行任务的复杂化，除了推进剂重量，有效载荷也占据了较大体积和重量，然而受到运载发射能力的约束，降低结构的重量方可增加有效载荷的重量，这就意味着降低结构的重量可提升卫星执行多样化任务的能力。

铝及其合金具有低密度、高比强和高比刚度等优良特性，是目前航空航天领域应用最多的轻质金属材料。近年来，为了进一步发展新型轻质结构材料，以现有均质结构材料研究的最新成果为基础，综合考虑材料的结构功能一体化设计理念，利用梯度结构实现材料的功能一体化成为不可避免的趋势。此外，新型梯度材料具有的密度梯度特性能有效实现动能的高效耗散，通过对航天器设置密度梯度材料防护屏，以最大限度的减小和分散入射空间碎片动能，可有效实现对航天器的防护。现有的梯度材料多为致密的异种材料梯度复合，在复合过程中容易在界面处生成不同类型的金属间化合物，大量脆性金属间化合物的存在导致两者的界面结合质量不高。基于多孔结构的铝基密度梯度材料可以有效避免界面的存在，显著提高不同层之间的结合强度。在制备过程中，孔径大小和孔隙的均匀性是技术的关键所在，如存在局部大孔等缺陷，这可导致材料的弹性及屈服强度等性能显著降低。

目前国内外制备小孔径多孔铝合金的方法并不多，国内外相关研究者是以铝或铝合金为基体，采用熔体发泡法，通过控制搅拌发泡过程达到减小孔径的效果。另外一种方法是采用渗流铸造法制备通孔多孔铝合金，利用处理过的工业盐为填充剂，进而经过渗流、冷却、凝固和清理得到孔径小于1mm的多孔铝合金合金。近年来有研究者基于粉末冶金原理利用烧结溶解法制备得到孔径大于100μm的微米级多孔铝合金。各国学者发展的多孔结构梯度材料的制备方法主要包括电化学法、梯度化学溶解法、粉末湿法喷涂法、离心沉积法、热等静压和粉末烧结工艺相结合法和模压成型法等。但是所制备样品不仅孔隙率的可控性和稳定性不高，性能不稳定，而且其孔隙的孔径一般大于100μm。由于孔隙孔径过大，当孔隙率提高时，样品的强度等性能明显下降。所有这些都大大限制了多孔结构梯度材料的应用。

综上所述，现有的制备方法都有各种各样的局限性，目前还没有成熟稳定的工艺实现梯度材料中孔隙形貌和均匀性分布的有效控制，而航空航天的应用环境对结合性能提出了更高要求。因此，本领域迫切需要设计一种新的制备方法获得具有高性能的铝基密度梯度材料。

技术实现要素：

发明人以克服异种材料梯度复合过程中界面处有害金属间化合物生成造成材料性能降低为原则，首创多孔结构梯度材料的设计理念，以同种材质为基体实现梯度复合。

本发明的目的在于克服现有梯度材料和多孔材料的结构以及制备技术的不足，在多孔材料和梯度材料的发展基础上提供一种微米级多孔结构的铝基密度梯度材料粉末冶金制备的技术，该方法具有制备工艺简单，孔隙率和孔径大小可控，操作灵活等特点。

本发明一种铝基密度梯度材料；所述铝基密度梯度材料中存在密度呈梯度变化的区域和/或密度呈连续变化的区域，所述铝基密度梯度材料中各区域的材质一致。

本发明一种铝基密度梯度材料；将所述铝基密度梯度材料沿厚度方向划分成n层，依次定义第1层的密度为a1、第2层的密度为a2、……第n层的密度为an；所述a1大于a2、an小于an-1；所述n大于2且为整数。

本发明一种铝基密度梯度材料；第1层的致密度大于等于99％；第n层的孔隙率为50-60％。

本发明一种铝基密度梯度材料；第2层的厚度为0.2-0.5毫米，第2层的密度为第1层密度的40-90％；第2层的厚度+第3层的厚度+…..+第n层的厚度小于等于10毫米。

本发明一种铝基密度梯度材料；所述铝基密度梯度材料的材质为纯铝或铝合金；当其材质为纯铝时，第1层的密度为2.7g/cm³、第2层的密度为1.8-1.9g/cm³、第n层的密度an大于等于1.1g/cm³且小于等于第n-1层的密度。

本发明一种铝基密度梯度材料；所述铝合金选自al-mg系合金、al-mn系合金、al-cu-mg系合金、al-mg-si系合金、al-cu-mg-fe-ni系合金、al-zn-mg-cu系合金中的至少一种。

本发明一种铝基密度梯度材料；所述铝基密度梯度材料中，孔隙的孔径小于等于50微米。

本发明一种铝基密度梯度材料的制备方法；包括以下步骤：

步骤一

以含铝金属粉末、造孔剂为原料，按不同的x取值，按体积比水溶性造孔剂粉末：含铝金属粉末＝x：(100-x)分别配取水溶性造孔剂粉末和铝合金粉末，混合均匀，按x的取值由小到大的顺序依次得到1备用料、第2混合料、…..直至第n混合料，封存备用；所述含铝金属粉末为纯铝粉或铝合金粉；所述x大于等于0、小于100；所述含铝金属粉末的粒度为8-15μm。

所述造孔剂为钠盐或钾盐，球形度大于等于90％；所述造孔剂的粒径分布为15-45μm；x优选取值范围为0～70。

步骤二

将步骤一所得第1备用料、第2混合料、…..直至第n混合料按照设计要求在模具中叠层铺粉，单向冷压成形，得到含有第1层、第2层、…..第n层结构的梯度坯体；

步骤三

将步骤二所得梯度坯体，在真空气氛下，首先采用5-15℃/min优选为5-10℃/min的升温速率升温至280-320℃，保温，然后以5-15℃/min的升温速率升温至575-675℃，保温120-240min，保温过程中加载1-10mpa压力；保温完成后以5-15℃/min的降温速率将温度降至280-320℃，保温，保温后随炉冷却至室温；

步骤四

将步骤三得到的烧结坯体通过40-80℃水浴浸泡，脱除造孔剂，得到密度梯度分布的材料。

本发明一种铝基密度梯度材料的制备方法；所述含铝金属粉末经过预处理；所述预处理为：将粒度为8-15μm的含铝金属粉末在60-80℃的烘箱中烘干4-6小时。

本发明一种铝基密度梯度材料的制备方法；步骤一中所述造孔剂为钠盐或钾盐，球形度大于等于90％；所述造孔剂的粒度分布为15-45μm，通过下述方案制备得到：

往饱和氯化钠水溶液中加入甘氨酸，搅拌均匀后，通过雾离心干燥的方式，制得水溶性造孔剂粉末；所述甘氨酸的加入质量为饱和氯化钠水溶液总质量的2％-25％、优选为2.5-5％、进一步优选为2.7-4.1％；喷雾离心干燥时，控制雾化器转速大于等于15000r/min、优选为15000-30000r/min、进一步优选为25000r/min，控制进风温度大于等于150℃、优选为150-200℃、进一步优选为150℃，控制出风温度小于等于100℃、优选为80-100℃、进一步优选为80℃。

本发明一种铝基密度梯度材料的制备方法；步骤二中，铺设粉料前，测量粉料的松装密度。同时还需测量不同的定量粉料在不同压力条件下所得压坯的厚度。

本发明一种铝基密度梯度材料的制备方法；所述第1层的厚度为0.2-0.5微米，且其材质为第1备用料。

本发明一种铝基密度梯度材料的制备方法；所述第2层的厚度为0.2-0.5微米，且其材质为第2混合料。

本发明一种铝基密度梯度材料的制备方法；当n大于等于3时，所述第3层的厚度为0.2-0.5微米，且其材质为第3混合料。第i层的厚度为0.2-0.5微米，且其材质为第i混合料；所述i大于3、小于等于n。

本发明一种铝基密度梯度材料的制备方法；步骤二中，压制成形的压制压力为150-300mpa，保压时间为5-30s，压制所得梯度材料的坯体总厚度为3-10mm。

本发明一种铝基密度梯度材料的制备方法；步骤二中，压制成形优选为模压成形；模压成形的内壁均匀涂有润滑剂，所述润滑剂优选为硬脂酸锌。

本发明一种铝基密度梯度材料的制备方法；步骤三中，将步骤二所得梯度坯体，在真空气氛下，首先采用5-15℃/min优选为5-10℃/min的升温速率升温至280-320℃，保温，然后以5-15℃/min的升温速率升温至625-675℃，保温120-240min，保温过程中加载1-10mpa压力；保温完成后以5-15℃/min的降温速率将温度降至280-320℃保温，保温后随炉冷却至室温，所述真空环境的真空度为1×10^-2-1×10^-6pa。

本发明一种铝基密度梯度材料的制备方法；步骤四中所述造孔剂为可溶性钠盐或钾盐，置于50-70℃的水溶液中浸泡2-3h后，在真空条件下干燥，用水浴溶解法脱除坯体中的造孔剂。

采用本发明所设计的工艺，所制备的多孔结构密度梯度铝合金的孔隙形貌基本为球形，均匀度较好，可以有效实现密度的梯度分布。

本发明可适用于较大尺寸铝基密度梯度材料的制备，并可扩展到其它金属的密度梯度结构。

优势

一、本发明可以通过控制梯度材料的孔隙特性制备铝基密度梯度材料；

二、所述材料的外形、孔隙率、孔径大小完全可控且孔径可做到小于等于50微米，可根据实际需求进行多孔材料的制备，密度梯度可以实现1.1-2.7g/cm³范围内线形连续或连续梯度变化；

三、本发明制备工艺简单、成本低，可适用于较大尺寸铝基密度梯度材料的制备，并可扩展到其它类似结构的梯度材料研制；

四、本发明所设计的工艺不会存在中间扩散层，使得本发明不会存在异种材料的金属间化合物，从而拓宽了所制备材料的应用范围。

解决梯度材料现有制备过程中界面层难以控制、异种材料界面处残余应力较大而难以获得具有较好结合界面强度的梯度结构的问题。本发明采用粉末冶金技术设定多孔铝合金的孔隙率为x(x＝0～70％)；按体积比水溶性造孔剂粉末：铝合金粉末＝x：(100-x)，配取水溶性造孔剂粉末和铝合金粉末，混合均匀得到不同孔隙率的混合粉末；将不同成分配比的混合粉末通过叠层铺粉进行成形，并在真空环境下于575-675℃烧结得到烧结体；最后对所得烧结体进行水溶液中浸泡处理得到较好性能的铝基密度梯度材料。本发明制备得到的铝基密度梯度材料无明显形变、通过孔隙率实现了密度在1.1-2.7g/cm³之间的梯度分布。

综上，本发明采用粉末冶金技术，解决了现有梯度材料制备过程中界面层难以控制、异种材料界面处残余应力较大而难以获得具有较好结合界面强度的梯度结构的问题。通过不同孔隙率设计实现铝基梯度材料的密度分布，并有效缩短制备工艺，可适用于较大尺寸铝基密度梯度材料的制备，并可扩展到其它金属的密度梯度结构。本发明能够有效控制孔隙率和孔径大小操作简单、易于控制，便于产业化应用。

附图说明

图1为本发明实施例所用水溶性造孔剂粉末的扫描电镜照片。

图2为实施例2中制备得到的多孔结构的两层梯度材料的扫描电镜照片。

图3为实施例3中制备得到的多孔结构的三层梯度材料的扫描电镜照片。

从图1可以看出本发明实施例所用水溶性造孔剂粉末的粒径分布为15-45μm，且球形度约为95％。

从图2可以看出本发明实施例2所制备得到的两层梯度中孔隙形貌基本一致切分布均匀，孔径分布在50μm以下，密度实现了明显的梯度分布。

从图3可以看出本发明实施例3所制备得到的三层梯度中孔隙形貌基本一致切分布均匀，孔径分布在50μm以下，密度实现了明显的梯度分布。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明一种铝基密度梯度材料的制备方法作进一步的说明。

本发明实施例中，所用粒度分布为15-45μm的水溶性造孔剂粉末是通过下述方案制备的：

室温下，在100ml饱和氯化钠溶液中，加入54g甘氨酸，磁力搅拌半小时，雾化器转速为15000r/min，进/出风口温度为150/80℃，收集得到氯化钠结晶，并在80℃于真空干燥箱中干燥。得到氯化钠的粒径分布为15-45μm，球形度约为95％；扫描结果见附图1。

实施例1

步骤1：粉末预处理；将粒度为8-15μm的铝基体粉末和粒度分布为15-40μm的水溶性造孔剂粉末在80℃的烘箱中烘干4小时。

步骤2：成分配备；将2a12粉末和水溶性造孔剂粉末按照体积分数7:3配比(即x的取值为30)，然后在三维混料机中混合3h，混料机转速20r/min，然后真空环境下取出封存备用。

步骤3：梯度成形；将2a12铝合金粉末置于冷压模具中并且铺粉平整并手动进行预压，然后下降模具压头高度，将步骤2中准备的复合粉末在前面预压坯体上继续铺设平整在200mpa进行预制坯体的成形，保压20s，制备得到两层梯度的预制坯体。

步骤4：将预制坯体在烧结炉中首先采用5℃/min的升温速率将温度从室温升至600℃并保温180min，随后以5℃/min的降温速率将温度降至300℃并保温20min，最后随炉冷却至室温，制备得到梯度样品的烧结坯体。

步骤5：烧结体后处理；采用水浴溶解技术在60℃浸泡2h对粉末冶金技术制备得到的烧结坯体进行造孔剂的脱除，制备得到多孔结构的密度梯度铝合金。

对本实施方式所得铝基密度梯度材料进行密度测定，得到密度从1.8-2.7g/cm³实现梯度分布，样品总厚度2mm，孔隙率分布在0-31％范围内，孔径分布在50μm以下，材料拉伸强度为83.5mpa。

实施例2

步骤1：粉末预处理；将粒度为8-15μm的铝基体粉末和粒度分布为15-40μm的水溶性造孔剂粉末在70℃的烘箱中烘干5小时。

步骤2：成分配备；将2a12粉末和水溶性造孔剂粉末按照体积分数7:3配比(即x的取值为30)，然后在三维混料机中混合4h，混料机转速20r/min，然后真空环境下取出封存备用。

步骤3：梯度成形；将2a12铝合金粉末置于冷压模具中并且铺粉平整并手动进行预压，然后下降模具压头高度，将步骤2中准备的复合粉末在前面预压坯体上继续铺设平整在200mpa进行预制坯体的成形，保压20s，制备得到两层梯度的预制坯体。

步骤4：将预制坯体在烧结炉中首先采用5℃/min的升温速率将温度从室温升至650℃并保温210min，随后以5℃/min的降温速率将温度降至300℃并保温20min，最后随炉冷却至室温，制备得到梯度样品的烧结坯体。

步骤5：烧结体后处理；采用水浴溶解技术在60℃浸泡2h对粉末冶金技术制备得到的烧结坯体进行造孔剂的脱除，制备得到多孔结构的密度梯度铝合金。

对本实施方式所得铝基密度梯度材料进行密度测定，得到密度从1.9-2.7g/cm³实现梯度分布，样品总厚度2mm，孔隙率分布在0-28％范围内，孔径分布在50μm以下，材料拉伸强度为91.1mpa。其微观组织如图2所示。

实施例3

步骤1：粉末预处理；将粒度为8-15μm的铝基体粉末和粒度分布为15-40μm的水溶性造孔剂粉末在80℃的烘箱中烘干4小时。

步骤2：成分配备；将2a12粉末和水溶性造孔剂粉末按照体积分数7:3和5：配比(即x的取值分别为30和50)，然后在三维混料机中混合4h，混料机转速20r/min，然后真空环境下取出封存备用。

步骤3：梯度成形；将2a12铝合金粉末置于冷压模具中并且铺粉平整并手动进行预压，然后下降模具压头高度，将步骤2中准备的体积分数比为7:3的复合粉末在前面预压坯体上继续铺设平整并手动进行预压，然后进一步下降模具压头高度，将步骤2中准备的体积分数比为5:5的复合粉末在前面预压坯体上继续铺设平整在200mpa进行预制坯体的成形，保压20s，制备得到三层梯度的预制坯体。

步骤4：将预制坯体在烧结炉中首先采用5℃/min的升温速率将温度从室温升至650℃并保温210min，随后以5℃/min的降温速率将温度降至300℃并保温20min，最后随炉冷却至室温，制备得到梯度样品的烧结坯体。

步骤5：烧结体后处理；采用水浴溶解技术在60℃浸泡2h对粉末冶金技术制备得到的烧结坯体进行造孔剂的脱除，制备得到多孔结构的密度梯度铝合金。

对本实施方式所得铝基密度梯度材料进行密度测定，得到密度从1.4-2.7g/cm³实现梯度粉末，样品总厚度2.5mm，孔隙率分布在0-48％范围内，孔径分布在50μm以下，材料拉伸强度为66.8mpa，其微观组织如图3所示。

对比例1

其他条件均与实施例1一致，采用30-45μm的铝基体粉末和市购分析纯nacl(粒度100-150μm)；得到密度从1.6-2.7g/cm³实现梯度分布，孔隙率分布在0-41％范围内，成品中孔隙孔径大于100μm以上，拉伸强度仅为67.2mpa，梯度效果和设计参数相差较大。

对比例2

其他条件均与实施例3一致，采用市购分析纯nacl替代本发明所用高球形度nacl(粒度100-150μm)；得到密度从1.2-2.7g/cm³实现梯度分布，孔隙率分布在0-56％范围内，成品中孔隙孔径大于100μm以上，并且有少量的孔隙有连通现象，降低所设计梯度材料的孔隙特性，拉伸强度仅为51.6mpa，梯度效果和设计参数相差较大。