一种复合型反应结构材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及复合型反应结构材料设计与激光增材制造领域，具体涉及一种复合型反应结构材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、聚氟化物/(al，ti)是一种典型的反应结构材料，通常采用压制和烧结为主的粉末冶金技术制备成毁伤元。然而随着目标装甲防护技术的提升，现有的(al，ti)/ptfe材料毁伤元强度无法满足侵彻过程所需的力学性能要求。因此，需要开发一种兼具高强度与高释能的反应结构材料毁伤元及其制备方法。

2、高熵合金具有优异的综合性能，包括高强韧性、高硬度、优异的耐腐蚀等，具有极佳的应用前景和商业价值。而由al、ti、zr、ta等高氧化释能元素组成的高熵合金反应结构材料(high-entropy alloys reactive materials structure,heas-rms)为力学强度达到结构件需求的一类材料，且能够在外界条件冲击碰撞破碎下与空气中的氧气反应并快速释放大量能量，具有高氧化释能和结构强度双重特征，可同时作为结构件和含能毁伤元使用。然而传统的铸造以及粉末冶金难以实现高性能复杂构件的成形制造。此外，heas-rms对环境工况中的氧气具有较大的依赖性，因此在实际应用中受到诸多限制。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种复合型反应结构材料及其制备方法和应用，解决现有技术中无法在不显著降低甚至不降低heas-rms构件力学使役性能的前提下提高其毁伤效果的技术问题。

2、本发明公开了一种复合型反应结构材料制备方法，包括以下步骤：

3、s1.拓扑优化模型构建，在激光增材制造建模软件中构建构件的拓扑优化模型，并导入选择性激光熔化(selective laser melting：slm)slm操作系统中；

4、s2.高熵合金反应结构材料粉末准备，将经过干燥处理后的高熵合金反应结构材料粉末放入slm操作系统的粉仓中；

5、s3.高熵合金反应结构材料骨架成型，，采用slm工艺将高熵合金反应结构材料粉末逐层熔化堆积在基板上，制备出具有拓扑优化模型结构的高熵合金反应结构材料骨架；

6、s4.复合型反应结构材料构件的制备，将al/ptfe/有机溶剂混合物填充到具有拓扑优化模型结构的高熵合金反应结构材料骨架中，挥发溶剂后得到高强高活性的复合型反应结构材料构件。

7、进一步的，所述高熵合金反应结构材料粉末包括al元素、ti元素、zr元素、co元素、cr元素、fe元素和ni元素。

8、进一步的，所述高熵合金反应结构材料粉末中各元素纯度≥90％。

9、进一步的，所述高熵合金反应结构材料粉末中元素配比为：2at.％≤al≤20at.％，10at.％≤ti≤50at.％，10at.％≤zr≤20at.％，10at.％≤co≤20at.％，10at.％≤cr≤20at.％，10at.％≤fe≤20at.％，20at.％≤ni≤30at.％。

10、进一步的，所述高熵合金反应结构材料粉末的单质元素混合后经过等离子球化处理，再进行筛分，将小于金属粉末筛孔径的粉末放入真空干燥箱中，在真空环境下加热至90～150℃，保温1～5h后随箱冷却待用。

11、进一步的，所述高熵合金反应结构材料粉末中元素均为球形粉末，球形度≥80％。

12、进一步的，所述基板为不锈钢板或锆合金基板。

13、进一步的，所述基板使用前进行表面清理，具体包括以下步骤：首先，对基板表面进行机加工处理，去除基板表面氧化层，保证基板表面平整干净；然后，将其浸泡入丙酮中进行超声清洗，并用无水乙醇擦拭干净；最后将其固定在选区激光熔化系统的工作台上。

14、进一步的，使用所述3d建模软件为采用ansys有限元分析软件进行数学建模和结构优化。

15、通过ansys有限元分析软件对heas-rms进行拓扑优化，设计出强韧性骨架模型。

16、进一步的，所述slm制造中激光熔化工艺参数为：激光功率为50～500w，扫描速度为200～1400mm/min，光斑直径为30～100μm，单层铺粉厚度为10～120μm，搭接率为10％～90％。

17、进一步的，所述slm使用时在充满惰性气体的工作腔室中进行打印。

18、进一步的，所述惰性气体为氩气。

19、进一步的，利用有机溶剂对al粉或ti粉和ptfe微粉通过电磁搅拌的方式进行混合得到所述(al，ti)/ptfe/有机溶剂混合物。

20、进一步的，所述al粉或ti粉和ptfe微粉的粒径均为10微米；al粉或ti粉和ptfe微粉质量比为1:1；有机溶剂为乙醇、二氯甲烷、正己烷或丙酮。

21、一种复合型反应结构材料，使用上述方法制得。

22、一种复合型反应结构材料的应用，用于反应结构材料毁伤元。

23、与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

24、1.本发明技术方案可以根据需求，通过拓扑优化进而设定不同的激光扫描路径程序，从而生产出性能优异、结构复杂的heas-rms构件；根据特定的激光工艺参数及高熵合金元素配比，可以制备出组织均匀，结构稳定，性能优异，结构复杂的heas-rms构件。本发明具有自动化程度高，可控性好，产品质量高，可定制化生产，商业价值高等特征；

25、2.本专利为促进反应结构材料工程化实际使用的迫切需求，基于材料与制造学科的交叉融合，提出了高熵合金反应结构材料骨架强韧化聚氟化物/al的复合型反应结构材料的方案，该方案即可弥补heas-rms对于氧气的依赖与释能效率低的问题，又可解决弥补al/ptfe体系力学性能差引起的侵彻性能不足的问题；

26、3.本专利用拓扑优化技术设计优化出氧化释能高熵合金骨架，并通过slm激光增材技术实现拓扑优化高熵合金骨架的成形。因而，slm激光增材技术的发展为强韧化heas-rms骨架的均匀化制备提供了一种新的技术方案；

27、4.采取压渗的方式实现氟化释能的al/ptfe在高熵合金骨架中填充，从而得到兼具氧化与氟化复合释能的复合型反应结构材料，该复合材料不仅可作为战斗部结构的承力部件与破片毁伤元，同时也可作为毁伤能量的提供者。

技术特征：

1.一种复合型反应结构材料制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种复合型反应结构材料制备方法，其特征在于：所述高熵合金反应结构材料粉末包括al元素、ti元素、zr元素、co元素、cr元素、fe元素和ni元素。

3.根据权利要求1所述的一种复合型反应结构材料制备方法，其特征在于：所述高熵合金反应结构材料粉末中各元素纯度≥90％。

4.根据权利要求2所述的一种复合型反应结构材料制备方法，其特征在于：所述高熵合金反应结构材料粉末中元素配比为：2at.％≤al≤20at.％，10at.％≤ti≤50at.％，10at.％≤zr≤20at.％，10at.％≤co≤20at.％，10at.％≤cr≤20at.％，10at.％≤fe≤20at.％，20at.％≤ni≤30at.％。

5.根据权利要求1所述的一种复合型反应结构材料制备方法，其特征在于：所述高熵合金反应结构材料粉末的单质元素混合后经过等离子球化处理，再进行筛分，将小于金属粉末筛孔径的粉末放入真空干燥箱中，在真空环境下加热至90～150℃，保温1～5h后随箱冷却待用。

6.根据权利要求1所述的一种复合型反应结构材料制备方法，其特征在于：所述高熵合金反应结构材料粉末中元素均为球形粉末，球形度≥80％。

7.根据权利要求1所述的一种复合型反应结构材料制备方法，其特征在于：使用所述激光增材制造建模软件先用ansys有限元分析软件进行数学建模和结构优化。

8.根据权利要求1所述的一种复合型反应结构材料制备方法，其特征在于：所述激光增材制造中激光熔化工艺参数为：激光功率为50～500w，扫描速度为200～1400mm/min，光斑直径为30～100μm，单层铺粉厚度为10～120μm，搭接率为10％～90％。

9.一种复合型反应结构材料，其特征在于：使用权利要求1-8任一项所述的一种复合型反应结构材料制备方法制得。

10.根据权利要求9所述的一种复合型反应结构材料的应用，其特征在于：用于反应结构材料毁伤元。

技术总结
本发明涉及复合型反应结构材料技术领域，具体涉及一种复合型反应结构材料及其制备方法和应用，包括以下步骤：S1.拓扑优化模型构建，在激光增材制造建模软件中构建构件的拓扑优化模型，并导入选择性激光熔化(Selective laser melting：SLM)操作系统中；S2.高熵合金反应结构材料粉末准备，并将经过干燥处理后的高熵合金反应结构材料粉末放入SLM操作系统的粉仓中；S3.高熵合金反应结构材料骨架成型，采用SLM工艺将高熵合金反应结构材料粉末逐层熔化堆积在基板上，制备出具有拓扑优化模型结构的高熵合金反应结构材料骨架；S4.将(Al，Ti)/PTFE/有机溶剂混合物填充到具有拓扑优化模型结构的高熵合金反应结构材料骨架中，挥发溶剂后得到高强高活性的复合型反应结构材料构件。

技术研发人员：李晋锋,任聪聪,杨晓珊,周元枫,黄德顺,赵晓冲,帅茂兵
受保护的技术使用者：中国工程物理研究院材料研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15