一種金屬空心球的製備方法
2023-08-01 18:14:36 1
專利名稱：一種金屬空心球的製備方法
一種金屬空心球的製備方法技術領域
本發明屬於空心球金屬泡沫的製備技術領域，尤其是涉及一種金屬空心球的製備方法。
背景技術：
目前的熱防護體系中間部分所採用的隔熱材料一般為氧化鋁陶瓷纖維，雖然它輕質，耐熱性、抗氧化性好，但抗熱震性差，導熱率隨溫度的變化很大，而且由於非金屬和金屬蓋板間熱膨脹係數的差異，容易引起熱循環中的結構不穩定性。而由燒結或連接空心球顆粒製備的空心球金屬泡沫內部空心、球殼緻密，是一種兼具功能和結構雙重屬性的新型功能材料，能有效地抑制對流和輻射傳熱。在發動機、燃燒室等高溫環境下的緩衝防護、降噪隔熱等方面有潛在應用。
目前金屬空心球的製備方法有霧化法、金屬流化床法和滾粉燒結法等。霧化法產量低(通常只有 5% )，而且獲得的空心球的尺寸較小；金屬流化床法從理論上講可以製備任何金屬及合金的空心球材料，但工序複雜，成本較高；滾粉燒結法製備的空心球表面乾燥，壁厚薄且不易控制，球與球之間需要採用合金粉漿加以粘接，製備效率很低。目前國際、國內對金屬空心球材料製備工藝控制的理論研究極為薄弱。以上幾種方法都存在球體尺寸不易控制、球殼容易破裂等現象。電子束快速成形的優點很多，主要包括能量利用率高、可應用材料廣泛、真空環境無汙染、成型速度快、成型精度高等。但在現有研究技術中， 用電子束熔覆/燒結製備複雜零件的報導很多，但用此法製備金屬多孔材料以及空心球結構材料的工藝及理論研究，國內外暫無報導，也沒有相關專利。發明內容
本發明所要解決的技術問題在於針對上述現有技術中的不足，提供一種金屬空心球的製備方法，其設計合理，操作便捷，智能化程度較高，製備效率高，金屬空心球的成型精度高，球體尺寸易控制，球體表面緻密，球殼壁厚均勻，球殼不易破裂，製備過程無汙染，通用性強，應用範圍廣。該方法適用於所有金屬及合金粉末製備的金屬空心球。
為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是一種金屬空心球的製備方法，該方法採用的設備包括電子束快速成型機和與電子束快速成型機相接並用於對電子束快速成型機的工作過程進行控制的控制計算機，所述控制計算機中裝有作圖軟體和與電子束快速成型機配套使用的電子束快速成型軟體，其特徵在於該方法包括以下步驟
步驟一、建立金屬空心球的三維實體模型根據所需製備的金屬空心球的直徑和球殼厚度在控制計算機中用作圖軟體建立金屬空心球的三維實體模型，所述三維實體模型由多個排列設置成兩層的金屬空心球構成，位於上層的每個金屬空心球的頂端和位於下層的每個金屬空心球的底端均設置有粉末出口孔；
步驟二、將步驟一中所建立的三維實體模型導入電子束快速成型軟體中，通過控制計算機輸入電子束掃描參數，所述電子束掃描參數包括束流大小、掃描速度和掃描層數；
步驟三、將金屬粉末按一定的鋪粉厚度平鋪在電子束快速成型機的鋪粉臺上，控制計算機在電子束快速成型軟體環境下，根據步驟二中所導入的三維實體模型和輸入的電子束掃描參數控制所述電子束快速成型機對金屬粉末進行分層、逐層掃描燒結，完成所述金屬空心球的燒結；
步驟四、燒結完成後，將每個金屬空心球中多餘的金屬粉末從粉末出口孔處倒出；
步驟五、將粉末出口孔焊接封閉，得到內部空心、表面緻密的金屬空心球。
上述的一種金屬空心球的製備方法，其特徵在於所述金屬空心球的直徑不大於 10mm，所述金屬空心球的球殼厚度為0. Imm 3mm。
上述的一種金屬空心球的製備方法，其特徵在於步驟二中所述束流大小為 ImA 7mA。
上述的一種金屬空心球的製備方法，其特徵在於步驟二中所述掃描速度包括預熱掃描速度和成型掃描速度，所述預熱掃描速度為40dm/s，所述成型掃描速度為2dm/s 6dm/s0
上述的一種金屬空心球的製備方法，其特徵在於步驟三中所述鋪粉厚度為 0. Imm 0. 3mmο
上述的一種金屬空心球的製備方法，其特徵在於所述粉末出口孔為圓形孔或方形孔，所述圓形孔的直徑不大於3mm，所述方形孔的長邊長度不大於3mm。
本發明與現有技術相比具有以下優點
1、本發明設計合理，金屬空心球的製備方法步驟簡便且實現方便。
2、本發明的通用性強，對所有金屬及合金粉末製備的金屬空心球均可製備，應用範圍廣。
3、製備過程簡單且操控方便，實際加工時，只需在作圖軟體中建立金屬空心球的三維實體模型，將建立的三維實體模型導入電子束快速成型軟體中並輸入電子束掃描參數，然後將金屬粉末平鋪在電子束快速成型機的鋪粉臺上，電子束快速成型機便可在控制計算機的控制下自動完成金屬空心球的燒結，燒結完成後，將每個金屬空心球中多餘的金屬粉末從粉末出口孔處倒出，將粉末出口孔焊接封閉便得到了內部空心、表面緻密的金屬空心球；製備過程中，無需人工幹預，操作便捷，智能化程度較高。
4、製備效果好且製備效率高，金屬空心球的成型速度快、成型精度高，球體尺寸易控制，球體表面緻密，球殼壁厚均勻，球殼不易破裂。
5、本發明較之現有技術中金屬空心球製備的霧化法、金屬流化床法和滾粉燒結法等，能夠製備出尺寸較大、強度較高的金屬空心球。
6、本發明的能量利用率高，製備過程無汙染，所製備的金屬空心球能夠廣泛地應用在吸能減震、消聲降噪、電磁屏蔽、隔熱等技術領域。
綜上所述，本發明設計合理，操作便捷，智能化程度較高，製備效率高，金屬空心球的成型精度高，球體尺寸易控制，球體表面緻密，球殼壁厚均勻，球殼不易破裂，製備過程無汙染，通用性強，應用範圍廣。
下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。
圖1為本發明的方法流程框圖。
圖2為本發明金屬空心球三維實體模型的立體圖。
圖3為圖2的主視圖。
圖4為圖3的A-A視圖。
附圖標記說明
I-金屬空心球； 2-連接孔。
具體實施方式
如圖1所示的一種金屬空心球的製備方法，該方法採用的設備包括電子束快速成型機和與電子束快速成型機相接並用於對電子束快速成型機的工作過程進行控制的控制計算機，所述控制計算機中裝有作圖軟體和與電子束快速成型機配套使用的電子束快速成型軟體；該方法包括以下步驟
步驟一、建立金屬空心球1的三維實體模型根據所需製備的金屬空心球1的直徑和球殼厚度在控制計算機中用作圖軟體建立金屬空心球1的三維實體模型，所述三維實體模型由多個排列設置成兩層的金屬空心球1構成，位於上層的每個金屬空心球1的頂端和位於下層的每個金屬空心球1的底端均設置有粉末出口孔2 ；詳見圖2、圖3和圖4。
步驟二、將步驟一中所建立的三維實體模型導入電子束快速成型軟體中，通過控制計算機輸入電子束掃描參數，所述電子束掃描參數包括束流大小、掃描速度和掃描層數；
步驟三、將金屬粉末按一定的鋪粉厚度平鋪在電子束快速成型機的鋪粉臺上，控制計算機在電子束快速成型軟體環境下，根據步驟二中所導入的三維實體模型和輸入的電子束掃描參數控制所述電子束快速成型機對金屬粉末進行分層、逐層掃描燒結，完成所述金屬空心球1的燒結；
步驟四、燒結完成後，將每個金屬空心球1中多餘的金屬粉末從粉末出口孔2處倒出；
步驟五、將粉末出口孔2焊接封閉，得到內部空心、表面緻密的金屬空心球1。
所述金屬空心球1的直徑不大於10mm，所述金屬空心球1的球殼厚度為0. Imm 3mm。上述步驟二中所述束流大小為ImA 7mA，束流大小根據用於加工金屬空心球的金屬粉末的熔點來調節，束流大小決定了電子束快速成型機的底板溫度和金屬空心球1的成型溫度。上述步驟二中所述掃描速度包括預熱掃描速度和成型掃描速度，所述預熱掃描速度為40dm/s，所述成型掃描速度為2dm/s 6dm/s。上述步驟二中所述掃描層數由分層出來的每層厚度和所加工的金屬空心球的直徑和球殼厚度決定，每層厚度一般為0. 05mm 0. 5mm，每層厚度越薄，球面越光滑。上述步驟三中所述鋪粉厚度為0. Imm 0. 3mm，鋪粉厚度根據所加工的金屬空心球的球殼厚度來調節，鋪粉厚度越厚球殼表面越粗糙。其中，掃描速度和鋪粉厚度決定了金屬空心球1成型的完整性。所述粉末出口孔2為圓形孔或方形孔， 所述圓形孔的直徑不大於3mm，所述方形孔的長邊長度不大於3mm，粉末出口孔2的直徑尺寸設計應儘量的小，以能倒出掃描完成後多餘的金屬粉末為原則。
另外，上述步驟二中所述電子束掃描參數還包括預熱電流，即用來加熱電子束快速成型機中底板的電流，它的大小決定了底板加熱的快慢。一般情況下先用小束流高速掃描預熱可以使金屬粉末表皮燒結，相當於被轟擊的金屬粉末的質量增大，動量一定的情況下質量增大可以使燒結金屬粉末移動速度減小，因此預熱使金屬粉末燒結可以固定位置， 減少飛濺。其中，底板溫度和所要燒結的金屬粉末有關係，(例如不鏽鋼粉末燒結時底板溫度一般為550°C左右；Ti600粉末燒結時底板溫度一般為850左右，TiAl粉末燒結時底板溫度一般為1000度左右)，底板溫度達不到金屬粉末就無法成型。
實施例1
本實施例中，所需製備的金屬空心球為316L不鏽鋼空心球，要求直徑為5mm，球殼厚度為0. 1mm，所採用的電子束快速成型機的型號為EBSM250 ；其製備方法如下
步驟一、建立316L不鏽鋼空心球的三維實體模型根據直徑5mm、球殼厚度0. Imm 在控制計算機中用作圖軟體建立316L不鏽鋼空心球的三維實體模型，所述三維實體模型由多個排列設置成兩層的316L不鏽鋼空心球構成，位於上層的每個316L不鏽鋼空心球的頂端和位於下層的每個316L不鏽鋼空心球的底端均設置有粉末出口孔2 ；其中，粉末出口孔2為圓形孔且其直徑為Imm ；詳見圖2、圖3和圖4 ；
步驟二、將步驟一中所建立的三維實體模型導入電子束快速成型軟體中，通過控制計算機輸入電子束掃描參數，其中，束流大小為5mA，掃描速度為60mm/s，掃描層數為98 層，預熱電流為10mA，電子束快速成型機的底板溫度550°C。
步驟三、將316L不鏽鋼粉末按0. 2mm的鋪粉厚度平鋪在電子束快速成型機的鋪粉臺上，控制計算機在電子束快速成型軟體環境下，根據步驟二中所導入的三維實體模型和輸入的電子束掃描參數控制所述電子束快速成型機對316L不鏽鋼粉末進行分層、逐層掃描燒結，完成所述316L不鏽鋼空心球的燒結；
步驟四、燒結完成後，將每個316L不鏽鋼空心球中多餘的316L不鏽鋼粉末從粉末出口孔2處倒出；
步驟五、將粉末出口孔2焊接封閉，得到內部空心、表面緻密的316L不鏽鋼空心球。
經測試，所製備出的316L不鏽鋼空心球的孔隙率為70%左右，抗壓強度為 152士5MPa，而用模板法製備的不鏽鋼空心球的抗壓強度最大為30 50MPa。
實施例2
本實施例中，所需製備的金屬空心球為NiCrAPe高溫合金空心球，要求直徑為 6mm，球殼厚度為0. 2mm，所採用的電子束快速成型機的型號為EBSM250 ；其製備方法如下
步驟一、建立NiCrAPe高溫合金空心球的三維實體模型根據直徑6mm、球殼厚度0. 2mm在控制計算機中用作圖軟體建立NiCrAPe高溫合金空心球的三維實體模型，所述三維實體模型由多個排列設置成兩層的NiCrAli^e高溫合金空心球構成，位於上層的每個 NiCrAlFe高溫合金空心球的頂端和位於下層的每個NiCrAPe高溫合金空心球的底端均設置有粉末出口孔2 ；其中，粉末出口孔2為圓形孔且其直徑為1. 5mm ；詳見圖2、圖3和圖4 ；
步驟二、將步驟一中所建立的三維實體模型導入電子束快速成型軟體中，通過控制計算機輸入電子束掃描參數，其中，束流大小為6mA，掃描速度為40mm/s，掃描層數為110 層，預熱電流為16mA，電子束快速成型機的底板溫度700°C。
步驟三、將NiCrAli^e高溫合金粉末按0. 2mm的鋪粉厚度平鋪在電子束快速成型機的鋪粉臺上，控制計算機在電子束快速成型軟體環境下，根據步驟二中所導入的三維實體模型和輸入的電子束掃描參數控制所述電子束快速成型機對MCrAPe高溫合金粉末進行分層、逐層掃描燒結，完成所述NiCrAPe高溫合金空心球的燒結；
步驟四、燒結完成後，將每個NiCrAPe高溫合金空心球中多餘的NiCrAPe高溫合金粉末從粉末出口孔2處倒出；
步驟五、將粉末出口孔2焊接封閉，得到內部空心、表面緻密的NiCrAPe高溫合金空心球。
經測試，所製備出的NiCrAPe高溫合金空心球的孔隙率為70%左右，抗壓強度為 130士5MPa。
實施例3
本實施例中，所需製備的金屬空心球為TC4空心球，要求直徑為8mm，球殼厚度為 0. 5mm，所採用的電子束快速成型機的型號為EBSM250 ；其製備方法如下
步驟一、建立TC4空心球的三維實體模型根據直徑8mm、球殼厚度0. 5mm在控制計算機中用作圖軟體建立TC4空心球的三維實體模型，所述三維實體模型由多個排列設置成兩層的TC4空心球構成，位於上層的每個TC4空心球的頂端和位於下層的每個TC4空心球的底端均設置有粉末出口孔2 ；其中，粉末出口孔2為圓形孔且其直徑為1. 5mm ；詳見圖 2、圖3和圖4 ；
步驟二、將步驟一中所建立的三維實體模型導入電子束快速成型軟體中，通過控制計算機輸入電子束掃描參數，其中，束流大小為7mA，掃描速度為60mm/s，掃描層數為130 層，預熱電流為25mA，電子束快速成型機的底板溫度760°C。
步驟三、將TC4粉末按0. Imm的鋪粉厚度平鋪在電子束快速成型機的鋪粉臺上，控制計算機在電子束快速成型軟體環境下，根據步驟二中所導入的三維實體模型和輸入的電子束掃描參數控制所述電子束快速成型機對TC4粉末進行分層、逐層掃描燒結，完成所述 TC4空心球的燒結；
步驟四、燒結完成後，將每個TC4空心球中多餘的TC4粉末從粉末出口孔2處倒出；
步驟五、將粉末出口孔2焊接封閉，得到內部空心、表面緻密的TC4空心球。
經測試，所製備出的TC4空心球的孔隙率為68%，抗壓強度為172MPa。
從以上實施例能夠看出，採用本發明的製備方法，製備效率高，能夠製備出尺寸較大、強度較高的金屬空心球，金屬空心球的成型精度高，球體尺寸易控制，球體表面緻密，球殼壁厚均勻。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例，並非對本發明作任何限制，凡是根據本發明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍屬於本發明技術方案的保護範圍內。
權利要求
1.一種金屬空心球的製備方法，該方法採用的設備包括電子束快速成型機和與電子束快速成型機相接並用於對電子束快速成型機的工作過程進行控制的控制計算機，所述控制計算機中裝有作圖軟體和與電子束快速成型機配套使用的電子束快速成型軟體，其特徵在於該方法包括以下步驟步驟一、建立金屬空心球(1)的三維實體模型根據所需製備的金屬空心球(1)的直徑和球殼厚度在控制計算機中用作圖軟體建立金屬空心球(1)的三維實體模型，所述三維實體模型由多個排列設置成兩層的金屬空心球(1)構成，位於上層的每個金屬空心球(1)的頂端和位於下層的每個金屬空心球(1)的底端均設置有粉末出口孔O)；步驟二、將步驟一中所建立的三維實體模型導入電子束快速成型軟體中，通過控制計算機輸入電子束掃描參數，所述電子束掃描參數包括束流大小、掃描速度和掃描層數；步驟三、將金屬粉末按一定的鋪粉厚度平鋪在電子束快速成型機的鋪粉臺上，控制計算機在電子束快速成型軟體環境下，根據步驟二中所導入的三維實體模型和輸入的電子束掃描參數控制所述電子束快速成型機對金屬粉末進行分層、逐層掃描燒結，完成所述金屬空心球⑴的燒結；步驟四、燒結完成後，將每個金屬空心球(1)中多餘的金屬粉末從粉末出口孔( 處倒出；步驟五、將粉末出口孔( 焊接封閉，得到內部空心、表面緻密的金屬空心球(1)。
2.按照權利要求1所述的一種金屬空心球的製備方法，其特徵在於所述金屬空心球 ⑴的直徑不大於10mm，所述金屬空心球(1)的球殼厚度為0. Imm 3mm。
3.按照權利要求1或2所述的一種金屬空心球的製備方法，其特徵在於步驟二中所述束流大小為ImA 7mA。
4.按照權利要求1或2所述的一種金屬空心球的製備方法，其特徵在於步驟二中所述掃描速度包括預熱掃描速度和成型掃描速度，所述預熱掃描速度為40dm/s，所述成型掃描速度為2dm/s 6dm/s。
5.按照權利要求1或2所述的一種金屬空心球的製備方法，其特徵在於步驟三中所述鋪粉厚度為0. Imm 0. 3mm。
6.按照權利要求1或2所述的一種金屬空心球的製備方法，其特徵在於所述粉末出口孔( 為圓形孔或方形孔，所述圓形孔的直徑不大於3mm，所述方形孔的長邊長度不大於 3mm ο
全文摘要
本發明公開了一種金屬空心球的製備方法，該方法包括以下步驟一、建立金屬空心球的三維實體模型；二、將三維實體模型導入電子束快速成型軟體中，通過控制計算機輸入電子束掃描參數；三、將金屬粉末平鋪在鋪粉臺上，控制計算機控制電子束快速成型機完成金屬空心球的燒結；四、將每個金屬空心球中多餘的金屬粉末從粉末出口孔處倒出；五、將粉末出口孔焊接封閉，得到內部空心、表面緻密的金屬空心球。本發明設計合理，操作便捷，智能化程度較高，製備效率高，金屬空心球的成型精度高，球體尺寸易控制，球體表面緻密，球殼壁厚均勻，球殼不易破裂，製備過程無汙染，通用性強，應用範圍廣。
文檔編號B22F3/11GK102489705SQ20111039084
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月30日 優先權日2011年11月30日
發明者談萍, 賈文鵬, 趙培, 陳金妹 申請人:西北有色金屬研究院