本發(fā)明屬于多孔金屬材料的制備領域，具體涉及一種閉孔泡沫銅基材料的制備方法。

背景技術：

多孔金屬材料是20世紀發(fā)展起來的嶄新材料體系，已經(jīng)成為當前材料界的一種新型的結構與功能材料。相對于致密材料而言，多孔金屬材料由于孔結構的存在而具有一些獨特的性能，如密度小、比強度和比剛度高，阻尼性能、能量吸收性能、吸聲、隔聲和隔熱性能好、生物兼容性能好及多功能兼容性能優(yōu)異，已經(jīng)廣泛用于航天航空、化工、建材、冶金等領域。粉末冶金法是制備具有閉孔孔結構泡沫金屬的主要方法之一，該種制備方法的優(yōu)點是基體金屬成份可調(diào)，能制備異形件，且是一種近凈成型方法，簡化制備工藝的同時減少了材料的耗損。目前為止，用粉末冶金法制備閉孔泡沫金屬主要集中在泡沫鋁基材料，泡沫鎂基材料和泡沫鋅基材料，已有的用粉末冶金法制備的泡沫銅的孔結構是通孔孔結構，而對制備閉孔孔結構泡沫銅基材料的報道尚不多見。

用粉末冶金法制備閉孔孔結構的泡沫金屬時，使得金屬泡沫化的氣體來自于發(fā)泡劑分解產(chǎn)生的氣體，并且發(fā)泡劑分解產(chǎn)氣的溫度應與基體金屬的熔點相當，如，在制備泡沫鋁時，選用氫化鈦作為發(fā)泡劑。銅具有良好的導熱性能，具有比鋁優(yōu)異的力學性能，但由于銅的熔點為1080℃，迄今為止，尚未找到合適的發(fā)泡劑能在此溫度左右分解產(chǎn)生氣體，因此，還未見用粉末冶金法制備閉孔孔結構的泡沫銅的報道。

技術實現(xiàn)要素：

解決的技術問題：本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術存在的問題，提出一種成本較低、工藝相對簡單的粉末冶金法制備閉孔泡沫銅基材料的工藝。

技術方案：一種粉末冶金法制備閉孔泡沫銅基材料的方法，包括以下步驟：

步驟1，混粉：將銅粉、鎂粉和碳酸鈣粉混合，得到混合粉末；

步驟2，壓塊：將步驟1所得混合粉末冷壓成塊，先在200℃-450℃下對試塊進行合金化處理，再在200℃-450℃下熱壓制成預制體；

步驟3，發(fā)泡：將步驟2所得預制體放入預熱溫度為550℃-700℃的電阻爐中焙燒完成發(fā)泡；

步驟4，冷卻：將步驟3發(fā)泡后的試樣冷卻，得到閉孔泡沫銅基材料。

進一步地，所述銅粉和鎂粉的質量比為1:1-9:1。

進一步地，所述碳酸鈣粉的用量為銅粉和鎂粉總質量的2％-15％。

進一步地，步驟2中合金化處理時間為1h-24h。

進一步地，步驟2中熱壓時間為10min-60min。

進一步地，步驟3中發(fā)泡時間為2min-10min。

進一步地，步驟3中電阻爐內(nèi)通有保護氣體。

上述方法制得的閉孔泡沫銅基材料，其孔隙率為40.0％-80.0％，孔徑為0.1mm-4.0mm。

有益效果：(1)與傳統(tǒng)發(fā)泡工藝相比，本發(fā)明采用粉末冶金法，可一次近凈成形異形件，克服了傳統(tǒng)鑄造法因發(fā)泡熔體粘度過大而不易充型的缺點。

(2)本發(fā)明制備的泡沫銅基材料具有整體式的三明治結構，即芯部多孔，外部致密，相較于單純的泡沫銅材料具有較好的力學性能，且比需要通過焊接或膠粘等手段連接制成的泡沫三明治板具有更好的性能穩(wěn)定性。

(3)本發(fā)明制備的泡沫銅基材料具有閉孔孔結構，其性能具有各項同性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明工藝流程示意圖。

圖2為實施例1的閉孔泡沫銅基試樣(銅鎂質量比5:5，2wt.％caco3，孔隙率為60％)的截面圖；

圖3為實施例2的閉孔泡沫銅基試樣(銅鎂質量比6:4，5wt.％caco3，孔隙率為65％)的截面圖；

圖4為實施例3的閉孔泡沫銅基試樣(銅鎂質量比7:3，3wt.％caco3，孔隙率為68％)的截面圖。

具體實施方式

下面通過具體實施方式結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。但本領域技術人員將會理解，下列實施例僅用于說明本發(fā)明，而不應視為限定本發(fā)明的范圍。實施例中未注明具體技術或條件者，按照本領域內(nèi)的文獻所描述的技術或條件或者按照產(chǎn)品說明書進行。所用試劑或儀器未注明生產(chǎn)廠商者，均為可以通過市購獲得的常規(guī)產(chǎn)品。

本發(fā)明提供了一種粉末冶金法制備閉孔泡沫銅基材料的方法，以碳酸鈣為發(fā)泡劑，銅、鎂金屬粉末為原材料，通過鎂和碳酸鈣兩者之間反應生成的氣體來發(fā)泡，可制備得到具有閉孔孔結構的泡沫銅基材料。具體地，先將銅粉、鎂粉以及碳酸鈣粉混合均勻，然后取混合粉末冷壓成塊，在200℃-450℃下對試塊進行合金化處理使得試塊中形成低熔點的銅鎂金屬化合物，合金化處理時間為1h-24h，合金化處理完畢后再將試塊在200℃-450℃下熱壓10min-60min以提高可發(fā)泡預制體的緊實度，制成可發(fā)泡預制體，最后將可發(fā)泡預制體焙燒發(fā)泡及冷卻。

以往使得預制體泡沫化的氣體是來自于發(fā)泡劑自身的分解，如用粉末冶金法制備泡沫鋁時，采用的發(fā)泡劑是氫化鈦，氫化鈦在鋁熔點附近分解產(chǎn)氣，從而使得鋁泡沫化。本發(fā)明利用高溫下mg熔體與caco3發(fā)生化學反應：mg(l)+caco3(s)→mgo(s)+cao(s)+co(g)所產(chǎn)生的氣體來實現(xiàn)預制體發(fā)泡。同時，由于高溫下鎂在co2氣體中會燃燒導致實驗的失敗，所以必須將粉末充分混合均勻并通過合金化處理形成具有低熔點的含鎂金屬中間化合物，以避免caco3分解產(chǎn)生co2導致發(fā)泡失敗。

實施例1

將質量比為1:1的銅粉和鎂粉以及銅粉和鎂粉質量的2％的碳酸鈣粉混合均勻；稱量一定質量的混合粉末倒入壓制模具中冷壓成塊；將壓塊在450℃下進行合金化處理6小時；將經(jīng)過合金化處理的壓塊在300℃、350mpa下熱壓20min制成預制體，此時預制體的緊實度為99.5％；對預制體進行表面清理，隨后放入預熱溫度為680℃且通有保護氣體的電阻爐中保溫發(fā)泡5min，取出發(fā)泡塊體空冷，可獲得孔徑為1-2.5mm、孔隙率為60％、孔結構均勻的泡沫銅基材料，如圖2所示。

實施例2

將質量比為6:4的銅粉和鎂粉以及銅粉和鎂粉質量的5％的碳酸鈣粉混合均勻；稱量一定質量的混合粉末倒入壓制模具中冷壓成塊；將壓塊在400℃下進行合金化處理12小時；將經(jīng)過合金化處理的壓塊在400℃、300mpa下熱壓40min制成預制體，此時緊實度為99.6％；對預制體進行表面清理，隨后放入預熱溫度為700℃且通有保護氣體的電阻爐中保溫發(fā)泡3min，取出發(fā)泡塊體空冷，可獲得孔徑為2-3mm、孔隙率為65％、孔結構均勻的泡沫銅基材料，如圖3所示。

實施例3

將質量比為7:3的銅粉和鎂粉以及銅粉和鎂粉質量的3％的碳酸鈣粉混合均勻；稱量一定質量的混合粉末倒入壓制模具中冷壓成塊；將壓塊在475℃下進行合金化處理4小時；將經(jīng)過合金化處理的壓塊在450℃、350mpa下熱壓10min制成預制體，此時緊實度為99.8％；對預制體進行表面清理，隨后放入預熱溫度為680℃且通有保護氣體的電阻爐中保溫發(fā)泡4min，取出發(fā)泡塊體空冷，可獲得孔徑為2-4mm、孔隙率為68％、孔結構均勻的泡沫銅基材料，如圖4所示。

技術特征：

技術總結
本發(fā)明提供一種粉末冶金法制備閉孔泡沫銅基材料的新工藝，屬于多孔金屬材料的制備領域。該工藝以碳酸鈣的混合物為發(fā)泡劑，銅、鎂金屬粉末為原材料，通過鎂與碳酸鈣兩者之間反應生成的氣體來發(fā)泡。該工藝具體步驟為：將銅粉、鎂粉和碳酸鈣的混合粉末冷壓成塊后在200℃?475℃進行合金化處理1?24h，隨后在200℃?475℃下熱壓10min?60min形成預制體，在550℃?700℃下焙燒發(fā)泡，最后冷卻可制得孔隙率為40%?80%，孔徑為0.1mm?4.0mm的具有閉孔孔結構的泡沫銅合金。本發(fā)明基體成份可調(diào)，成品具有三明治結構，即內(nèi)部為多孔結構而外部為致密層，且可應用于制備復雜形狀的零件，具有廣闊的應用前景。

技術研發(fā)人員：楊東輝;盧軍;郭森森;袁綾;陳建清;江靜華;馬愛斌
受保護的技術使用者：河海大學
技術研發(fā)日：2017.06.06
技術公布日：2017.11.07