基于冷喷涂制备蜂窝状多孔结构金属材料的制备方法及其材料

本发明属于金属材料加工，特别涉及基于冷喷涂制备蜂窝状多孔结构金属材料的制备方法及其获得的多孔结构金属材料。

背景技术：

1、多孔结构金属材料因其具有轻质、高比表面积等优点，并结合了基体材料优异特性，被广泛用于催化、散热器、蒸发器、隔音材料、生物医用、轻量化结构材料等领域。传统制造多孔结构的方法包括铸造、粉末冶金和增材制造。然而，铸造和粉末冶金等传统方法在尺寸、形状、孔隙率控制和集成多功能结构方面存在局限性。尽管选择性激光熔化等增材制造方法能在多孔结构金属材料的形状设计和力学性能方面有所改进，但它们在制造具有大尺寸的多孔结构金属材料时依然具有成型效率低、制造过程不连续和对气氛要求苛刻等缺陷。因此，尽管多孔结构金属材料具有巨大的应用场景，但是制备该材料流程复杂，成本较高。

2、冷喷涂是一种新兴的固态增材制造方法，粉末在低于熔点的条件下变形并固结。微米尺寸约5～75μm的金属粉末颗粒在低于1000℃的加热条件下通过高速惰性气体带动金属粉末加速，并在通过de laval喷嘴后达到临界沉积速度，其在完全固态的条件下冲击基体，通过金属颗粒与基体界面处的剧烈塑性变形产生键合并沉积。该方法具有成型快速，氧化少和避免与熔化相关各类缺陷等问题的优点，是目前常用的金属快速制造方法。因为冷喷涂的加工效率高，对粉末球形度要求低，成本低等优势，研究者开发了基于冷喷涂制造多孔金属材料的方法，通过首先将钛与镁、铝元素混合后进行冷喷涂制备块体，之后通过真空加热去除低熔点的镁、铝元素，从而获得多孔结构钛。再者，通过调控气体温度和颗粒冲击速度，制备孔隙率为30％的多孔ti-6al-4v合金涂层。然而，上述方法制备材料的孔洞为内部通孔，此类方法无法制备蜂窝状的多孔结构金属材料。因此，现有的包括铸造、粉末冶金、增材制造和冷喷涂等技术均无法快速、短流程的制备蜂窝状多孔结构金属材料。

技术实现思路

1、针对蜂窝状多孔结构材料的巨大应用潜力，亟需开发一种基于冷喷涂制备蜂窝状多孔结构金属材料的快速、短流程、低成本制备技术的问题，本发明提供一种基于氢化钛粉末的蜂窝状多孔结构金属材料及其制备方法。

2、本发明的第一方面提供了一种基于氢化钛粉末的蜂窝状多孔结构金属材料的制备方法，包括以下步骤：

3、s1、制备金属氢化粉末，具体为：

4、s11、将金属块放入气氛炉中，在1个大气压高纯h2氛围下将所述金属块加热至第一设定温度，保温2～3h，随后炉冷至室温获得金属氢化物块体；

5、s12、将金属氢化物块体倒入行星球磨机中按预设的球磨参数进行球磨，取出球磨后的粉末筛分获得微米粒径的金属氢化物粉末；所述球磨参数包括：球磨气氛为1个大气压的高纯氩气，球料比为1～2:1，转速为400～500rpm，球磨时间为10～15min；

6、s2、冷喷涂成型：将s1制备的金属氢化物粉末在惰性气体加速下与基板结合并形成坡面、曲面和平面三种结构的表面，连续冷喷涂过程中，金属氢化物粉末边界在高应变速率的变形过程中升温并发生脱氢行为，形成表面韧性的粉末颗粒，所述粉末颗粒冲击曲面与坡面结构时，所述粉末颗粒的韧性相在坡面和曲面上具有高的沉积效率，在平面上难以沉积，经过后续反复的冷喷涂过程，坡面结构和曲面结构的表面上不断沉积增高形成墙结构，平面结构的表面形成孔结构，最终形成氢化的多孔结构金属材料；

7、s3、脱氢处理：将步骤s2制备的氢化的多孔结构金属材料在真空条件下加热至400～750℃并保温2～8h后炉冷至室温，获得多孔结构金属材料。

8、可优选的是，步骤s2具体包括以下子步骤：

9、s21：将步骤s1制备的金属氢化物粉末装入粉仓，选择合适的惰性气体作为气体源；

10、s22：调整喷枪与基板的间距、喷枪移动速度、惰性气体的加热温度及压力，喷涂层数设置为10～50层；

11、s23：启动装置，加热压缩气体后，喷嘴移动并按照相同的系统参数重复喷涂10～50层，所述金属氢化物粉末在惰性气体加速下冷喷涂在基板表面，获得氢化的多孔结构金属材料。

12、可优选的是，步骤s1制备所述金属氢化物块体的反应方程式为：

13、m+h→mhx

14、其中，m为所述金属块，x为特定氢含量，所述金属块选用钛、锆、钛合金、锆合金或钛锆合金，所述金属块需具备吸氢，脱氢的金属成分，氢化过程完成后所述金属块达到特定氢含量，即所述金属块的氢含量介于0与饱和氢含量之间，所述特定氢含量的控制因素为第一设定温度以及保温时间，氢化过程中选用不同的金属块则第一设定温度不同。

15、可优选的是，步骤s1中所述高纯h2氛围指氢气含量≧99.999％，球磨过程中选用的不锈钢磨球直径分别为15mm、10mm和6mm，所述金属氢化粉末为微米尺度粉末，所述金属氢化粉末的尺寸范围为25～75μm。

16、可优选的是，所述冷喷涂成型过程中采用的惰性气体为氮气、氩气或氦气，所述惰性气体的含量≧99.999％，所述惰性气体的压力为20～50bar，所述喷涂成型过程中每10层喷涂层数的厚度为1.1～1.3mm。

17、可优选的是，步骤s2与步骤s3中将氢化的金属材料脱氢过程中发生的化学方程式为：mhx→m+h；

18、其中，mhx为氢化的金属材料，m为未氢化金属材料，x为特定氢含量，在脱氢处理的加热过程中，由于环境中的h气氛环境压力为0，h会从tihx基体中扩散脱出，实现脱氢处理。

19、本发明的第二方面提供了基于冷喷涂制备蜂窝状多孔结构金属材料的制备方法制备的多孔结构金属材料，所述多孔结构金属材料的金属结构为蜂窝状的多孔结构，所述多孔结构包含孔、孔壁和三角形节点组成，孔由相邻的孔壁经三角形节点连接而成，其中，孔密度为35％～60％，孔尺寸为100～3000μm，孔壁厚度为10～120μm，孔壁深度为1～5mm。

20、本发明与现有技术相比，具有如下优点：

21、(1)本发明的制备方法与传统的铸造、粉末冶金和增材制造等制备方法相比，能够实现快速且连续、短流程、低成本的制备蜂窝状多孔结构金属材料，解决了铸造、粉末冶金难以制备蜂窝状多孔结构金属材料以及不能连续制造大幅面多孔材料等问题。

22、(2)本发明的制备方法与传统的冷喷涂方法制备金属材料相比，金属氢化物冷喷涂过程中的原位脱氢将部分脱除金属颗粒界面间的氧化层，确保了冷喷涂样品颗粒界面处具有更优的金属结合效果，从而提高颗粒间结合强度，宏观体现为金属材料强度的提高。此外，应用金属氢化物粉末有效避免冷喷涂加工特别粉末需要高临界喷涂速率等要求，极大拓宽了冷喷涂加工金属材料的可行性。

23、(3)本发明的制备方法制备的蜂窝状多空结构金属材料以金属氢化物为原料，首次基于冷喷涂技术制备蜂窝状多孔结构金属材料，与常规冷喷涂加工的金属材料相比具备优良的电磁屏蔽性能，可低成本的应用于催化、散热器、蒸发器和隔音材料等领域。

1.一种基于冷喷涂制备蜂窝状多孔结构金属材料的制备方法，其特征在于，制备方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于冷喷涂制备蜂窝状多孔结构金属材料的制备方法，其特征在于，步骤s2具体包括以下子步骤：

3.根据权利要求1所述的基于冷喷涂制备蜂窝状多孔结构金属材料的制备方法，其特征在于，步骤s1制备所述金属氢化物块体的反应方程式为：

4.根据权利要求1所述的基于冷喷涂制备蜂窝状多孔结构金属材料的制备方法，其特征在于，步骤s1中所述高纯h2氛围指氢气含量≧99.999％，球磨过程中选用的不锈钢磨球直径分别为15mm、10mm和6mm，所述金属氢化粉末为微米尺度粉末，所述金属氢化粉末的尺寸范围为25～75μm。

5.根据权利要求1或者2所述的基于冷喷涂制备蜂窝状多孔结构金属材料的制备方法，其特征在于，所述冷喷涂成型过程中采用的惰性气体为氮气、氩气或氦气，所述惰性气体的含量≧99.999％，所述惰性气体的压力为20～50bar，所述喷涂成型过程中每10层喷涂层数的厚度为1.1～1.3mm。

6.根据权利要求1所述的基于冷喷涂制备蜂窝状多孔结构金属材料的制备方法，其特征在于，步骤s2与步骤s3中将氢化的金属材料脱氢过程中发生的化学方程式为：mhx→m+h；

7.一种根据权利要求1～6之一所述的基于冷喷涂制备蜂窝状多孔结构金属材料的制备方法制备的多孔结构金属材料，其特征在于，所述多孔结构金属材料的金属结构为蜂窝状的多孔结构，所述多孔结构包括孔、孔壁和三角形节点，孔由相邻的孔壁经三角形节点连接而成，其中，孔密度为35％～60％，孔尺寸为100～3000μm，孔壁厚度为10～120μm，孔壁深度为1～5mm。