1.本发明属于增材制造成型技术领域，具体涉及一种闭孔泡沫钢及其激光增材制造技术制备方法。
背景技术：
2.泡沫钢是一种新型的结构-功能—体化材料。具有密度低、比表面积大、通透性好、冲击能量吸收效率高、机械强度优良等诸多特性，从而在航空航天、汽车船舶等领域有着广阔的应用市场。如航空航天工业应用的超轻质构件、汽车的缓冲装置、新型开发的坦克防爆装甲等。因此，泡沫钢是制造轻质轴承、过滤元件、吸能减震器等的理想材料。泡沫钢分为闭孔和开孔两种，其中闭孔就是内部的孔不连通。在隔热、吸能方面具有非常独特的应用。
3.泡沫钢的性能虽然卓越优异，传统的制备方法却多存在一定的弊端，传统的制备方法主要有模具法、烧结法和层压法等。如采用模具方法制造时受到模具尺寸的限制；采用粉末冶金烧结的办法的时候存在化学残留；采用层压的方法的时候，只适合制造层压板的简单形状，形状稍微复杂就不易制备。如发明专利“一种泡沫钢的制备方法”(专利号：cn201410181538.7)的制作流程为：将钢合金粉和造孔剂按照体积比1-4∶9-6混合均匀，然后放入模具中压实制块，脱模后干燥，再将干燥后的块料预烧，预烧的条件是以10～20℃/min的速率升温至800-850℃预烧1-2小时，继续将条件温度升至1000～1200℃保温3-5小时，在高温烧结中，合金粉烧结结合，而造孔剂分解挥发去除，烧结完成后随炉冷却至室温，取出即可得到泡沫钢。最新发明专利“泡沫钢材制备装置及方法”(专利号：cn202111107740.1)，所述泡沫钢材制备装置包括烧结箱、脉冲电源、正电极和负电极，烧结箱内具有容纳腔，脉冲电源用于提供脉冲电能，正电极与脉冲电源的正极相连，负电极与脉冲电源的负极相连，且正电极的一端至少部分伸入容纳腔内，负电极的一端至少部分伸入容纳腔内。本发明的泡沫钢材制备装置能够提高泡沫钢的强度和应变吸收能。此处也是采用的烧结的办法。
4.因此，开发工艺简单、成本可控、孔径分布可控的泡沫钢制备工艺成为解决上述问题的关键。激光增材制造技术在制备泡沫材料方面具有独特的优势。发明专利《一种激光增材制造技术制备闭孔泡沫钢的方法》(专利申请号：202111662923.x)，为激光增材制造技术制备闭孔泡沫钢开辟了一条新的路径。该反应系采用玻璃种中的sio2同fe等材料发生冶金反应的原理而进行的。由于sio2本身属于比较温度的氧化物，同时分解温度叶比较高，在激光高温作用下产生与钢基体发生反应生成气体的温度要求比较高，因此虽然可以产生气体，但产生气体的比例相对较低，且产生也相对比较困难。
技术实现要素：
5.本发明旨在提供一种激光增材制造技术制备闭孔泡沫钢的方法，按照一定比例混合好的钢粉与造孔剂的均匀混合物进行激光增材制造，层层堆积得到泡沫钢，使得闭孔泡沫钢的设计与制造更简单和自由。
6.按照本发明的技术方案，所述激光增材制造技术制备闭孔泡沫钢的方法，包括以下步骤，
7.s1、将钢粉与造孔剂充分混合，得到混合粉末；所述造孔剂由li2o.al2o3.nsio2和cuo组成；其中，n的范围为4-10；
8.s2、以所述混合粉末作为原料，根据尺寸要求，选用激光加工参数和扫描轨迹，并输入到相应的激光加工操作系统中，获得二维信息，进行激光增材制造，得到所述闭孔泡沫钢。
9.进一步的，所述钢粉为不锈钢粉或模具钢粉，具体的，可以为316l、304l、420不锈钢或者h13模具钢。
10.进一步的，所述混合粉末中造孔剂的含量≤5wt％(大于0)，在造孔剂同钢粉末混合之前，造孔剂中添加cuo粉末，其中cuo粉末的含量≤6wt％(大于0)。
11.进一步的，采用球磨的方式进行充分混合。球磨混合的时候分为两步，第一步是混合li2o.al2o3.nsio2和cuo的混合粉末，然后将混合好之后将造孔剂同钢粉末进行混合。
12.进一步的，球磨过程中通入氩气或丙酮，球磨机转速的选取以工作中球磨罐的表面温度不超过100℃为宜；具体的，球磨转速为50-100r/min。
13.进一步的，球磨时间为1-3h，以保证造孔剂与钢粉的充分/均匀的混合。
14.进一步的，所述步骤s2中，激光增材制造的具体操作如下：利用送粉机构，将混合粉末输送到指定区域，同时使用激光器依据所述二维信息进行扫描，熔化烧结输送到指定区域的混合粉末；重复或继续输送和熔化烧结操作，直到获得所述闭孔泡沫钢。
15.进一步的，所述扫描是在保护气氛下进行，所述保护气氛可以为氩气。
16.进一步的，采用激光选区熔化或激光直接沉积进行熔化烧结。
17.进一步的，激光选区熔化条件下，采用yag(钇铝石榴石晶体)激光器、光纤激光器或半导体激光器，激光扫描速率为40-200mm/min，激光功率为80-300w，每次输送的混合粉末的厚度为0.2-0.5mm。
18.进一步的，激光直接沉积条件下，激光扫描速度80-240mm/min，送粉率3-51g/min，搭接率20-50％，激光功率为1000-2500w。
19.本发明的另一方面提供了上述方法制得的闭孔泡沫钢。
20.本发明在先前发明的基础上，进一步的改善产生气体的容易程度。cuo本身分度温度不高，在高于800℃的条件下就开始发生分解，而且它的分解压也比较低，以上两个因素是有利于产生气体而形成泡沫。更为重要的是，cu对钢铁材料具有十分有利的作用。如能提高钢中奥氏体的稳定性，所以可提高可淬性和淬透性，在a体钢中加2-4％cu，可提高抗酸力。
21.有强化铁素体的作用，在铁素体中加cu，可提高它在某些还原性介质中的耐蚀性和改善钢的韧性。在低合金钢中加入0.20％左右的cu，特别当和p联合使用时，可提高钢对大气的抗蚀力，当含cu量超过0.75％时，可以经过沉淀硬化处理提高钢强度。
22.以上这些能力，导致cu(cuo反应后的产物)在钢中不会形成传统工艺所带来的残留物对钢铁性质有害的问题。这样不仅不会出现原先制备工艺中残留物对钢基体性能产生损害的负面影响，反而还带来诸多有利的效果。进一步来说，cuo同属于氧化物，通添加的材料陶瓷也具有相似性。因此，在前面申请专利的基础之上，考虑添加cuo来进行的提升制备
闭孔泡沫的性能。
23.本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：
24.本发明在加入cuo后，由于1、cuo可以直接同钢中的c等发生发生产生气体；2、cuo可以自身在高温下反应产生气体，这样相比较发明专利202111662923x，产生的气孔密度(孔隙率)就相对比较大，同没有添加cuo的相比，在相同条件下可以增加1.3-2倍的孔隙率。
具体实施方式
25.下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
26.实施例1
27.一种激光增材制造技术制备闭孔泡沫钢的方法，选用商业化的316l不锈钢粉，造孔剂选用锂辉石，主要成分为li2o、al2o3和sio2，分子式li2o.al2o3.4sio2，该类型的锂辉石在用途上分为三大类，分别是化工用锂辉石、陶瓷用锂辉石和低铁锂辉石，这里我们选择的是陶瓷用锂辉石；包括如下步骤：
28.(a)将316l不锈钢粉与造孔剂混合，其中，造孔剂占总质量的0.5％；造孔剂中添加有cuo，其中cuo的添加量为占据造孔剂的0.9％；
29.(b)将混合在一起的316l不锈钢粉与造孔剂放置在球磨机中，通入氩气进行球磨，球磨机转速50r/min，球磨时间1h，以保证造孔剂与不锈钢粉的充分/均匀的混合；其中造孔剂在同不锈钢粉末混合之前先使用同样的办法对玻璃与cuo的粉末进行混合；
30.(c)依据要求制备的闭孔不锈钢的孔尺寸，选用商业软件进行孔隙设计，并输入到相应的激光加工操作系统中，获得闭孔不锈钢的二维信息，并进行快速制备；所谓的快速制造，具体为：利用送粉机构，将混合好的粉末输送到指定区域，并压实，同时使用激光器在计算机的控制下依据设计好的二维信息在氩气保护下进行扫描，熔化预置的粉末材料；然后重复送粉/压实，熔化烧结过程，直到获得所需要的样件。扫描过程中，进行直线照射，激光束扫描速率为42mm/min；压实的粉末每层厚度为0.2mm，使用的激光器为yag或光纤激光器，激光功率为100w。
31.实验测试，采用本实施例的方法制造所得的闭孔不锈钢的孔直径为9-15μm左右。同前述专利202111662923x在没有添加cuo的情况下进行对比，在其他条件相同的条件下，没有添加cuo的增材制造样品，其孔隙率为2.5％，本实施例所得到的孔隙率为3.25％。
32.实施例2
33.一种激光增材制造技术制备闭孔泡沫钢的方法，造孔剂选用陶瓷级别的锂辉石，钢粉选用420不锈钢；包括如下步骤：
34.(a)将420不锈钢粉与造孔剂按混合，其中，造孔剂占重质量的1.5％；在造孔剂同不锈钢粉末混合之前，造孔剂中添加1.6％cuo粉末；
35.(b)将混合在一起的420不锈钢粉与造孔剂放置在球磨机中，通入氩气进行球磨，球磨机转速100r/min，球磨时间2h，以保证造孔剂与不锈钢420粉的充分/均匀的混合；在造孔剂同不锈钢混合之前，混合好的造孔剂和cuo粉末先进行混合，混合好后再同不锈钢粉末进行混合；
36.(c)依据要求制备的闭孔泡沫钢的整体尺寸要求，选用商业软件进行孔隙设计，并
输入相应的激光加工操作系统中，获得闭孔不锈钢420实体的二维信息，并进行快速制备；所谓的快速制造，具体为：利用送粉机构，将混合好的粉末输送到指定区域，并压实，同时使用激光器在计算机的控制下依据设计好的二维信息在氩气保护下进行扫描，熔化预置的粉末材料，然后送粉/压实，熔化烧结，重复此过程，直到获得所需要的样件。进行直线照射，激光束扫描速率为150mm/min；压实粉末每层厚度为0.4mm，使用的激光器为yag或光纤激光器，激光功率为290w。
37.实验测试，采用本实施例的方法制造所得的420不锈钢闭孔的孔直径在18-29μm之间。同前述专利202111662923x在没有添加cuo的情况下进行对比，在其他条件相同的条件下，没有添加cuo的增材制造样品，其孔隙率为8％，本实施例所得到的孔隙率为12.3％。
38.实施例3
39.一种激光增材制造技术制备闭孔泡沫钢的方法，采用h13模具钢粉末，造孔剂陶瓷级别的锂辉石，包括如下步骤：
40.(a)将h13模具钢粉与造孔剂混合，其中，造孔剂占重质量的4.5％；造孔剂中混合有cuo粉末，其中cuo粉末再造孔剂中的占比为4％；
41.(b)将混合在一起的h13模具钢粉与造孔剂放置在球磨机中，通入氩气进行球磨，球磨机转速80r/min，球磨时间3h，以保证造孔剂与h13模具钢粉的充分/均匀的混合；其中造孔剂同cuo的混合粉末混合好才同h13钢粉末进行混合；
42.(c)依据要求制备的h13模具钢的尺寸要求，使用商业软件进行参数选择，并输入到相应的激光加工操作系统中，获得闭孔h13模具钢的二维信息，并进行快速制备；所谓的快速制造，具体为：利用送粉机构，将混合好的粉末输送到指定区域，并在输送粉末的而同时进行激光熔化(此时为激光直接沉积增材制造技术)，同时使用激光器在计算机的控制下依据设计好的二维信息在氩气保护下进行扫描，熔化烧结，重复此过程，直到获得所需要的样件。使用的激光器为半导体激光器，速度200mm/min，送粉率10g/min，搭接率25％，激光功率为1500w。
43.实验测试，采用本实施例的方法制造所得的闭孔h13模具钢的孔直径在65-77μm之间。同前述专利202111662923x在没有添加cuo的情况下进行对比，在其他条件相同的条件下，没有添加cuo的增材制造样品，其孔隙率为12％，本实施例所得到的孔隙率为20.4％。
44.实施例4
45.一种激光增材制造技术制备闭孔泡沫钢的方法，采用h13模具钢粉，造孔剂为陶瓷级别的锂辉石，包括如下步骤：
46.(a)将h13模具钢粉与造孔剂混合；其中，造孔剂占总质量的4.5％；造孔剂中混合有cuo粉末，其中cuo粉末再造孔剂中的占比为5.5％；
47.(b)将混合在一起的h13模具钢粉与造孔剂放置在球磨机中，通入氩气进行球磨，球磨机转速80r/min，球磨时间2.6h，以保证造孔剂与h13模具钢粉的充分/均匀的混合。含有cuo的造孔剂再同h13钢粉末混合之前，先采用同样的欸办法进行球磨。
48.(c)依据要求制备的h13模具钢的尺寸要求，使用商业软件进行参数选择，并输入到相应的激光加工操作系统中，获得闭孔h13模具钢的二维信息，并进行快速制备；所谓的快速制造，具体为：利用送粉机构，将混合好的粉末输送到指定区域，并在输送粉末的而同时进行激光熔化(此时微激光能量直接沉积增材制造技术)，同时使用激光器在计算机的控
制下依据设计好的二维信息在氩气保护下进行扫描，熔化烧结，重复此过程，直到获得所需要的样件。进行直线照射，使用的激光器为半导体激光器，速度80mm/min，送粉率40g/min，搭接率40％，激光功率为2300w。
49.实验测试，采用本实施例的方法制造所得的闭孔h13模具钢的孔直径在90-95μm之间。同前述专利202111662923x在没有添加cuo的情况下进行对比，在其他条件相同的条件下，没有添加cuo的增材制造样品，其孔隙率为12.8％，本实施例所得到的孔隙率为23.6％。
50.实施例5
51.一种激光增材制造技术制备闭孔泡沫钢的方法，选用商业化的316l不锈钢粉，造孔剂选用陶瓷级别的锂辉石；包括如下步骤：
52.(a)将316l不锈钢粉与造孔剂混合，其中，造孔剂占总质量的2％；造孔剂再同不锈钢混合之前，在造孔剂中添加了6％的cuo；
53.(b)将混合在一起的316l不锈钢粉与造孔剂放置在球磨机中，通入丙酮进行球磨，球磨机转速50r/min，球磨时间1h，以保证造孔剂与不锈钢粉的充分/均匀的混合；混合有cuo的造孔剂再同不锈钢混合之前，先采用同样的办法进行球磨混合；
54.(c)依据要求制备的闭孔不锈钢的孔尺寸，选用商业软件进行孔隙设计，并输入到相应的激光加工操作系统中，获得闭孔不锈钢的二维信息，并进行快速制备；所谓的快速制造，具体为：利用送粉机构，将混合好的粉末输送到指定区域，并压实，同时使用激光器在计算机的控制下依据设计好的二维信息在氩气保护下进行扫描，熔化预置的粉末材料；然后重复送粉/压实，熔化烧结过程，直到获得所需要的样件。扫描过程中，进行直线照射，激光束扫描速率为42mm/min；压实的粉末每层厚度为0.2mm，使用的激光器为yag或光纤激光器，激光功率为100w。
55.实验测试，采用本实施例的方法制造所得的闭孔不锈钢的孔直径为27-35μm左右。同前述专利202111662923x在没有添加cuo的情况下进行对比，在其他条件相同的条件下，没有添加cuo的增材制造样品，其孔隙率为6.3％，本实施例所得到的孔隙率为15.75％。
56.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。