粉末法制備泡沫鋁

粉末法制備泡沫鋁

0泡沫金屬的應(yīng)用泡沫金屬是一種由金屬基礎(chǔ)設(shè)施和孔腔組成的新多孔材料。這是多孔材料的一個(gè)分支。一般來說，它指的是孔腔干燥率為40%98%的多孔金屬。由于其結(jié)構(gòu)的特殊性,使它既具有金屬的特性又有氣泡特性,即既具有一般多孔材料所具有的輕質(zhì)特性,又具有金屬的優(yōu)良機(jī)械性能和熱、電等物理性能。如輕質(zhì)、滲透、能量吸收、熱性能、高比表面積、電磁屏蔽性能等?，F(xiàn)在,國外泡沫金屬的應(yīng)用主要有:防火和吸(隔)音板、沖擊能量吸收材料、建筑板、半導(dǎo)體氣體擴(kuò)散盤、緊湊熱交換器、液體控制裝置、電磁屏蔽物和過濾器等方面?？蓱?yīng)用在宇宙、航空、航天、船舶、電子、汽車制造和建筑業(yè)等領(lǐng)域中,應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷擴(kuò)大。泡沫金屬根據(jù)其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的不同可分為:開孔結(jié)構(gòu)和閉孔結(jié)構(gòu)?？蓱?yīng)用許多方法制造泡沫金屬,歸納如表1。這些方法中,采用Fraunhofer的粉末冶金加工工藝(即粉體發(fā)泡法)生產(chǎn)泡沫金屬特別受歡迎,因?yàn)樗梢陨a(chǎn)出性能優(yōu)越、價(jià)格便宜的閉孔材料。發(fā)泡通常是指從金屬液體中釋放出氣體,確保氣體不逸出,最后通過冷卻將其穩(wěn)定在液態(tài)泡沫金屬中。1混料和發(fā)泡劑的密度粉末冶金法制備泡沫鋁的基本工藝過程如圖1所示。實(shí)驗(yàn)選用的基體材料為6061粉末,發(fā)泡劑為TiH2粉末。將它們以適當(dāng)?shù)谋壤谛行鞘角蚰C(jī)中混合。實(shí)驗(yàn)中發(fā)泡劑的含量不超過1wt%。通過混合,發(fā)泡劑均勻地分布在基體粉末中。因6061粉末和發(fā)泡劑顆粒的密度不同,故要獲得均勻的混合物,混料是一關(guān)鍵的工藝。將混合粉末用20～30MPa的壓力在圓柱模中壓制成直徑為20mm,高度為16mm的圓柱試樣,然后在380～450℃之間燒結(jié),保溫時(shí)間為一個(gè)半小時(shí)左右。隨后將試樣在400℃左右熱壓成無孔隙的半成品,其密度可達(dá)鋁合金的90%以上。半成品試樣在基體熔點(diǎn)以上的溫度加熱發(fā)泡,加熱速度為30℃/min左右,保溫時(shí)間在15min內(nèi)。在一定溫度下,保溫時(shí)間、加熱速度是影響泡沫鋁密度的關(guān)鍵因素,因?yàn)樵谂菽瓘埓筮^程中,孔的張大、合并進(jìn)行得相當(dāng)快。泡沫鋁的孔隙率可通過改變發(fā)泡劑的含量和半成品發(fā)泡時(shí)的加熱條件來控制。最終的泡沫鋁有一閉合的表面層。試樣被切成兩部分,可看到明顯的孔隙結(jié)構(gòu),如圖2所示。2實(shí)驗(yàn)技術(shù)分析2.1混料均勻程度的影響因素混合后粉末不應(yīng)當(dāng)發(fā)生加工硬化和粉碎,或者是造成一種組元覆蓋在另一種組元的表面上。制品燒結(jié)后的性能及發(fā)泡效果,在很大程度上取決于物料混合后各組元分布的均勻程度。發(fā)泡劑在6061粉末中是否均勻分布亦即混料的均勻程度決定發(fā)泡效果,如氣孔均勻度、孔徑大小等,因此要求混料時(shí)做到盡可能的均勻。而混料均勻程度的影響因素主要有:球料比、混料時(shí)間、轉(zhuǎn)速。實(shí)驗(yàn)中球料比以2:1或3:1為宜,轉(zhuǎn)速為100～120r/min,混料時(shí)間為60～70min。球料比過高或者轉(zhuǎn)速太快都容易造成結(jié)塊,從而導(dǎo)致混料的不均勻,對(duì)后面的發(fā)泡不利;而且鋁粉和TiH2都是易燃、易爆物,所以球料比和轉(zhuǎn)速都必須控制在一定的范圍,否則容易造成爆炸。為了防止鋁在較高溫度下被氧化和避免危險(xiǎn)的產(chǎn)生,混料時(shí)需在球磨罐中充入一定的保護(hù)性氣體,如氦氣、氬氣、氮?dú)獾取D3為本實(shí)驗(yàn)中發(fā)泡前的半成品試樣的掃描電鏡形貌圖,從圖3(a)和3(b)中可看出,盡管有一些不同尺寸的TiH2顆粒,但它們的分布基本上還是均勻的。鋁基體是灰黑色的,TiH2顆粒是白色的,其含量為0.8wt%。2.2試驗(yàn)結(jié)果分析第一次壓制后試樣的密度可達(dá)理論密度的70%左右,其孔隙率較高,如果直接發(fā)泡,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明達(dá)不到理想的發(fā)泡要求,因?yàn)樵嚇颖旧砭痛嬖谠S多微孔,加熱過程中,發(fā)泡劑分解,氣體從微孔中釋放,以致發(fā)泡后孔隙很小,圖4為一次壓制發(fā)泡后斷面的掃描電鏡形貌圖。從圖4可看出,黑色區(qū)域?yàn)榭紫?白色區(qū)域?yàn)殇X基體,盡管孔隙比較均勻,但氣孔非常小,只有40～50μm。為了獲得理想的孔隙率,需要對(duì)試樣進(jìn)一步壓實(shí),進(jìn)一步減小壓坯空洞體積,達(dá)到幾乎堵塞內(nèi)部氣體外泄的每一個(gè)通道,從而得到低孔型率甚至無孔制品。為此,采取熱壓的方法,使其密度達(dá)到理論密度的90%以上。熱壓過程中,加熱溫度受發(fā)泡劑的分解溫度和6061合金的熱壓溫度限制,實(shí)驗(yàn)中加熱溫度為400℃,保溫時(shí)間為1h。試樣經(jīng)過燒結(jié)并保溫后,從燒結(jié)爐中迅速取出送到壓力機(jī)機(jī)架上并快速加壓。試樣在快速壓下過程中,發(fā)生塑性變形,壓坯間的孔隙大大減小,最終試樣密度可達(dá)理論密度的90%以上,這也是發(fā)泡必需的條件。3.3保溫時(shí)間對(duì)孔隙率的影響為了提高加熱速率和實(shí)驗(yàn)效率,預(yù)先把加熱爐升溫到600℃,因?yàn)楫?dāng)加熱速率太低時(shí),發(fā)泡性能可能會(huì)下降?？赡苁且?yàn)榧訜岬?00℃以上時(shí),TiH2開始緩慢分解,如果在這一溫度停留時(shí)間過長,氣體會(huì)從粉末顆粒之間的微孔逃逸。因此,預(yù)先加熱是提高加熱速率,使TiH2快速分解并保留在基體中,達(dá)到理想的孔隙結(jié)構(gòu)的有效方法。圖5示出了實(shí)驗(yàn)中加熱速率對(duì)孔隙率的影響。在一定溫度下的保溫時(shí)間也很重要,如果時(shí)間過短,TiH2可能分解不完全,試樣來不及脹大;如果時(shí)間過長,當(dāng)試樣膨脹達(dá)到最大后,由于表面張力,金屬從孔壁向孔邊流動(dòng),以及由于金屬本身的重力熔融金屬從孔向下流動(dòng)。圖6描述了保溫時(shí)間對(duì)孔隙率的影響。3結(jié)論(1)粉末冶金是一種簡單、可靠的制備泡沫金屬的方法。應(yīng)用該方法已制備出相對(duì)密度為0.2～0.6,平均孔徑為2～5mm,孔隙率為40%～85%的泡沫鋁試樣。(2)泡沫鋁的結(jié)構(gòu)性能由制備工藝參數(shù)相可制約相互影響,即混合條件、壓縮條件以及發(fā)泡過程中的加熱溫度、加熱速率和保溫時(shí)間是控制泡沫鋁的關(guān)鍵因素。(3)在Ti