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东北大学硕士学位论文 摘要 锅和铝合金熔体泡沫化过程的动力学研究及分析 摘要 泡沫锚怒近年来发袋起来静一种结构渤能一钵纯翡新囊多氛海漾众满耪料。箕优异 粒 ! l 至戆耪广泛豹盛孀蔻蒙辱l 熬了罄内乡 众多科技磷究卷豹关注。健是慈今必止，对予熔 体发泡过程罄础理论研究还不够全灏，对锅熔体泡沫化过程中发泡剂的分解和液态泡沫 俸隧辩蠲交纯转动力学研究与视毽分辑缀少有麓报遴。 在实验邀程中蓠先磷袋了镪熔体泡沫化过援中的冬主要影响熙素如趣镌量、发泡遗 波、发泡刹的加入嶷、搅拌时闯、搅拌强度、保温时间等融泡沫锅发溆效柴的影濑，得 如了铝帮铝合金熔体发泡的最经工装条件；接着对璃俸发泡过程进行瑷论磷究，讨论了 t i h 2 的瑗论分解，阕述泡沫化过程瓣动力学援镎，然愿借耽c 语蠢程廖褥到了特定条件 下气泡半径和熔体界面高度的理论结果；然后用自制的装鬣实验测出了铝和铝合金熔休 濑溶纯遗稷巾酌气泡半投帮溶体莽疆高度隧发滋时蠲靛实裕变纯过程，绘制毒h - - t 魏 线，在魏鏊酸上分拆了镁耱镑奔金熔体海沫纯避程瓣一些纂本援德瑟撼瑾分辑，麸露兔 泡沫铝的结梅控制提供若干理论依据和指导。 另外，实验还避行了纯铝熔体赢接发泡工慧的柳疹探索，考虑至8 现有工艺过襁中所 使用的增旗刹金聪镪馀格昂爨，实骏中选择研磨c a o 固体褥裂的粉末犟珏绒米s i c h 作增 睾占剂，同样熊获得发泡效果理想的泡沫铝，但这些增粘剂的具体发泡工艺帮发泡聪泡沫 锅的瞧髓有符进一步确定。 关键词：泡沫铝；泡沫化过程；动力学：机理分析；气泡半径；界面高度 末毳走学磺士学位论文 d y n a m i cs t u d y a n d a n a l y s i so f a l u m i n u ma n d a l u m i n u m a l l o ym e l ti nt h ef o a m i n g p r o c e s s a b s t r a c t f o a m e da l u m i n u mi san e ws t r u c t u r a la n df u n c t i o n a lc o m p o s i t ep o r o u sm e t a lm a t e r i a l d e v e l o p e d i nr e c e n ty e a r s 。i t se x c e l l e n tp r o p e r t i e sa n da p p l i e dp r o s p e c t sh a v ed r a w na t t e n t i o n o fm a n yt e c h n o l o g i s t s b u tt h eb a s i ct h e o r i e sp r o d u c i n gf o a m e da l u m i n u mi n h i 疹 t e m p e r a t u r ew e r en o ty e tf u l l yu n d e r s t o o d , e s p e c i a l l yt h ef o a m i n gm e c h a n i s ma n dd y n a m i c s t u d y , t h a ti st h eg r o w t ha n d e v o l v e m e n to fp o r ei nt h ea l u m i n u mm e l t i nt h ee x p e r i m e n t a t i o n ，a tf i r s t ，w er e s e a r c h e dt h ei n f l u e n c i a lf a c t o r so nt h ef o a m i n g p r o c e s s ，s u c ha st h eq u a n t i t yo fc a , f o a m i n gt e m p e r a t u r e , t h eq u a n t i t yo f 麓璩，s t i r r i n gt i m e , s t i r r i n gi n t e n s i t y , f o a m i n gt i m ea n ds oo na n dw eo b t a i n e dt h eo p t i m a lp r o c e s sp a r a m e t e r s t h e nw er e s e a r c h e dt h ef o a m i n gp r o c e s st h e o r e t i c a l l y , i n c l u d i n gt h ed e c o m p o s i t i o no ft i l l 2 a n ds o m ed y n a m i cl a w s ，o b t a i n e dt h et h e o r e t i c a lp o r er a d i u sa n di n t e r r a c i a la l t i t u d eb ym e a n s o fc p r o g r a m 。a f t e r w a r d st h eh - tc u l n r eo fa l u m i n u mm e l td u r i n gi t sf o a m i n gp r o c e s sw e r e d r a w no u tb ye x p e r i m e n t s 。b a s e do nt h eh - tc u r v ea n dc o m p a r i s o nw i t ht h e o r e t i c a lr e s u l t s ， t h ee x p e r i m e n ta n a l y z e dt h el a wo ff o a m i n gp r o c e s sa n dp r o v i d e dm a n yt h e o r e t i c a lg i s ta n d g u i d a n c ef o rt h ep r e p a r a t i o no ff o a m e da l u m i n u m t h i r d ，t h ep a p e rh a sa l s om a d ee l e m e n t a r yr e s e a r c ho fp u r ea l u m i n u md i r e c tf o a m i n gt o e c o n o m i z ea n dr e d u c ep r o c e s s b ye x p e r i m e n t ，w ec a no b t a i n e di d e a lf o a m e da l u m i n u m 氆鞠嘈u s i n gp o w d e ro fc a oa n dn a n o - s i 0 2a sv i s c o s i t yr i s i n gs u b s t a n c e s 。b u tt h ef u r t h c t r e s e a r c ho nt h ep r o c e s sa n dt h ep r o p e r t i e so ft h ek i n do ff o a m e da l u m i n u ms h o u l db ec a r r i e d o u t k e yw o r d s ：f o a m e da l u m i n u m ；f o a m i n gp r o c e s s ；d y n a m i c ；m e c h a n i s ma n a l y s i s ；p o r er a d i u s ； i n t e r f a c i a la l t i t u d e 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 鳃溪究残暴除热毅蠢注褒致谢豹地方癸，不包会冀毒| 蔓入己经发表皴撰写过 的研究成果，像不包括本人为获得其他学位丽使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贾献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名2 面 麦釜 i 日 期：动。6 、怠。2 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文终者察摆导教辫完全了瓣东魏大学有关摄蜜、蕊耀学盈论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内窖编入有关数据库进错检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否燹褫秀同意。) 学位论文作者签名： 签字蠢麓： 导师签名： 签字嚣襞： 表趣大学磺套喾往论文第一幸密论 第一章绪论 疆着瑗锭季毒技霸材 l s 辩学貔发屣，薪鍪 铬会愈毒李辩戆应用也越来越广泛。灌沫铝剐 是一种在镪罄体中形或无数个气魏熬多孔金属奉| 誊誊，阂其独特靛瞧懿露鲢器上许多国家 正获得日蘸广泛的研究和应用。 1 1 国内外泡沫铝的研究进展 l 。1 。1 国羚淹漾铝技术程产建发蒺 早在上世纪4 0 年代后期，焚阐就首先对泡沫铝谶行了研究，美国人a s o n i k 在1 9 4 8 年获得了有关泡沫铝的第一个专利w 。但由于发泡工艺与泡的尺寸很难控制， 1 9 5 0 1 9 8 0j 眨3 0 年里，泡沫金属哿 究基本处于不活跃阶段。上世纪8 0 年代初，国际上兴 莛泡沫锫瓣瓣溪涮，发瑗逡沫镪糖瓣昊骞重量轻、瓣燕、啜声、隔誊、羧 孛壹、毳| 疆等 性能，叉青缀强豹瑷能本领帮电磁屏蔽季# 角，在滁众、建筑、枫攘、交通运输、电子、 通讯等方面均具有广泛用途，故搬国际上越来越受熬视。世界上一些先进的工业国家均 在研究这种趟轻量多用途的金属材料。上世纪9 0 年代起，民用工业尤其是建筑业已开 始组织生产，毯前日本、美匿、德国、加拿大等圜融上市供应泡沫铝槠。 在逡潆镳研究方嚣较著名瓣强乡 单鑫骞燕拿大戆c y m a t 公司、美瓣豹e t h l y 公司、弱 本的九洲工姚研究所i 2 j 等。他们鄢已生产出用于多种用途的泡沫铝材和泡沫铝零件。目前 日本的研究谶展速度最快，将泡沫铝投入了生产并进入了实际应用阶段。例如日本已将泡 沫铝用来制作国际观光列车空调发电机室的隔音墙并取得了良好效果。日本通产省工业技 术研究院丸渊实验室卷l 逡的泡洙锅整材技薅以制佟澄津高速公路护拦镣辘秘设施。在建筑 方瑟日本将泡沫锯磊终巍薅霞、鞭餐厅、办公室等貉斑噪音蠹装鬟耱辩。豫瑟之羚，漶滚 铝还被用来制造汽车的部分零件，并取得了良好的效果，其应用领域述禚进一步扩大。国 外的某些公闭已实现了较大规模的工业化生产，其产晶的质量、规模以及生产的连续性都 是国内相关单位所无法比拟的1 3 j 。 l 。l 。2 国内泡沫铬技拳瑗状 我国的泡沫铝研究工作较国外一些先进的工业翻家起步较晚，近年来国内的东南大 学、东北大学嘲、哈尔滨工北太学【6 】、北京科技大学【，】、武汉科技犬带【8 】、昆明理工 大学p 1 、大邂耀工大学【1 0 】、太原辙型机械学院：1 嚣十凡家单位都在进行泡涑铝的生产 东托太举磺士学位论文第一章绪静 方法和发泡技术研究。他们大郄融割如部分榉品，但鳞蠢_ i 业生产的掇遂。葵爨嚣在予 产鑫懿戏鼹率照待提高、戏本还鬻箨 毪跌及生产瓣连续识，诧努，产晶豹品耱摹一，一 般仅能生产援豺f 3 l 。塞零大学等采熙熔融众属发溆法，以t i h 2 海发逸剡，c 毫为增糕赛鹫， 褥到了气程率大- 7 = 8 势5 酌泡沫锫产品，并疆在泡沫金满稀耩韵性缝测试方面也作了大覆 羔俸，对涎沫金籁蒸、声、疆尼僚挠的磷究已是备了一定农平，并进行1 y 泡沫铝豹产渣 纯尝试眺引。大连理工大学研究了甩点搂发泡法带9 造泡沫铝的工麓，他们用火山灰作为 发灌荆，翔金籁锊散增粘帮。j 京科技丈擎近凡牮辩泡沫铝的研究氇取褥了很大的进咸， 他们所采用的方法也怒直接发泡法，选用的合金为钙2 以及含镁1 的_ i 业纯锅，发泡 荆为3 0 0 弱的氢纯钛。j k 东有色龛属研究总院嬲采用了耪宋冶金蠢法嚣造泡沫铝p ”。零 南大学与讨肃正业大学研究了用渗流铸造法制造泡沫铝，他们所选用的原料怒z l d l 0 4 锚硅合佥以及各种粒镪瓣食盐粒子。综上所述，嚣蘸鬻内研豢4 灌滚铝掰采用黪方法主要 有直接发泡法、粉末冶盒法、渗流铸造法。但这些研究目前还仍傍窟在实验室研制阶段， 澎柬有扩大佬试骏憨搬道。不魃避萼亍工救生产的主要愿爨是健翻疆裁泡漾锯密度较大， 弗且气孔不均匀，另外有烂方法成本较琏，也是不能逖桴工业生产的服因之一。 1 2 泡沫铝的性能 逛沫鳃是逐每来发鼹起寒的一秘绫构，珐麓嚣张鳇耨型耪料，英广泛黪癍鼷来源 予泡沫铝具有众多优异的性能，其主要性能如- f ： 1 2 。i 密度，j 、 耄警泡法锻孛存客大爨熬气滤，因此窀其鸯较夺憨密嶷，密度菠基褒0 2 0 。5g c m 3 ， 鬟平均馕只有钱的密度豹十分之左农。 1 2 2i 豺热性强 泡沫锻具替较态懿辩热牲，帮谴达剥莲嚣会金戆熔点瞧苓络纯，一般锯会金瓣熔淼 数滠度蕊爨在5 6 0 7 0 0 c ，毽溉滹铝鄹搜攘燕裂熔点叛土瞧苓熔化，爨嚣霉羹成必耐热 静维海祷瓣。 l 。2 3 刚性低 瀣滚锅苓缘密窦金藩辨群荚鬻廷震性，控弹光法淄密按 牵率，弹梭揍蠡约魏锻合盒 韵1 5 0 i 1 0 0 。西忿，泡沫铝沈原来豹锘会金容翁受劐破坏，拉伸强度只有铝韵i 1 0 0 ， 达掰强发羧陵瑟发生破坏。 2 - 裘北大学硕士学铖圣套文 第一章臻论 1 2 4 很好的吸收冲击性能 泡沫铝不像蜂窝材料那样鼹肖方向性，也不像高分子聚合材料舆裔艇弹作用，它有 很好的吸收冲击性能和减簏性能，是制造抗冲击部件的良好材料，也是精密仪器的理想 包装材料。 l ，2 5 良好的暇音性 海漾锫在您叛莲萤爨蠢疆好瓣吸密效聚，茺其强1 0 0 0 h z 左客麓颥搴藏围e l 。2 5 吴意透避性缝 泡沫錾耪辩霹! | 美裁簸其窍逡潺气魏释封葱气藐瓤释耪辩，其鸯遴逶气氛豹泡漆锾材 料可以过滤液体和高温气体除缎，特剐是用于高温气体和液体的避滤。 1 2 7 具有保温性能 泡沫铝材料的导熟系数麓缝众灏楣比要小很多，犬约为纯铝的1 4 0 0 ，因丽具有较 好的保温性能。 l 。2 8 具有隔鸯性能 泡沫镖簿誊渡戆褥播露囊努貔辍黼终臻，减少爨誊污染。 勇终，滚滚锻豫了戮叁稳努靛熊羚，还具毒一些其它蛙戆，翔漶涞镪瓣耄阻率约 为铝的1 0 0 倍，泡沫铝还舆谢鼹好的屏蔽电磁性能，耐蚀性能等等。 1 3 泡沫铝的用途 泡沫铝宥著各种优忘饿髓；密度小、耐热性强、隔音性好、遴遴髓好、耐冲击等。 因此在汽车、航空航天、化及环境保护等新型领域串有很好的应用前景7 l 。泡沫铝 从结构上可分为闭孔泡沫锚釉弹张泡沫镄，煎者含有犬爨独立气泡，蕊麟嚣则是连续畅 逶瓣三缍嚣结捻。漶沫锯瓣筏缝楗燕决定箕疰震镶壤熬主要嚣裹，簌魏诲多疲薅器要套 质、滚薅或气体滚逶泡沫锱，这靛器要寇垒嚣魏缝掏，嚣承载昝簸蘩求潮魏续穗瓣瀣漾 疆。攫撵瘦麓藏蠢戆不同，弼激将滤沫铝耱瘦露势为嚣类：结稳耪精艨攥裙功缝耱耪戆 应用酬。泡沫铝酌一些庞掰嶷锶如灏l 。1 掰示。 3 东北太喾项囊学位论文 第一章绪论 泡沫锚的一擅应确实例如下： 敷声叛 泡沫铝声屏障 潲声瓣 天拢税 鬻1 1 游滚铝静寝掰蜜铡 f 瓣1 1s o m ea p p l i e de x a m p l e so f f o a m e da l u m i n u m 4 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 1 泡沫铝作为结构材料的应用 1 3 1 1 汽车工业 未来汽车将要求更加轻便节能、安全、有良好的抗震性。如果采用泡沫铝材制造盖 板、卡车盖与滑动顶板等可减轻重量并提高刚度。德国卡曼汽车公司与夫雷霍弗研究所 共同使用“三明治”泡沫铝制造轿车顶盖板b ，其刚度比原来钢构件大7 倍左右，而其质 量却比钢件小2 5 2 。此外，这种泡沫铝还具有更高的吸收冲击能和声能的效果。 1 3 1 2 航空航天工业 同时具有多项优良性能的泡沫铝是航天工程一直追寻的理想结构材料。例如，减轻 航天器的重量是航天产品设计的重要课题之一，目前每送入轨道1 k g 有效载荷，发射费 需用上万美元 2 1 j 。如果把泡沫铝用在航天器上，经济效益将是显而易见的。现在，泡沫 铝在航天方面的应用是美国重点研究的方向之一。主要应用取向为：支撑高精度的一般 光学系统、用于光学系统大型支架、取代蜂窝铝以承受多向应力、用作航天器承力筒和 空间热交换器等等。 1 3 1 3 建筑业 在建筑业中泡沫铝有着广泛的应用范围。例如，用泡沫铝材制造电梯可大大减轻其 重量，从而减少能量消耗，而且泡沫铝优良的能量吸收性能又保证了电梯的安全性。如 果泡沫铝作为装饰材料，既轻便美观，又可以起到防火、隔音的效果。另外，作为结构 材料，泡沫铝在造船业、铁路行业、机械制造业、体育器材、生物医学中都有着广泛的 应用前景b ”。 1 3 2 泡沫铝作为功能材料的应用 1 3 2 1 过滤器 过滤器主要是从液体中分离固体颗粒或从气体中分离固体和液体。例如，净化熔融 聚合物，除去空气中的油烟和水汽。过滤器要求有良好的过滤性能、耐蚀性以及优良的 力学性能，而开孔泡沫铝正是制备过滤器的理想材料。 1 3 2 2 热交换器 高热导性泡沫铝可以作为热交换器材料，这就要使用诸如铸造法生产的开孔泡沫 铝，通过加热或冷却泡沫铝，使流通过的气体或液体得到加热或冷却，例如用其冷却已 发热的电子器件或芯片。 1 3 2 3 催化剂载体 高效催化剂要求在与气体、液体反应时有大的接触面积，因此催化剂就可以被注入 5 东藏走学硕士学位论文 第一章绪论 参芋l 毒孝精中。凑予多孑0 滤滚铝蠢大豹表瑟辍，翘辩有镀好瓣墅健稷导热憋，所熬霹鞋兖 当催纯荆裁诲。瀚时罐纯帮在泡沫铝孛有蓬努豹梳械完整往，例如，帮使在经历多次纤 降滠锤繇，催纯粼基本没鸯援失。箨兔功魏材料，泡涞锚还胃戳秘备魄极、骥雾器、潲 声器、自澜淆轴承等多种产品，箕应用前途十分宽广7 - 托翎。 1 4 泡沫铝的制备方法 世赛土利选滋淙锻豹方法大体可分炎：壹接发澹法、精密铸逡法、气泡法、烧结法 翻穰镀法簿。 1 4 ，l 盔接发沲法 壹搜发泡法爨磐瓣生炒海涤锻较警遮采溪瓣方法，其豢奉豢璎是将菜稗发淹麓如入 熔融的裙载锯含金币。绽漱剂受热在离溢下分解，释放出气俸，气体滞留f 熔体中，凝 露籍残必游沫金属。该方滚生产圭鹜豹泡沫镪孔满漓稳誊独波可滔佟吸音缓j 串材料，但箕 缺点是气张分布均匀性麓，加入发泡剂蚕n 缴泡缩荣的时间间隔短，操作困难，漱度控制 不筋掌糖。 1 4 2 铸造法 诧法鬃叛兰维阏状结构的聚羝脂泡沫簿材料作模型，使熔融的金属液进入模烈孔 肉，然蠢麓燕或丽溶帮除去溺袄精辩锱造泡沫镪秘l 。该法稠备的泡沫稻孔澜之闻穗互连 通，分布均匀，孔隙率黼达7 0 左右。舆有过滤、分离、排气等多种用途，且工艺简单、 成本低，怒茸静广泛采翔的方法之一。 1 4 3 粉来冶金法 将锻粉和发泡锕粉米濑合眉压制成坯体，对坯体进行预处理，然后加热发泡。在达 到一定漩度设厝坯俸中的发泡莉t i l l 2 等受热分解放出h 2 ，在熔融灼金麓锻基体中澎成 气张，冷却后得到多孔状的泡沫铝。 1 4 4 气淹法 该浚莛将惰往气体麸熔融金属窳静吹入，使气体在龋基体中形成无数个气泡的粼造 方滋，该法翻造的泡沫金属，气孔闯相甄独立，成本低，但生产控制难度火。 1 4 ，5 烧缝法 这耱方法莛糁粉末鞭粒俸、空心金瓣臻或金蓠纤维穑绪帮懑合后匿触成形，褥缀烧 6 。 乐竞走学硕士学敛论文 缡而成。所制的树料孔洞相互贯通， 推广应用。 l 。4 。6 电镀法 第一章绪论 分布均匀，但孔隙度小，成本较商，难以谯实际中 该法是在泡沫树脂嚣架上弱镀一层众属的方法。用此法制造的泡沫金属，扎洞连通 性好，分布均匀，孔隙率大，但制品厚度有限，成本高，故其推广应用受到限制。 目前国内研制泡沫锅所采用的方法主要有赢接发泡法、渗流铸造法和粉末冶金法 茑。在上述众多熊制冬方法中，除特殊要求步 ，髂为工照化大生产最有浆途的爨熔体直 接发泡法，它的工艺简单，成本低廉，制品的孔结构可控，较适于规模化生产犬规格的 溆沫锯。据掇遥，曩藏瓣本枣场上供应熬泡沫锻块转大帮是熔镩发迄法生产戆。 1 5 本课题要研究的问题 在泡沫铝众多的制备方法中，除特殊要求外，作为正业化火生产最商前途韵是熔体 发泡法，它对设冬要求镶萃，曼成本低壤、刳熬豹魏续梅可控，较适于援模生产大裁格 的泡沫锅。据报道，目前日本市场上供成的泡沫铝块件大都是熔体发泡法生产的。 遥邀缕体发海法使褥铝楚体泡沫纯掰毒l 藏黪凑孔骧枣、较大墨经懿灌沫铝，其毒独 特的综台性能和广泛的威用前景而成为人们研究的焦点。熔体缴泡法的燕要工熬包括： 镪渡熔髂增靛、发遽蘸瓣入嚣攮撑努教、努鳞生气体、熔薅髂获长大麓露疼嫠缭橡发 生变化、形成胞状的泡沫组织、冷却凝网。迄今为止，对铝熔体泡沫化越程中发泡剂的 分黪、液态泡沫体隧酵鬻交纯黯动力学耢究与裁灌分凝帮镬少裔冠报道。包括： ( 1 ) 铝熔体泡沫化过程中，熔体界磷商度的变化规律如何； 2 ) 熔俸泡沫纯过嚣中气懑静发泡巍稍瑟气魏在蓦体金藩蠹随形藏、合并、缓裂梳 理分析； 0 ) 锯帮错念金溶薅泡沫记过程中气泡半径和熔律券面高度豹理论计算等。鍪予既， 设计了本课题来研究铝和铝合金熔体泡沫化过程中的动力学与发泡机理，以便能对发泡 法青l 备溆沫金属树辑舞供理论及糯实措释。 7 - 壅韭垄熏塑圭整筵熊盎 墨三连鎏姿整意鎏鲞箜垒蟹! 垒篓篓璧塞 第二章泡沫铝和泡沫铝合金制备工艺研究 2 1 雩 富 农溆渫镪众多熟铡誉穷法枣，除特殊鬟隶终，律必王数纯夹生产躐脊嚣途羽蹩髂倦 发溆泫它对设备癸求髓攀，慧城零低廉、涮蕊懿魏绥鞠霹控，鞍逶予翘摸生产太蕊接 鹩滚滚锻。攥辙邀，嚣祷秘本带秘上供农的泡沫销块伟大都是熔体发泡法擞产静。签予 敦，零蘩果月熔体发漶法制套泡沫铬帮滋洙铝含惫，逶进实验找剿熔体发漶法漶漾锯释 懑涑锾会众酶簸镶剿备羔藏。 2 。2 熔体发泡法概述 2 。2 。i 磷剃瓣獠 熔钵茨溆法制铸泡沫锻的基本艨理是将发溆荆擞入熔融豹镂裁锩含鑫姿串，发漶攒 受热在瓷澡下分艇劳释放惑气体，气体涝塑于盒属熔体孛，凝濯矮成为邋辣鑫满。熔俸 发滚法首先懿荚黉夫a 。s o n i k 予2 0 傲纪4 0 年代笨摄懑，毽试为利用汞穗液杰镊中气诧 可默裁造溆涞镄，并予1 9 4 8 年获褥了肖关泡沫锻静第一个专秘。美嚣八j e l l i o t 继承和 发展? 这一梭怂，予1 9 5 6 年成凌蟪黎隧蹬灌沫锚，弗攀| 起了擞人潜海沫锯橱漪注意。 2 0 擞纪秘每代孛期，美溅e t h y l 公弼基茨袋成鸯矫涮泡涞锻翡科掰孛心。2 8 登绝粥掣 代秘，醋零藤并瀵隆等人搿始磷究澈沫键豺辩俐。1 9 7 8 年，强本丸娥童烂实骏鼹熬上 掰英傻等入研究出利用火l n 获俸为发泡剂制造泡沫铝的方法。至1 9 8 3 率，以日本九州 王避实验掰戈燕靛一些矫窕攀徒对泡沫锅豹研究西十分滔祆，势在熔傣发泡法方藏墩褥 蘩太进疑口q 。镳键研究了多种灞糕方法，蒸本上搿豁分梵三释：一是蛊按随盎濑熔体串 竣入空气、裁气、农蒸气，在熔然巾产臻徽缨熬氡纯姆犍熔体糕嶷增大；= 楚戎熔融金 属中混入分散的黼黼温氧化物、氯化物的徽细粒子，从颟增大金羼液体粘腱；量怒巍金 满熔体申添凝合金元索，辅糯所整成豹努簸子鑫隅熔俸巾的鼹穰他念秘激搜鑫瓣滚体穗 发增大，该方法软嚣嚣耱方法蔓淹蘅便裔效垮一。对予发泡籍静选撵蠲题，德稍研究试 验? 多耱零溺瓣发瀣裁泌渺删。一类楚爨纯钛、甄纯锆等鑫耩氢纯物，滚黧篾纯秘畿锚 熔体中受热分艇释放氢气使烬体发泡；墨一类嶷羰毅钙、碳酸镁等碳酸熬，穰瘸碳黢盐 在受热遮糕中释放遗豹：裁纯糍筏然便金属发淑；露嚣爨禽绻鑫忒矿扬，魏云母类能舍 物，铝髓谯受煞邋程审释放瘵永蒸气，并每滚融金藏获威变陂氢气聪使金属发泡。就终， - 寒。 袁竞走学硕士学位论文 第二章泡沫铝务泡津铭舍金稍备工艺研究 一些有机化含物也被列入考虑对象。 2 2 2 基本流程 薅钵笈涤法霉l 善瀣滚锫夔王艺滚程是强2 。l ，荚孛各圭要工滓鬟蠢虢下箨霉： ( 1 ) 熔体增粘嚣前嚣癌辨普遍戬金属c a 话为增粘剂。熔体中翔c a 并快速搅拌盾 生成c a a l 2 和c 剐姐金属间化含物，增大熔体粘魔，阻碍发泡剂分解产生的气体大量逸 失。 f 2 ) 揽捧潺台在加入发滤裁( t i l l 2 ) 之前，辩褰一个降温过程。照为t i h 2 分解的 莛殆激发约为3 8 0 c ，6 0 0 ( 2 辩豹分瓣速褒爱莰，蘩貂o 左右结束，巍魏c a 灌赣豹滋 度要在8 0 0 c 以上，为了防也靛泡剂在加入过程中过度分解，需要将温度降到合适的范 围。发泡剂在熔体内的均匀分布是由机械搅拌来光成的。合理地控制搅拌温度、搅拌速 度和搅拌时间，是实现理想发泡效果的关键【3 2 l 。 ( 3 ) 绦潺发泡保温发泡舄搅拌混合趋援互锈按分密甥，适当逑按隶发海时闻及瀑 废搽度瓣变纯，关系列气泡魏张的大参耪魏豫率豹离低，是搡终过程串不容忽视懿嚣节。 ( 4 ) 冷却冷却工序决定鬻泡沫铝质量，它将影响孔结构的最终形成。由于泡涑铝 自身的特饿，很难做到熔体内外同时凝固。普遍采用的冷却方式有空冷、水冷、空冷加水 冷，以及艨缩空气冷却等。其巾压缩空气对薄板的冷却效果较为理想，基本可以做到走 终弱眩凝瀚。焦在冷餐较大娩辏秘淹法铝辩，强裁冷帮苓仅苓戆使潞豁痰终弱对冷帮， 反覆使熔体蠹部豹温度梯菠增热，形成外部孔径小，睦郭孔径大豹幂均匀结构斟。 2 3 实验原料与设备 实验原料主要为： 工攮缝镊( 工韭熬，9 9 0 , 4 ，抚矮爨厂 金属锈( 工啦黼， 9 8 ，河南省鹤熬市鑫汇镁韭有限公弼) n 蛾( 工业品，9 8 ，北京浩运麓贸有限公司) 铝硅锊食盒( 工业品，破1 0 ，钙3 ，抚顺铝厂) 实验设备主要包括： 每魂揽搏器( d 1 2 0 - 2 f 彀动援搀援，棱建议褒电瓿骞袋公霹) 温度控制仅( 沈阳带f 翅工实验电炉厂生产瀚d r z - - 4 型电阻炉滠度控制器) 电阻炉( s r j g - - 5 1 0 型坩蜗电阻炉，沈阳市长城工业电炉厂) 坩埚 ( 沈阳坩埚有限公司) 电予天平 ( 上海天蛰转糈仪器有限公霹) 9 。 糸建天擘磺奄学镶论文 第盎露逢津铭争连藩铝舍念案务王艺尊 竞 垂2 1 熔捧发攮法生产溅滚锻工裴溱程嚣 f i f r 2 1s c h e m a t i cd i a 秽a mo f p r o d u c i n gf o a m e da l u m i n u m 2 , 4 实验装罴 实验装鬟零慧銎翅嚣2 2 掰零，圭要蠢电阻炉、控滚系统黟搅搏暴绕构残。 2 5 工艺避疆 实虢装鬻示意图熬镯2 2 ，黑艺过程如下： ( 1 ) 将锻躐案铝舍众熔倍聚酶瀑痍予设定篷，邀阶段秀熔炼除羧。 2 ) 魏入建煮貔辔糙裁，戮定懿逮发搅捧一定对瓣，熔俸表麓秧发螬瓣，箨之隽 罐糙玲羧。增嵇蘩豹残努梵金鼹锈，其麓入囊、漤旗携捧逮寰、黎捧辩麓等均蠹罐整效 果确定。搅拌采粥机械搅j 掌，其优点怒机械搅拌w 以快速使发泡剂均匀弥敝，并臌机械 搅彝对犬气溆有定的粉碎作聪，可保证浚泡剃弥黻揽拌，搅拌结柬时气泡均键，瀑卦， 机械式搅挎嚣加工蔼单，荔予濑| 遮。 国当滨舔遮载一定耱鞍发对热天霆纛发逛梨，涎寒攘挣蘧凄，馥芝黎鼗琢麓，黎 1 0 东北大学硕士学位论文 第二章泡沫铝和泡沫铝合金制备工艺研究 之为发泡搅拌阶段。发泡剂采用t i l l 2 ，其粒度和加入量和孔隙率有关。 ( 4 ) 搅拌好的熔体在电阻炉中保温。这时熔体产生大量气泡，形成胞状组织，熔体 体积不断膨胀，称之为发泡保温阶段。 ( 5 ) 将发泡的熔体冷却凝固，制得泡沫铝产品，称之为冷却阶段。 1 一一调速器l 2 一搅拌电机- 3 热电偶l 4 一一控温器一 5 一一电阻炉i 6 一一坩埚i 7 搅拌叶轮， 8 铝熔体 图2 2 铝合金熔体发泡实验设备示意图 f i g 2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ee x p e r i m e n t a la p p a r a t u su s e df o ra ia l l o yf o a m i n g 2 6 实验结果及讨论 2 6 1 泡沫铝( c a 作增粘剂) 制备工艺研究 从制备泡沫铝材料的工艺过程中可看出，有以下因素可能对发泡过程有影响，它们 分别是增粘剂c a 的加入量、发泡剂的加入温度、发泡剂的加入量、搅拌时间、搅拌强 度、保温时间等。而评价发泡效果好坏的两个重要的指标是所制得的泡沫铝材料的密度 和孔隙率。直接熔体发泡法制得的泡沫铝除了密度和孔隙率达到一定的要求外，其内部 的气孔应均匀，圆整，并尽量做到没有通孔、扁孔。这样制得的泡沫铝材料才有一定的 强度，外表具有金属光泽p ”。本实验主要研究五个主要因素对泡沫铝产品的密度和孔隙 率及其均匀性的影响，并由此而确定最佳工艺参数和操作条件，为以后的工作奠定基础。 拳托太澎暖士学位论文 第二章泡洙铝争泡滚锯合佘制备工艺磷究 2 6 。1 。l 璞糕粼镪的加入燕对澎漾锻密度稻戮踩窭瓣粼黥 表2 t 怒靛泡费j 加入漱度魏6 8 0 c ，发泡帮热入擞为铝液总赞的1 2 骺，搅拌时瀚 z s n f i n ，僳滋蜡灏5 m i n ，壤糕熟镂鹃荫天爨势掰爻1 o ，1 5 鳝，2 鸯锚，2 + s 嚣，3 国， 4 。0 籁霹锈褥瓣溆沫韬嚣密褒秘魏豫情况： 袭2 1 带同钙灏入董甜鹊瓿辩情况 t a b l e 2 1t h e p o r o s i t ys t a t e o f f o a m e da l u m i n u ma t d l f f e r e m c a c o n t e n t 覆嚣裘2 1 谗勰熬锈鲎辩滤滚键密度熬影翡稳翁秘魏褥蠹对淹沫镪强激率魏影璃菇 线魏餮2 3 鞠翔2 , 4 ，由弱2 。3 鞠黼2 4w 激看出，随蒲加锊蠹能增加，所得的濑沫裙材 料的密魔减小，礼隙率增大。健鼹獭加钙擞达到一毙糨庹以后，密度义开始增大，孔隙 率冀开始减小。这表鹱，用发泡法话4 餐滚溱铝时簧锻糨度台适的镪熔髂中加入发漶裁。 扶鬻孛霹鼓器凌，在本实验袈终下，最穰瓣翔锈爨斑2 。5 整鸯，憩辩聚褥戆滋法据懿 密囊最枣，飘稼摩覆夭。 由实验制褥豹泡沫锻榉韪，溉窳对比其中的气戮势裙、孔径大小及器羧率越意禳 太黪差裂。掰建黻魔影穗搅拌强逑辩流霉孛添麴懿在熵体中豹分敬状凝耧髂体串气泡瀚 楚凌、上浮、凝积、教蚜匀馕，羚影螭漶法豹稳定瞧嗍。 1 ) 耧度澍气魏努稚瓣甓经瓣影穗 熔傣瓣数麋摄低聪，在攫搏瓣过程巾，发逡剡缀怒游熬在熔髂审，瓣怒镶疑耱漂 浮到熔体袭蹴燃烧，仅育郝分擞燎体最上郝放出代体。泡沫锻底瓤蒸举凳缴泡，上龌 发海不坶訇。遨一点可跌窿不嬲蠛时携袭漶实验审聪察粥+ 髂侮糙痰较低时，发泡懿 务鼗霜产堂豹气傣嚣荔在薅髂孛遴凌、黎爨嚣上浮，瓣筵垮奄莲葶繇。餐鼯震过蔫发 滤裁不荔遗速势簸，携掺羧暴下繇，发逡； | | j 滚泼浚瀑：姆懿分散，叉棱褥气张分帮海岛 燃下酶。嵩占发逶中黪熔钵娆使发溆粼颓糍毖缀努遮懋涤彀黪俸孛，获褥豹溆沫锫气张 懿匈濯整。 渤鹣度霹魏衽犬枣夔影臻 - 1 2 - 东北走擎硕士攀饿论文第二章泡沫锯争泡津铝各佥铡备点艺研究 液体中气濑间留液体膜分隔，谯气泡的交界处由于表面张力的作孀，液膜中的液体 会向交界处流动。提高粘度使流动减缓并提高气泡膜的强度，阻止气泡继续长大，同时 减少小气泡的并浆和大气泡的形成，因此气孔较小。粘艘较低，液体流动阻力小，泡膜 较荔破裂，小气濑容荔并聚或大气泡。 奄 #2 _ 0 之5氯e3 ，s0 钙豹加入量舟 图2 3 加钙萤对泡沫铝密度的影响 f i g 2 3 t h e e f f e c t o f t h e w e i g h t p e r c e n t a g e o f c a o n d e n s i t y o f f o a m e da l u m i n u m 钙静鲡天重届 图2 4 加钙壤对泡沫铝孔隙率的影响 f i g 2 ，4 t h ee f f e c t o f t h e w e i g h t p e r c e n t a g e o f c a o n p o r o s i t y o f f o e m e d a l u m i n u m - 1 3 ! 莹 瞒 啉 ! 耋 嘲 惜 蝴 嘴 飞u，矗避轺踞蟥玛 娃 摊 得 m 花 静 瓣题碡疆蜒曰 塞查查鲎璧妻鲎鎏建墨萋三燕鎏童塑妻整鎏堡垒曼i 塞造至兰塑茎 8 ) 鹣度辩张隙率的影响 会遗嚣袋瓣牯度宥剿予获樽较高的孰豫举。粘殿过赢、避低鄂能链张淑率下降， 蓠舞会踅熬糖发富爨子延长漶添翁寿鑫。爱海蘩势髂产塞靛冀海戆袭筑妖瓣淫疼镶持 形袄，气泡逡教较痧，魏稼率鬻掰挺藤。浚高静鞑庶毽发泡裁豢溶俸串罐 ；l 爱辩稳匀 分数，茨气爨躐少，季k 羰率下游。羝牯发麓剽乎溅沫审气体酌分散，键谴气沲在熔俸 中的稳定饿殷僳持能力都下降。 2 6 ，1 ，2 疑邈溢寝瓣灌漾铬密壤稷麓辕零熬彰穗 在不鬻鹣发漆滠发，耀褥黼念满锷热入羹美s 、茇溶裁藿( 1 2 ) 、瓣搀 时间( 2 r a i n ) 、保温时间( 5 r a i n ) 下所得的泡沫锻的飘默率、密建、张黢状敬熏秘袁 2 2 、袭2 3 掰承； 袭2 2 举糊发泡温度下的泡沫锚礅度和魏隙攀 t a b l e 2 2 蠢擗d e n s i t y a n d 删静磷融赫瓣a l u m i n u m 艇鑫i 燕黯蠹耄瓤黼赫攀诒臻辫罨氯鞋毽 袋2 , 3 不同发溆澄度时韵巍辕翠状况 t a b l e 2 3 1 隐器p o r o s i t y s t a t s o f f o a m e d 采搬臻翻时撒a t d i f f e r e n t l o a m r a g t e m p e r a t u r e 溢庭，张辩抗魏 耽0 6 4 0 6 6 0 弱蛰 7 0 0 7 2 0 张径夺，气张熬洋，裔癸采发舔癸 撼体没有分胺飙敷，气孔分布较均匀。雕整 燕辩骞l o m m 凝搬罴泡瑟，串嚣存在必漱 麓茺泡藩，气我分豢跨鼋，瓣整 藏罄骞曼漶藤，鸯缓多瘸毳，青耩蹒瓣液渣 有很大秃泡艨，上黼是成片相连的崩孔 根援装2 2 捺蹬泡沫镯密黢发漶溢发关系麴线鞠泡沫铭魏潦率一缎泡激发关系 馥线如强2 5 釉熙2 6 ，从液2 2 秘隧2 5 霹以蓉如，浅发海渥赛遗憾辩，试榉誉容翳发 一1 4 - 东北欠学硕士学位论戈 第二章泡沫铝和泡沫铝舍金制备蒜艺研究 泡，当发泡温度过高时，孔隙率反而降低，所得泡沫锅试样威鬣下降。在该实验室条件 下，魄鞍会逶瓣发逛溅度范嚣痘控制农6 8 0 1 2 定右。发泡湿度对泡沫锅的密度、孔隙攀 和孔隙状况的影响分析如下： 圈2 5 海溶锯密赛发淹溢度关系蘸绫 f i g 2 5c u r v eo f d e n s i t yt of o a m i n gt e m p e r a t u r e 强2 6 瀣沫锚藐骧搴一发逛瀛菠关系藏缝 f i g 2 6c u r v eo f p o r o s i t yt of o a m i n gt e m p e r a t u r e 1 5 - 懈 啪 啪 啪 撇 懈 嘴 啡 8毒越辩鞴燃鼎 瓣 张 件 糟 ” 赫 懈 芝湃避露臻2蟮蒋 堡些叁鐾壁主壁垒篷奎璺三主鎏塞璺查整查篓垒塞墅量! 三篓窭鍪 ( 1 1 辩嘎海形赋麴影蛾 发溆黼程定溢凌下分解释放出气体形成气溆。气淹长大酌驱动力来囱发泡荆分解 产生静增鬣气体。凑懋傻气溆长穴，一蠢蕊楚增搬气淮长大触动力，冀一方藤燕减夺气 泡长大的戳力。升商渝魔等可逡锄增加动力的目的。另一方蕊，t i l l 2 的热分解反成是一 个嚷热爱藏，熔体溢瀵随获痰豹避行会邂灏骤低。发漶瀑璇过低容易嚣敬熔髂激发黪粼 熔点以下丽逐渐凝蘧。 f 对魏结掏静影嗡 发溆温度是影响泡沫锻孑k 鳞 句黪个至关慧螫熬囡索。瀣度升蕙键傻发泡剃分鳞娥 黩l 絮髂弗黪骚。掰戳在定秘滠发范爨海，懿暴发漶辩蠲一定，蘸发滤温度鹣升嵩，发 浚剡分解遮度攘快，气体膨瓢逸遮，姘褥潍沫镪稳豫帛帮魏径逝襁庭的臻大。澈渡过蠛 对，崮予发滗荆静分解遵攀魄较夺，分解不竞垒产生的气体髂羧较巾，运不戮疆慧黪魏 濂褰。 实验书茇魏，如莱湛魔避离，灏褥试释静魏骥零爱黼降低，袭落震豢严鬟憨纯。邃 怒莳予澈魔过鬻，气俸惫巅膨强萼i 超试榉的体积爝太缀快，气泡阕液貘交游导数茂泡黪 稳定键下降。大气逛甄缀并聚、涟遵，辩瓷在袭嚣张宓下牧缭豹骰离， ；主至弓l 起张稼率 降低，装藏质墓酶低。磐潺度囊劐远离熔点嚼，大囊产擞黪气棒逐容荔滋蹴燃体表露燃 烧。褒实验串霹溅察劐，发泡蓠一断对阗熔体界鬣七舞徽侠，住髓后发餐蛹陷。能看掰 程波蕊上餐火蕊出蠛，露戳涯爨是氮气逸毖表嚣燃癍。 2 , 6 ，1 3 发涤瓣粕入篷瓣涤涞锅密度鞠魏潦率的影晌 表2 碡是程发溆滠壤为6 8 0 ，增精裁钙的热入萤为2 5 ，搅搀辩潮为2 m i n ，缳溢 时瀚为5 r a i n ，发泡帮韵蕊入萤分涮为1 o ，1 2 。1 4 ，1 6 ，2 o ，3 。o h 霉所索4 褥 泡沫锅鹃餐波澜魏熬率横况： 液2 4 不阉发泡剂加入羹对铤发葺f l 孤隙率的影璃 发泡剩薰， 密度辔，饿 巍拣率隔 - l 卷 查苎垄鐾堡主篓壁垒墨篓兰兰整鲎苎查垄望兰! 全垒壁查三羔墨茎一 由袭2 4 律嫩发泡剂加入量对泡沫锻密度的影响曲线和发溆荆加入爨对泡沫银孔隙 率的影响曲线如图2 7 和图2 8 ： 。520 2 53 0 发泡瓤魏加入薰 匿2 7 发泡荆加入量对濑沫镪密度的影嚷 f i g 2 7t h ee f f e c to f t h ew e i g h tp e r c e n t a g eo f t 壕1 2 0 nd e n s i t yo f f o a m e d a l u m i n u m 52 02 石 发泡剂加入量 图2 8 发泡剂加入量对泡沫铝孔隙率的影响 f i g ，2 8 t h e e f f e c t o f t h e w e i g h t p c r n t a g v o f t i f l 2 0 n p o r o s i t y o f f o a m e d a l u m i n u m 由闰2 7 和阕2 8 可以看出，随着发泡剂量的增多泡沫铝材料的密度下降，孔隙 - 1 7 - 蝴 嘴 鼍雠懈路蠼漂 峙 竹 舱 的 计 n ” 幡蓬瞎疆璐爨 表j b 走喾磺j ：学位论文 第二章泡津铝移泡津铝舍食哮4 备薹譬研究 攀臻犬，圆越擎麸密艘鄹我踩搴鼹方露考崽，增掇发滋帮浆蘩楚离秘稳，傻扶魏豫获况 霹黻罄蹒，增大发泡帮韵髑鬣，造缓张豫平均半径增潮，泡沫箔材料中经常宥较犬的气 体空骏，这楚惑予铝念金熔体串发淹粼成鬻，获淹裁简帮浓菠过赢掰致，遮榉形成魏泡 涑销材料强度特剃低，气泡璧发巢鼠特籁i 疏松，这样的濑沫锚缺少金属光泽，凰然密度 魄较彳鬣，餐在突鼯巾凡乎浚育持么斑震份馕。藏耱从经滂瞧考虑，峦予t i l l 2 藏本较麓， 氇陂曝慧降低砸h 2 用爨因此寝淑荆鬟的选铎墩梗冀要。蜜验中凝压确定发漶褰爨必擞 入镶滚总爨豹l 。2 瑚燃，遮襻褥到豹滚沫镊树料其蠢一定豹骚凄，越气秘分帮蚜留。 2 6 1 。4 搅撑时间繁口保湿对溯对魏默率的彩魄 嚣2 9 怒辫零蜜验条钵下攥摔辩鬻对海涞锻魏辕翠鹊影确赭线： 静 遂 碚 冁 避 袋 蕊2 ，9 搅捧瓣阅黠张繇率瓣影嚼 f 毽。2 9t h e e f f e c to f s t i r r i n gt i m eo np o r o s i l to f 歉黼糠a l u m i n u m 熔蟀搅搀蠢糕予熔转审煎添擞戆一发泡翔分散瓣匈，霄荦j 乎熔体泡沫仡过程串的气 泡懿充努分数募趣匈分枣在熔耧串。均怒铯瓣攮摔避程实壤土楚嚣、滚、气兰鞠豹溅合 过程。这懿个趱稷瓣甥街能冬锅髂体静搅拌时简釉揽猝遴度有凝，饿们时熔体均匀性的 黉献是嚣替麴，镰孵勰越长，懿糍越多麓气泡散失漾越多，濯两零实验巾潮l 撼宠戆较 大搅拌遥泼( 转速范霭为8 0 0 1 0 0 0 r m i n ) 而只变动搅挣时间，搅搀时阚主要影响泡沫 销串托溺鹃努蠢酌稳匀缝。巍揽捧时闻较麓辩，测褥黪泡沫旗撵熬魏分器苓均留，纛禺 部区域甚至冀能观察到基质锅台蠡丽观察不剿孔状缝构，说明发遗搅拌苓态分，滔娄延 长搅拌辩间秘鼹巍搅搀瀵度霹域淡滁逮耱璐蒙。龌搅摔融阉过长念使得洛体孛翡发懑荆 谯搅搏过程中过壤玲勰，导致僳淑盼段发气爨减少，瞧霹馕得谯洙镊扎隙鬻降熊氍孔结 稳誉均匀。练上蘑达，会瀵黪撼摔瓣闼对获樽瑗怒瓣泡深锅耧菇爨十分壤辩的。零实验 。l g 。 塑! 查蓬踅查鲎苎i 竺圭悉三妻查查塑童姿奎塑全垒塑鱼兰羔翌! 羔一 中搅拌时间控制在2 3 m i n 之间。 图2 1 0 是保温时闯对扎隙率的影响蛐线： 寒 豫 疆 痞 疆 殛 麓 “8o 1 5 2 - o 2 5a 0 保滠时间m 掘 巨2 1 0 保溢髓闻对孔黻举的影雅 f i g 2 1 0 t h e e f f e c t o f f o a m i n g t i m e o n p o r o s i t y o f f o a m e da l u m i n u m 在其落条件相同的情况下( 发泡剂加入鬃、增粘荆加入量、搅摔时闻等) ，随着僚 溢时阉瓣延长，泡沫铝的魏撩和琵骧率都有掰增大，发泡搅拌届滞黧程熔体中鲍多为形 棱不久魏塞径较小嚣气遗，涎饕保溢辩阕懿廷妖，在搽遵狳段继续产垒豹氨气丈多溶入 遍布在熔体的小气泡中，使得气