（材料加工工程专业论文）基于半固态成形技术泡沫铝孔结构的控制.pdf

中文摘要 中文摘要 泡沫铝是一种多功能复合材料，它独特的结构与性能使得其在汽车、建筑等领域有 着广泛的应用前景；熔体发泡法是制备闭孔泡沫铝的一种主要方法，然而，这种方法存 在着工艺过程控制困难，孔结构不均匀的问题，限制着其广泛应用。 针对上述问题，本文提出了一种基于半固态成形技术的两步法泡沫铝制备新工艺 一s s f ( s e m i s o l i df o a m i n g ) 法。对t i h 2 表面涂覆工艺与材料，s s f 法的基本原理、工 艺过程、参数对发泡过程及孔结构的影响、微观组织的变化、参数的优化等问题进行了 研究。主要研究结果如下： 1 采用自制涂覆材料( 铝溶胶，主要成分为a 1 2 0 3 ) 对t i l l 2 进行表面涂覆处理后， t i l l 2 的分解温度可提高面以上，开始分解的时间可延长2 m i n 以上，和铝液 的润湿性得到改善。 2 通过施加机械搅拌，凝固组织由发达的枝晶组织转变成为近球状、球状的半固 态非枝晶组织，使熔体在较低的温度下( 半固态温度区) 仍具有良好的流动性， 从而保证了经涂覆处理的t i h 2 颗粒，能够弥散混合在铝硅熔体中不至于大量分 解，获得可发泡预制体。 3 采用s s f 法，获得了孔结构较均匀，孔隙率为7 4 6 、孔径范围为 2 1 m m 3 2 m m ( 平均值2 3 m m ) 、平均圆形度为0 8 1 2 的泡沫铝硅合金；试验条件 下的最佳工艺条件为：搅拌温度为5 8 0 ，搅拌时间为0 5 m i n ，搅拌速度为 1 2 0 0 r m i n ，二次发泡温度为7 2 0 ，发泡时间为1 5 m i n 。 关键词：泡沫铝；熔体发泡；半固态；非枝晶组织；机械搅拌；二次发泡法 a b s t r a c t a b s t r a c t f o a m e da l u m i n u mi so n eo ft h em u l t i - f u n c t i o n a lc o m p o u n dm a t e r i a l sa n d h a sw i d e s p r e a da p p l i c a t i o np r o s p e c t si na u t o m o b i l e ，c o n s t r u c t i o ni n d u s t r yf o ri t s u n i q u es t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c e m e l tf o a m i n gi s am a i nm e t h o dt oo b t a i n c l o s e d c e l la l u m i n u mf o a m ，h o w e v e r , t h ep r o b l e m so fh a r dt oc o n t r o lt h e p r o c e s sa n du n e v e np o r es t r u c t u r el i m i ti t sw i d e s p r e a da p p l i c a t i o n t os o l v et h o s ep r o b l e m s ，t h i sp a p e rh a sp u tf o r w a r dab r a n d n e wt w o s t a g e m e t h o d 一- s s f ( s e m i s o l i df o a m i n g ) b a s e do ns e m i s o l i dt e c h n o l o g y m e a n w h i l e ， t h i sp a p e rh a si n t r o d u c e dt h et e c h n i q u eo ft i l l 2s u r f a c ec o a t i n ga n di t sm a t e r i a l ， t h eb a s i cp r i n c i p l e sa n dp r o c e s so fs s fa n dh a sr e s e a r c h e de f f e c t so fp a r a m e t e r s o nf o a m i n gp r o c e s so rp o r es t r u c t u r e ，t h ec h a n g e so fm i c r o c o s m i cs t r u c t t i r e ，a s w e l la st h eq u e s t i o no fo p t i m a lp a r a m e t e r s t h ef o l l o w i n ga r et h em a i nr e s e a r c h r e s u l t s ： 1 u s i n gs e l f - m a d es u r f a c ec o a t i n ga g e n t ( a l u m i n u ms o l ，a 1 2 0 3i st h e m a i nc o m p o n e n t ) ，t h er e s o l v i n gt i m eo ft i h 2h a si n c r e a s e do v e r 10 0 。( 2a f t e rc o a t i n gp r o c e s s t h er e s o l v i n gt i m ec a nb ep r o l o n g e d o v e r2m i nu n d e rc o n d i t i o no fc o n s t a n tt e m p e r a t u r er e s o l v i n g a n d t h ew e ta b i l i t yo fm o l t e na l u m i n u mh a sb e e nb e t t e ri m p r o v e d 2 t h r o u g ha d d i n gm e c h a n i c a la g i t a t i o n ，t h es o l i d i f i c a t i o nm o d e sa n d m o r p h o l o g yo fs e m i - s o l i dc a nb ec h a n g e d ：s o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r e s c h a n g e i n t o s p h e r e l i k e o r s p h e r ea m o r p h o u s s t r u c t u r ef r o m d e n d r i t i cs t r u c t u r e ss ot h em e l tc a nk e e pg o o df l u i d i t yi nr e l a t i v e l y l o wt e m p e r a t u r et h a tt i h 2c a nd i s p e r s ea n dm i xa 1 - s im e l tw e l li n l o wt e m p e r a t u r e ，a tt h es a m et i m e ，t i l l 2h a sg o o df l u i d i t ya n dw o n t r e s o l v e l a r g e a m o u n tt h a tg u a r a n t e et h eo b t a i n i n go ff o a m i n g p r e c u r s o r 3 u s i n gs s fm e t h o d ，r e l a t i v e l ye v e np o r es t r u c t u r eh a so b t a i n e d t h e p o r o s i t yo ff o a m i n ga 1 一s ia l l o yi s7 4 6 a n dd i m e n s i o no fa p e r t u r e i s2 13 4 m m - 3 16 4 m m ( a v e r a g ed i a m e t e ri s2 2 6 2m m ) ，t h ea v e r a g e c i r c u l a r i t y i s o 812 t h er e s e a r c hi n d i c a t e dt h eb e s tt e c h n o l o g i c a l i i i 基于半固态技术的泡沫铝孔结构的控制 c o n d i t i o n sa sf o l l o w s ：a g i t a t i o nt e m p e r a t u r ei s58 0 。c ，t h em i x i n g t i m ei s o 5 m i n ，t h em i x i n gs p e e d i s12 0 0 r m i n ，r e - f o a m i n g t e m p e r a t u r ei s7 2 0 a n dt h ef o a m i n gt i m ei s15 m i k e yw o r d s ：f o a m e da l u m i n i u m ；f o a m i n gi nm e l t ；s e m i - s o l i d ；n o n d e n d r i t i e s t r u c t u r e ；m e c h a n i c a ls t i r r i n g ；t w os t e p sf o a m i n g i v 声明户明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 作者签名：日期： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原科技大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件、复印 件与电子版；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存 学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交 流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 作者签名： 导师签名： 日期： 日期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 半固态成形技术简介 1 1 1 半固态成形技术的概念 半固态金属成形( s e m i s o l i dm e t a lp r o c e s s ) 是由美国麻省理工学院的m c f l e m i n g s 教授等，于2 0 世纪7 0 年代初研究开发的新一代金属加工技术【，这种技 术主要借助于非枝晶半固态金属浆料的流变行为，在非扰动的情况下，使浆料呈现 一定的刚性并可以运输，而在受剪切力的情况下，浆料可像液态金属一样，变形抗 力很小，并可以用常规加工技术如压铸、挤压、模锻、轧制等方法成形。这种对半 固态金属浆料进行成形的加工工艺称为半固态成形技术【2 】，【3 1 。 半固态成形技术作为一种新型的金属成形工艺，极大地改变了传统的材料加工 概念和手段，对于各种固液两相温度间隔比较大的合金材料特别具有吸引力，可以 获得性能优异的各种金属材料和复合材料州【5 】：半固态金属加工技术属于近净成形技 术，其基本特征是优质、高效、低成本，被称为2 1 世纪最具发展前景的现代加工新 技术1 6 j 。 1 1 2 半固态成形技术的特点 ( 1 ) 半固态成形技术与普通铸造( 液态成形) 相比，半固态成形的充型温度低 5 0 1 0 0 ，体收缩中没有液态收缩，只有部分凝固收缩，因而缩孔体积小，工艺出 品率高；同样由于半固态成形技术的充型温度低，加之充型过程平稳及成形过程释 放的热量少，所以对型腔的热冲击小，模具寿命长，不易卷气：产品内部缺陷少， 组织致密、均匀、细小，尺寸精确，性能显著提耐7 】【8 】【9 1 。 ( 2 ) 半固态成形技术与普通锻造( 固态成形) 相比，其成形温度虽高，但因其 变形抗力降低1 4 1 7 ，因而对模具的机械磨损显著降低，成形设备吨位显著减小， 模具寿命延长；由于其良好的成形性能，可以一次成形，因而工艺流程明显缩短； 半固态材料具有良好的流变性，可以生产通常需要用铸造方法成形而要求性能与锻 件相当复杂的零件，且产品尺寸精度和表面光洁度高f 1 0 】。 ( 3 ) 可靠性：传统的铸造方法加工的零件内部存在缺陷，特别是缩松、气孔和 内部微裂纹，所以铸造产品可靠性较低；传统的锻造技术虽然可以得到致密零件， 但是对材料的塑性加工工艺性能要求较高。半固态加工技术既克服了锻造对材料适 应性差的缺点，又克服了铸造产品内部缺陷多的不足，能够方便地制造承力零件， 提高零件的可靠性【l l 】。 l 基于半同态成形技术泡沫铝孔结构的控制 因此金属半固态成形技术与传统材料成形加工技术相比，在提高产品质量、降 低性能和成本、缩短生产流程、利于环境保护以及提高产品市场竞争力等方面具有 独特的优势，并且在汽车、通讯电器、机械以及航空等工业领域存在着巨大的应用 市场，十分需要从理论、成形控制技术以及工艺装备等方面开展系统的研究开发工 作。 1 1 3 半固态成形技术的应用及发展前景 目前，世界各国都有许多大学和企业的研究机构在进行半固态加工技术的研究 工作，并取得了一定的进展，积累了一些有益的经验，从而为该项技术的发展和应用 奠定了基础。半固态加工技术在合金制备领域中的应用起步较早、发展也较为成熟。 半固态加工技术适用于具有较宽液固共存区的合金体系，如铝合金、镁合金、锌合 金、铜合金等均可用该技术制各，其中，半固态加工技术用于制备铝合金最为成功， 也最为广泛，包括a 1 c u 合金、a 1 s i 合金、a 1 p b 合金和合金等【1 2 】【1 3 】。 半固态加工技术在钢铁工业中也有着重要的意义。采用这种方法制造机械零件， 可以大大改善产品质量、降低能量消耗、并延长铸型寿命。目前，半固态加工技术在 某些不锈钢、镍基合金以及低合金钢中的应用，已展开了一些研究工作。但是，这 方面的应用仍限于实验室中，距工业应用还有一定距离。 目前，应用半固态加工技术制备金属基复合材料也是一个研究热点。半固态金属 在液固两相区具有良好的粘性和流动性，能够比较容易地加入到非金属填料中，而 且，只要选择适当的加入温度和搅拌时间，便可以提高非金属填料和半固态金属之 间的界面强度。同时，非金属填料的加入有效地阻止了球形微粒的聚集，有利于后 续的部分重熔和触变成形【1 4 】【1 5 】。半固态加工技术为复合材料的制备提供了一种崭新 的、成本低廉的途径。 此外，半固态加工技术还可用于板带和线材的连铸连轧中，在连铸连轧中进行 搅拌产生的效果不仅仅是使材料成分均匀，而且能提高产品的整体质量。 半固态加工技术的另一个应用领域是材料的提纯i l6 j 。在液固两相区，初生相微 粒的成分与液相成分有较大的差别，只要采用某种方法将液相和固相分离开，就可 以达到提纯材料的目的。 总体来说，半固态加工技术的工业应用仍处于初期阶段，但是它的应用前景却 是十分乐观的，这一点已得到业内人士的普遍认可。半固态加工技术可用于汽车、摩 托车、自行车、电子、电器、运动器材等零部件的近净形制造以及使其轻量化，此 外，该项技术还被越来越多地用于航空、兵器、仪表等工业中主要构件的生产【1 7 】【1 8 】【1 9 】。 2 第一章绪论 近几年来，半固态加工技术的工业应用已经取得很大进展。其中美国、英国、法 国、意大利、同本等国家的应用水平处于全球领先地位。与这些国家相比，中国在这 方面的研究和生产起步较晚，水平也相对较低，为了适应汽车、通讯、航空航天等 行业的迅猛发展，提高我国汽车、电子仪器等产品在国际市场上的竞争力，应大力加 强半固态加工技术的研究与应用工作，推进中国冶金工业领域整体水平的提高1 2 0 1 。 1 2 泡沫铝简介 1 2 1 泡沫铝的性能及应用前景 由于制备工艺的不同，所制备的泡沫铝具有不同的结构，主要体现于分布在三 维骨架间的孔隙特征，即孔的形态和分布，包括孔的类型( 通孔或闭孔) 、孔的形状、 孔的分布、孔的结构( 孔径、孔隙率、比重等) 。这些结构的不同导致性能的差异，故 具有不同的用途。 1 。2 1 1 泡沫铝的性能特点 泡沫铝由于其独特的孔结构而具有许多优异的性能，根据国内外的应用来看， 泡沫铝主要具有以下一些优良的性能特点： ( 1 ) 轻质、高比强度。 ( 2 ) 优良的冲击能吸收性能。 ( 3 ) 特殊的声学性能。 ( 4 ) 优良的热物理性能。 ( 5 ) 较好的电磁屏蔽性能。 此外，抗腐蚀、电阻大、有过滤能力与毛细管现象、易加工、可进行涂装表面 处理等也是其比较突出的性能特点。 1 2 1 2 泡沫铝的应用前景 日本、德国、挪威、斯洛伐克等国家目前已经开始了泡沫铝的初步产业化，如 日本神钢钢线的产品商标名为a l p o r s t 2 1 1 、斯洛伐克m e p u r a 公司的产品商标名 a l u l i g h t 、德国f r a u n h o f e r 研究所产品商标名为f o a m i n a l 等。国内也已经开始了工业 化研究和商业化试产，如东北大学进行了熔体发泡法制备闭孔泡沫铝材料的实验室 试验和工程化试验研究，形成并确立了具有指导意义的熔体泡沫化理论和可工业化 的工艺技术2 2 1 。天搏公司与东南大学采用连续生产方法开始试生产熔体发泡泡沫产 品。目前对于泡沫铝，其应用领域主要有以下几个方面： 3 基丁半网态成彤技术泡淋销扎结构的控制 环保吸声材料：泡沫铝具有优良的吸声、隔声性能，因而是一种优良的吸声降 噪材料，【川时具有无毒性、无污染、易回收等特点。r 本在高速列车发电机窀用泡 沫钳制作吸声板，使噪声出1 0 5 d b 降至5 5 d b 2 3 】；日本在濑户大桥常磐高架桥上用泄 沫铝制作吸声障肇，比以静的隔声墙减重7 0 ，且使环境噪声下降到2 0 d b 左右。 另外，泡沫铝用作建筑物的内装饰材料，还可以形成一种舒适、和谐的声环境”， 凼此有望挣影剧院、音乐厅的声环境工程中得到应用。随着电子设备的发展，电磁 波噪声的危害已门盏引起人们的关注。与其它屏敲方法相比，泡沫钒具有重量轻， 并肯吸音、隔卢效果及一定的屏蔽系数，已在电子仪器的外壳、电磁屏蔽宅等方面 试用。 新型建筑材料：泡沫铝及其合盒只有轻质、高比强、隔声、隔热及币燃烧特性， 使雎可用作岛层建筑材料，h 本己试用于天花板、隔墙、活动门、防火门、装饰等 建筑业。 交通运输材料：汽车2 0 的结构可以用泡沫锚板来制作，与铡部件相比，泡沫 钒的成本低，性能，重量轻。有报道美国f o r d 汽车公一j 从上世纪7 0 年代起就 丌始研究将泡沫纯铝用于汽车的防撞安全装置l 。以德国为首的欧其体在奔驰、菲 弧特等汽车中的应用研究表明， 辆小车用泡沫铝后重量可减轻6 0 k g ，每加仑汽油 呵多丌2 3 英里。目l i 德国k a r m a n n 公司采用粉末冶金法制各的泡沫铝i 明治已成 功应用于样车，使重量减轻6 0 k g ，每加仑汽油多开2 6 英里，如图f l1 1 。 图11 低重量汽车设计圈( a f b ，k a r m a n n ) f i gi 1 l 1 9 h tc a r d e s i g nd r a w i n g 【a f b ，k 航卒航天材料：直升机制造商正在采用复杂形状的铝泡沫部件取代当i i i 广泛使 用的蜂窝状部件，美国波音公司正计划使用铝泡沫核心三明治制作直升机机尾口i 。 4 第一章绪论 由于泡沫铝三明治更好的性能和更低的费用，正在研究泡沫铝三明治取代铝箔制的 蜂窝结构在航天器中的应用，如人造卫星的负载结构【2 1 1 。另外利用泡沫铝的冲击能 量吸收性能，泡沫铝己用于制作空间飞行器的着陆垫。由于泡沫材料超轻的重量和 良好的综合性能，在航空、航天领域有广泛的发展前景。高科技领域：与其他新型 材料一样，高技术领域的需求牵引是泡沫铝发展的推动力。美国国防部1 9 9 6 年1 2 月以高技术为目标的大型m 嘶项目矧及1 9 9 9 年德国以汽车为目标的大型项卧2 1 1 推 动了这一材料成为先进国家高技术领域的前沿热点领域之一。美国、德国、中国正 在研制及发展其在空间、航天、车辆、船舶、兵器等领域的高技术应用研究。 总体上，目前对泡沫金属应用的研究还处于实验及初步应用阶段。日本、美国、 德国等国家在这方面已取得了重要进展。相信随着对其研究的深入，它在国民经济 及高技术领域中的重要地位将逐步显示出来。 1 2 2 泡沫铝的制备方法 在近五十年的发展过程中，出现了多种泡沫铝的制备方法。其中主要的制备方 法有三种：熔体吹气法、熔体发泡剂分解法、粉末冶金方法【2 6 1 。 1 2 2 1 熔体吹气发泡法： 此种方法被n o r w a y 的h y d r o 铝业公司和加拿大的c y m a t 铝业公司采用，生产 装置如图( 1 2 ) 。为了稳定气泡，第一步是在铝熔体中加入碳化硅、氧化铝、氧化镁 等颗粒增加粘度，获得颗粒均匀分布的铝基复合材料。第二步是使用一个特别设计 的旋转装置在熔体中产生均匀分布的气泡。由于气泡的缓慢上升，顶部有一个传送 和冷却装置，可实现铝泡沫的连续化生产。这种方法可以制成大长度板材，价格便 宜，适合于建筑材料使用1 2 1 】1 2 7 】，但孔结构难以控制，只能得到板状件。 5 基r 、h 州态成形技术泡沫锅孔结构的控制 图12 熔体吠气发泡法 f i g i2 g a s i n j e c t i o n f o a m i n g m e t h o d 12 22 熔体发泡剂分解法： 图( 13 ) 是熔体发泡剂分解法的生产过程图，此种方法是1 9 8 6 年由日本人发明 的，据报告每天能生产1 吨左右的泡沫铝。东南大学从基础理论入手 2 8 ”1 3 2 1 在实验室中成功制各了泡沫纯铝大型件，2 0 0 1 年与天博公司合作实现了泡沫铝的连 续生产。生产步骤为：首先将纯铝( 或铝合金) 在铁模中融化，并达到某一同定的 温度，然后加入定量的增粘剂c a ，并搅拌使之均匀分布在铝熔体中，使铝熔体达到 一定的粘度：接着加入发泡剂氢化钛( 约16 w p a ) ，并搅拌均匀，使氢化钛在热的作 用下分解h 氢气，并在铝液中产生气泡，随后冷却即制成孔洞分布均匀的泡沫铝。 设种方法优点是孔结构均匀、成本较低，能制备大尺寸泡沫铝，缺点是h 能制各板 状件。 经过多年的探索研究，本实验室对熔体发泡剂分解法也有定的研究认识。f j i 期 。k 要研究了基于发泡剂预处理的两步法工艺，结果表明：经过表面涂覆处理的发泡 剂( t i h 2 ) 恒温分解t 。 温度比束处理前可 。 提高1 0 0 以上；恒 温分解时，开始分解 的时间也可以延长 t 咖m g 2 r a i n 以上旧。从而保 证了两步法工艺的 实现。 1 u f n q 垦j 警l 。“”篙掣”。 图13 熔体发泡剂分解法 f i g i3 d e c o m p o s i t i o n o f m e l t b l o w i n g a g e n t s 萨 m，划oj型一鎏 第一章绪论 1 223 粉末冶金发泡剂分解法： 粉末冶会发泡法是由德国不来梅f r a u n h o f e r 研究所发明的一种生产方法，生产过程如图( 14 ) 所示。此种方法在欧洲得到了广泛的研究，奥地 利、斯洛伐克先后进行了商业化试生产。其原理 为将金属粉末和发泡剂混合，经过特别的压制工 艺得到致密的、可发泡的预制件。将预制件置于 模具中加热发泡，使发泡剂分解，释放出的气体 迫使熔融金属膨胀，可得到近净成形的三维异型 件泡沫件，泡沫试样有一层致密的表皮，孔隙率 范围为6 0 8 5 。日前，制备较为成功的有德国的 f o a m i n a l 、奥地利的a l u l i g h t 和斯洛伐克 的a l uf o a m 三个品牌。粉末冶金发泡法的优 点是生产工艺相对简单：能够根据需求近净成形， 直接做成复杂形状的零件，无需加工和粘结。图 ( 15 ) 为采用粉末冶余发泡法制各的表面近净成 形的复杂形状的泡沫铝异型件。另外，粉末冶金 法在制备泡沫铝芯三明治结构方面有其它方法所 不具备的优点，面板和泡沫芯为冶会结合，与传 统的胶粘结含相比其有抗老化的优点，具有广阔 的发展前景。 123 泡沫铝材料发展新趋势 经历了二十几年的快速发展之后，各国相继 ，r 发出备具特色的泡沫金属生产技术。铝作为一 种常用的有色金属，再加e 铝自身的特性，因而 在制造泡沫余属方面铝是一种主要的研究对象。 而且，在泡沫锚研究和制备方面也己h 益显示出 新的发展趋势。 ( 1 1 泡沫铝的服务对象发生明显转移 ：舞尹萨l 勰臀t 延尸 1 墼兰： i 驴燃o ，一一 n 日| b 止 榔恻 9 、 罗中 】卜i j | u _ 一一 ；。 ：吲 尘二啊 图i4 粉末冶金发泡荆分解法 f i g i4 d e c o m p o s i t i o n o fp m b l o w i n g a g e n t s 图15 典型的泡沫铝异型件 f i g l5 h p i c a l i r r e g u l a 】- p a r i s o f f o a m i n g a i 泡沫锚研制初期主要在秘密状态f 进行，其服务的对象主要是军事和航空航天 7 基】、f ，i 司态成形技术泡沫铝孔结构的控制 领域1 3 训，因而其使用范围较窄。随着泡沫铝转向以民用产品的研制开发为主，才使 其得到了迅速的发展，应用范围也越来越广，所以民用产品的开发势必成为今后发 展的主流。 ( 2 ) 注重多种方法的优势结合，进而形成一种更加有效的新方法 尽管熔体发泡法可以对泡沫铝材料的孔结构进行较好的控制，但发泡剂t i h 2 在 铝熔体中的分散比较困难，致使生产出来的泡沫铝结构不够均匀。因此，国外学者 在熔体发泡法的基础上，结合粉末冶金法的优点而给出了一种两步发泡新工艺，即 国外所称的f r o m g r i p 制备方法p5 1 。两步发泡法首先要对发泡剂t i h 2 进行预处理， 即将t i h 2 放入到加热炉中，加热并在某一温度下保持一段时间，这样在t i h 2 的表面 就会形成一层氧化钗保护膜，阻碍t i h 2 在铝熔体中的分解。经过预处理的t i h 2 再加 入到铝液中并搅拌时就不会发生分解，可以制得含有均匀发泡剂的预制品( 这个过程 相当于粉末法的压制步骤) 。重新将预制品加热到铝的熔点之上，使t i h 2 分解并释放 气体，从而获得较好结构的泡沫铝制品。利用这种方法制得的泡沫铝材料的孔隙率 达到5 0 l i 一9 5 ，孔径在l m m 1 0 m m 之问，泡孔结构比较均匀，还可以直接得到结 构形状比较复杂的试件，无需进步加工。 在以粉木烧结法制取泡沫铝的过程中，铝粉压制后烧结虽然提高了强度，但孔 隙率却下降了，该法无法解决机械强度和高孔隙率之间的矛盾。为了同时满足泡沫 铝的的结构性能和力学性能，人们引入了渗流铸造法中洗去氯化钠盐粉的思想，进 而发明了烧结溶解法 3 6 l 。烧结溶解法的工艺过程包括混粉、压坯、烧结和溶盐四个 阶段。烧结溶解法通过选择盐粉的形状与粒径，可以在一定范围内方便地控制孔洞 的形貌和尺寸，是目前制造微孔泡沫铝的较佳方法。该方法特点是通过调节铝粉与 盐粉的体积比，可以精确地控制孑l 隙率；在混粉阶段将铝粉与盐粉充分混匀，可以 获得孔洞分布高度均匀的泡沫材料；通过采用具有不同粉末粒径和体积配比的一系 列铝盐混合物，可以调控孔洞和孔隙率的空间分布，制造梯度泡沫材料；在压坯过 程中使用模具，可以制造近似成品的部件。 ( 3 ) 引入计算机数字图像处理技术，进行泡沫铝的微孔结构分析 奥地利维也纳科技大学提供一种泡沫铝可视化研究工具【3 7 1 。该研究工具可以随 时进行泡沫铝表面的灰化处理，自动确定机械参数，显示泡沫铝材的局部和整体性 质，让使用者能够了解泡沫铝的复杂结构。我国华南理工大学也给出了一种泡沫铝 微观结构及其分布特性的分析方法1 3 8 1 。该方法采用数字图像处理技术对泡沫铝显微 结构的数字图像进行处理，找出泡沫铝的主要结构参数的统计分布规律，从显微结 8 第一章绪论 构的角度推断出泡沫铝的宏观性能，为制备工艺的改进和材料与结构的优化设计提 供了有益的参考。 ( 4 ) 以泡沫铝为基体制各新型复合材料 传统的阻尼合金大都属单阻尼机制，泡沫铝基复合材料是一种复相型阻尼合金。 其利用泡沫铝制备技术，在合金基体中形成大量细小弥散的气孔，然后再与粘弹性 或无机非金属材料复合，形成复相阻尼、结构阻尼和粘弹性阻尼等多种阻尼机制的 叠n t 3 9 1 。辽宁工程技术大学在泡沫铝孔洞中渗入松香、环氧树脂及环氧树脂加填料 而得到复合材料，并研究了它们的阻尼性能。结果表明泡沫铝复合材料的阻尼性能 明显高于单一泡沫铝的阻尼性能【4 0 1 1 4 。 ( 5 ) 注重对现有方法进行改进 在现有生产泡沫铝的方法当中，每种方法都或多或少地存在一些问题，所以对 现有方法的改进既是一种需要，也是一种比较经济的途径。英国剑桥大学对在熔体 发泡法中使用碳酸钙作为发泡剂进行了深入的研究1 4 2 。尽管这种化合物在早期的儿 个专利中即被列为可能适合做发泡剂的材料之一，但对它在铝熔体中的稳定性还没 有进行系统的评定。该项研究认为碳酸钙是一种有前途的可选材料，在实际使用中 具有优势，制得的泡沫铝具有较好的泡孔结构( 直径小于l m m ) ，且泡孔结构比氢化 物发泡制得的泡沫结构更加均匀。同时，泡孔中氧化性气体的存在导致该气体在泡 孔表面发生反应，形成一个连续性的氧化膜。这层膜的存在对抱沫的稳定性起到重 要的影响，降低了泡孔的合并和熔体排液。 南昌航空工业学院使用新型填料制备出泡沫铝材【4 3 1 。该项研究在真空渗流铸造 法中以m g s 0 4 颗粒代替n a c l 颗粒，克服了复合体溶解过程中c l 离子腐蚀铝基体并 使其表面变黑的缺点，获得了有金属光泽的泡沫铝材料。 ( 6 ) 继续探索新的泡沫铝制备方法 尽管现有的泡沫铝生产方法已经不下几十种，但各国却始终没有停止寻找新的 制备泡沫铝的方法。如日本x 激光器有限责任公司对可发泡的前躯体进行钻铝石榴 石一钦激光辅助发泡m 】，制得闭孔泡沫铝的相对密度为o 4 0 ，孔隙率为6 0 。实验 表明激光束的作用时间对泡孔形态的演化和泡沫的膨胀机制起到显著的作用。 目前泡沫铝的研究已经不局限于一个机构或一个国家，而是成为世界性的交流 与合作课题。1 9 9 7 年在美国特拉华州的斯坦顿举办了一次世乔范围的泡沫金属生产 和应用学术研讨会，吸引了来自世界各地科研院所、大学、公司的众多学者参加。 1 9 9 9 年，第一届世界泡沫金属学术会议( m e t f o a m 9 9 ) 在德国不来梅顺利召开，重点是 9 基丁中同态成形技术泡沫铝孔结构的控制 研究泡沫铝的制造和应用。随后，世界泡沫金属学术会议每隔两年召开一次，泡沫 金属俨然已发展成为一门重要的学科和技术领域【4 5 1 。 1 3 选题背景及主要研究内容 1 3 。1 选题背景 泡沫铝材料由于其独特的结构和特殊的性能，倍受人们关注。制备技术也多种多样。 在泡沫铝制备过程中，孔结构的控制仍然是一个需要投入大量研究的关键问题。 t i h 2 是目前制备闭孔泡沫铝时主要使用的发泡剂，由于t i l l 2 在铝处于熔化状态 ( 6 0 0 。c 左右) 时分解速度非常快，使得泡沫铝发泡过程和孔结构控制很困难。 为了解决这一问题，人们尝试了多种方法，如熔体增粘 4 6 1 、对发泡剂进行预处理【4 7 1 、 使用新型的发泡剂等【4 引。在此基础上又提出了两步法发泡工艺，即先在较低的温度下加 入处理过的发泡剂并快速搅拌使发泡剂均匀分布并限制分解，得到预制体；然后将预制 体加工成需要的形状，再重新加热到较高的温度，使发泡剂充分分解发泡，获得最终的 泡沫铝( 合金) 产品。这种方法取得了一定的效果，但由于温度仍然偏高，在制备预制 体时t i l l 2 仍会大量分解，达不到预想的效果m 。 半固态加工技术是2 0 世纪7 0 年代由美国麻省理工学院的f l e m i n g s 教授等人开发 出的一种崭新的会属成形方法【4 9 】【5 0 】【5 1 1 1 5 2 1 。f l e m i n g s 教授5 3 】发现，在凝固过程中对金属 材料进行强烈搅拌，可以打碎金属凝固形成的枝晶网络结构，形成近球状的组织，得到 一种液态金属母液中均匀悬浮着一定颗粒状固相组分的固液混合浆料，使得半固态金 属具有良好的流动性。因此半固态成形方法具有加工温度比液态低，变形抗力比固态小 的特点，综合了凝固加工和塑性加工的长处，具有良好的发展前景【5 4 1 【5 5 1 。 基于以上分析，本文提出一种基于半固态成形技术的的新的两步法制备工艺( u p 先 用半固态成形技术制备预制体，再二次加热发泡，后文中称为s s f ( s e m i s o l i df o a m i n g ) 法) ，以期对泡沫铝的孔结构和形貌进行有效控制，为泡沫铝的研究开拓新的思路。 1 3 2 主要研究内容 ( 1 ) 发泡剂预处理研究：利用化学反应法自行研制涂覆材料，并对涂覆前后t i h 2 的丌始分解温度，恒温释气时问的变化进行对比分析。 ( 2 ) 预制体制备工艺研究：主要探索研究了半固态发泡法这一新工艺过程中搅拌 温度、搅拌时问、搅拌转速对泡沫铝孔结构的影响规律，孔壁微观组织的变化。寻 找实验室条件下最佳的工艺参数组合，获取合格的预制体。 ( 3 ) 预制体二次发泡工艺的研究：主要分析研究了二次发泡过程中气孔的形成和 l o 第一章绪论 演化，发泡过程中加热温度和加热时间对发泡效果的影响规律，确定实验室条件下 最佳的加热温度和加热时间，制取合格的泡沫铝材料。 第二章试验方法 第二章试验方法 2 1 材料 ( 1 ) 基体材料 试验使用基体材料为赳7 s i 合金，它是一种亚共晶合金，其两 相区温度是5 7 0 6 2 0 ( 合金相图 如2 1 所示) 。本实验采用的a 1 7 s i 合金是用a l 1 2 s i 合金与工业纯铝 配制而成。a i 1 2 s i 合金与工业纯 铝均为市场购得。 ( 2 ) 发泡剂 试验采用的发泡剂是纯度9 9 ， 粒度是3 0 0 目的t i h 2 粉末。市场购得。 ( 3 ) 涂覆剂 w t s i ) t , 、 图2 1a i s i 合金二元相图 f i g 2 1a i s ia l l o yd u a lp h a s ed i a g r a m 缓释处理后为实验所用。 本试验所用涂覆剂为铝溶胶，采用异丙醇铝制备而成。 2 2 试验原理 由图2 1 所示a 1 s i 二元合金相图可以看出，随含硅量不同合金具有不同的两相区 范围，当含硅量为7 时，两相区温度为5 7 0 6 2 0 。此类合金在一般条件下凝固方式 为糊状凝固，具有发达的枝晶组织5 6 1 ；但按半固态成形理论，对凝固过程中的金属( 合 金) 施加搅拌作用( 试验采用机械搅拌) ，会使凝固组织由枝晶组织向近球状、球状的非 枝品组织转化。 这是因为：对凝固中的合金进行强烈的搅拌，会在熔体中产生了强烈混和对流，凝 固过程是处于激烈运动的条件下进行的。混和对流作用极大地改变了熔体中的传热和传 质过程【5 7 1 。 从传热方面来说，混和对流使得熔体内部热量的传输主要以快速对流而不是热传导 来进行。搅拌对流作用一方面延缓了型壁和液面处熔体的冷却，另一方面又加速了内部 熔体及熔体整体的温度降低。从而使整个熔体处于一个温度相对较低的状态，并不只是 表层，且温度相对均匀。从而可以大量形核，并使得晶粒在熔体内部运动漂移过程中得以 留存下来继续长大。 从传质方面来说，熔体中物质传输为对流控制而非扩散控制，物质处于快速混和状 1 3 基于半同态成形技术泡沫铝孔结构的控制 态，晶粒生长排出的溶质被及时带走，不会在界面前沿堆积，因而使得熔体中宏观成分 相对均匀。 强烈的对流引起熔体内的热量和物质快速混和，使熔体在整体上温度和成分相对均 匀。这就使得晶粒处于一个相对均匀的生长环境中，在这种情况下的晶粒长大，没有哪 一个方向可以有明显的优先生长，故而晶粒在各个方向上均匀长大，最终生长成为圆滑 的形状规则的特殊非枝晶组织。 图2 2 所示为t i h 2 热分解曲线1 5 8 1 。 解，但6 0 0 以上才开始大 量分解。如对t i l l 2 进行表面处理， 其分解温度和分解速度还会进一步 降低【4 7 1 。 基于以上分析，如在两相区温 度范围内，加入涂覆后的t i h 2 并进 行强烈搅拌，就可以在增加流动性 的同时将t i h 2 均匀分布在基体中不 至于发生大量分解，从而保证两步 法工艺的顺利实现。 2 3 试验设备与仪器 图2 3 自制搅拌器 f i g 2 3s e l f - m a d em i x e r 1 减速箱2 轴3 容器4 搅拌叶片 由图2 2 可以看出，t i l l 2 在4 0 0 4 c 以上即开始分 图2 2 t i l l 2 热分解曲线 f i g 2 2t h e r m a ld e c o m p o s i t i o nc u r v eo ft i l l 2 ( 1 ) 涂覆发泡剂所用自制搅拌装置( 如图2 3 所示) ； ( 2 ) 制备预制体的自制熔炼及搅拌设( 如图2 4 所示) ， 搅拌转速可调( 0 1 2 0 0 r m i n ) ； ( 3 ) 井式电阻炉( 3 5 k w ) ，温度控制箱，铁制坩埚， k 型热电偶； ( 4 ) 铸造用筛( 2 0 0 、3 0 0 目) ，锯弓，铝箔。 ( 5 ) 超景深显微镜，数码照相机，天平等； 1 4 第二章试验方法 4 5 图2 4 熔炼及搅拌设备示意图 f i g 2 4s c h e m a t i cd r a w i n go fs m e l t i n ga n da g i t a t i o ne q u i p m e n t 1 电机2 调速器3 大皮带轮4 皮带5 ，小皮带轮 6 磁力联轴器7 搅拌器固定盖8 搅拌轴9 搅拌叶片 l o 坩埚1 1 井式电阻炉1 2 固定 2 4 试验制备工艺和试验参数 2 4 1 试验工艺过程 工艺流程如图2 5 所示。具体工艺过程为： ( 1 ) 获得合格的预制体：称取约l k g 的a 1 7 s i 合金，在井式电阻炉中加热至两 相区温度( 5 7 0 6 2 0 ) ；加入缓释处理后的发泡剂，同时进行机械搅拌，使发泡剂在 尽量短时间内均匀弥散在半固态溶体中；然后迅速浇出冷却、制得可发泡预制体。 ( 2 ) 二次发泡：将预制体加工成需要的结构和形状，放入模具中加热到一定温度， 进行二次发泡。温度升到足够高时，发泡剂将克服外界阻力发生分解，释放出来的气体 将会迫使预制体膨胀长大，当预制体长大到一定程度时迅速冷却下来、得到具有要求的 孔结构的泡沫铝试样。此后还可以将泡沫铝试样根据需求进一步加工成不同的形状，适 用不同的需要。 这种方法效率较高，借助模具可以获得不同结构的泡沫硅铝合金异型件，在预制件 两边附上经过表面处理的面板，加热使预制件泡沫化，还可以得到三明治结构泡沫铝【5 9 1 。 1 5 基r 半州态成形技术泡淋锅孔结构的控制 加热 董半闱巷 臻日。廿 弥散搅 匀t i h 2 快速a 却制 得预制目 一次升 温发泡 图2 5 泡沫铝制备工艺流程图 f i g25p r e p a r a t i o n f l o wc h a r to f a l u m i n u m f o a m 罚 切“ 2 42 试验工艺参数 在预制体制鲁过程中，工艺参数主要有：搅拌温度，搅拌时间和搅拌转速： 在二次发泡过程中工艺参数主要有二次发泡的温度和发泡时间。各工艺参数定义如下： ( 1 ) 搅拌温度：是指开始搅拌时熔体的温度，试验控制搅拌温度在a 1 7 s i 两相区 温度区间( 5 7 0 一6 2 0 “c ) ，由于设备及人为原因，误差一般在3 。 ( 2 ) 搅拌时问：是指从搅拌器放入熔体开始搅动算起，到搅拌结束将搅拌器提起 后所用的时问。 ( 3 ) 搅拌转速：是指搅拌器的速度，转速可调( 0 1 2 0 0 r n l i n ) 。 ( 4 ) 发泡温度：是指二次升温发泡时，加热炉的温度。 ( 5 ) 发泡时间：是指二次升温发泡时，试样的加热时间。 243 泡沫铝孔结构参数 泡沫铝孔结构参数主要有：孔隙苹、平均当量圆直径、甲均圆形度。分别定义如r ： ( 1 ) 孔隙率( n ) ：试样中孔隙所占的体积与试样总体积v 的比值； 计算公式：尸0 2 导 ( 2 1 ) ( 2 ) 试样截面孔洞的面积( a i ) 和孔洞的的周k ( l i ) ：由图像分析软件i m a g e r u l e r 2 0 0 0 | 十算得出。 ( 3 ) 肖量圆直径( n ) ：指将孔洞截面看成面积相等的圆所计算得到的直径。 汁算公式：d ，= 纠，倒 2( 22 ) ( 4 ) 平均当置圆直径( 矾) ：截面孔的当量圆直径之和n 与截面孔洞数之比t 1 6 一i 囊 第二章试验方法 计算城见= 号 ( 5 ) 圆形度( c i ) ：表征与圆近似的程度。 计算公式：c i = 4 7 【x a i l i 2