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第 47卷第 6期 2011 年 3 月 机械工程学报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vol 47No 6 Mar 2011 DOI 10 3901 JME 2011 06 073 气室体积和吹气口数量对泡沫铝孔径的影响 刘兴男 1 李言祥 1 2 陈祥 1 2 范雪柳 1 1 清华大学机械工程系北京100084 2 教育部先进成形制造重点实验室北京100084 摘要 研究吹气法制备泡沫铝工艺中静态吹气装置的气室体积和吹气口数量对泡沫铝孔径的影响 归纳关于气室体积对产生 气泡大小的影响 以及在中小流量下气泡大小的计算公式 结合吹气法制备泡沫铝工艺 使用可以调节气室体积的供气系统 发现减小吹气装置的气室体积可以有效减小泡沫铝孔径 根据试验数据提出适合吹气发泡工艺的修正系数 使其能够计算吹 气法泡沫铝的孔径 研究发现对于相同气室体积的吹气装置 增加吹气孔数时泡沫铝的孔径减小 据此提出 有效气室体积 的概念 认为吹气头的表观气室体积除以有效吹气孔数才是发挥作用的有效气室体积 利用 有效气室体积 和孔径计算修 正系数能够较好地预测泡沫铝的孔径 关键词 泡沫铝吹气法气室体积气泡生成 中图分类号 TG146 2 1 Effect of Gas Chamber Volume and Number of Orifices on Pore Size in Gas Injection Foaming Process LIUXingnan1LI Yanxiang 1 2 CHEN Xiang 1 2 FAN Xueliu 1 1 Deparcment of Mechanical Engineering Tsinghua University Beijing 100084 2 Key Laboratory forAdvanced Materials Processing Technology Ministry of Education Beijing 100084 Abstract The influence of the gas chamber volume and the number of orifices of gas injection device on pore size of aluminum foams in the gas injection foaming process are studied The effect of the gas chamber volume on bubble size and the formula for calculating the bubble size under low and intermediate gas flow rate are summarized It is found that with the decreasing of the gas chamber volume the pore size of the aluminum foams decreases apparently by using a chamber adjustable gas supplying system Based on the experimental data suitable correction factors for calculating the pore size of the aluminum foams in the gas injection foaming process are presented The experimental results also show that the aluminum foams with small pores can be fabricated by the gas injection device with more orifices when the gas chamber volume keeps a constant To explain this phenomenon the conception of effective gas chamber volume is proposed which is defined as the quotient of the apparent volume divided by the number of the effective orifices The values calculated with the effective gaschamber volume and the correctionfactors presented in thispaper agree with the experimental data Key words Aluminum foamGas injectionGas chamber volumeBubble formation 0前言 泡沫铝是一种多孔金属材料 其结构特征是内 浙江省科技支持计划资助项目 3 收到初稿 5收到修改稿 部含有大量封闭 胞状的气孔 泡沫铝具有密度低 比强度和比刚度高 吸收冲击能量强 可减弱阻尼 振动等特性 可用来制造轻结构件 刚度强化填充 件 防撞结构件 隔音板等 在交通运输 安全防 护 吸声降噪 建筑装饰等行业有广泛的应用前 景 6 吹气法是一种直接将气体通入铝合金熔体中 2009C 104920100407 2010102 1 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 机械工程学报第 47卷第 6期期74 制备泡沫铝的工艺 为了使气泡上浮到液面后不易 破裂进而堆积成泡沫 熔体中需要含有一定量的微 米级陶瓷颗粒 7 与其他方法相比 吹气法容易制 得大孔径 高孔隙率的泡沫铝 既可连续生产板材 也可单件式制备块状材料或填充件 具有成本低廉 生产形式灵活等优势 7 8 吹气法泡沫铝的密度及力学性能很大程度上 受到孔径的影响 6 气泡由吹气口产生后上浮到液 面处形成泡沫 其尺寸会由于气体与金属液反应 气体温度与压力变化以及收集成形等过程发生一定 的变化 这一系列过程经历时间较短且难以改变 研究人员控制泡沫孔径的主要手段还是控制气泡产 生时的大小 9 吹气装置生成的气泡属于侵入式气 泡 这种气泡的尺寸受到吹气装置和气体参数的双 重影响 吹气发泡工艺的吹气装置按照其相对于发 泡熔体是否运动可分为两种 一种是动态装置 通 过旋转或者振动将通入熔体的气流打碎 形成细小 的气泡 典型代表为加拿大 Cymat 公司的工艺 7 另一种是静态装置 通过装置的结构设计产生大小 均匀 的气泡 典型代表为奥地 利 H tte Klein Reichenbach 公司的工艺 8 9 这两种吹气装置各有 特点 动态装置容易产生较小的气泡 但由于对熔 体的扰动较大 产品的孔径容易不均匀 而且吹气 装置相对较为复杂 这种工艺更适合连续生产 往 往需要采用两室发泡坩埚 7 静态装置通过结构设 计产生的气泡尺寸比较均匀 而且生产形势比较灵 活 8 9 但由于缺少对气流的剪切作用 不易得到小 气泡 因此使用不如前者广泛 目前还只是作为专 利技术为个别公司所独有 在我国 吹气法泡制备沫铝的研究还比较少 昆明理工大学的吴新光等 10 研究了发泡温度 气体 流量 SiC 颗粒体积分数对泡沫铝孔径和壁厚的影 响 清华大学的王倩等 11 12 测试了吹气法泡沫铝的 力学性能 研究了发泡温度 颗粒质量分数 气流 量对发泡效果的影响 广西大学的李晶等 13 14 通过 物理模拟和数值模拟研究了气泡的生成 并探索了 吹气法泡沫铝的制备工艺 大连理工大学的刘红 等 15 16 在旋转喷头吹泡过程的数值模拟方面做了大 量工作 大连交通大学的王德庆等 17 18 研究了工艺 参数对气孔结构的影响 可以看到 大部分研究并 没有涉及吹气头设计 气泡尺寸控制等方面 由于 国内的工作者大都采用旋转喷头制备吹气法泡沫 铝 因此静态吹气装置的研究没有引起足够的重视 事实上 由于静态吹气头结构简单 容易制得孔径 均匀的泡沫铝 因此非常具有研究价值 9 影响静态吹气口产生气泡大小的因素很多 包 括吹气口孔径 浸润性 19 气流量 20 气体压力 20 以及气室体积 21 23 等 人们往往重视气流量等因素 而忽视气室体积 但实际上气室体积对气泡体积的 影响很大 目前关于气室体积的研究多集中在水溶 液体系中 偶有在金属熔体中的研究 其试验条件 例如气流量 气嘴孔径等也和吹气法制备泡沫铝工 艺相差甚远 21 22 因此有必要专门考察气室体积对 吹气法工艺的影响 此外 已有的关于气室体积的 研究多是基于单吹气口 21 23 而吹气发泡工艺中通 常使用的是多孔吹气装置 此时孔数与气室体积如 何共同作用值得研究 本文首先总结关于气室体积 作用的已有研究成果 随后探讨吹气法制备泡沫铝 工艺中 气室体积和吹气口数量对多孔静态吹气装 置产生气泡尺寸的影响 1气室体积的作用 1 1小流量下的气泡体积计算 气室的定义是距吹气口最近的一处压力损失 较大的位置到吹气口之间的气路空间 21 气室体积 对气泡尺寸的作用在于影响了气室内压力的变化状 态 23 已有研究表明对于单孔气嘴 气室内压力是 呈周期变化的 气泡产生于压力下降阶段 当气流 量较小 气室体积适中的时候 吹气口产生气泡的 体积 Vb由式 1 确定 23 c bcmaxcmin pcavg V Vpp K p 1 式中 Vc表示气室体积 Kp表示取值 1 0 1 4 的可 变系数 与气室压力变化快慢有关 pcmax pcmin pcavg分别表示一个发泡周期内气室压力的最大值 最小值和平均值 由于在大多数气流量较小的试验 条件下 pcmin约等于静压力 ps Kp值通常取 1 而对 于浸润性较好的吹气孔 pcmax pcmin 为 4 Do 其中 Do分别表示液体表面张力和吹气口孔径 因此 式 1 经常写为式 2 的形式 23 c b os 4 V V D p 2 当气室体积较小时 气泡体积主要由表面张力 和吹气口孔径 Do决定 21 23 o bmin l D V g 3 式中 l表示液体密度 g 为重力加速度 式 3 给 出了孔径为 Do的吹气口在静止状态下所能产生的 最小气泡体积 Vbmin 应用式 3 时需要注意 若吹气 口与铝液不浸润 气泡的三相界面会不断扩展直至 气泡脱离 此时 若吹气装置是外径较小的 气 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 月 2011年 3月刘兴男等 气室体积和吹气口数量对泡沫铝孔径的影响 75 嘴 式 3 中的 Do应换成气嘴外径 21 22 若吹气 装置是开孔板 即 外径 很大 其替换的具体数 值需要试验测定 本文试验中所用的以及讨论的都 是与所在液体浸润性很好的开孔板 气室体积发挥作用的下限值 Vcmin就是使式 2 求出的 Vb等于 Vbmin的 Vc值 2 os cmin l 4 D p V g 4 研究认为气室体积对气泡的增大作用不是无 限的 21 23 当其大于一定的上限值 Vcmax时气泡体 积不再随之增大 不同文献中 Vcmax和气室体积大于 Vcmax之后气泡体积的计算公式都不尽相同 21 23 研 究人员通常定义一个气室参数 Nc 表示气室体积对 气泡体积的影响 21 blc c 2 bminos 4VgV N VD p 5 可见 Nc可以理解成由于气室存在气泡体积的 放 大倍数 当Vcmin Vc Vcmax时 有1 Nc9后气泡仍随气室体积 增大而增大 文献 23 给出了Ncrt的计算公式 但总 的来说没有一个适用于所有条件的Ncrt确定方法 1 2较大流量下的气泡体积计算 式 1 3 都适宜在小流量下使用 当流量较大 时 根据文献 21 22 与液体浸润的单孔开孔板产 生的气泡直径db可写成式 6 的形式 1 3 1 2 222 2ooo bcc 22 l l 39 mm V DDq D dNNK ggg 6 式中 V q表示流量 m和K都是修正系数 分别为 1和10 21 或0 816和10 22 不难发现 当流量 V q特别小时 式 6 和式 2 是相近的 即成为了小流量条件下的公式 因此式 6 实际上在小流量范围内也是适用的 当1 Nc Ncrt 即气室体积适中时 Nc可直接代入计算 当NcNcrt时 可近似取Nc Ncrt 21 23 1 3气泡体积计算的修正 对于金属液中吹泡 由于气泡的温度变化 文 献 21 通过Nc考虑了对气泡体积的修正 c cl cb 2 0 cos d4 VVg NT TD p 7 式中 Tb和Tc分别表示气泡内和气室内气体的温 度 假如气室内气体温度均匀 式 7 就成为 V T N TD 可以理解成由于升温膨胀 气泡体积增大 以上介绍了部分关于气室体积对气泡尺寸影响 的研究 下面将结合泡沫铝制备试验考察气室体积 和吹气口数量对泡沫铝孔径的影响 2试验材料与方法 本试验的原材料为A356铝合金 为稳定泡沫 通过机械搅拌器向其中加入体积分数10 公称直径 为9m的Al2O3颗粒 发泡气体为压缩空气 经减 压阀 流量计等气路控制器件最后由特定的吹气装 置通入熔体中产生泡沫 试验分为两部分 第一部分固定其他工艺条 件 只改变吹气装置的气室体积 考察其对泡沫铝 孔径的影响 图1为试验所用气路的示意图 方框 表示器件 箭头表示管路 其中压力表P1 P2 P3 分别测量浮子流量计前 针阀前 针阀后三处的气 体压力 吹气装置为安装在发泡坩埚底部的一个激 光打孔多孔不锈钢吹气头 可认为与铝合金液浸 润 19 根据相关手册 24 浮子流量计的压力损失十 分有限 试验过程中 当图1的针阀全部打开时 P1 P2 P3三块表的示数几乎相等 说明减压阀之 后的管路B C1 C2范围内没有大的压力损失 因 此这三段管路的容积加吹气头自身的容积都属于吹 气装置的气室体积 约为800 cm3 当针阀关闭到 一定程度造成很大的压力损失时 本试验定义为 半关闭状态 P3表的示数远小于P1和P2 此 时气室体积为管路C2的容积加吹气头自身的容积 约为100 cm3 图 1试验所用气路 由此 通过开关针阀就可以创造出不同的气室 体积条件 考察其对生成的泡沫铝样品孔径的影响 为保证吹气口不被腐蚀而影响试验精度 颗粒的搅 拌分散在专门的搅拌坩埚中进行 熔体处理好后再 转移到发泡坩埚中 发泡温度为710 730 气流 量约为25 L h 第二部分试验考察相同气室体积条件下孔数 对泡径的影响 仍使用图1所示气路 试验过程中 针阀都处于半关闭状态 使用两种结构 尺寸完全 一样的激光打孔不锈钢吹气头 一种为单吹气口 另一种有个吹气口 此时两种吹气装置的气室体 积都是5 3 为使孔数的影响较为明显 需要产 lcb c 2 cos 4g p 8 4 4cm 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 机械工程学报第 47卷第 6期期76 生较大的气泡 在本试验中 吹气口孔径为0 6 mm 发泡温度保持在660 670 通过调节针阀的关闭 程度使每种吹气头分别在三种流量下吹气发泡 试 验具体条件如表1所示 表 1不同孔数吹气装置的试验条件 泡沫编号吹气口数 n气室体积 Vc cm3气流量 qV L h 1 114577 8 214591 9 3145120 2 4445183 9 5445254 6 6445282 8 3试验结果 气室体积减小前后得到的泡沫铝样品如图2所 示 孔径如表2所示 从图2和表2中可以看到 气室体积减小后泡沫铝的孔径有了大幅度的减小 本试验对泡沫铝孔径的测量采用划线法 泡沫孔径 d与划线得到的平均弦长l的关系为 25 2 4 dl 9 a 气室体积为 800 cm3 b 气室体积为 100 cm3 图 2不同气室体积条件下制得的泡沫铝样品 表 2气室体积对泡沫铝孔径的影响 泡沫编号气室体积 Vc cm3平均弦长 l mm孔径 d mm 80011 819 1 1007 612 3 具有相同气室体积的1孔和4孔吹气头得到的 泡沫铝样品如图3所示 孔径如表3所示 从表3 中看到 4孔吹气头制备的泡沫铝孔径要小于单孔 吹气头 单孔吹气头制得的泡沫铝 孔吹气头制得的泡沫铝 图 3不同孔数吹气头制得的典型泡沫铝样品 表 3气室体积相同时孔数对泡沫铝孔径的影响 泡沫 编号 吹气口数 n 气流量 qV L h 1 平均弦长 l mm 孔径 d mm 1177 814 022 6 2191 913 822 3 31120 213 121 2 44183 98 814 2 54254 69 415 3 64282 89 916 0 4分析与讨论 4 1气泡体积计算公式的修正 对于第二部分试验中的单孔吹气头 分别按照 式 8 6 计算气室参数Nc和气泡直径db 计算db 时Nc有两种代入值 一种认为Ncrt 9 即当Nc计算 值大于9时 令Nc 9代入式 6 计算db 21 另一种 认为Ncrt较大 即求得的Nc值可直接代入式 6 22 本文对这两种计算方法进行比较 计算过程中 l 2 400 kg m3 g 10 m s2 Vc 45 cm3 Do 0 6 mm ps 100 kPa 0 9 N m 气泡内温度Tb 943 K 考 虑到气流量相对气室体积较大 气室温度Tc取为常 温300 K 修正系数m K分别取1和10 21 两种 Nc的代入值和相应的db计算结果列于表4中 同时 用表3中的泡沫铝孔径代替实际气泡直径作为比较 表 4单孔吹气头气泡直径理论计算值 式 6 与试验值的对比 泡沫 编号 吹气口数 n 气室参数代入值 Nc Ncrt 9 气泡计算直径 db mm 气泡测量 直径 db mm 11911 222 6 21911 422 3 31911 821 2 泡沫 编号 吹气口数 n 气室参数代入值 Nc Ncrt 9 气泡计算直径 db mm 气泡测量 直径 db mm 1112025 322 6 2112025 322 3 3112025 321 2 首先 可以发现按照Ncrt 9计算出的db 远小于 实际值 而直接将Nc的计算值120代入计算得到的 db 更接近实际 因此可以认为本试验条件下Ncrt的 值 比较大 即气室体 积处在 适中 的范围 Vcmin Vc Vcmax 有文献指出Ncrt的值会随着孔径的 增加而增大 23 本文没有进行其他孔径的试验 因 此这一结论只适用于Do 0 6 mm吹气头 其他孔径 吹气头的发泡特性有待后续研究 其次 可以看到m和K分别取1和10时计算 得到的气泡尺寸略大于实际值 因此修正系数需要 调整 其中m表示对气室影响的修正 理论值为1 表示在小流量时式 6 与式 是等价的 当流量增大 时 的取值需要调整 原因至少包括以下两点 ab 42 m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 月 2011年 3月刘兴男等 气室体积和吹气口数量对泡沫铝孔径的影响 77 1 式 1 很重要的一个假设条件 23 oi qq 10 式中 qo qi分别表示流出流入气室的气流量 即 式 1 假设在气室体积适中的条件下 当气室内压力 迅速下降产生气泡时 只有气体从气室流入气泡 而几乎没有气体流入气室 这个假设在小流量的条 件下是比较符合实际的 23 但当气流量较大 孔径 较小时 产生气泡过程中的qi就不能忽略了 这会 导致气室与气泡内压力差变大 有更多的气体进入 气泡 即导致计算值偏小 2 式 1 中多变系数Kp的取值范围是1 0 1 4 分别对应等温过程和绝热过程 22 23 当气室内压力 变化较慢 即气泡产生频率较小时可认为是等温过 程 较快时为绝热过程 式 2 实际上就是按照Kp 1 等条件对式 1 的简化 本文也是采用这个取值 而 实际发泡过程中发泡频率会随着气流量的增大而增 大 直到频率恒定 26 因此在气流量较大时 发泡 过程可能不再是等温过程 Kp的取值有可能要大 于1 22 这一现象会导致按照Kp 1的计算值偏大 以上两种因素的综合结果使得m值的调整要根 据试验确定 K表示对流量影响的修正 是一个根据试验值 回归得到的参数 21 在本试验条件下 K值对计算 结果的影响远不如m值的影响大 这是由于本试验 的气流量 77 8 120 2 L h 相对于气室体积的影响 来说不是特别大 所以计算值对流量这一项不敏感 综上 修正系数的调整主要针对m值 可以预 见m值需要小于1 表5列出了K值固定为10 m 值分别取0 90 0 93 0 95的计算结果 可以判断 在本试验中修正系数m应取0 93 而K值对小流量 试验的影响较小 可取为10 其对大气流量试验的 影响有待后续试验确定 表 5修正系数 m 对气泡直径理论计算值的影响 气泡理论直径 db mm泡沫 编号 m 0 9m 0 93m 0 95 气泡测量直径 db mm 121 622 623 422 6 221 622 723 422 3 321 622 723 421 2 4 2吹气口数量对气室体积的分散作用 表3的数据表明孔数增加后气泡体积明显减 小 对于4孔吹气头产生的6号样品 即使每个吹 气孔的气流量与1号相近 气泡大小仍有很大差异 说明气室体积的作用受到了孔数的影响 假如将表 观的气室体积除以孔数 作为 有效气室体积 代 入式 6 并按照第4 1节修正后的m 0 93 K 10 直接代入N的计算值计算 结果列于表6中 计 算时 除Vc采用有效气室体积外 其余参数与第 4 1节相同 可见用有效气室体积计算的值与试验值 吻合较好 表 64 孔吹气头气泡直径理论计算值 式 6 与试验值的对比 泡沫编号吹气口数 n 表观气室体积 Vc cm3 有效气室体积 Vc cm3 444511 25 544511 25 644511 25 泡沫编号吹气口数 n 气泡计算直径 db mm 气泡测量直径 db mm 4414 814 2 5414 815 3 6414 816 0 式 1 中Vb实际上是通过qo的积分求出的 表 示气室内气体流出的体积 在4个孔同时出气的情 况下 气室内压力的变化与单孔相近 即两者的 pcmax pcmin pcavg近似相等 因此气体流出体积近 似相等 如果气流能够被4个孔平均分配 就可以 得到原体积1 4的气泡 也就是说气室体积的作用 被各孔平均 这说明对于静态出气装置 可以通过 增加孔数的方法在整体结构不变的情况下减小气室 体积的影响 得到较小的气泡 例如 当4孔吹气 头的气室体积 总流量和单孔吹气头相同时 就可 以得到单孔体积1 4的气泡 当然 前提是4个吹 气孔都是有效吹气孔 流量差异较小 5结论 1 气室体积是影响静态吹气装置产生气泡大 小的重要因素 在吹气法制备泡沫铝工艺中 减小 气室体积可有效地减小泡沫铝孔径 2 原有的孔径计算公式需要进行修正 其中 m值的修正须由具体试验决定 本试验条件下可取 m 0 93 K在小流量条件下 相对于气室体积的影响 对计算结果影响不大 可取为10 3 具有相同气室体积的吹气头在孔数增加时 可产生较小的气泡 此时对泡沫铝孔径的预测可使 用 有效气室体积 即表观气室体积除以有效孔数 参考文献 1 陈祥 李言祥 金属泡沫材料研究进展 J 材料导报 2003 17 5 5 8 CHEN Xiang LI Yanxiang Porous metals Research advances and applications J Materials Review 2003 17 5 5 8 王青春 范子杰 宋宏伟 等 泡沫铝填充帽型结构 轴向压缩吸能特性的试验研究 机械工程学报 cdb 2 J 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 机械工程学报第 47卷第 6期期78 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