CN101463434A - 泡沫镁合金的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明泡沫镁合金的制备方法，属于有开或闭孔隙的合金的制造领域，是一种以粉末实体发泡制备泡沫镁合金的方法，其步骤是：首先，将150～270目纯镁粉和250～400目纯铝粉按4～9∶1的质量比例混合形成金属粉末混合体，再与占该金属粉末混合体质量百分比1.0～2.5％的200～325目TiH₂粉末发泡剂混合均匀，经冷压和热压，制得镁合金发泡预制块；然后，在氩气保护下通过加热模具中的发泡预制块即制取得平均孔径为1mm～5mm的泡沫镁合金。本发明方法的工艺简单灵活、周期短、产率高和无杂质；所制得的泡沫镁合金具有闭孔结构、孔隙率高、孔结构分布均匀且孔的形状规则，应用范围广泛，具有优良的综合性能。

Description

泡沫镁合金的制备方法

技术领域

本发明的技术方案涉及有开或闭孔隙的合金的制造，具体地说是泡沫镁合金的制备方法。

背景技术

泡沫金属是由基体金属和分布在其中的气孔组成的非均质材料。由于泡沫金属在受压、弯曲和扭转时具有良好的机械性能和良好的热学、声学性能而具有广泛的应用领域，例如，用作为轻质结构材料和生物体植入材料，被用来制作爆炸缓冲器件、流体过滤器和接触反应支撑体。虽然目前对泡沫金属的研发还主要集中于泡沫铝合金，然而由于镁的密度仅为铝的2/3，故泡沫镁合金的轻质优点将比泡沫铝合金更为突出，因此对泡沫镁合金的研发已经越来越引起人们的关注。

目前，轻质泡沫镁合金的制备大多数是采用渗流铸造法和熔体发泡法。例如，CN1544671公开的一种泡沫镁制备工艺和CN101220424公开的一种制作泡沫镁合金的方法，均属于采用渗流铸造法；CN1966748公开的熔体直接发泡制备泡沫镁的方法和CN101135015公开的泡沫镁的熔体发泡制备方法，均属于采用熔体发泡法。上述制备方法的主要缺点是：

(1)工艺过程复杂、周期长、产率低和易残留杂质。

以CN101220424公开的一种制作泡沫镁合金的方法为例，该专利制备泡沫镁合金分为三个阶段，各阶段都具有一定的不足之处，主要体现在：a)该专利首先需要制作石膏型，根据该专利权利要求书2所述，仅加热后保温去除聚氨酯海绵的过程就需要十三小时左右，加之石膏浆的自然硬化和加热升温等环节，石膏型制备至少需要十几个小时才能完成；同时，制作石膏模型的工艺过程复杂且制作“形状完整没有裂纹”的泡沫状石膏模型成功率低，所制备的石膏模型不可避免会产生形状不完整或裂纹等缺陷；b)该专利需要将镁合金熔液浇注到石膏模型的孔隙中，在此期间，需要模型预热、抽真空等环节，工艺过程复杂且很难保证镁合金溶液对石膏模型的充分填充；c)该专利需要通过流水溶解和冲刷去除石膏，该过程不仅耗时长且很难将被泡沫镁合金包裹的石膏彻底清除，特别是小孔隙中的石膏残渣，不可避免会在泡沫镁合金中残留石膏杂质。由此可见，采用该专利制备泡沫镁合金的工艺过程复杂、周期长、产率低、易残留杂质。

(2)制得的泡沫镁合金具有通孔结构，应用范围较窄。

这类制备方法制备的泡沫镁合金产品具有通孔结构。通孔结构的泡沫金属具有孔隙率高、孔结构分布均匀、具有三维骨架结构、通透性好等特点，主要作为过滤材料使用。作为过滤材料，难免会接触液态的具有腐蚀性的化学溶液。但由于镁合金的化学活性高，其不适合在腐蚀性环境应用，所以泡沫镁合金一般不适合制备成通孔结构并作为过滤材料使用，因此，该类制备方法制备的泡沫镁合金应用范围较窄。

(3)以石膏模型来制备泡沫镁合金，对镁合金的结构和性能具有不良影响。

CN101220424公开的一种制作泡沫镁合金的方法是首先用石膏浆料制作成泡沫状石膏模型，待其硬化后再将镁合金熔液浇注到石膏模型的孔隙中，形成石膏型-镁合金复合体，待其冷却固化后，通过流水溶解和冲刷除去复合体中的石膏来实现泡沫镁合金的多孔结构。该专利采用的石膏浆料主要成分为CaSO₄·2H₂O、MgSO₄和硼酸，在其采用流水溶解和冲刷清理石膏的过程中，由于镁具有较高的化学和电化学活性，液体环境会造成泡沫镁合金的腐蚀速度加快；而且，此时的泡沫镁合金孔结构比较脆弱，长时间去除石膏型的过程中会造成孔结构的腐蚀、破坏甚至坍塌。因此，采用该专利方法制备泡沫镁合金对其结构和性能会造成不利影响。

另外，CN101135012披露了粉末压制制备多孔泡沫镁的方法，该制备方法的主要缺点是：

(1)制备工艺复杂、效率低并成本高。

该专利方法制备多孔泡沫镁合金主要采用了制粉、烘干、装料和热压四道工序，且在采用热压工艺制备出泡沫镁合金粉末压坯后，还需要通过对压坯进行热轧等机械加工才得到多孔泡沫镁产品，因此工艺过程复杂、制备周期长、效率低和成本高。

(2)所制备的多孔泡沫镁合金孔隙率低，孔结构分布不均且孔的形状不规则。

该专利方法采用粉末热压成型的方法制备的泡沫镁合金，其中的孔隙是由粉末冶金压制过程中镁合金粉末颗粒之间残留的孔洞所形成。热压过程中粉末颗粒之间相互挤压并形成一定的物理结合，虽然可在镁合金粉末颗粒之间残留一些孔隙，但孔隙率较低，孔结构分布不均且较高的压力导致孔隙呈不规则形状，加之后续热轧等机械加工工序对多孔泡沫镁合金的塑性变形使其孔隙率进一步降低，孔隙形状改变为扁长条状。因此，从严格意义上来说，采用该专利方法制备的镁合金产物并不是泡沫镁合金，而仅仅是多孔镁合金，这对泡沫镁合金的综合性能，特别是能量吸收、电磁屏蔽、减震、抗冲击和吸声等性能均有极为不利的影响。

(3)所制备的多孔泡沫镁合金综合性能不佳。

泡沫金属的性能与金属材料自身性能密切相关。该专利方法制备多孔泡沫镁合金的关键环节为镁合金粉末热压制备压坯，而镁及其合金的化学性质活泼，在没有气体保护的前提下，300～500℃的热压加热温度必然导致在热压前镁合金颗粒表面就已经形成氧化膜，即使经过一定压力的压制，镁合金粉末颗粒之间也难以形成紧密的结合，这导致该专利方法所制备的多孔泡沫镁合金，在热压制备的压坯中就存在大量显微裂纹源，即使后续热轧等机械加工对上述裂纹源有一定消除作用，但也难以从根本上消除氧化镁杂质对界面结合的不利影响，这将严重影响其产品的使用寿命和安全性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供泡沫镁合金的制备方法，是一种以粉末实体发泡制备泡沫镁合金的方法，该方法克服了已有泡沫镁合金制备方法的工艺过程复杂、周期长、产率低、成本高和易残留杂质的缺点；克服了所制得的泡沫镁合金孔隙率低、孔结构分布不均且孔的形状不规则和具有通孔结构的缺点；克服了所制得的多孔泡沫镁合金综合性能不佳的缺点。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：泡沫镁合金的制备方法，是一种以粉末实体发泡制备泡沫镁合金的方法，其步骤如下：

第一步，冷压+热压制备镁合金发泡预制块

首先将150～270目纯镁粉和250～400目纯铝粉按4～9∶1的质量比例混合形成金属粉末混合体，再将占该金属粉末混合体质量百分比1.0～2.5％的200～325目TiH₂粉末发泡剂加入到该金属粉末混合体中，通过球磨机将三者充分混合均匀，将该混合均匀的复合粉末装入模具，然后在室温下用液压压力机以150MPa～350MPa的压力进行冷压，保压时间为30s～60s，制取出冷压成型的预制块，再采用热压机对该冷压成型的预制块在热压温度为350℃～400℃、压力为150MPa～200Mpa和保压时间为20s～40s的条件下进行热压，制得镁合金发泡预制块；

第二步，制备泡沫镁合金

将第一步制得的镁合金发泡预制块放入模具中，再将该模具置于通有氩气，初始温度为600℃～650℃的电炉内，随后该电炉以10℃/min～50℃/min的升温速率升至680℃～750℃，保温发泡时间2min～5min之后，从该电炉中取出该模具，向该模具吹氩气并冷却至室温，打开模具，即制取得平均孔径为1mm～5mm的泡沫镁合金。

本发明的有益效果是：

(1)本发明泡沫镁合金的制备方法的工艺简单灵活、周期短、产率高和无杂质。

本发明方法制备泡沫镁合金只需两步工艺，且各步工艺用时及总的用时都远小于已有专利工艺的用时。本发明方法第一步制备泡沫镁合金预制块时，只要将金属粉末混合体和发泡剂混合均匀并在设定的压力下即可压制成镁合金发泡预制块，其周期短且成功率接近100％；本发明方法第二步只需在氩气保护下通过加热模具中的发泡预制块即制得泡沫镁合金，工艺简单、发泡时间短、成品率高且无污染物残留。

本发明方法在采用冷压+热压制备镁合金发泡预制块后，通过加热镁合金发泡预制块就直接获得泡沫镁合金的近净成形产品，省去了烘干及机械加工等耗时工序，极大地提高了泡沫镁合金产品的产率，降低了制备成本。同时，由于本发明方法在镁合金固相线以上进行发泡，因而显著提高了泡沫镁合金预制块在发泡过程中的流动性、填充能力和成形性，进而根据需求来制造具有较复杂几何形状的泡沫镁合金产品，提升了产品类型的灵活性和多样性。

(2)本发明方法制得的泡沫镁合金具有闭孔结构、孔隙率高、孔结构分布均匀且孔的形状规则，应用范围广泛。

本发明方法采用的是粉末实体发泡制备泡沫镁合金的方法，由于将金属粉末混合体和发泡剂进行充分的混合，从而能够得到孔隙分布均匀的泡沫镁合金；在预制块压制过程以及加热预制块发泡过程中，通过调节各个工艺参数可以获得不同孔隙率、不同孔径的泡沫镁合金，因此，采用本发明方法制备的泡沫镁合金具有孔隙分布均匀，可控性强，工艺稳定，能实现近终形产品的一次成形，易于和实体结构形成三明治复合结构的优点。

本发明方法制备的泡沫镁合金是由发泡剂均匀分散到粉末压块中，在镁合金的固相线以上温度下通过发泡剂分解发泡制备而成的，因此孔隙率高，孔结构均匀且孔的形状接近球形，是严格意义上的泡沫镁合金，并具有良好的能量吸收、电磁屏蔽、减震、抗冲击和吸声的综合物理及力学性能。此外，本发明方法通过调节金属粉末混合体中镁粉、铝粉和发泡剂比例，灵活实现孔结构、孔隙尺寸和孔隙分布的调节，以满足各应用领域对泡沫镁合金性能的不同需求。

本发明方法制备的泡沫镁合金是闭孔结构。闭孔结构的泡沫镁合金具有很好的能量吸收性和电磁屏蔽特性，在建筑、汽车和电子等领域具有广泛的应用前景。闭孔泡沫镁合金特别突出的优点还体现在其密度低且具有很好的减震能力，在碰撞时能有效的吸收冲击能，因此具有超轻型结构的闭孔泡沫镁合金材料在需求减震和抗冲击的诸多领域得以广泛的应用。此外，闭孔结构的泡沫镁合金还具备吸声、散热和阻燃等功效。所以，本发明方法制备的泡沫镁合金应用范围更广泛。

(3)本发明方法制得的多孔泡沫镁合金具有优良的综合性能。

在本发明泡沫镁合金的制备方法的发泡过程中，在镁合金固相线以上进行并采取了充分的氩气保护，这不仅有效地避免了镁合金基体的氧化现象，实现泡沫镁合金基体材料有效的界面结合，保证泡沫镁合金具有较高的强度和较高的杨氏模量的力学性能，同时对泡沫镁合金良好物理性能的发挥也具有积极的作用，因此本发明制备的泡沫镁合金具有良好的综合物理和力学性能。

本发明泡沫镁合金的制备方法采用的是发泡剂发泡而不是用去除预制模型材料来实现泡沫化，整个工艺流程中没有接触任何液体环境或腐蚀性介质，所以不存在泡沫镁合金的腐蚀问题。特别是，本发明采用TiH₂作为发泡剂，其分解后产生H和Ti原子，其中的Ti原子可扩散进入泡沫镁合金基体中，对于泡沫镁合金具有很好的弥散强化作用，增加了本发明的泡沫镁合金的强度。由此可见，采用本发明方法制备泡沫镁合金对基体性能有提升作用且避免了不良的腐蚀现象。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明实例1所制得的泡沫镁合金的截面照片。

图2为本发明实例5所制得的泡沫镁合金的截面照片。

具体实施方式

下面结合实施例详细说明本发明，这些实施例只用于说明本发明，并不限制本发明。

下面实施例中所使用的原料：镁粉、铝粉和TiH₂，都通过市售得到。

实施例1

第一步，冷压+热压制备镁合金发泡预制块

首先将200目纯镁粉和400目纯铝粉按4∶1的质量比例混合形成金属粉末混合体，再将占该金属粉末混合体质量百分比1.0％的325目TiH₂粉末发泡剂加入到该金属粉末混合体中，通过球磨机将三者充分混合均匀，将该混合均匀的复合粉末装入模具，然后在室温下用液压压力机以250MPa的压力进行冷压，保压时间为30s，制取出冷压成型的预制块，再采用热压机对该冷压成型的预制块在热压温度为380℃、压力为180MPa、保压时间为30s的条件下进行热压，制得镁合金发泡预制块；

第二步，制备泡沫镁合金

将第一步制得的镁合金发泡预制块放入模具中，再将该模具置于通有氩气，初始温度为620℃的电炉内，随后该电炉以10℃/min的升温速率升至680℃，保温发泡时间2min之后，从该电炉中取出该模具，向该模具吹氩气并冷却至室温，打开模具，即制取得平均孔径为2mm的泡沫镁合金。

图1为本实施例所制得的泡沫镁合金的截面照片。该照片中，白亮部分为泡沫镁合金基体；弥散分布的黑色区域为泡沫镁合金基体中的圆形孔洞，其直径较小，主要分布在1～3mm之间，经统计计算，平均孔径为2mm。图中右下角标示的“5mm”上方横线为一个标尺，表示5mm长度在该照片上的比例。

实施例2

第一步，冷压+热压制备镁合金发泡预制块

首先将150目纯镁粉和325目纯铝粉按4:1的质量比例混合形成金属粉末混合体，再将占该金属粉末混合体质量百分比2.5％的200目TiH₂粉末发泡剂加入到该金属粉末混合体中，通过球磨机将三者充分混合均匀，将该混合均匀的复合粉末装入模具，然后在室温下用液压压力机以350MPa的压力进行冷压，保压时间为30s，制取出冷压成型的预制块，再采用热压机对该冷压成型的预制块在热压温度为380℃、压力为180MPa、保压时间为40s的条件下进行热压，制得镁合金发泡预制块；

第二步，制备泡沫镁合金

将第一步制得的镁合金发泡预制块放入模具中，再将该模具置于通有氩气、初始温度为630℃的电炉内，随后该电炉以50℃/min的升温速率升至680℃，保温发泡时间2min之后，从该电炉中取出该模具，向该模具吹氩气并冷却至室温，打开模具，即制取得平均孔径为3mm的泡沫镁合金。

实施例3

第一步，冷压+热压制备镁合金发泡预制块

首先将250目纯镁粉和400目纯铝粉按9:1的质量比例混合形成金属粉末混合体，再将占该金属粉末混合体质量百分比1.5％的270目TiH₂粉末发泡剂加入到该金属粉末混合体中，通过球磨机将三者充分混合均匀，将该混合均匀的复合粉末装入模具，然后在室温下用液压压力机以350MPa的压力进行冷压，保压时间为60s，制取出冷压成型的预制块，再采用热压机对该冷压成型的预制块在热压温度为350℃、压力为150MPa、保压时间为40s的条件下进行热压，制得镁合金发泡预制块；

第二步，制备泡沫镁合金

将第一步制得的镁合金发泡预制块放入模具中，再将该模具置于通有氩气、初始温度为650℃的电炉内，随后该电炉以30℃/min的升温速率升至680℃，保温发泡时间2min之后，从该电炉中取出该模具，向该模具吹氩气并冷却至室温，打开模具，即制取得平均孔径为3mm的泡沫镁合金。

实施例4

第一步，冷压+热压制备镁合金发泡预制块

首先将270目纯镁粉和250目纯铝粉按6.5:1的质量比例混合形成金属粉末混合体，再将占该金属粉末混合体质量百分比2％的325目TiH₂粉末发泡剂加入到该金属粉末混合体中，通过球磨机将三者充分混合均匀，将该混合均匀的复合粉末装入模具，然后在室温下用液压压力机以300MPa的压力进行冷压，保压时间为45s，制取出冷压成型的预制块，再采用热压机对该冷压成型的预制块在热压温度为400℃、压力为200MPa、保压时间为30s的条件下进行热压，制得镁合金发泡预制块；

第二步，制备泡沫镁合金

将第一步制得的镁合金发泡预制块放入模具中，再将该模具置于通有氩气、初始温度为650℃的电炉内，随后该电炉以30℃/min的升温速率升至700℃，保温发泡时间3min之后，从该电炉中取出该模具，向该模具吹氩气并冷却至室温，打开模具，即制取得平均孔径为4mm的泡沫镁合金。

实施例5

第一步，冷压+热压制备镁合金发泡预制块

首先将200目纯镁粉和250目纯铝粉按6.5:1的质量比例混合形成金属粉末混合体，再将占该金属粉末混合体质量百分比2％的270目TiH₂粉末发泡剂加入到该金属粉末混合体中，通过球磨机将三者充分混合均匀，将该混合均匀的复合粉末装入模具，然后在室温下用液压压力机以150MPa的压力进行冷压，保压时间为60s，制取出冷压成型的预制块，再采用热压机对冷压成型的预制块在热压温度为380℃、压力为200MPa、保压时间为30s的条件下进行热压，制得镁合金发泡预制块；

第二步，制备泡沫镁合金

将第一步制得的镁合金发泡预制块放入模具中，再将该模具置于通有氩气、初始温度为650℃的电炉内，随后该电炉以50℃/min的升温速率升至750℃，保温发泡时间5min之后，从该电炉中取出该模具，向该模具吹氩气并冷却至室温，打开模具，即制取得平均孔径为5mm的泡沫镁合金。

图2为本实施例所制得的泡沫镁合金的截面照片。该照片中，白亮部分为泡沫镁合金基体；黑色区域为泡沫镁合金基体中的圆形孔洞，其直径较大，主要分布在3～7mm之间，经统计计算，平均孔径为5mm。图中右下角标示的“5mm”上方横线为一个标尺，表示5mm长度在该照片上的比例。

实施例6

第一步，冷压+热压制备镁合金发泡预制块

首先将200目纯镁粉和350目纯铝粉按6.5:1的质量比例混合形成金属粉末混合体，再将占该金属粉末混合体质量百分比2％的270目TiH₂粉末发泡剂加入到该金属粉末混合体中，通过球磨机将三者充分混合均匀，将该混合均匀的复合粉末装入模具，然后在室温下用液压压力机以150MPa的压力进行冷压，保压时间为30s，制取出冷压成型的预制块，再采用热压机对冷压成型的预制块在热压温度为380℃、压力为200MPa、保压时间为20s的条件下进行热压，制得镁合金发泡预制块；

第二步，制备泡沫镁合金

将第一步制得的镁合金发泡预制块放入模具中，再将该模具置于通有氩气、初始温度为600℃的电炉内，随后该电炉以50℃/min的升温速率升至750℃，保温发泡时间2min之后，从该电炉中取出该模具，向该模具吹氩气并冷却至室温，打开模具，即制取得平均孔径为1mm的泡沫镁合金。

Claims (1)

1.泡沫镁合金的制备方法，其特征在于：是一种以粉末实体发泡制备泡沫镁合金的方法，其步骤如下：

第一步，冷压+热压制备镁合金发泡预制块

首先将150～270目纯镁粉和250～400目纯铝粉按4～9:1的质量比例混合形成金属粉末混合体，再将占该金属粉末混合体质量百分比1.0～2.5％的200～325目TiH₂粉末发泡剂加入到该金属粉末混合体中，通过球磨机将三者充分混合均匀，将该混合均匀的复合粉末装入模具，然后在室温下用液压压力机以150MPa～350MPa的压力进行冷压，保压时间为30s～60s，制取出冷压成型的预制块，再采用热压机对该冷压成型的预制块在热压温度为350℃～400℃、压力为150MPa～200Mpa和保压时间为20s～40s的条件下进行热压，制得镁合金发泡预制块；

第二步，制备泡沫镁合金

将第一步制得的镁合金发泡预制块放入模具中，再将该模具置于通有氩气，初始温度为600℃～650℃的电炉内，随后该电炉以10℃/min～50℃/min的升温速率升至680℃～750℃，保温发泡时间2min～5min之后，从该电炉中取出该模具，向该模具吹氩气并冷却至室温，打开模具，即制取得平均孔径为1mm～5mm的泡沫镁合金。

Images