CN103266244B

CN103266244B - 一种铝镁钙合金泡沫及其制备方法

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Publication number: CN103266244B
Application number: CN201310158595.9A
Authority: CN
Inventors: 何思渊; 胡古月; 戴戈; 张益�; 蒋宗仁; 何德玶; 李志勇
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2013-04-28
Filing date: 2013-04-28
Publication date: 2015-12-09
Anticipated expiration: 2033-04-28
Also published as: CN103266244A

Abstract

本发明公开了一种铝镁钙合金泡沫，按照质量百分比，该铝镁钙合金泡沫由以下组分组成：铝：91%---—97%，镁：2%---—6%，钙：1%---—3%，杂质：小于0.15%。同时，本发明还公开了铝镁钙合金泡沫的制备方法，包括以下步骤：第一步：制备铝液；第二步：制备铝镁合金熔体；第三步：制备铝镁钙合金熔体；第四步：加入氢化钛粉末；第五步：制成铝镁钙合金泡沫。该铝镁钙合金泡沫同时具有轻质和强度高的性能，利用该制备方法制备的铝镁钙合金泡沫，采用温度控制和成分控制的方法解决了铝镁中间合金凝固后吸氢导致泡沫铝塌陷的难题。

Description

一种铝镁钙合金泡沫及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种合金泡沫及其制备方法，具体来说，涉及一种铝镁钙合金泡沫及其制备方法。

背景技术

闭孔泡沫铝合金因其特殊的孔隙结构，实现了结构材料轻质多功能化，在航天、高速列车以及其他高技术领域的应用正成为科学和工程研究的热点。作为轻质结构材料的工程应用需求对泡沫铝的强度性能提出新的要求。

虽然有报道粉末冶金法制备泡沫铝合金可以通过加入镁粉获得更好的孔结构，但是采用熔体泡沫化方法制备铝镁钙合金泡沫尚未见报道。对于熔体发泡法而言，铝镁合金熔体凝固过程形成的金属间化合物会强烈的吸收氢气造成熔体泡沫塌陷，是获得孔结构均匀铝镁钙合金泡沫的难题。也未有兼顾泡沫铝合金孔结构以及力学性能耐蚀性获得铝镁钙合金成分最优范围的成果报道。

专利申请号为200610085404.0，专利名称为“防锈闭孔泡沫铝合金及其制备方法”的中国专利文件，公开了铝镁钙稀土合金作为泡沫铝合金发泡的基体合金，该专利特别通过加入稀土元素来形成复合氧化膜，阻止铝合金熔体的氧化和合金元素的烧损，虽获得具有良好的耐蚀特性的闭孔泡沫铝合金，但其制备需加入高价格的稀土元素；此外该专利因未能注意到铝镁金属间化合物的吸氢反应，因此并未针对此现象优化合金范围和制备技术，在提出的镁元素范围（1wt%～11wt%）内并不能都获得孔结构均匀的泡沫铝合金。如图6和图7所示，过高的镁含量会造成铝镁钙熔体泡沫的大量塌陷。如图1所示，过低的镁含量无法明显提高材料的强度。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种铝镁钙合金泡沫及其制备方法，该铝镁钙合金泡沫同时具有轻质和强度高的性能，利用该制备方法制备的铝镁钙合金泡沫，在没有使用价格昂贵的稀土元素前提下，克服了铝合金熔体氧化问题，采用温度控制和成分控制的方法解决了铝镁中间合金凝固后吸氢导致泡沫铝塌陷的难题。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种铝镁钙合金泡沫，按照质量百分比，该铝镁钙合金泡沫由以下组分组成：

铝91%---—97%，

镁2%---—6%，

钙1%---—3%，

杂质小于0.15%。

一种铝镁钙合金泡沫的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

第一步：制备铝液：在钢模内将工业纯铝加热至熔化，形成铝液，并调节钢模内部的温度在670℃—690℃；

第二步：制备铝镁合金熔体：在第一步制备的铝液中加入铝镁中间合金或金属镁，使镁占铝镁钙合金泡沫的质量分数为2%---—6%；并在钢模内通入保护气，并以200rpm-—500rpm的速度搅拌铝液5分钟—20分钟，使镁分散均匀，形成铝镁合金熔体；

第三步：制备铝镁钙合金熔体：在第二步制备的铝镁合金熔体中加入钙颗粒，以200～500rpm的速度搅拌含有钙颗粒的铝镁合金熔体3～15分钟，形成铝镁钙合金熔体；

第四步：加入氢化钛粉末：在温度为300℃环境中静置粒径为300——500目的氢化钛粉末3小时—6小时，同时调节第三步制备的铝镁钙合金熔体的温度在650℃—680℃之间，然后将氢化钛粉末加入铝镁钙合金熔体中，并以800rpm—1200rpm的速度搅拌铝镁钙合金熔体1-3分钟，使得氢化钛粉末分散在铝镁钙合金熔体中，最后保持铝镁钙合金熔体的温度在650℃-680℃之间1～5分钟；

第五步：制成铝镁钙合金泡沫：将第四步结束后的钢模置于强度大于1.2L/(s×m²)的喷水中冷却，进行降温处理，位于钢模内部的铝镁钙合金熔体形成铝镁钙合金泡沫。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.该铝镁钙合金泡沫在保持泡沫铝轻质的同时，较泡沫铝钙合金明显提高强度和压缩能量吸收能力。在加入质量百分比为2%镁以后，具有相同孔隙率的泡沫铝镁钙合金较泡沫铝钙合金压缩平台应力从7.5MPa提高到13MPa左右，而含有质量百分比为4%的镁的泡沫铝镁钙合金压缩平台应力提高到18MPa左右。

2.利用该制备方法制备的铝镁钙合金泡沫，在没有使用价格昂贵的稀土元素前提下，解决铝合金熔体氧化问题。

3.该铝镁钙合金泡沫具有均匀的孔隙结构。在加入质量百分比为2～6%的镁的泡沫铝镁钙合金，形成了均匀的孔隙结构，而加入质量百分比大于6%的镁的泡沫铝镁钙合金，会产生强烈的吸氢作用造成集中孔洞，无法获得孔结构均匀的泡沫铝镁钙合金制品。

附图说明

图1是本发明的铝镁钙合金泡沫的压缩强度线条图。

图2是不含镁的铝镁钙合金泡沫的孔结构图。

图3是含有质量分数为2%的镁的铝镁钙合金泡沫的孔结构图。

图4是含有质量分数为4%的镁的铝镁钙合金泡沫的孔结构图。

图5是含有质量分数为6%的镁的铝镁钙合金泡沫的孔结构图。

图6是含有质量分数为8%的镁的铝镁钙合金泡沫的孔结构图。

图7是含有质量分数为10%的镁的铝镁钙合金泡沫的孔结构图。

具体实施方式

本发明的一种铝镁钙合金泡沫，按照质量百分比，该铝镁钙合金泡沫由以下组分组成：

铝91%---—97%，

镁2%---—6%，

钙1%---—3%，

杂质小于0.15%。

杂质为钛、铁、锰、硅中的任意一种或任意组合。

按照质量百分比，铝镁钙合金泡沫优选以下配比方案：

方案	铝	镁	钙	杂质
					方案1	96%	2%	1.85%	0.15%
方案2	94.55%	2.3%	3%	0.15%
					方案3	94.5%	2.8%	2.55%	0.15%
方案4	95.75%	3.2%	1%	0.05%
					方案5	93.45%	3.9%	2.6%	0.05%
方案6	94.4%	4%	1.5%	0.1%
					方案7	93.3%	4.6%	2.0%	0.1%
方案8	97%	2%	1%	0
					方案9	91.2%	5.7%	3%	0.1%
方案10	91%	6%	2.9%	0.1%

当镁的质量百分比为4%时，铝镁钙合金泡沫具有最好的强度性能。---当钙的质量百分比≥1.5%---时，可获得稳定的镁钙合金熔体泡沫。

上述的铝镁钙合金泡沫的制备方法，包括以下步骤：

第一步：制备铝液：在钢模内将工业纯铝加热至熔化，形成铝液，并调节钢模内部的温度在670℃—690℃。

第二步：制备铝镁合金熔体：在第一步制备的铝液中加入铝镁中间合金或金属镁，使镁占铝镁钙合金泡沫的质量分数为2%---—6%；并在钢模内通入保护气，并以200rpm-—500rpm的速度搅拌铝液5分钟—20分钟，使镁分散均匀，形成铝镁合金熔体。

在第二步中，保护气可以是氮气，也可以是四氟化硫气体。

第三步：制备铝镁钙合金熔体：在第二步制备的铝镁合金熔体中加入钙颗粒，以200～500rpm的速度搅拌含有钙颗粒的铝镁合金熔体3～15分钟，形成铝镁钙合金熔体。

第四步：加入氢化钛粉末：在温度为300℃环境中静置粒径为300—500目的氢化钛粉末3小时—6小时，同时调节第三步制备的铝镁钙合金熔体的温度在650℃—680℃之间，然后将氢化钛粉末加入铝镁钙合金熔体中，并以800rpm—1200rpm的速度搅拌铝镁钙合金熔体1-3分钟，使得氢化钛粉末分散在铝镁钙合金熔体中，最后保持铝镁钙合金熔体的温度在650℃-680℃之间1～5分钟。

在所述的第四步中，调节第三步制备的铝镁钙合金熔体的温度优选在650℃—660℃，同时，保持铝镁钙合金熔体的温度优选在650℃—660℃。

在所述的第五步中，其中，喷水冷却条件由流量计记录。喷水冷却的水流强度优选1.4L/(s×m²)、1.5L/(s×m²)、1.7L/(s×m²)或2.0L/(s×m²)。

进一步，为保证铝镁钙合金泡沫中各组分的含重量符合成品要求，在所述的第一步之前，进行称取原料操作：称取工业纯铝、铝镁中间合金或金属镁、钙颗粒和氢化钛粉末，使得铝占铝镁钙合金泡沫的质量百分比在91%---—97%，镁占铝镁钙合金泡沫的质量百分比在2%---—6%，钙占铝镁钙合金泡沫的质量百分比在1%---—3%，氢化钛粉末占铝镁钙合金泡沫的质量百分比在1%-3%。

本发明的铝镁钙合金泡沫，在已有的铝钙合金泡沫中加入镁元素后，在铝合金基体组织内形成弥散的金属间化合物铝镁中间合金，会通过限制位错滑移获得更高的强度。但凝固过程形成的铝镁中间合金会强烈的吸收氢气，造成周围未凝固熔体泡沫塌陷，无法获得孔结构均匀的泡沫铝合金。本专利通过温度控制，减少铝熔体泡沫的凝固过热度，结合提高单位时间的喷水量加大冷却强度，加快熔体泡沫的冷却速度，减少铝熔体泡沫凝固时形成的铝镁中间合金吸氢反应时间和熔体泡沫冷却凝固时间的时间差。吸氢作用虽然产生，但已固化的金属泡沫不再产生塌陷，从而减少因铝镁中间合金吸氢造成的铝熔体泡沫的合并和收缩。调节镁元素的成分含量在2～6%之间，获得孔结构均匀的铝镁钙合金泡沫。如果镁元素的成分含量在2%以下，那么，如图2所示，铝镁钙合金泡沫强度提高不明显。如果镁元素的成分含量超过6wt%，铝镁中间合金吸氢反应过于强烈，那么，如图6和图7所示，铝镁钙合金泡沫会形成大的孔洞缺陷。

对采用本发明提供的制备方法制取的铝镁钙合金泡沫，进行压缩强度试验和孔结构均匀性评价。压缩强度试验采用GB/T7314-2005标准实施。以应力应变曲线平台段开始时的应力表示压缩强度，平台段开始时的应力越大，表示铝镁钙合金泡沫的压缩强度越大。试验对象的各组分含量分别是表1提供的方案10、方案6、方案1以及未添加镁元素的普通泡沫铝，其中，普通泡沫铝的成分是钙质量百分比为1.8%，铝质量百分比为98.2%，。试验结果如图1所示，横坐标表示应变，纵坐标表示应力，单位MPa。矩形框组成的线条表示方案为未添加镁元素的普通泡沫铝压缩试验结果；正三角形组成的线条表示方案10的试验结果，圆形组成的线条表示方案6的试验结果，倒三角形组成的线条表示方案1的试验结果。从图1中，可以看出，在相近的孔隙率范围，加入镁元素后，泡沫铝镁钙合金的压缩强度较原有泡沫铝钙合金显著提高，含有质量分数4%镁元素的泡沫铝镁钙合金具有最大的压缩强度。

将具有不同镁含量的泡沫铝镁钙合金样品纵向剖开，并对刨面扫描获得截面孔结构，以观察铝镁钙合金泡沫中的孔结构均匀程度。拍照对象为含镁的质量分数为0、2%、4%、6%、8%和10%的铝镁钙合金泡沫。拍照结果如图2至图7所示。从图2至图7中，可以看出，镁含量在6%以内可获得均匀的孔结构，泡沫铝胚料成品率较高；镁含量≥8%时会产生集中缩孔，无法获得均匀的孔结构，泡沫铝胚料极低，无法实现大规模生产。

Claims

1.一种铝镁钙合金泡沫的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：

第二步：制备铝镁合金熔体：在第一步制备的铝液中加入铝镁中间合金或金属镁，使镁占铝镁钙合金泡沫的质量分数为6％；并在钢模内通入保护气，并以200rpm—500rpm的速度搅拌铝液5分钟—20分钟，使镁分散均匀，形成铝镁合金熔体；

第五步：制成铝镁钙合金泡沫：将第四步结束后的钢模置于强度大于1.2L/(s×m²)的喷水中冷却，喷水冷却的水流强度是1.4L/(s×m²)，进行降温处理，位于钢模内部的铝镁钙合金熔体形成铝镁钙合金泡沫；

在所述的第一步之前，进行称取原料操作：称取工业纯铝、铝镁中间合金或金属镁、钙颗粒和氢化钛粉末，使得铝占铝镁钙合金泡沫的质量百分比在91％—96％，镁占铝镁钙合金泡沫的质量百分比在2％—6％，钙占铝镁钙合金泡沫的质量百分比在1％—3％，氢化钛粉末占铝镁钙合金泡沫的质量百分比在1％-3％。

2.按照权利要求1所述的铝镁钙合金泡沫的制备方法，其特征在于，在所述的第四步中，调节第三步制备的铝镁钙合金熔体的温度在650℃—660℃。