CN103643180A

CN103643180A - 一种铝基非晶合金泡沫材料及其成形方法

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Publication number: CN103643180A
Application number: CN201310637304.4A
Authority: CN
Inventors: 陈为为; 李聪勃; 王鲁
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2013-12-02
Filing date: 2013-12-02
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2033-12-02
Also published as: CN103643180B

Abstract

本发明公开了一种铝基非晶合金泡沫材料及其成形方法，属于非晶材料领域。所述材料为块状的多孔材料，具有开孔型结构，其孔隙率为50%～75%；由Al、Cu、Ti三种元素组成，原子百分比Al：Cu：Ti为65：16.5：18.5；由非晶相和晶态相两相组成，晶态相为Al₂Ti相，以所述材料的总体积为100%计，其中非晶相体积分数为60%～85%，晶态相体积分数为40%～15%。制备方法为：（1）将铝基非晶合金粉末和NaCl造孔剂球磨混合；（2）利用放电等离子烧结技术进行烧结；（3）去除NaCl造孔剂；（4）检测NaCl造孔剂是否去除完全。所述材料强度高，成形方法简单、成本低、制备的材料尺寸可调。

Description

一种铝基非晶合金泡沫材料及其成形方法

技术领域

本发明涉及一种铝基非晶合金泡沫材料及其成形方法，属于非晶材料领域。

背景技术

金属泡沫材料既具有金属的性质，结构上又与泡沫相似。金属泡沫材料实际上是金属与气体的复合材料，有的金属泡沫材料呈骨架结构，有的呈蜂窝状结构，正是由于这种特殊的结构，该材料表现出一系列优异的性能，比如低密度、高比强度、高比刚度、良好的吸声性能和高换热散热能力等。金属泡沫材料是一种理想的缓冲吸能材料，在汽车保险杠、航空仪表的保护外壳、航天飞机的起落架等系统的安全缓冲器方面有着广泛的应用前景。由于受金属熔点以及生产工艺的限制，当前广泛用于研究和生产的金属泡沫材料多为铝基金属泡沫材料。然而，铝基金属泡沫材料表现出较低的屈服强度和有限的吸能性能，随着人们对低密度和更高强度材料的需求，该泡沫材料的应用受到了极大的限制。因此，制备具有更高强度的铝基金属泡沫材料已成为当前研究的一个热点。

非晶合金具有短程有序、长程无序的原子结构，微观组织均匀，不包括位错和晶界等缺陷，表现出非常高的屈服强度，远远高于普通晶态合金。因此，将这种非晶结构和铝基金属泡沫材料结合起来，充分发挥各自的优点，如高强度、轻质、优异的能量吸收性能等，制备出铝基非晶合金泡沫材料，被认为是当前铝基金属泡沫材料存在问题的一个主要解决手段。

非晶合金泡沫材料的制备方法应用较多的是熔体发泡法、渗流铸造法以及粉末烧结法。熔体发泡法中熔体粘度的影响较大，且难以控制气泡尺寸和分布，不易获得均匀泡沫材料。渗流铸造法对预制体的综合性能要求较高，工艺较复杂。

发明内容

针对现有的铝基非晶合金泡沫材料强度低，以及制备工艺复杂、成本高，且材料尺寸、形状难以控制的问题，本发明的目的在于提供一种铝基非晶合金泡沫材料及其成形方法。所述泡沫材料强度高，成形方法简单、成本低、制备试样尺寸可调。

本发明的目的由以下技术方案实现：

一种铝基非晶合金泡沫材料，所述材料为块状的多孔材料，具有开孔型结构，其孔隙率为50%～75%；由Al、Cu、Ti三种元素组成，原子百分比Al：Cu：Ti为65：16.5：18.5；由非晶相和晶态相两相组成，晶态相为Al₂Ti相，以所述材料的总体积为100%计，其中非晶相体积分数为60%～85%，晶态相体积分数为40%～15%。

本发明所述的铝基非晶合金泡沫材料的成形方法，步骤如下：

（1）将铝基非晶合金粉末和NaCl造孔剂放置于球磨罐中，将球磨罐置于高能球磨机上常温球磨混合均匀，得到混合料；

（2）将混合料取出后置于硬质合金模具中，利用放电等离子烧结技术进行烧结，其中所需烧结温度为350～400℃，烧结压强为200～300MPa，升温速率为100℃/min，达到烧结温度后保温5min，即得到复合材料；

（3）将所述复合材料降至室温后浸没于水中，使NaCl造孔剂充分溶解，得到非干燥的泡沫材料，取出泡沫材料先用水超声清洗，再用丙酮或酒精超声清洗，使丙酮或酒精充分浸湿泡沫材料，然后进行真空干燥，即得到干燥的泡沫材料；

（4）对干燥的泡沫材料进行检测，若NaCl造孔剂去除完全，所述干燥的泡沫材料即为铝基非晶合金泡沫材料；若NaCl造孔剂去除不完全，则重复步骤（3）直至NaCl造孔剂去除完全为止。

其中，步骤（1）中所述铝基非晶合金粉末为单一的非晶结构，由Al、Cu、Ti三种元素组成，原子百分比分别为65：16.5：18.5，粉末粒径不大于10微米；NaCl造孔剂为分析纯粉末，优选粒度为200目；

步骤（1）中以铝基非晶合金粉末和NaCl造孔剂的总体积为100%计，其中NaCl造孔剂的体积分数为50%～75%；

步骤（1）中优选球磨时间为30分钟，球磨时转速为500转/分钟；

步骤（2）中硬质合金模具材料优选为YG20；

步骤（3）中真空干燥的真空度优选为0.001MPa，真空温度优选为70℃；

步骤（3）中所述的水为去离子水纯度以上的水；

步骤（4）中检测NaCl造孔剂是否去除完全优选采用X射线衍射法或失重法；

X射线衍射法：对步骤（3）得到的干燥的泡沫材料进行X射线衍射，若无NaCl对应的衍射峰，则说明NaCl造孔剂去除完全；若有NaCl对应的衍射峰，则说明NaCl造孔剂去除不完全；

失重法：将步骤（2）得到的复合材料和步骤（3）得到的干燥的泡沫材料分别称重，若二者的质量差为步骤（1）加入NaCl造孔剂的质量，则说明NaCl造孔剂去除完全；若二者的质量差小于步骤（1）加入NaCl造孔剂的质量，则说明NaCl造孔剂去除不完全。

有益效果

（1）本发明所述铝基非晶合金泡沫材料具有强度高的特点，抗压强度最大能达到20MPa，能解决当前铝基金属泡沫材料所面临的强度低的问题。

（2）本发明所述铝基非晶合金泡沫材料成形方法简单，且工艺可控，具体优势如下：（i）孔隙率可控，可通过调节NaCl体积比来控制铝基非晶合金泡沫材料的孔隙率；（ii）极大减少铝基非晶的晶化，利用放电等离子烧结过程中升温速度快和烧结时间短等特点极大减轻铝基非晶的晶化程度；（iii）所制备材料尺寸可调，利用具有不同尺寸的硬质合金模具可以制备出不同尺寸的铝基非晶合金泡沫材料；（iv）制备成本较低，本发明所用造孔剂为NaCl，成本低廉，避免传统的TiH₂和ZrH₂等价格昂贵的造孔剂；（v）用丙酮或酒精超声清洗，使丙酮或酒精充分浸湿泡沫材料，能缩短干燥时间。

附图说明

图1为实施例1的铝基非晶合金泡沫材料的X射线衍射图。

图2为实施例2的铝基非晶合金泡沫材料的扫描电镜图（放大25倍）。

图3为实施例2的铝基非晶合金泡沫材料的扫描电镜图（放大100倍）。

图4为实施例3的铝基非晶合金泡沫材料的扫描电镜图（放大50倍）。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来详述本发明，但不限于此。

以下实施例中所用铝基非晶合金粉末为单一的非晶结构，由Al、Cu、Ti三种元素组成，原子百分比分别为65：16.5：18.5，粉末粒径为7微米；其制备方法如下：

将纯度为99.7%、粒径≤10μm的Al粉，纯度为99.5%、粒径≤50μm的Cu粉，纯度为99.5%、粒径≤50μm的Ti粉按原子百分比65:16.5:18.5放入球磨罐中，球料比为10:1，将球磨罐放入手套操作箱中，对手套操作箱抽真空后，充入氩气，向球磨罐中注入8ml甲苯作为工程控制剂，然后封罐，球磨转速为800r/min，球磨时间为30h，制备出所述铝基非晶合金粉末。

NaCl造孔剂为分析纯粉末，粒度为200目；硬质合金模具材料为YG20。

计算非晶相体积分数的方法为X射线衍射法，即对铝基非晶合金泡沫材料进行X射线衍射，分别计算出非晶峰与晶体峰的面积，非晶峰与晶体峰的面积之和为总的峰面积，非晶峰与总的峰面积的比即为非晶相体积分数。

实施例1

首先，以铝基非晶合金粉末和NaCl造孔剂的总体积为100%计，按照NaCl体积分数为50%的比例称取铝基非晶合金粉末和NaCl造孔剂，一起放置于容积为50毫升的球磨罐中，并将球磨罐置于高能球磨机上常温球磨30分钟，球磨时转速设定为500转/分钟，使铝基非晶合金粉末和NaCl造孔剂混合均匀，得到混合料；然后将混合料取出，置于硬质合金模具中，利用放电等离子烧结技术进行烧结，烧结过程所需烧结温度为350℃，烧结压强为200MPa，升温速率为100℃/min，达到烧结温度后保温5min，即获得复合材料；将所述复合材料在去离子水中常温浸没12小时，使NaCl造孔剂充分溶解于去离子水中而得到非干燥的泡沫材料，然后取出泡沫材料，先用去离子水超声清洗2遍，各洗10分钟，再用丙酮超声清洗5分钟，使丙酮充分浸湿泡沫材料后取出，放入真空度为0.001MPa的真空干燥箱中，在温度为70℃的条件下干燥3小时，即得干燥的泡沫材料；图1为所述干燥的泡沫材料的X射线衍射图，图中没有NaCl对应的衍射峰，说明NaCl造孔剂去除完全，所述干燥的泡沫材料即为铝基非晶合金泡沫材料，孔隙率为50%。图1中在38°时出现Al₂Ti的晶体峰，但整体呈现非晶相的非晶峰，说明只有局部发生晶化，非晶相所占比例较多，非晶相体积分数为85%。放大50倍的铝基非晶合金泡沫材料的扫描电镜图显示出明显的通孔现象，且颗粒之间的界面不明显，说明颗粒之间结合力较好。通过准静态压缩实验测得其铝基非晶合金泡沫材料的抗压强度为20MPa。

实施例2

首先，以铝基非晶合金粉末和NaCl造孔剂的总体积为100%计，按照NaCl体积分数为65%的比例称取铝基非晶合金粉末和NaCl造孔剂，一起放置于容积为50毫升的球磨罐中，并将球磨罐置于高能球磨机上常温球磨30分钟，球磨时转速设定为500转/分钟，使铝基非晶合金粉末和NaCl造孔剂混合均匀，得到混合料；然后将混合料取出，置于硬质合金模具中，利用放电等离子烧结技术进行烧结，烧结过程所需烧结温度为380℃，烧结压强为300MPa，升温速率为100℃/min，达到烧结温度后保温5min，即获得复合材料；将所述复合材料在去离子水中常温浸没12小时，使NaCl造孔剂充分溶解于去离子水中而得到非干燥的泡沫材料，然后取出泡沫材料，先用去离子水超声清洗2遍，各洗10分钟，再用酒精超声清洗5分钟，使酒精充分浸湿泡沫材料后取出，放入真空度为0.001MPa的真空干燥箱中，在温度为70℃的条件下干燥3小时，即得干燥的泡沫材料；通过所述干燥的泡沫材料的X射线衍射可以看出，图中没有NaCl对应的衍射峰，说明NaCl造孔剂去除完全，所述干燥的泡沫材料即为铝基非晶合金泡沫材料，孔隙率为65%。且通过X射线衍射图检测所述铝基非晶合金泡沫材料的晶化程度，图中在38°时出现Al₂Ti的晶体峰，但整体呈现非晶相的非晶峰，说明只有局部发生晶化，非晶相所占比例较多，非晶相体积分数为75%。图2、图3为分别放大25倍和100倍的铝基非晶合金泡沫材料的扫描电镜图，图中显示出明显的通孔现象，且颗粒之间的界面不明显，说明颗粒之间结合力较好。通过准静态压缩实验测得所述铝基非晶合金泡沫材料的抗压强度为15MPa。

实施例3

首先，以铝基非晶合金粉末和NaCl造孔剂的总体积为100%计，按照NaCl体积分数为60%的比例称取铝基非晶合金粉末和NaCl造孔剂，一起放置于容积为50毫升的球磨罐中，并将球磨罐置于高能球磨机上常温球磨30分钟，球磨时转速设定为500转/分钟，使铝基非晶合金粉末和NaCl造孔剂混合均匀，得到混合料；然后将混合料取出，置于硬质合金模具中，利用放电等离子烧结技术进行烧结，烧结过程所需烧结温度为400℃，烧结压强为200MPa，升温速率为100℃/min，达到烧结温度后保温5min，即获得复合材料；将所述复合材料在去离子水中常温浸没12小时，使NaCl造孔剂充分溶解于去离子水中而得到非干燥的泡沫材料，然后取出泡沫材料，先用去离子水超声清洗2遍，各洗10分钟，再用丙酮超声清洗5分钟，使丙酮充分浸湿泡沫材料后取出，放入真空度为0.001MPa的真空干燥箱中，在温度为70℃的条件下干燥3小时，即得干燥的泡沫材料；通过所述干燥的泡沫材料的X射线衍射可以看出，图中没有NaCl对应的衍射峰，说明NaCl造孔剂去除完全，所述干燥的泡沫材料即为铝基非晶合金泡沫材料，孔隙率为60%。通过X射线衍射图检测所述铝基非晶合金泡沫材料的晶化程度，图中在38°时出现明显的Al₂Ti晶体峰，但整体呈现非晶相的非晶峰，说明局部发生晶化，非晶相所占比例较多，非晶相体积分数为65%。图4为放大50倍的铝基非晶合金泡沫材料的扫描电镜图，图中显示出明显的通孔现象且颗粒之间的界面不明显，说明颗粒之间结合力较好。通过准静态压缩实验测得所述铝基非晶合金泡沫材料的抗压强度为15MPa。

实施例4

首先，以铝基非晶合金粉末和NaCl造孔剂的总体积为100%计，按照NaCl体积分数为75%的比例称取铝基非晶合金粉末和NaCl造孔剂，一起放置于容积为50毫升的球磨罐中，并将球磨罐置于高能球磨机上常温球磨30分钟，球磨时转速设定为500转/分钟，使铝基非晶合金粉末和NaCl造孔剂混合均匀，得到混合料；然后将混合料取出，置于硬质合金模具中，利用放电等离子烧结技术进行烧结，烧结过程所需烧结温度为400℃，烧结压强为250MPa，升温速率为100℃/min，达到烧结温度后保温5min，即获得复合材料；将所述复合材料在去离子水中常温浸没12小时，使NaCl造孔剂充分溶解于去离子水中而得到非干燥的泡沫材料，然后取出泡沫材料，先用去离子水超声清洗2遍，各洗10分钟，再用丙酮超声清洗5分钟，使丙酮充分浸湿泡沫材料后取出，放入真空度为0.001MPa的真空干燥箱中，在温度为70℃的条件下干燥3小时，即得干燥的泡沫材料；通过所述干燥的泡沫材料的X射线衍射可以看出，图中没有NaCl对应的衍射峰，说明NaCl造孔剂去除完全，所述干燥的泡沫材料即为铝基非晶合金泡沫材料，孔隙率为75%。通过X射线衍射图检测所述铝基非晶合金泡沫材料的晶化程度，图中在38°时出现Al₂Ti的晶体峰，但整体呈现非晶相的非晶峰，说明局部发生晶化，非晶相所占比例较多，非晶相体积分数为60%。放大50倍的铝基非晶合金泡沫材料的扫描电镜图显示出明显的通孔现象，且颗粒之间的界面不明显，说明颗粒之间结合力较好。通过准静态压缩实验测得所述铝基非晶合金泡沫材料的抗压强度为10MPa。

本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明精神的原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种铝基非晶合金泡沫材料，其特征在于，所述材料为块状的多孔材料，具有开孔型结构，其孔隙率为50%～75%；由Al、Cu、Ti三种元素组成，原子百分比Al：Cu：Ti为65：16.5：18.5；由非晶相和晶态相两相组成，晶态相为Al₂Ti相，以所述材料的总体积为100%计，其中非晶相体积分数为60%～85%，晶态相体积分数为40%～15%。

2.一种如权利要求1所述的铝基非晶合金泡沫材料的成形方法，其特征在于，所述方法步骤如下：

（1）将铝基非晶合金粉末和分析纯的NaCl粉末放置于球磨罐中，将球磨罐置于高能球磨机上常温球磨混合均匀，得到混合料；

（3）将所述复合材料降至室温后浸没于水中，使NaCl充分溶解，得到非干燥的泡沫材料，取出泡沫材料先用水超声清洗，再用丙酮或酒精超声清洗，使丙酮或酒精充分浸湿泡沫材料，然后进行真空干燥，即得到干燥的泡沫材料；

（4）对干燥的泡沫材料进行检测，若NaCl去除完全，所述干燥的泡沫材料即为铝基非晶合金泡沫材料；若NaCl去除不完全，则重复步骤（3）直至NaCl去除完全为止；

其中，步骤（1）中所述铝基非晶合金粉末为单一的非晶结构，由Al、Cu、Ti三种元素组成，原子百分比分别为65：16.5：18.5，粉末粒径不大于10微米；

步骤（1）中以铝基非晶合金粉末和NaCl粉末的总体积为100%计，其中NaCl粉末的体积分数为50%～75%；

步骤（3）中所述的水为去离子水纯度以上的水。

3.根据权利要求2所述的铝基非晶合金泡沫材料的成形方法，其特征在于，步骤（1）中所述NaCl粉末的粒度为200目。

4.根据权利要求2所述的铝基非晶合金泡沫材料的成形方法，其特征在于，步骤（1）中球磨时间为30分钟，球磨转速为500转/分钟。

5.根据权利要求2所述的铝基非晶合金泡沫材料的成形方法，其特征在于，步骤（2）中所述硬质合金模具材料为YG20。

6.根据权利要求2所述的铝基非晶合金泡沫材料的成形方法，其特征在于，步骤（3）中所述真空干燥的真空度为0.001MPa，温度为70℃。

7.根据权利要求2所述的铝基非晶合金泡沫材料的成形方法，其特征在于，步骤（4）中检测NaCl是否去除完全采用X射线衍射法，具体如下：

对步骤（3）得到的干燥的泡沫材料进行X射线衍射，若无NaCl对应的衍射峰，则说明NaCl去除完全；若有NaCl对应的衍射峰，则说明NaCl去除不完全。

8.根据权利要求2所述的铝基非晶合金泡沫材料的成形方法，其特征在于，步骤（4）中检测NaCl是否去除完全采用失重法，具体如下：

将步骤（2）得到的复合材料和步骤（3）得到的干燥的泡沫材料分别称重，若二者的质量差为步骤（1）加入NaCl的质量，则说明NaCl去除完全；若二者的质量差小于步骤（1）加入NaCl的质量，则说明NaCl去除不完全。