CN104046826B - 一种泡沫镁基材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泡沫镁基材料及其制备方法，该泡沫镁基材料以碳酸钙为发泡剂，镁、铝金属粉末为原材料，通过Mg和CaCO₃两者之间反应生成的气体来发泡。其制备方法包括如下步骤：将摩尔比为1:1～9:1的镁粉和铝粉，镁粉和铝粉质量的2%～15%的碳酸钙粉混合均匀；将混合粉末冷压成块，然后热压制成预制体；表面清理、焙烧发泡；冷却，得到孔隙率为40.0%～75.0%，平均孔径为0.1mm～2.0mm的泡沫镁基材料。本发明基体成分可调，成品具有三明治结构，即内部多孔外部致密，且可应用于制备复杂形状的零件，具有广阔的应用前景。

Description

一种泡沫镁基材料及其制备方法

技术领域

本发明属于多孔金属材料的制备领域，尤其涉及一种泡沫镁基材料及其制备方法。

背景技术

多孔金属材料是20世纪发展起来的崭新材料体系，已经成为当前材料界的一种新型的结构与功能材料。相对于致密材料而言，多孔金属材料由于孔结构的存在而具有一些独特的性能，如密度小、比强度和比刚度高，阻尼性能、能量吸收性能、吸声、隔声和隔热性能好、生物兼容性能好及多功能兼容性能优异，已经广泛用于航天航空、化工、建材、冶金等领域。目前多孔泡沫金属研发主要集中在泡沫铝材料，对泡沫镁材料的研究报道不多。但是，与铝合金相比，镁合金的密度更小，具有更高的比强度和比刚度，因此泡沫镁基材料能够取代部分泡沫铝基材料的应用以进一步发挥泡沫金属材料的轻质特色，由于这一特色泡沫镁基材料也越来越受到社会的关注。

迄今为止，制备泡沫镁的方法主要是熔体发泡法和渗流铸造等液态下的发泡法。粉末冶金法作为一种重要的材料制备方法，也是制备泡沫金属的常用手段之一，可用来制备异形件，且是一种近净成型方法，简化制备工艺的同时减少了材料的损耗。目前，用于粉末冶金法制备泡沫镁基材料的发泡剂主要是MgCO₃和TiH₂，制备流程相对复杂。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提供了一种孔结构均匀且孔径小的泡沫镁基材料，其制备方法简单易充型，成本较低。

一种泡沫镁基材料，主要由以下原料制成：粒径为75～150μm、纯度大于99.9%的镁粉，粒径为75～150μm的铝粉以及粒径为5μm、纯度大于99.5%碳酸钙粉。

上述泡沫镁基材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）混粉：将摩尔比为1:1～9:1的镁粉和铝粉，镁粉和铝粉质量之和的2%～15%的碳酸钙粉混合均匀；

（2）压块：将混合粉末冷压成块，然后热压制成预制体；

（3）表面清理、焙烧发泡；

（4）冷却，得到孔隙率为40.0%～75.0%，平均孔径为0.1mm～2.0mm的泡沫镁基材料。

现有技术在用MgCO₃或TiH₂作为发泡剂时，发泡气体通常是发泡剂直接分解产生的气体，而基体金属不参与反应。本发明利用高温下（575^oC以上）基体金属Mg与CaCO₃发生化学反应所产生的气体直接制备预制体发泡，首先将镁粉、铝粉和碳酸钙粉混合均匀，然后将混合粉末冷压成块并热压制成预制体，热压不仅能提高预制体的紧实度而且在热压过程中压块发生合金化，降低了预制体的熔点，最后将预制体焙烧发泡及冷却，制备出的泡沫材料孔结构均匀，孔隙率高，孔径小。反应式如下：

Mg_(l)+CaCO_3(s)→MgO_(s)+CaO_(s)+CO_(g)

优选地，步骤（2）热压温度为200^oC～450^oC，热压时间为10min～60min。

优选地，步骤（3）发泡温度为580^oC～720^oC，发泡时间为2min～10min。

优选地，步骤（4）冷却方式为空冷或水冷。

本发明具有以下优点：

（1）本发明的制备方法采用粉末冶金法，可一次近净成形异形件，与传统发泡工艺相比，克服了传统铸造法因发泡熔体粘度过大而不易充型的缺点。

（2）本发明采用混合金属粉（镁粉和铝粉）代替合金粉，基体成分灵活可调。

（3）本发明采用镁铝混合金属粉，通过调节两种粉末之间的配比，可以方便地调整压块的熔点，在降低发泡温度的同时降低了能耗和发泡成本。

（4）传统的粉末冶金法制备泡沫金属通常以TiH₂作为发泡剂，TiH₂较昂贵，所制备的泡沫金属孔径较粗大，且制备流程复杂；而本发明采用CaCO₃取代TiH₂，不仅降低了成本，而且可制备孔结构均匀的泡沫镁基材料。

（5）本发明所制样品具有整体式的三明治结构，即芯部多孔，外部致密，相较于单纯的泡沫镁基材料具有较好的力学性能，且比需要通过焊接或胶粘等手段连接制成的泡沫三明治板具有更好的性能稳定性。

附图说明

图1为本发明工艺流程图。

图2为实施例1制备的泡沫镁基试样截面图。

图3为实施例2制备的泡沫镁基试样截面图。

图4为实施例3制备的泡沫镁基试样截面图。

具体实施方式

实施例 1

将摩尔比为1:1的镁粉和铝粉以及镁粉和铝粉质量的3%的碳酸钙粉混合均匀（由于高温下镁在CO₂气体中会燃烧导致实验的失败，所以必须将粉末充分混合均匀以避免CaCO₃团聚高温分解产生CO₂）；将混合粉末倒入压制模具中冷压成块；将压块在300^oC、300MPa下热压20min制成预制体，此时预制体的紧实度为99.5%；对预制体进行表面清理，随后放入预热温度为580^oC且通有保护气体的电阻炉中保温发泡5min，取出发泡块体空冷，可获得如图2所示的孔结构均匀、平均孔径为1.5mm、孔隙率为50%、孔结构均匀的泡沫镁基材料。

实施例 2

将摩尔比为7:3的镁粉和铝粉以及镁粉和铝粉质量的5%的碳酸钙粉混合均匀；将混合粉末倒入压制模具中冷压成块；将压块在400^oC、300MPa下热压60min制成预制体，此时紧实度为99.6%；对预制体进行表面清理，随后放入预热温度为640^oC且通有保护气体的电阻炉中保温发泡3min，取出发泡块体空冷，可获得如图3所示的孔结构均匀、平均孔径为1mm、孔隙率为60%、孔结构均匀的泡沫镁基材料。

实施例 3

将摩尔比为9:1的镁粉和铝粉以及镁粉和铝粉质量的12%的碳酸钙粉混合均匀；将混合粉末倒入压制模具中冷压成块；将压块在450^oC、300MPa下热压50min制成预制体，此时紧实度为99.8%；对预制体进行表面清理，随后放入预热温度为650^oC且通有保护气体的电阻炉中保温发泡4min，取出发泡块体空冷，可获得如图4所示的孔结构均匀、平均孔径为2mm、孔隙率为70%、孔结构均匀的泡沫镁基材料。

对比例 1

传统采用TiH₂作发泡剂的方法，包括以下步骤:

（1）预处理：将发泡剂TiH₂在480 ^oC下保温3小时，以提高它的释氢温度；

（2）混粉：将纯镁粉或镁铝质量比分别为97:3、9:1、83:17的混合金属粉末与TiH₂混合均匀；

（3）压块：将混合均匀的粉末在400^oC、300MPa下热压15min制备得到发泡预制体，或先将混合粉末在100MPa下冷压成块，再在300 ^oC下按挤出比8.7:1挤出制得发泡预制体；

（4）发泡：将发泡预制体置于高出其液相温度100 ^oC以上的炉中保温，其间炉中通有保护气；

（5）冷却：将样品从炉中取出后空冷。

上述四种不同成分的预制体按照传统工艺都难以发泡，只有在更为苛刻的条件下利用新方法——压力引导发泡法（Pressure Induced Foaming，PIF）才能使其泡沫化。即使利用PIF法，通过热压方式制备的预制体发泡后孔隙率仍然较低，而利用热挤出方式制备的预制体发泡后孔隙率高于前者，泡沫金属孔径在2mm～4mm左右，但是孔结构仍然不均匀，局部还是会出现5mm～8mm的大孔。

对比例1采用的TiH₂较昂贵，而且所制备的泡沫金属孔径较粗大，且制备流程复杂；而实施例1～3采用CaCO₃取代了TiH₂，不仅降低了成本，而且制备的泡沫镁基材料孔结构均匀、孔径较小。

Claims (2)

1.一种泡沫镁基材料，其特征在于，主要由以下原料制成：粒径为75～150μm、纯度大于99.9%的镁粉，粒径为75～150μm的铝粉以及粒径为5μm、纯度大于99.5%的碳酸钙粉；其制备方法，包括如下步骤：

（1）混粉：将摩尔比为1:1～9:1的镁粉和铝粉，镁粉和铝粉质量之和2%～15%的碳酸钙粉混合均匀；

（2）压块：将混合粉末冷压成块，然后热压制成预制体；热压温度为200^oC～450^oC，热压时间为10min～60min；

（3）表面清理、焙烧发泡；发泡温度为580^oC ～720^oC，发泡时间为2min～10min；

（4）冷却，得到孔隙率为40.0%～75.0%，平均孔径为0.1mm～2.0mm的泡沫镁基材料。

2.根据权利要求1所述的泡沫镁基材料的制备方法，其特征在于，步骤（4）冷却方式为空冷或水冷。