CN104175623B - 一种泡沫铝-波纹板复合夹层板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种泡沫铝-波纹板复合夹层板及其制备方法，首先制成波纹芯体；将波纹芯体与面板焊接制成波纹板；将基体粉料和发泡剂放入混料机混合均匀后将混合好的粉料挤压成初步的坯料；然后将该坯料放入模具压制，将压制后的可发泡预制体填入波纹板中后放入气氛炉中发泡；加热并保温至预制体膨胀形成完全充满于波纹板孔隙的泡沫铝后，冷却。本发明采用粉末冶金的方法，在点阵金属内部原位发泡形成冶金结合的泡沫铝-波纹板复合夹层板，利用点阵金属优异的力学性能以及泡沫铝的吸能、隔声、减震、隔热的优势，实现多功能的耦合，获得综合性能更加优异的结构功能一体化材料。冶金结合有效提高了结合强度，使得复合材料的性能得到进一步提升。
Description
技术领域
本发明属于超轻多孔金属材料技术领域，具体涉及一种泡沫铝-波纹板复合夹层板及其制备方法。
背景技术
超轻多孔金属材料是近些年来随着材料制备以及机械加工技术的迅速发展而出现的一类新型多功能材料，具有结构功能一体化的特征。其芯体具有高孔隙率，其微结构按规则程度可分为无序和有序两大类，前者包括闭孔泡沫铝材料，而后者包括二维点阵材料(如波纹结构)与三维桁架结构(如金字塔结构、四面体结构)。
泡沫金属具备孔隙率高的特点，有优良的吸能、吸声、隔热、减震性能，但因为制备中不可避免产生的孔结构缺陷，其强度和刚度都比较低。点阵金属夹层板的比强度和比刚度高，作为结构材料优势明显，但其芯体或者节点往往容易在较低的应变时就达到应力峰值，继而软化失效。将二者复合，可以实现两种材料优势性能的整合，弥补各自力学性能的不足，从而获得力学性能大幅提升的新型复合结构。
现有的泡沫铝-波纹板复合夹层板的制备方法，采用胶粘的方法实现了点阵材料和泡沫铝的复合。但是，受胶粘强度的限制，所制得的复合材料在承载过程中往往会发生脱粘、脱焊等现象，影响其整体力学性能。而且现有制备方法工艺比较繁琐，且对泡沫铝切割精度要求较高，总体制造成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种泡沫铝-波纹板复合夹层板及其制备方法，将泡沫铝在波纹夹层板中原位发泡形成冶金结合界面，从而改善整体力学性能，获得多功能的泡沫铝-波纹板复合夹层板。
为达到上述目的，本发明的制备方法如下：
1)首先，将平整过的金属板材采用模压或折叠技术制成波纹芯体；采用钎焊或激光焊将波纹芯体与面板焊接制成波纹板；
2)其次，将基体粉料和发泡剂放入混料机混合均匀，得到混合好的粉料；其中，基体粉料和发泡剂的质量比为98～99.8：0.2～2；
3)接着，通过粉末连续挤压工艺，控制挤压比大于10，将混合好的粉料挤压成初步的坯料；然后将该坯料放入模具压制得到可发泡预制体；其中，基体粉料的质量为可发泡预制体总质量的98％～99.8％；
4)再次，将可发泡预制体填入波纹板中后放入气氛炉中发泡；以30～120℃/min的加热速度将温度自室温升高到基体粉料的熔点以上30～60℃，并保温5～30min，待预制体膨胀形成完全充满于波纹板孔隙的泡沫铝后，采用冲击射流的方式冷却泡沫铝，得到泡沫铝-波纹板复合夹层板。
将波纹芯体与面板焊接前清洗掉波纹芯体和面板上的油污和锈迹；所述的金属板材的材质为碳钢、不锈钢、镍合金或钛合金。
所述的基体粉料为纯铝粉、铝硅合金、铝合金粉或铝粉与硅粉的混合物，其中铝粉与硅粉的混合物中硅粉的质量分数为6％～12.5％。
所述基体粉料粒度为40～150微米。
所述铝硅合金具体为AlSi6、AlSi7或AlSi12.5；铝合金粉具体为AlSi7Mg或AA6061。
基体粉料为工业纯铝粉时，加热到690～730℃之间，基体粉料为AlSi6时，加热到610～650℃之间，基体粉料为AlSi7时，加热到610～650℃之间，基体粉料为AlSi12时，加热到610～660℃之间，基体粉料为AlSi7Mg时，加热到610～650℃，基体粉料为AA6061时加热到650～710℃之间。
所述发泡剂为氢化钛，粒度为50～200微米；所述的粉末连续挤压工艺所得可发泡预制体密实度不低于99％，模压压强为150～350MPa。
将所述可发泡预制体填入波纹板中前，将波纹板与可发泡预制体进行酸碱洗以去除其表面氧化膜并干燥；所述的可发泡预制体的形状为丝状、圆柱状或者截面为多边形的柱状体。
所述的气氛炉中的保护气体为氮气或者氩气。
一种制备的泡沫铝-波纹板复合夹层板，该复合夹层板由波纹芯体与面板制成的波纹夹层板以及间隔性填充在波纹芯体的孔隙中的泡沫铝组成。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明首先采用模压或折叠技术制成波纹芯体，并通过钎焊或激光焊等方法与面板连接，制备成波纹板；然后将基体粉料和发泡剂按一定比例混合均匀后经粉末连续挤压工艺形成致密件，然后模压成型为预制体；将预制体填入波纹板的孔隙中；最后将放有预制体的波纹板置于气氛炉中，加热到一定温度后保温原位发泡，发泡填充完毕再采用冲击射流快速冷却即可获得泡沫铝-波纹板复合夹层板。本发明实现波纹芯体、面板和闭孔泡沫铝的冶金连接，获得高抗剪切力学性能(比胶接填充结构性能提高20％以上)的泡沫铝-波纹板复合结构夹层板。这种泡沫铝-波纹板复合结构夹层板，在安全防护、交通运输、机械制造、航空航天等领域具有广泛的应用前景，它能十分有效地减轻结构重量，提高抗爆炸冲击防护性能，且具备隔热、隔声、减振等多功能特性。本方法制造工艺成本较低，易于规模化生产。
本发明采用粉末冶金的方法，在点阵金属内部原位发泡形成冶金结合的泡沫铝-波纹板复合夹层板，利用点阵金属优异的力学性能以及泡沫铝的吸能、隔声、减震、隔热的优势，实现多功能的耦合，获得综合性能更加优异的结构功能一体化材料。冶金结合克服了胶粘带来的不足，有效提高了结合强度，使得复合材料的性能得到进一步提升。而且，原位发泡的制备方法工序更便于规模化的生产，具备更低的成本。
附图说明
图1为泡沫铝-波纹板复合夹层板的结构示意图；其中，图1(a)为填充前，图1(b)为填充后。
图2为可发泡预制体形状示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明中温度升高到基体粉料的熔点以上30～60℃的具体加热温度需根据合金组分而定，基体粉料为工业纯铝粉时加热到690～730℃之间，基体粉料为AlSi6时加热到610～650℃之间，基体粉料为AlSi7时加热到610～650℃之间，基体粉料为AlSi12时加热到610～660℃之间，基体粉料为AlSi7Mg时加热到610～650℃，基体粉料为AA6061时加热到650～710℃之间。
实施例1
参见图1和图2，1)首先，将平整过的碳钢钢板采用模压技术制成波纹芯体1。清洗掉波纹芯体1和面板2上的油污和锈迹，采用钎焊将波纹芯体1与面板2焊接制成波纹板；
2)其次，将粒度为40～150微米的工业纯铝粉和氢化钛(TiH2)按99:1的质量比混合后混料机内混合均匀，得到混合好的粉料；
3)接着，将混合好的粉料注入挤压模具内，控制挤压比为12，通过连续挤压工艺挤压得到Φ8mm的坯料，密实度大于99％。再将获得的坯料放入模压模具内，加压到200MPa模压成三棱柱状可发泡预制体。
4)再次，将波纹板与可发泡预制体进行酸碱洗以去除其表面氧化膜，干燥后，将可发泡预制体填入波纹板中，并一起放入保护气体为氮气的气氛炉中发泡。
以80℃/min的加热速度将炉温自室温升高到710℃，并保温12min。待预制体膨胀形成完全充满于波纹板孔隙的泡沫铝3后，采用冲击射流的方式快速冷却泡沫铝，即得到泡沫铝-波纹板复合夹层板，其中波纹板的相对密度为1～15％，泡沫铝密度为0.1～1.1g/cm3，孔隙率为60～95％。
实施例2
1)首先，将平整过的不锈钢钢板采用折叠技术制成波纹芯体1。清洗掉波纹芯体1和面板2上的油污和锈迹，采用激光焊将波纹芯体1与面板2焊接制成波纹板；
2)其次，将粒度为40～150微米的工业纯度铝粉和氢化钛(TiH2)按99.4:0.6的质量比混合后注入混料机混合均匀，得到混合好的粉料；
3)接着，将混合好的粉料注入挤压模具内，控制挤压比为13，通过连续挤压工艺挤压得到Φ8mm的坯料，密实度大于99％，再将获得的坯料放入模压模具内，加压到300MPa模压成四棱柱状可发泡预制体。
4)再次，将波纹板与可发泡预制体进行酸碱洗以去除其表面氧化膜，干燥后，将可发泡预制体填入波纹板中，并一起放入保护气体为氩气的气氛炉中发泡。
以60℃/min的加热速度将炉温自室温升高到710℃，并保温8min。待预制体膨胀形成完全充满于波纹板孔隙的泡沫铝3后，采用冲击射流的方式快速冷却泡沫铝，即得到泡沫铝-波纹板复合夹层板。其中波纹板的相对密度为1～15％，泡沫铝密度为0.1～1.1g/cm3，孔隙率为60～95％。
实施例3
1)首先，将平整过的钛板采用折叠技术制成波纹芯体1。清洗掉波纹芯体1和面板2上的油污和锈迹，采用激光焊将波纹芯体1与面板2焊接制成波纹板；
2)其次，将粒度为40～150微米的工业纯铝粉、硅粉和氢化钛(TiH2)按93:6:1的质量比混合后放入混料机混合均匀，得到混合好的粉料；
3)接着，将混合好的粉料注入挤压模具内，控制挤压比为11，通过连续挤压工艺挤压得到Φ8mm的坯料，密实度大于99％，再将获得的坯料放入模压模具内，加压到300MPa模压成圆柱状可发泡预制体。
4)再次，将波纹板与可发泡预制体进行酸碱洗以去除其表面氧化膜，干燥后，将可发泡预制体填入波纹板中，并一起放入保护气体为氮气的气氛炉中发泡。
以90℃/min的加热速度将炉温自室温升高到640℃，并保温10min。待预制体膨胀形成完全充满于波纹板孔隙的泡沫铝3后，采用冲击射流的方式快速冷却泡沫铝，即得到泡沫铝-波纹板复合夹层板。其中波纹板的相对密度为1～15％，泡沫铝密度为0.1～1.1g/cm3，孔隙率为60～95％。
实施例4
1)首先，将平整过的镍板采用模压技术制成波纹芯体1。清洗掉波纹芯体1和面板2上的油污和锈迹，采用钎焊将波纹芯体1与面板2焊接制成波纹板；
2)其次，将工业纯AlSi7粉和氢化钛(TiH2)按99.5:0.5的质量比放入混料机混匀，得到混合好的粉料；
3)接着，将混合好的粉料注入挤压模具内，控制挤压比为11，通过连续挤压工艺挤压得到Φ8mm的坯料，密实度大于99％，再将获得的坯料放入模压模具内，加压到300MPa模压成棒状可发泡预制体。
4)再次，将波纹板与可发泡预制体进行酸碱洗以去除其表面氧化膜，干燥后，将可发泡预制体填入波纹板中，并一起放入气氛炉中发泡。
以90℃/min的加热速度将自室温炉温升高到640℃，并保温15min。待预制体膨胀形成完全充满于波纹板孔隙的泡沫铝3后，采用冲击射流的方式快速冷却泡沫铝，即得到泡沫铝-波纹板复合夹层板。其中波纹板的相对密度为1～15％，泡沫铝密度为0.1～1.1g/cm3，孔隙率为60～95％。
实施例5
1)首先，将平整过的不锈钢钢板采用折叠技术制成波纹芯体1。清洗掉波纹芯体1和面板2上的油污和锈迹，采用激光焊将波纹芯体1与面板2焊接制成波纹板；
2)其次，将粒度为40～150微米的工业纯AA6061铝合金粉和氢化钛(TiH2)按99.5:0.5的质量比放入混料机混合均匀，得到混合好的粉料；
3)接着，将混合好的粉料注入挤压模具内，控制挤压比为20，通过连续挤压工艺挤压得到Φ8mm的坯料，密实度大于99％，再将获得的坯料放入模压模具内，加压到300MPa模压成三棱柱状可发泡预制体。
4)再次，将波纹板与可发泡预制体进行酸碱洗以去除其表面氧化膜，干燥后，将可发泡预制体填入波纹板中，并一起放入保护气体为氩气的气氛炉中发泡。
以100℃/min的加热速度将自室温炉温升高到680℃，并保温15min。待预制体膨胀形成完全充满于波纹板孔隙的泡沫铝3后，采用冲击射流的方式快速冷却泡沫铝，即得到泡沫铝-波纹板复合夹层板。其中波纹板的相对密度为1～15％，泡沫铝密度为0.1～1.1g/cm3，孔隙率为60～95％。
实施例6
1)首先，将平整过的碳钢钢板采用模压技术制成波纹芯体1。清洗掉波纹芯体1和面板2上的油污和锈迹，采用钎焊将波纹芯体1与面板2焊接制成波纹板；
2)其次，将粒度为40～150微米的铝合金粉AlSi7Mg和氢化钛(TiH2)按99.8:0.2的质量比混合后混料机内混合均匀，得到混合好的粉料；
3)接着，将混合好的粉料注入挤压模具内，控制挤压比为12，通过连续挤压工艺挤压得到Φ8mm的坯料，密实度大于99％。再将获得的坯料放入模压模具内，加压到350MPa模压成三棱柱状可发泡预制体。
4)再次，将波纹板与可发泡预制体进行酸碱洗以去除其表面氧化膜，干燥后，将可发泡预制体填入波纹板中，并一起放入保护气体为氮气的气氛炉中发泡。
以30℃/min的加热速度将炉温自室温升高到铝合金粉AlSi7Mg熔点以上30℃，并保温5min。待预制体膨胀形成完全充满于波纹板孔隙的泡沫铝3后，采用冲击射流的方式快速冷却泡沫铝，即得到泡沫铝-波纹板复合夹层板。
实施例7
1)首先，将平整过的碳钢钢板采用模压技术制成波纹芯体1。清洗掉波纹芯体1和面板2上的油污和锈迹，采用钎焊将波纹芯体1与面板2焊接制成波纹板；
2)其次，将粒度为40～150微米的铝粉与硅粉的混合物以及氢化钛(TiH2)按98:2的质量比混合后混料机内混合均匀，得到混合好的粉料；其中，铝粉与硅粉的混合物中硅粉的质量分数为6％；
3)接着，将混合好的粉料注入挤压模具内，控制挤压比为12，通过连续挤压工艺挤压得到Φ8mm的坯料，密实度大于99％。再将获得的坯料放入模压模具内，加压到350MPa模压成丝状可发泡预制体。
4)再次，将波纹板与可发泡预制体进行酸碱洗以去除其表面氧化膜，干燥后，将可发泡预制体填入波纹板中，并一起放入保护气体为氮气的气氛炉中发泡。
以120℃/min的加热速度将炉温自室温升高到铝粉与硅粉的混合物中铝粉的熔点以上40℃，并保温10min。待预制体膨胀形成完全充满于波纹板孔隙的泡沫铝3后，采用冲击射流的方式快速冷却泡沫铝，即得到泡沫铝-波纹板复合夹层板。
实施例8
1)首先，将平整过的碳钢钢板采用模压技术制成波纹芯体1。清洗掉波纹芯体1和面板2上的油污和锈迹，采用钎焊将波纹芯体1与面板2焊接制成波纹板；
2)其次，将粒度为40～150微米的铝粉与硅粉的混合物以及氢化钛(TiH2)按99:1的质量比混合后混料机内混合均匀，得到混合好的粉料；铝粉与硅粉的混合物中硅粉的质量分数为12.5％；
3)接着，将混合好的粉料注入挤压模具内，控制挤压比为12，通过连续挤压工艺挤压得到Φ8mm的坯料，密实度大于99％。再将获得的坯料放入模压模具内，加压到250MPa模压成圆柱状可发泡预制体。
4)再次，将波纹板与可发泡预制体进行酸碱洗以去除其表面氧化膜，干燥后，将可发泡预制体填入波纹板中，并一起放入保护气体为氮气的气氛炉中发泡。
以40℃/min的加热速度将炉温升高到铝粉熔点以上40℃，并保温25min。待预制体膨胀形成完全充满于波纹板孔隙的泡沫铝3后，采用冲击射流的方式快速冷却泡沫铝，即得到泡沫铝-波纹板复合夹层板。
实施例9
1)首先，将平整过的碳钢钢板采用模压技术制成波纹芯体1。清洗掉波纹芯体1和面板2上的油污和锈迹，采用钎焊将波纹芯体1与面板2焊接制成波纹板；
2)其次，将粒度为40～150微米的铝粉与硅粉的混合物以及氢化钛(TiH2)按99.8:0.2的质量比混合后混料机内混合均匀，得到混合好的粉料；其中，铝粉与硅粉的混合物中硅粉的质量分数为9％；
3)接着，将混合好的粉料注入挤压模具内，控制挤压比为12，通过连续挤压工艺挤压得到Φ8mm的坯料，密实度大于99％。再将获得的坯料放入模压模具内，加压到320MPa模压成五棱柱状可发泡预制体。
4)再次，将波纹板与可发泡预制体进行酸碱洗以去除其表面氧化膜，干燥后，将可发泡预制体填入波纹板中，并一起放入保护气体为氮气的气氛炉中发泡。
以50℃/min的加热速度将炉温自室温升高到铝粉熔点以上60℃，并保温30min。待预制体膨胀形成完全充满于波纹板孔隙的泡沫铝3后，采用冲击射流的方式快速冷却泡沫铝，即得到泡沫铝-波纹板复合夹层板。
本发明首先采用模压或折叠技术制成波纹芯体，并通过钎焊或激光焊等方法与面板连接，制备成波纹板；然后将铝合金粉料和发泡剂氢化钛(TiH2)按一定比例混合均匀后经粉末连续挤压工艺形成致密件，然后模压成型为预制体；再对预制体和波纹板分别实施除氧化物表面处理后，将预制体填入波纹板的孔隙中；最后将放有预制体的波纹板置于氮气或氩气保护气氛炉中，加热到一定温度后保温原位发泡，发泡填充完毕再采用冲击射流快速冷却即可获得泡沫铝-波纹板复合夹层板。本发明实现波纹芯体、面板和闭孔泡沫铝的冶金连接，获得高抗剪切力学性能的泡沫铝-波纹板复合结构夹层板。这种泡沫铝-波纹板复合结构夹层板，在安全防护、交通运输、机械制造、航空航天等领域具有广泛的应用前景，它能十分有效地减轻结构重量，提高抗爆炸冲击防护性能，且具备隔热、隔声、减振等多功能特性。本方法制造工艺成本较低，易于规模化生产。
Claims (10)
1.一种泡沫铝-波纹板复合夹层板的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)首先，将平整过的金属板材采用模压或折叠技术制成波纹芯体(1)；采用钎焊或激光焊将波纹芯体(1)与面板(2)焊接制成波纹板；
2)其次，将基体粉料和发泡剂放入混料机混合均匀，得到混合好的粉料；其中，基体粉料和发泡剂的质量比为98～99.8：0.2～2；
3)接着，通过粉末连续挤压工艺，控制挤压比大于10，将混合好的粉料挤压成初步的坯料；然后将该坯料放入模具压制得到可发泡预制体；其中，基体粉料的质量为可发泡预制体总质量的98％～99.8％；
4)再次，将可发泡预制体填入波纹板中后放入气氛炉中发泡；以30～120℃/min的加热速度将温度自室温升高到基体粉料的熔点以上30～60℃，并保温5～30min，待预制体膨胀形成完全充满于波纹板孔隙的泡沫铝(3)后，采用冲击射流的方式冷却泡沫铝，得到泡沫铝-波纹板复合夹层板。
2.根据权利要求1所述泡沫铝-波纹板复合夹层板的制备方法，其特征在于：将波纹芯体(1)与面板(2)焊接前清洗掉波纹芯体(1)和面板(2)上的油污和锈迹；所述的金属板材的材质为碳钢、不锈钢、镍合金或钛合金。
3.根据权利要求1所述泡沫铝-波纹板复合夹层板的制备方法，其特征在于：所述的基体粉料为纯铝粉、铝合金粉或铝粉与硅粉的混合物，其中铝粉与硅粉的混合物中硅粉的质量分数为6％～12.5％。
4.根据权利要求1或3所述泡沫铝-波纹板复合夹层板的制备方法，其特征在于：所述基体粉料粒度为40～150微米。
5.根据权利要求3所述泡沫铝-波纹板复合夹层板的制备方法，其特征在于：所述铝硅合金具体为AlSi6、AlSi7或AlSi12；铝合金粉具体为AlSi7Mg或AA6061。
6.根据权利要求5所述泡沫铝-波纹板复合夹层板的制备方法，其特征在于：基体粉料为工业纯铝粉时，加热到690～730℃之间，基体粉料为AlSi6时，加热到610～650℃之间，基体粉料为AlSi7时，加热到610～650℃之间，基体粉料为AlSi12时，加热到610～660℃之间，基体粉料为AlSi7Mg时，加热到610～650℃，基体粉料为AA6061时加热到650～710℃之间。
7.根据权利要求1所述泡沫铝-波纹板复合夹层板的制备方法，其特征在于：所述发泡剂为氢化钛，粒度为50～200微米；所述的粉末连续挤压工艺所得可发泡预制体密实度不低于99％，模压压强为150～350MPa。
8.根据权利要求1所述泡沫铝-波纹板复合夹层板的制备方法，其特征在于：将所述可发泡预制体填入波纹板中前，将波纹板与可发泡预制体进行酸碱洗以去除其表面氧化膜并干燥；所述的可发泡预制体的形状为丝状、圆柱状或者截面为多边形的柱状体。
9.根据权利要求1所述泡沫铝-波纹板复合夹层板的制备方法，其特征在于：所述的气氛炉中的保护气体为氮气或者氩气。
10.一种如权利要求1所述方法制备的泡沫铝-波纹板复合夹层板，其特征在于：该复合夹层板由波纹芯体(1)与面板(2)制成的波纹夹层板以及间隔性填充在波纹芯体(1)的孔隙中的泡沫铝(3)组成。
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