CN104550972B

CN104550972B - 一种泡沫铝异型件的制备方法

Info

Publication number: CN104550972B
Application number: CN201410729037.8A
Authority: CN
Inventors: 郭志强; 马冬辉; 东雪; 袁晓光; 黄宏军; 左晓姣
Original assignee: Shenyang University of Technology
Current assignee: Shenyang University of Technology
Priority date: 2014-12-05
Filing date: 2014-12-05
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2034-12-05
Also published as: CN104550972A

Abstract

本发明涉及一种泡沫铝异型件的制备方法，属于多孔金属材料技术领域。该方法合金粉末加入了高含量的硅和镁，成型工艺采用了先预压再热挤压的两步成型法，挤压坯采用“十”字形设计。十字形坯体的设计可以根据复合金属型腔的形状以及芯层泡沫体的密度要求选择合适长宽比的“十”字坯，填满整个型腔，无需对预制坯的摆放位置和摆放量进行考虑。采用该工艺制备的异型件，泡沫体密度可控，孔径小、孔结构缺陷少，具有更高的强度和更好的吸能性能，适于推广应用。

Description

一种泡沫铝异型件的制备方法

技术领域

本发明涉及一种泡沫铝异型件的制备方法，属于多孔金属材料技术领域。

背景技术

泡沫铝是上世纪80年代后期国际上迅速发展起来的，以铝、铝合金或铝基复合材料为原料，经发泡处理后在其内部形成大量气泡的一种新型多孔材料，具有轻质、比强度高，吸能、吸声、阻燃、隔热性能优良等特点。然而，从目前对泡沫铝力学性能的研究来看，泡沫铝的强度性能并不高，一般情况下，泡沫铝的强度大约为致密铝的1%左右，相对密度为40%的泡沫铝的强度仅为基体金属的9%左右，所以在作为结构件时，一般不适合单独使用，要和某种金属复合后作为芯材来使用。泡沫铝异型件，就是将泡沫铝和某种材料（钢、铝、铜等）复合后，形成的以泡沫铝为芯材的复合结构件。泡沫铝异型件，由于具有良好的综合性能，因此在国民经济各行业尤其是汽车工业上有着广阔的应用前景。

然而，目前国际上对泡沫铝复合结构的研究还主要集中在以泡沫铝为芯材的三明治夹芯板的研究上，而对于异型件的研究内容较少。目前，异型件的制备采用的工艺主要有胶粘工艺，基于熔体发泡法的二次发泡工艺、粉末冶金法等。胶粘工艺属于一种物理连接方法，主要依靠胶层实现面板与芯层的连接，结合强度偏低，在高温及强腐蚀等条件下中间胶层容易熔化或变质。因此，胶粘法泡沫铝异形件的使用领域和使用环境具有很大的局限性。基于熔体发泡法的二次发泡工艺，工艺简单、成本低、结合强度高。但是由于泡沫铝合金的导热性能较差，导致坯料内部形成温度梯度，制得的异形件的孔隙率从中心到边缘也呈现出梯度变化趋势，因而要获得孔结构均匀的泡沫铝合金比较困难。同时对于一些大型件和结构复杂的异型件而言，如何控制过剩TiH₂的量，以及实现TiH₂的均匀分布也是一个技术难点。

粉末冶金法由于具有短流程、近净成形的特点，在制备三明治夹芯板和异形件，尤其是一些形状复杂的异型件时具有得天独厚的优势。然而由于粉末冶金法起步较晚，现有的粉末冶金发泡工艺，存在着TiH₂分解和预制体熔化时段不匹配的问题，使得制备的泡沫铝孔结构存在很大的缺陷，综合性能低下，同时造成生产工艺不稳定，产品成品率低，生产成本高；同时对于异型件，尤其是一些形状复杂的异型件，由于制备理论及技术欠缺。这都重影响了泡沫铝异型件的应用和推广。

发明内容

发明目的：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种泡沫铝异型件的制备方法，同时提高产品的成材率，并获得密度可控、孔结构均匀、芯层无缺陷、综合性能高的泡沫铝异型件；该方法工艺简单、成本低，可制备各种尤其是复杂形状的异型件。

技术方案：

一种泡沫铝异型件的制备方法，其特征在于：该方法步骤如下：

（1）粉料的混合：将原料铝粉，发泡剂氢化钛粉，添加剂镁粉、硅粉混合均匀；

（2）预制体的制备：将混合好的粉末采用先冷压，再热挤压的方式，挤压成可发泡预制坯；

（3）泡沫铝异型件的制备：将可发泡预制坯线切割制样后，置入与其复合的金属的型腔中，预热后，迅速转移到保温炉中保温发泡，冷却后即制得以泡沫铝为芯层以复合金属为表层的异型结构件。

步骤（1）中发泡剂TiH₂粉末均采用480℃空气中加热氧化120分钟的处理工艺，TiH₂的添加量为可发泡预制体总质量的0.6-1.2%，镁粉添加量为预制体总质量的2-6%，硅粉末添加量为预制体总质量的6-8%，余量添加铝粉，粉末混合时间为90-120分钟。

步骤（2）中预制体的制备方式采用两步成型：第一步先采用400MP冷压的方式将混合粉末压制成致密度达95%以上的冷压坯，然后将冷压坯放到保温炉中在450℃保温加热90-120分钟后，迅速将冷压坯转移到挤压模具中进行挤压。

步骤（2）中挤压比为20:1-30:1，挤压坯的径向截面形状为“十”字形，“十字”的长宽比为5:1-20:1。

步骤（2）中挤压方式采用多坯体连续挤压，即将多个450℃预热后的冷压坯置入挤压模具中进行挤压，第一次挤压完成将压头脱出后，迅速将新的预热后的冷压坯置入挤压模具中进行不间断连续挤压，按此方式循环往复。

步骤（2）中多次连续挤压的挤压坯最终被挤压成一条完整的“十”字形长杆，“十”字形长杆的长度为1800-3000mm。

步骤（3）中首先根据复合金属型腔的尺寸和形状，以及最终芯层泡沫铝的密度要求，选择合适长宽比的“十”字形长杆进行线切割制样后，将制得的小十字坯，采用“××”形，棱边接触、平行排列的方式填满整个型腔。

步骤（3）中将充满小“十”字坯的金属型，首先置入500℃的保温炉中预热20-30分钟，待金属型和预制体温度均达到500℃后，迅速转移到650-680℃的发泡炉中保温发泡，保温时间为270秒-360秒，待泡沫体充满整个型腔，与金属壁紧密结合，形成异型结构后迅速冷却，冷却方式为水冷或者水雾冷。

制备的芯层泡沫体密度在0.45g/cm³-1.2 g/cm³，孔径为0.8-4.0mm。

优点和效果：

（1）氢化钛氧化处理可在表层形成一层氧化膜，能够有效提高氢化钛的分解温度并使得分解时段更加集中，而高添加量硅、镁的加入则可大大降低铝合金的熔点，使其与氢化钛的分解时段更加匹配，从而可有效提发泡剂的利用率和泡沫体的膨胀率；

（2）两步成型工艺，先冷压制坯，再加热到450℃热挤压，可避免粉末直接热挤压时，因氢化钛分解释放氢气而对成型过程造成的不利影响，可有效提高挤压坯的质量和致密度；

（3）多坯体连续挤压，不但可以提高冷压坯的利用率，减少材料的浪费，而且可以挤压出大尺寸的长杆，制备一些较大尺寸的异型件，从而可进一步拓宽该工艺的应用范围和应用领域；

（4）挤压坯的“十”字形设计，使异型件制备过程中，可以根据复合金属型腔的形状以及芯层泡沫体的密度要求选择合适长宽比的“十”字坯，采用“××”形，棱边接触、平行排列的方式，将线切割后的小“十”字坯填满整个型腔，待“十”字形发泡膨胀成正方形，并结合成一个整体后便可制备出完整的异型件，无需对预制坯的摆放位置和摆放量进行考虑；

（5）硅、镁等合金元素的加入在降低铝合金熔点的同时，还可以有效消除“十”字坯表面的氧化物，使各个小坯体之间实现紧密的冶金结合形成一个整体，并且硅、镁的加入还可以提高泡沫体的粘度，减小重力排液、毛细作用和气泡合并带来的不利影响，可有效提高泡沫体的稳定性。

附图说明

图1 是本发明工艺流程示意图；

图2是简单异型件的制备过程。

具体实施方式

如图1所示，本发明具体操作步骤如下：

（1）粉料的混合：首先将发泡剂TiH₂粉末采用480℃空气中加热氧化120分钟的处理工艺，处理完成后将发泡剂TiH₂粉，添加剂镁粉、硅粉、和基体铝粉按质量百分比氢化钛0.6-1.5 %、镁2-6%、硅6-8%、余量铝粉的比例配料，配料完成后将混合粉末放到球磨机上混合，混合时间为90-120分钟。

高含量硅、镁的加入不但可有效降低铝合金的熔点，还可以有效消除“十”字坯表面的氧化物，使小坯体之间实现紧密的冶金结合，同时硅、镁的加入还可以提高泡沫体的粘度，减小重力排液、毛细作用和气泡合并带来的不利影响，可有效提高泡沫体的稳定性。

（2）预制体的制备：预制体的制备方式采用两步成型：第一步先采用400MP冷压的方式将混合粉末压制成致密度达95%以上的冷压坯。第二步将冷压坯放到保温炉中在450℃保温加热90-120分钟后，迅速转移到挤压模具中进行挤压，其中挤压模具的挤压比为20:1-30:1，挤压坯的径向截面形状为“十”字形，“十”字的长宽比为5:1-20:1。挤压方式采用多坯体连续挤压，即将多个450℃预热后的冷压坯置入挤压模具中进行挤压，第一次挤压完成将压头（凸膜）脱出后，迅速将新的预热后的冷压坯置入挤压模具中进行不间断连续挤压，按此方式循环往复，最终将冷压坯挤压成一条1800-3000mm的“十”字形长杆。

十字形坯体的设计可以根据复合金属型腔的形状以及芯层泡沫体的密度要求选择合适长宽比的“十”字坯，填满整个型腔，无需对预制坯的摆放位置和摆放量进行考虑。

（3）泡沫铝异型件的制备：根据泡沫铝异型件的密度要求，选择合适长宽比的“十”字形挤压杆，采用线切割的方式制成小的“十”字形坯后，采用“××”形，棱边接触、平行排列的方式填满与其复合的金属型内腔，然后将填满挤压坯的金属型置入500℃的保温炉中预热20-30分钟，待金属型和挤压坯温度均达到500℃后，迅速转移到650-680℃的发泡炉中保温发泡，保温时间为270秒-360秒，待泡沫体充满整个型腔，与金属壁紧密结合形成异型结构后迅速冷却，冷却方式为水冷或者水雾冷，冷却后即可制得以泡沫铝为芯层，复合金属为表层的异型结构件。

采用此工艺制备的泡沫铝异型结构件，芯层泡沫体的孔径大小一致、分布均匀，无大孔、通孔存在，各小坯体形成一个完整的整体，无边界出现，泡沫体和表层金属间以扩散的方式形成紧密的冶金结合。采用此工艺制备的芯层泡沫体的密度在0.45g/cm³-1.2 g/cm³之间，孔径为0.8-4.0mm。

简单异型件的制备过程参见图2。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步说明：

实施例1

预制体的制备：

将480℃加热氧化处理120分钟后的TiH₂粉与Mg粉、Si粉、铝粉混合，各粉末添加比例为TiH₂0.6wt%、Mg 2wt %、Si 6wt%、余量为铝，将混合粉末放到滚筒混料机上进行混合，混合时间为120分钟。接下来将混合均匀的粉末置入圆柱形模具中，加压到400MPa，保压8分钟，将粉末压制成圆柱形冷压坯。脱模后将冷压坯，置入 450℃的保温炉中保温加热120分钟，然后迅速转移到20：1的“十”字形挤压模具中进行热挤压。采用连续挤压法将多个小冷压坯挤压成总长度为1800mm左右的“十”字形可发泡预制坯，其中“十”字坯的横截面长为10mm宽为2mm，即长宽比为5:1。

泡沫铝异型件的制备：

将“十”字长杆线切割成4个长450mm的小坯体，然后将小坯体采用“××”形，棱边接触、平行排列的方式，置入与其复合的长450mm、宽34mm、高9.5mm的钢板形成的金属型腔中，然后将其一起放入500℃的保温炉中进行预热，预热时间约20分钟，待金属型和预制体温度均达到500℃后，迅速转移到650℃的加热炉中保温加热，保温时间为360秒左右，最后从保温炉中取出，采用水雾冷却后即可制得以泡沫铝为芯材钢为复合层的简单的长方体形异型件。

采用此工艺制得的泡沫铝复合结构的平均孔径为0.8mm，泡沫铝芯层密度为1.2g/cm³。

实施例2

预制体的制备：

将480℃加热氧化处理120分钟后的TiH₂粉与Mg粉、Si粉、铝粉混合，各粉末添加比例为TiH₂0.8wt%、Mg 2wt %、Si 6wt%、余量为铝，将混合粉末放到滚筒混料机上进行混合，混合时间为120分钟。接下来将混合均匀的粉末置入圆柱形模具中，加压到400MPa，保压8分钟，将粉末压制成圆柱形冷压坯。脱模后将冷压坯置入 450℃的保温炉中保温加热100分钟，然后迅速转移到25：1的“十”字形挤压模具中进行热挤压。采用连续挤压法将多个小冷压坯挤压成总长度为2400mm左右的“十”字形可发泡预制坯，其中“十”字坯的横截面长为20mm宽为2mm，即长宽比为10:1。

泡沫铝异型件的制备：

将“十”字长杆线切割成6个长400mm的小坯体，然后将小坯体采用“××”形，棱边接触、平行排列的方式，置入与其复合的长400mm、宽94mm、高16mm的钢板形成的金属型腔中，然后将其一起放入500℃的保温炉中进行预热，预热时间约25分钟，待金属型和预制体温度均达到500℃后，迅速转移到670℃的加热炉中保温加热，保温时间为300秒左右，最后从保温炉中取出，采用水雾冷却后即可制得以泡沫铝为芯材钢为复合层的简单的长方体形异型件。

采用此工艺制得的泡沫铝复合结构的平均孔径为1.8mm，泡沫铝芯层密度为0.84g/cm³。

实施例3

预制体的制备：

将480℃加热氧化处理120分钟后的TiH₂粉与Mg粉、Si粉、铝粉混合，各粉末添加比例为TiH₂1.2wt%、Mg 4wt %、Si 8wt%、余量为铝，将混合粉末放到滚筒混料机上进行混合，混合时间为100分钟。接下来将混合均匀的粉末置入圆柱形模具中，加压到400MPa，保压8分钟，将粉末压制成圆柱形冷压坯。脱模后将冷压坯置入 450℃的保温炉中保温加热90分钟，然后迅速转移到30：1的“十”字形挤压模具中进行热挤压。采用连续挤压法将多个小冷压坯挤压成总长度为3000mm左右的“十”字形可发泡预制坯，其中“十”字坯的横截面长为40mm宽为2mm，即长宽比为20:1。

泡沫铝异型件的制备：

将“十”字长杆线切割成6个长500mm的小坯体，然后将小坯体采用“××”形，棱边接触、平行排列的方式，置入与其复合的长500mm、宽180mm、高30mm的钢板形成的金属型腔中，然后将其一起放入500℃的保温炉中进行预热，预热时间约30分钟，待金属型和预制体温度均达到500℃后，迅速转移到680℃的加热炉中保温加热，保温时间为270秒左右，最后从保温炉中取出，采用水雾冷却后即可制得以泡沫铝为芯材钢为复合层的简单的长方体形异型件。

采用此工艺制得的泡沫铝异型件的平均孔径为4mm，泡沫铝芯层密度为0.45 g/cm³。

实施例4

预制体的制备：

将480℃加热氧化处理120分钟后的TiH₂粉与Mg粉、Si粉、铝粉混合，各粉末添加比例为TiH₂1.2wt%、Mg 6wt %、Si 7wt%、余量为铝，将混合粉末放到滚筒混料机上进行混合，混合时间为90分钟。接下来将混合均匀的粉末置入圆柱形模具中，加压到400MPa，保压8分钟，将粉末压制成圆柱形冷压坯。脱模后将冷压坯置入 450℃的保温炉中保温加热90分钟，然后迅速转移到30：1的“十”字形挤压模具中进行热挤压。采用连续挤压法将多个小冷压坯挤压成总长度为3000mm左右的“十”字形可发泡预制坯，其中“十”字坯的横截面长为40mm宽为2mm，即长宽比为20:1。

泡沫铝异型件的制备：

将“十”字长杆线切割成6个长500mm的小坯体，然后将小坯体采用“××”形，棱边接触、平行排列的方式，置入与其复合的长500mm、宽180mm、高24.5mm的钢板形成的金属型腔中，然后将其一起放入500℃的保温炉中进行预热，预热时间约30分钟，待金属型和预制体温度均达到500℃后，迅速转移到680℃的加热炉中保温加热，保温时间为280秒左右，最后从保温炉中取出，采用水雾冷却后即可制得以泡沫铝为芯材钢为复合层的简单的长方体形异型件。

采用此工艺制得的泡沫铝异型件的平均孔径为3mm，泡沫铝芯层密度为0.55 g/cm³。

Claims

1.一种泡沫铝异型件的制备方法，其特征在于：该方法步骤如下：

（3）泡沫铝异型件的制备：将可发泡预制坯线切割制样后，置入与其复合的金属的型腔中，预热后，迅速转移到保温炉中保温发泡，冷却后即制得以泡沫铝为芯层以复合金属为表层的异型件；

步骤（1）中发泡剂TiH₂粉末均采用480℃空气中加热氧化120分钟的处理工艺，TiH₂的添加量为可发泡预制坯总质量的0.6-1.2%，镁粉添加量为预制坯总质量的2-6%，硅粉末添加量为预制坯总质量的6-8%，余量添加铝粉，粉末混合时间为90-120分钟；

步骤（3）中首先根据复合金属型腔的尺寸和形状，以及最终芯层泡沫铝的密度要求，选择合适长宽比的“十”字形长杆进行线切割制样后，将制得的小“十”字坯，采用“××”形，棱边接触、平行排列的方式填满整个型腔。

2.根据权利要求1所述的泡沫铝异型件的制备方法，其特征在于：步骤（2）中预制坯的制备方式采用两步成型：第一步先采用400MPa冷压的方式将混合粉末压制成致密度达95%以上的冷压坯，然后将冷压坯放到保温炉中在450℃保温加热90-120分钟后，迅速将冷压坯转移到挤压模具中进行挤压。

3.根据权利要求1所述的泡沫铝异型件的制备方法，其特征在于：步骤（2）中挤压比为20:1-30:1，挤压坯的径向截面形状为“十”字形，“十字”的长宽比为5:1-20:1。

4.根据权利要求1所述的泡沫铝异型件的制备方法，其特征在于：步骤（2）中挤压方式采用多坯体连续挤压，即将多个450℃预热后的冷压坯置入挤压模具中进行挤压，第一次挤压完成将压头脱出后，迅速将新的预热后的冷压坯置入挤压模具中进行不间断连续挤压，按此方式循环往复。

5.根据权利要求4所述的泡沫铝异型件的制备方法，其特征在于：步骤（2）中多次连续挤压的挤压坯最终被挤压成一条完整的“十”字形长杆，“十”字形长杆的长度为1800-3000mm。

6.根据权利要求1所述的泡沫铝异型件的制备方法，其特征在于：步骤（3）中将充满小“十”字坯的金属型，首先置入500℃的保温炉中预热20-30分钟，待金属型和预制坯温度均达到500℃后，迅速转移到650-680℃的发泡炉中保温发泡，保温时间为270秒-360秒，待泡沫体充满整个型腔，与金属壁紧密结合，形成异型结构后迅速冷却，冷却方式为水冷或者水雾冷。

7.根据权利要求1所述的泡沫铝异型件的制备方法，其特征在于：制备的异型件的芯层泡沫体密度在0.45g/cm³-1.2 g/cm³，孔径为0.8-4.0mm。