CN104818401A - 制备闭孔泡沫金属的搅拌摩擦焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备闭孔泡沫金属的搅拌摩擦焊方法，包括以下步骤：S1、将发泡剂和稳定剂粉末充分混合；S2、将步骤S1中的混合粉末均匀分布在两块叠放的金属板材之间；S3、采用搅拌摩擦焊对步骤S2中叠放的两块金属板材进行多道次的焊接处理，以获得致密的闭孔泡沫金属预制体；S4、将步骤S3中的闭孔泡沫金属预制体加热发泡，以获得闭孔泡沫金属。本发明可以解决现有方法制备的预制体致密度低、均匀性差、易形成“团聚”现象而造成闭孔泡沫金属出现大尺寸通孔及破孔等问题。

Description

制备闭孔泡沫金属的搅拌摩擦焊方法

技术领域

本发明涉及一种闭孔泡沫金属的制备方法，尤其涉及一种制备闭孔泡沫金属的搅拌摩擦焊方法。

背景技术

泡沫金属作为一种典型的轻质、高强度结构材料，具有相对密度小、比表面积大等特点。尤其是闭孔泡沫金属相比传统材料，在比强度和比刚度、阻尼减震性能等具有更明显的优势，因此广泛应用于航空航天、军工、船舶、轨道列车、汽车及机械等诸多领域。

闭孔泡沫金属的制备方法主要有熔体搅拌铸造法和粉末冶金法。

熔体搅拌铸造法的工艺过程如下：首先向熔融金属中加入增粘剂(常用的金属Ca和MnO₂)，以提高粘度，然后向熔体中加入发泡剂并搅拌混合；混合均匀后，发泡剂高温分解产生气体，随即气体膨胀使金属发泡；当泡沫体达到预定的发泡时间后，迅速将其取出进行底部快速冷却，得到闭孔泡沫金属。在此方法中，常用的发泡剂为TiH₂、ZrH₂等金属氢化物。该方法的优点是工艺简单，成本低廉，适合大多数的工业生产要求，但是其不足之处在于工艺过程难以控制，容易形成气泡分布不均匀且局部气孔尺寸过大的泡沫结构。

粉末冶金法的工艺过程如下：首先将铝粉末与发泡剂、添加剂等粉末进行充分混合，再将混合物通过如冷压、热压、挤压、轧压等方法，压制成密实的坯体，形成泡沫铝的预制体；然后对该预制体进行加热升温，使温度升至固相线以上并保温一定时间，利用发泡剂分解产生的气体在熔融状态下的坯体内部形成无数的气孔，最后经冷却可得到金属泡沫材料。该方法的不足之处在于：(1)无论是采用冷压、热压、挤压、轧压等方法，根据粉末压制的变形力学理论，在卸载过程中，泡沫芯层会发生弹性后效，导致芯层的致密度下降，直接影响造孔动力性，对泡沫结构的均匀性产生不利影响；(2)粉末在热压时易出现“团聚”现象，使泡沫结构产生空洞缺陷，发泡后会形成大尺寸连通孔；(3)采用轧压或挤压，泡沫预制体的致密度明显高于现有的热压工艺，但泡沫预制体虽然经过后续多道次轧制和挤压但仍不能实现组织细化，同时合金粉末与TiH₂发泡剂混合时仍存在着混料不均，易形成“团聚”现象等问题；(4)由于预制体轧制过程中纵向(垂直于轧制方向)与横向(平行于轧制方向)的受力不同，导致预制坯的各向异性，产生的扁球形孔和鼓包现象对泡沫结构的均匀性容易产生不利影响。

发明内容

为解决上述两种方法存在的不足，本发明提供一种制备闭孔泡沫金属的搅拌摩擦焊方法，它可以解决现有方法制备的预制体致密度低、均匀性差、易形成“团聚”现象而造成闭孔泡沫金属出现大尺寸通孔及破孔等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种制备闭孔泡沫金属的搅拌摩擦焊方法，包括以下步骤：

S1、将发泡剂和稳定剂粉末充分混合；

S2、将步骤S1中的混合粉末均匀分布在两块叠放的金属板材之间；

S3、采用搅拌摩擦焊对步骤S2中叠放的两块金属板材进行多道次的焊接处理，以获得致密的闭孔泡沫金属预制体；

S4、将步骤S3中的闭孔泡沫金属预制体加热发泡，以获得闭孔泡沫金属。

按上述技术方案，所述发泡剂采用氢化钛、氢化锆或碳酸钙粉，粉末尺寸为20～100μm，发泡剂的质量与两块金属板材的质量比为0.5～2％。

按上述技术方案，所述稳定剂采用金属钙、碳化硅或氧化铝粉，粉末尺寸为0.5～10μm，稳定剂的质量与两块金属板材的质量比为5～15％。

按上述技术方案，所述金属板材为采用铝合金或镁合金制作的金属轧制板材或压铸合金板材，所述金属板材的厚度为0.5～30mm。

按上述技术方案，所述金属板材为AS41镁合金板材，所述金属板材的厚度为0.5～30mm。

按上述技术方案，采用搅拌摩擦焊对叠放的两块金属板材进行2～10道次的焊接处理，搅拌头的转速为100～2000r/min，焊接速度为10～1200mm/min，轴向下压量为0.1～0.3mm。

按上述技术方案，将步骤S3中的闭孔泡沫金属预制体放入电阻炉中加热发泡，加热温度为580～800℃，保温时间为1～20min，然后取出采用水冷或空冷。

按上述技术方案，将步骤S3中的闭孔泡沫金属预制体放入电阻炉中加热发泡，加热温度为660℃，保温时间为5min，然后向电阻炉中通入氩气进行冷却。

本发明产生的有益效果是：本方法采用金属板材作为发泡的原材料，替代了传统工艺的合金粉末或合金颗粒，不仅降低了成本，还有效避免了合金粉末与发泡剂、稳定剂混合时形成的“团聚现象”，再利用搅拌摩擦焊对焊缝组织具有明显细化和均布的特点，对中间夹有发泡剂和稳定剂混合粉末的两块金属板材进行焊接，焊接能量比较低(仅为熔化极惰性气体保护焊的20％)，且焊接过程可视为一个热与锻压、挤压共同作用的工艺过程，焊接结束后即可获得致密度高的泡沫金属预制体，采用搅拌摩擦焊替代传统冷压、热压、挤压、轧压等压制方法，不仅解决了压制后的“弹性后效”和组织无法细化等导致的预制体致密性和均匀性不高等问题，还极大的简化闭孔泡沫金属的制备工艺，将传统的6～8道工序简化成3～4道，提高了制备效率，降低了生产成本，然后加热发泡即可获得高质量的闭孔泡沫金属。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明中步骤S2的示意图；

图2是本发明中步骤S3的示意图；

图3是图2中搅拌头轴向下压量的示意图；

图4是本发明制备的闭孔泡沫金属的结构示意图。

图中：1-混合粉末，2-金属板材，3-搅拌头，4-闭孔泡沫金属预制坯，5-闭孔泡沫金属。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-图4所示，一种制备闭孔泡沫金属的搅拌摩擦焊方法，包括以下步骤：

S1、将发泡剂和稳定剂粉末充分混合；

S2、将步骤S1中的混合粉末1均匀分布在两块叠放的金属板材2之间；

S3、采用搅拌摩擦焊对步骤S2中叠放的两块金属板材进行多道次的焊接处理，以获得致密的闭孔泡沫金属预制体4；

S4、将步骤S3中的闭孔泡沫金属预制体4加热发泡，以获得闭孔泡沫金属5。

在本发明的优选实施例中，发泡剂采用氢化钛、氢化锆或碳酸钙粉，粉末尺寸为20～100μm，发泡剂的质量与两块金属板材的质量比为0.5～2％。

在本发明的优选实施例中，稳定剂采用金属钙、碳化硅或氧化铝粉，粉末尺寸为0.5～10μm，稳定剂的质量与两块金属板材的质量比为5～15％。

在本发明的优选实施例中，金属板材为采用铝合金或镁合金制作的金属轧制板材或压铸合金板材，金属板材的厚度为0.5～30mm。

在本发明的优选实施例中，金属板材为AS41镁合金板材，金属板材的厚度为0.5～30mm。

在本发明的优选实施例中，采用搅拌摩擦焊对叠放的两块金属板材进行2～10道次的焊接处理，搅拌头3的转速为100～2000r/min，焊接速度为10～1200mm/min，轴向下压量为0.1～0.3mm。

在本发明的优选实施例中，将步骤S3中的闭孔泡沫金属预制体放入电阻炉中加热发泡，加热温度为580～800℃，保温时间为1～20min，然后取出采用水冷或空冷。

在本发明的优选实施例中，将步骤S3中的闭孔泡沫金属预制体放入电阻炉中加热发泡，加热温度为660℃，保温时间为5min，然后向电阻炉中通入氩气进行冷却。

以下提供两种不同的实施例对本发明进行说明。

实施例一

S1、混料，将发泡剂和稳定剂粉末进行充分混合，发泡剂采用氢化钛，粉末尺寸50μm，添加量与金属板材材的质量比为1％，稳定剂采用氧化铝粉，粉末尺寸1μm，添加量与金属板材材的质量比为10％；

S2、铺料，将上述混合粉末均匀铺于两块叠放的金属板材中间，板材材选用铝合金压铸合金板材材ADC12作为发泡的原材料，板材厚3mm，板材材的长宽尺寸与实施的搅拌摩擦焊设备工作台匹配，本实施例中，板材材长度为200mm，宽度为300mm；

S3、焊接，将上述板材坯装卡到搅拌摩擦焊设备的工作平台上，然后进行8次的搅拌摩擦焊焊接，焊接工艺参数为焊接转速200r/min，焊接速度为600mm/min，轴向下压量0.2mm，焊接结束即可获得致密在95％以上的闭孔泡沫金属预制体；

S4、发泡，将上述制得的闭孔泡沫金属预制体放入电阻炉中进行加热发泡，发泡温度为700℃，保温5min，然后取出空冷，即可获得孔隙率在79％的泡沫铝合金。

实施例二

实施例二与实施例一的区别在于：步骤S2采用AS41镁合金板材作为发泡的原材料，板材厚3mm，板材材长度为200mm，宽度为300mm；在步骤四S4中采用氩气保护的电阻炉进行加热发泡，发泡温度为660℃，保温5min，同时通入氩气进行冷却；其它步骤与实施例一相同，可获得孔隙率在65％的泡沫镁合金。

利用本发明获得的闭孔泡沫金属成本低、孔隙率较高、且孔隙的平均孔径较小。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种制备闭孔泡沫金属的搅拌摩擦焊方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将发泡剂和稳定剂粉末充分混合；

S2、将步骤S1中的混合粉末均匀分布在两块叠放的金属板材之间；

S3、采用搅拌摩擦焊对步骤S2中叠放的两块金属板材进行多道次的焊接处理，以获得致密的闭孔泡沫金属预制体；

S4、将步骤S3中的闭孔泡沫金属预制体加热发泡，以获得闭孔泡沫金属。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发泡剂采用氢化钛、氢化锆或碳酸钙粉，粉末尺寸为20～100μm，发泡剂的质量与两块金属板材的质量比为0.5～2％。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述稳定剂采用金属钙、碳化硅或氧化铝粉，粉末尺寸为0.5～10μm，稳定剂的质量与两块金属板材的质量比为5～15％。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属板材为采用铝合金或镁合金制作的金属轧制板材或压铸合金板材，所述金属板材的厚度为0.5～30mm。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属板材为AS41镁合金板材，所述金属板材的厚度为0.5～30mm。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用搅拌摩擦焊对叠放的两块金属板材进行2～10道次的焊接处理，搅拌头的转速为100～2000r/min，焊接速度为10～1200mm/min，轴向下压量为0.1～0.3mm。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将步骤S3中的闭孔泡沫金属预制体放入电阻炉中加热发泡，加热温度为580～800℃，保温时间为1～20min，然后取出采用水冷或空冷。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将步骤S3中的闭孔泡沫金属预制体放入电阻炉中加热发泡，加热温度为660℃，保温时间为5min，然后向电阻炉中通入氩气进行冷却。