CN105624451A

CN105624451A - 一种高强高韧闭孔泡沫铝及其制备方法

Info

Publication number: CN105624451A
Application number: CN201511001466.4A
Authority: CN
Inventors: 刘彦强; 樊建中; 马自力; 魏少华; 刘铭坤; 聂俊辉; 郝心想
Original assignee: Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Current assignee: Youyan metal composite technology Co.,Ltd.
Priority date: 2015-12-28
Filing date: 2015-12-28
Publication date: 2016-06-01
Anticipated expiration: 2035-12-28
Also published as: CN105624451B

Abstract

本发明涉及一种高强高韧泡沫铝及其制备方法。泡沫铝的密度为0.4～1g/cm³，泡孔平均尺寸为2～5mm，其孔壁由铝基体以及均匀弥散在其中的增强颗粒构成，增强颗粒与铝基体形成高强度结合的冶金界面。首先将铝基体粉、增强颗粒和发泡剂颗粒均匀混合并冷压制成粗坯，粗坯经真空热除气之后热变形加工制成可发泡的预制体，经加热发泡制得泡沫铝。本产品具有高强高韧和高能量吸收的特点，可用于汽车、轨道交通、航天军工领域的轻质支撑结构件或高阻尼减振吸能部件；制备方法灵活、可设计性强，几乎适用于所有合金体系泡沫铝的制备，并可根据合金性能任意添加相适应的增强颗粒，可用于定制不同力学性能的泡沫铝，满足各领域的需求。

Description

一种高强高韧闭孔泡沫铝及其制备方法

技术领域

本发明属于泡沫铝及其制备技术领域，特别涉及一种高强高韧闭孔泡沫铝及其制备方法。

背景技术

泡沫铝具是过去30多年中发展起来的一类多孔金属材料，泡沫铝是通过在传统铝材料中引入一定含量的规则孔隙构成，是传统材料的新结构形式。由于泡沫铝巧妙地将材料和结构集于一体，因此表现出奇异而吸引人的性能特征，比如，具备超低比重、高比刚度、优异的能量吸收特性、高阻尼特性和可控的传热性能，表现出良好的多功能响应特性。这种新形式的材料不仅可以满足汽车材料轻量化的重大需求，还可以满足高速列车、城市轨道列车，以及航天、航空等国防高端装备制造领域对材料和结构提出的多功能一体化、高性能化的设计和使用需求，预计将形成巨大的产业规模，产生显著的技术和经济效益。

当前，国内外研制和生产的泡沫铝主要集中应用于高速公路吸音屏障、高架桥吸音屏、建筑内墙的吸声降噪填充材料等，而在装备制造业，尤其是高端制造领域没有获得应用，泡沫铝的多功能特性未得到充分发挥，产品形式单一。究其原因，目前研制和生产的泡沫铝材料大多具有如下特征：(1)制备技术决定了泡沫铝成分仅限于少数熔体流动性好、适合于发泡的合金体系，合金自身强度提升空间小，导致泡沫铝块材或构件强度低，无法作为结构部件使用；(2)泡沫铝的泡孔孔壁薄弱，孔的完整性不好、缺陷多，泡孔表现为脆性特征，相应构件的塑性和韧性较差，在承受外界压缩和冲击载荷时，泡沫体的孔壁发生脆性断裂，无法大量吸收能量，大大限制了其应用范围。

合金强化和颗粒强化是泡沫铝强韧化的重要途径。合金化是提高泡沫铝强度的有效手段之一。如专利CN201210075551所述，在泡沫铝中添加微量钪元素，在熔体凝固发泡过程中形成细小的弥散相，从而细化晶粒，提高合金强度。细小的弥散相还可以通过钉扎位错、阻碍位错运动来提高泡沫铝的泡壁强度，从而提高泡沫铝的强度。如能通过制备技术的革新进一步拓宽泡沫铝的合金成分设计范围，将大幅提高泡沫铝的塑性和韧性。除此之外，在泡沫铝中进一步加入特定配比的陶瓷颗粒可进一步提高泡沫铝的强度和韧性。根据颗粒强韧化理论，颗粒增强铝基复合材料的断裂方式有三种：颗粒开裂、铝基体韧窝型断裂、颗粒-基体界面脱开。当复合材料承受外加载荷时，基体通过界面将载荷传递至硬度和弹性模量更高的增强颗粒，通过颗粒分担载荷来提高复合材料的强度；颗粒尺寸越细，复合材料强度越高。但是，当颗粒尺寸小到一定尺寸时，复合材料的塑性和韧性迅速下降。因此必须选取合适种类、尺寸、含量的陶瓷颗粒。除陶瓷颗粒自身性能之外，颗粒的增强增韧效果还受到基体铝合金性能的影响。只有基体铝合金的性能与颗粒的性能实现良好匹配，才能充分发挥颗粒增强和增韧作用。综上所述，要提高泡沫铝的强度和韧性，须在保持泡沫铝良好的发泡特性基础上，对合金成分、合金热处理状态、增强颗粒种类、颗粒含量、颗粒尺寸、颗粒分布均匀性以及颗粒-基体界面状态进行综合优化设计与可控制备。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供了一种高强高韧闭孔泡沫铝及其制备方法。

一种高强高韧闭孔泡沫铝，

(1)泡沫铝的密度为0.4～1g/cm³；

(2)泡沫铝的泡孔平均尺寸为2～5mm；

(3)泡沫铝的孔壁由铝基体以及均匀弥散在其中的增强颗粒构成；其中，增强颗粒与铝基体形成高强度结合的冶金界面。

所述铝基体为纯铝、2xxx系列铝合金、4xxx系列铝合金、6xxx系列铝合金或7xxx系列铝合金；所述增强颗粒为SiC、Al₂O₃、B₄C、AlN或SiO₂。

所述泡沫铝中增强颗粒的体积百分含量为3％～25％。

一种高强高韧闭孔泡沫铝的制备方法，包括以下步骤：

(1)将铝基体粉末和增强颗粒混合，添加相当于铝基体粉末和增强颗粒总质量0.2％～2％的TiH₂颗粒作为发泡剂，混合均匀制成混合粉末；混粉时长为6～24h；

(2)将混合粉末冷压成型制成粗坯；

(3)将冷压粗坯装入铝包套，将铝包套放入除气炉中进行真空热除气；

(4)将真空热除气后带铝包套的粗坯进行热变形加工获得可发泡的预制件；

(5)将可发泡的预制件放入红外加热炉中加热发泡，发泡完成后冷却获得泡沫铝；

(6)将泡沫铝进行固溶处理和时效硬化处理。

步骤(1)中，按照增强颗粒的体积百分含量为3～25％的比例将铝基体粉末和增强颗粒进行混合。添加铝基体粉末和增强颗粒时，可以先将增强颗粒的体积百分含量3％～25％换算为质量百分含量，并计算出所需铝基体粉末的重量，进行称量。

步骤(1)中，铝基体粉的平均粒径为60～70μm，TiH₂颗粒的平均粒径为20～40μm，增强颗粒的种类和平均粒径根据铝合金种类不同，可以在1～20μm范围内选择。强度高、塑性好的铝合金应与硬度高的增强颗粒相匹配，增强颗粒粒径在1～20μm范围内选择；强度高、塑性一般的铝合金应与硬度高的增强颗粒相匹配，增强颗粒粒径在10～20μm范围内选择；强度低、塑性好的铝合金应与硬度适中的增强颗粒相匹配，增强颗粒粒径在1～20μm范围内选择。

步骤(2)中，冷压成型的压力为100～200MPa，保压时间为5～20min，粗坯的相对致密度为70％～85％，相对致密度为实际致密度与理论致密度之比值。

步骤(3)中，真空热除气的温度为380～450℃，除气时间为10～100h，保持真空度为5×10^-1Pa以下。

步骤(4)中，热变形加工为热挤压、热轧制和热锻造中的一种或几种。

步骤(5)中，发泡温度为630～700℃，发泡时间3～12min。

步骤(6)中，固溶温度为490～530℃，固溶时长1～4h；时效温度为150～200℃，时效时长4～12h。

发明原理：合金强化与颗粒强化是铝合金最有效的两种强韧化方式。通过添加铜、镁、硅、锌等合金元素的一种或几种，形成可溶解化合物相，通过后期固溶和时效热处理不仅实现泡沫铝的强化效应，还可以实现泡壁成分均匀化和消除泡壁凝固缺陷的功能，改善泡沫铝的塑性和韧性。另一方面，通过添加增强颗粒，对合金组分和增强颗粒的性能匹配性进行专门设计，以获得最佳的颗粒强韧化效应。此外，添加增强颗粒还可以调控合金熔体的表面张力和黏度，抑制泡孔破裂与合并，提升孔结构的均匀性和完整性，进一步提高泡沫铝的强度和韧性。

本发明的高强高韧泡沫铝正是通过采用上述粉末冶金预制件发泡的方法制备获得。首先，采用粉末冶金法制备可发泡的预制体，即颗粒增强铝基复合材料，具有突出的技术优势。粉末冶金几乎适用于所有铝合金体系以及铝基复合材料发泡预制件的制备，不受到材料体系限制，为泡沫铝的合金强化和颗粒强化提供了理想的技术途径。其次，颗粒分布均匀性以及颗粒-基体界面结合状态很大程度上决定了颗粒的增强和增韧效果。通过预先混粉可以初步实现颗粒均匀分布。通过热变形加工方法同时实现三种功能：(1)粗坯致密化，消除孔隙缺陷；(2)热变形加工中的剪切变形可促进增强颗粒重排和分布均匀化；(3)大塑性变形有助于铝基体与增强颗粒实现高强度结合的冶金界面，从而改善发泡过程中增强颗粒与融熔铝基体的润湿性，减少颗粒偏聚，有助于获得颗粒分布均匀的泡沫铝。热变形加工同样可以改善发泡剂颗粒与铝基体的界面结合，从而在发泡初期推动气泡在铝基体熔体中的均匀形核，有助于获得孔结构均匀的泡沫铝。

本发明的有益效果为：

本发明的高强高韧泡沫铝通过宽范围的合金设计和增强颗粒设计，调控获得发泡特性良好的材料体系，可以控制获得孔结构均匀性和完整性都很好的泡沫铝。采用高模量颗粒增强，可以提高泡沫铝和弹性模量，在密度变化不大的情况下提高泡沫铝的比刚度；此外，还可以提高泡沫铝的耐疲劳性能和耐高温性能。综合利用合金强化和陶瓷颗粒强化技术提高了泡沫铝的强度和韧性。

本发明的制备方法通过使用热变形加工技术，可用于制备泡沫铝板材、棒材、管材以及异型三维零件，大大提升泡沫铝产品近终成型开发技术及产品应用范围。通过该方法的实施，可对泡沫铝的发泡特性和合金组分在大范围内进行综合设计，并控制制备出泡孔完整性好、孔结构均匀、高强度、高韧性和高能量吸收的泡沫铝，且制备方法灵活、可设计性强，几乎适用于所有合金体系泡沫铝的制备，并可根据合金性能任意添加相适应的增强颗粒，可用于定制不同力学性能的泡沫铝，满足各领域的需求。可用于汽车、轨道交通、航天军工领域的轻质支撑结构件或高阻尼减振吸能部件。

附图说明

图1为本发明一种高强高韧闭孔泡沫铝的制备方法工艺流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

以下实施例采用图1所述的工艺流程进行制备泡沫铝。

实施例1

本实施例所制备的泡沫铝的组分为5vol％SiO₂/Al。基体为纯铝粉，纯铝粉的平均粒径为60～70μm；增强颗粒为氧化硅颗粒，颗粒体积百分含量为5％(换算为质量百分含量为4.1％)，增强颗粒平均粒径为1μm。发泡剂氢化钛的质量百分含量为0.5％，平均粒径为20～40μm。称取纯铝粉1918g、氧化硅粉82g和氢化钛粉10g，将全部粉末装入混料机中混合24h。将所得混合粉末装入直径为100m的模具中冷压成型制成粗坯，冷压压力为100MPa，保压15min，粗坯的相对致密度为85％。将粗坯装入铝包套，将铝包套放入除气炉中真空热除气，除气温度450℃，除气时长10h，保持真空度为5×10^-1Pa以下。将真空热除气后带铝包套的粗坯进行热挤压加工获得直径为30mm的可发泡预制棒材，切割制成Φ30mm×8mm的圆片，放入红外加热炉中加热发泡，发泡温度为700℃，发泡时间3min。发泡完成后冷却获得密度为0.65g/cm³的泡沫铝，泡孔的平均尺寸为5mm。泡沫铝的压缩强度为3.5MPa，断裂韧性(KIC)为0.8MPa·m^1/2。

实施例2

本实施例所制备的泡沫铝的组分为10vol％AlN/6061Al。基体为6061铝合金，粉末的平均粒径为60～70μm。增强颗粒为氮化铝颗粒，颗粒体积百分含量为10％(换算为质量百分含量为11.8％)，增强颗粒平均粒径为4μm。发泡剂氢化钛的质量百分含量为0.5％，平均粒径为20～40μm。称取6061铝合金粉1763g、氮化铝粉237g和氢化钛粉10g，将全部粉末装入混料机中混合24h。将所得混合粉末装入直径为100m的模具中冷压成型制成粗坯，冷压压力为100MPa，保压15min，粗坯的相对致密度为82％。将粗坯装入铝包套，将铝包套放入除气炉中真空热除气，除气温度420℃，除气时长10h，保持真空度为5×10^-1Pa以下。将真空热除气后带铝包套的粗坯进行热轧制加工获得厚度为8mm的可发泡预制板材，切割制成100mm×100mm×8mm的方片，放入红外加热炉中加热发泡，发泡温度680℃，发泡时间5min。发泡完成后冷却获得密度为0.7g/cm³的泡沫铝，泡孔的平均尺寸为4mm。将泡沫铝在530℃固溶2h后淬水，之后在180℃人工时效4h。热处理后泡沫铝的压缩强度为10MPa，断裂韧性(KIC)为2.5MPa·m^1/2。

实施例3

本实施例所制备的泡沫铝的组分为25vol％Al₂O₃/4047Al。基体为4047Al合金，粉末的平均粒径为60～70μm。增强颗粒为氧化铝颗粒，颗粒体积百分含量为25％(换算为质量百分含量为32.4％)，增强颗粒平均粒径为20μm。发泡剂氢化钛的质量百分含量为0.2％，平均粒径为20～40μm。称取4047Al合金粉1351g、氧化铝粉649g和氢化钛粉4g，将全部粉末装入混料机中混合24h。将所得混合粉末装入直径为100m的模具中冷压成型制成粗坯，冷压压力为150MPa，保压15min，粗坯的相对致密度为78％。将粗坯装入铝包套，将铝包套放入除气炉中真空热除气，除气温度420℃，除气时长10h，保持真空度为5×10^-1Pa以下。将真空热除气后带铝包套的粗坯进行热锻造加工获得厚度为8mm的可发泡预制板材，切割制成100mm×100mm×8mm的方片，放入红外加热炉中加热发泡，发泡温度650℃，发泡时间7min。发泡完成后冷却获得密度为0.4g/cm³的泡沫铝，泡孔的平均尺寸为4mm。将泡沫铝在505℃固溶2h后淬水，之后在180℃人工时效4h。热处理后泡沫铝的压缩强度为18MPa，断裂韧性(KIC)为2.8MPa·m^1/2。

实施例4

本实施例所制备的泡沫铝的组分为17.5vol％SiC/2024Al。基体为2024Al合金粉，粉末的平均粒径为60～70μm。增强颗粒为碳化硅颗粒，颗粒体积百分含量为17.5％(换算为质量百分含量为20％)，增强颗粒平均粒径为7μm。发泡剂氢化钛的质量百分含量为1.2％，平均粒径为20～40μm。称取2024Al合金粉1598g、碳化硅粉402g和氢化钛粉24g，将全部粉末装入混料机中混合24h。将所得混合粉末装入直径为100m的模具中冷压成型制成粗坯，冷压压力为150MPa，保压15min，粗坯的相对致密度为74％。将粗坯装入铝包套，将铝包套放入除气炉中真空热除气，除气温度420℃，除气时长10h，保持真空度为5×10^-1Pa以下。将真空热除气后带铝包套的粗坯进行热轧制加工获得厚度为8mm的可发泡预制板材，切割制成100mm×100mm×8mm的方片，放入红外加热炉中加热发泡，发泡温度680℃，发泡时间10min。发泡完成后冷却获得密度为0.75g/cm³的泡沫铝，泡孔的平均尺寸为2.8mm。将泡沫铝在515℃固溶2h后淬水，之后在180℃人工时效4h。热处理后泡沫铝的压缩强度为35MPa，断裂韧性(KIC)为8MPa·m^1/2。

实施例5

本实施例所制备的泡沫铝的组分为3vol％B₄C/7075Al。基体为7075Al合金粉，粉末的平均粒径为60～70μm。增强颗粒为碳化硼颗粒，颗粒体积百分含量为3％(换算为质量百分含量为2.8％)，增强颗粒平均粒径为13μm。发泡剂氢化钛的质量百分含量为2％，平均粒径为20～40μm。称取7075Al合金粉1944g、碳化硼粉56g和氢化钛粉40g，将全部粉末装入混料机中混合24h。将所得混合粉末装入直径为100m的模具中冷压成型制成粗坯，冷压压力为200MPa，保压15min，粗坯的相对致密度为70％。将粗坯装入铝包套，将铝包套放入除气炉中真空热除气。除气温度380℃，除气时长10h，保持真空度为5×10^-1Pa以下。将真空热除气后带铝包套的粗坯进行热挤压加工获得直径为30mm的可发泡预制棒材，切割制成Φ30mm×8mm的圆片，放入红外加热炉中加热发泡，发泡温度630℃，发泡时间12min。发泡完成后冷却获得密度为1g/cm³的泡沫铝，泡孔的平均尺寸为2mm。将泡沫铝在490℃固溶2h后淬水，之后在180℃人工时效4h。热处理后泡沫铝的压缩强度为38MPa，断裂韧性(KIC)为4.2MPa·m^1/2。

Claims

1.一种高强高韧闭孔泡沫铝，其特征在于，

(1)泡沫铝的密度为0.4～1g/cm³；

(2)泡沫铝的泡孔平均尺寸为2～5mm；

(3)泡沫铝的孔壁由铝基体以及均匀弥散在其中的增强颗粒构成；其中，增强颗粒与铝基体形成冶金界面。

2.根据权利要求1所述的一种高强高韧闭孔泡沫铝，其特征在于，所述铝基体为纯铝、2xxx系列铝合金、4xxx系列铝合金、6xxx系列铝合金或7xxx系列铝合金；所述增强颗粒为SiC、Al₂O₃、B₄C、AlN或SiO₂。

3.根据权利要求1所述的一种高强高韧闭孔泡沫铝，其特征在于，所述泡沫铝中增强颗粒的体积百分含量为3％～25％。

4.权利要求1-3任一权利要求所述一种高强高韧闭孔泡沫铝的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(2)将混合粉末冷压成型制成粗坯；

(6)将泡沫铝进行固溶处理和时效硬化处理。

5.根据权利要求4所述一种制备方法，其特征在于，步骤(1)中，按照增强颗粒的体积百分含量为3％～25％的比例将铝基体粉末和增强颗粒进行混合。

6.根据权利要求4所述一种制备方法，其特征在于，步骤(1)中，铝基体粉的平均粒径为60～70μm，增强颗粒的平均粒径为1～20μm，TiH₂颗粒的平均粒径为20～40μm。

7.根据权利要求4所述一种制备方法，其特征在于，步骤(2)中，冷压成型的压力为100～200MPa，保压时间为5～20min，粗坯的相对致密度为70％～85％，相对致密度为实际致密度与理论致密度之比值。

8.根据权利要求4所述一种制备方法，其特征在于，步骤(3)中，真空热除气的温度为380～450℃，除气时间为10～100h，保持真空度为5×10^-1Pa以下。

9.根据权利要求4所述一种制备方法，其特征在于，步骤(4)中，热变形加工为热挤压、热轧制和热锻造中的一种或几种。

10.根据权利要求4所述一种制备方法，其特征在于，步骤(5)中，发泡温度为630～700℃，发泡时间3～12min。

11.根据权利要求4所述一种制备方法，其特征在于，步骤(6)中，固溶温度为490～530℃，固溶时长1～4h；时效温度150～200℃，时效时长4～12h。