CN106148747B - 吹气法制备泡沫铝装置及泡沫铝的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种吹气法制备泡沫铝装置，包括吹气管、吹气头、直流振动电机及限动板，该吹气管包括水平段和与水平段相连的竖直段，该水平段包括进气端，该竖直段包括出气端，该出气端与该吹气头连接，该吹气管为悬臂梁结构，该进气端为该悬臂梁结构的固定端，该出气端为该悬臂梁结构的自由端，该直流振动电机和该限动板固定设置在该吹气管的水平段，并且，该直流振动电机设置在该固定端和该限动板之间，该限动板能够限制该吹气管在竖直方向的运动。本发明还涉及一种泡沫铝的制备方法。

Description

吹气法制备泡沫铝装置及泡沫铝的制备方法
技术领域
本发明涉及一种泡沫铝的制备装置及泡沫铝的制备方法，尤其涉及一种吹气法制备泡沫铝装置及泡沫铝的制备方法。
背景技术
泡沫铝具有密度低、高比强度、隔音、吸音、减震、高的能量吸收性能、保温、隔热等综合特性，在铁路客车、军事、建筑、汽车、装饰、航天、航空、船舶等领域都有巨大的市场应用潜力。泡沫铝从气孔结构来看可以分为开孔泡沫铝和闭孔泡沫铝，其中闭孔泡沫铝的应用更为广泛。闭孔泡沫铝的制备方法主要有熔体吹气法、熔体发泡法、粉末压实熔化发泡法等。当泡沫铝的泡孔尺寸减小后，泡孔会趋向于球形，结构更为均匀；小孔径泡沫铝的液膜面积减小从而使得液膜稳定性增加，泡孔更为稳定，在热加工过程中更易流动和变形，有利于泡沫铝的二次加工；其力学性能也会大幅提升；在成型过程中出现的泡孔坍塌现象也会得到改善，有利于发泡高度的增大，从而能够制备出大块泡沫铝，进一步推动泡沫铝的产业化。因而，小孔径特别是气孔尺寸小于5mm的泡沫铝的制备方法及制备装置是目前吹气法制备泡沫铝发展的一个重要方向。
熔体吹气法工艺是通过吹气头将气体(一般为氧化性气体)直接注入含有陶瓷颗粒的液态铝或铝合金中，历经气泡的形成、上浮、堆积和冷凝过程，最终收集成型制备得到泡沫铝的方法。相较于其他制备工艺，吹气法具有成本低、可连续性生产的优点。然而，吹气法制备的泡沫铝存在力学性能不够高、加工方式需拓展等问题，解决方式是制备小孔径的泡沫铝。
吹气法制备泡沫铝最初是由加拿大Alcan公司和挪威Hydro公司在20世纪90年代初分别独立提出，都是旋转喷吹法，即通过吹气头的旋转实现气体的分散，后来Alcan又提出了通过吹气头往复运动来分散气泡的方法(美国专利US5334236)。然而，旋转吹气头和传统的往复运动吹气头对于熔体扰动较大，气泡脱离条件差异较大，制备的泡沫铝泡孔均匀度较差。
N.Babcsan等人开发了利用超声振动制备吹气法泡沫铝的方法，先利用超声处理在铝熔体中分散超细颗粒，再采用超声振动分散进入熔体中的气体，泡沫铝的孔径可以降到亚毫米范围内，但Babcsan并没有公布相应技术细节，且超声振动法的成本也相对较高。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种吹气法制备泡沫铝装置，能够在成本较低的条件下制备出泡孔尺寸较小，且具有较好均匀度的泡沫铝。
一种吹气法制备泡沫铝装置，包括吹气管、吹气头、直流振动电机及限动板，该吹气管包括水平段和与水平段相连的竖直段，该水平段包括进气端，该竖直段包括出气端，该出气端与该吹气头连接，该吹气管为悬臂梁结构，该进气端为该悬臂梁结构的固定端，该出气端为该悬臂梁结构的自由端，该直流振动电机和该限动板固定设置在该吹气管的水平段，并且，该直流振动电机设置在该固定端和该限动板之间，该限动板能够限制该吹气管在竖直方向的运动。
一种泡沫铝的制备方法，包括以下步骤：提供增粘的金属铝或铝合金熔体；以及将吹气头插入该增粘的金属铝或铝合金熔体中，在吹气的同时使该吹气头做水平简谐振动。
与现有技术相比较，本发明提出的吹气法制备泡沫铝装置及泡沫铝的制备方法利用非常简单的方式使吹气头能够进行高频水平简谐振动，由于利用了吹气管竖直段对于振动的放大作用，实现了一般机械振动难以达到的高频率且高振幅的要求，成功制备出孔径较小的泡沫铝，且直流振动电机的成本相对于超声振动装置非常低廉。
附图说明
图1是本发明实施例的吹气法制备泡沫铝装置的组成示意图。
图2是沿图1中B方向的本发明实施例的吹气法制备泡沫铝装置的吹气头的振动形式示意图。
图3是吹气头在没有施加振动时，采用高速摄像装置获得的水模拟的气泡照片。
图4是与图3相同的吹气头在施加振动时，采用高速摄像装置获得的水模拟的气泡情况照片。
图5是利用本发明实施例的吹气法制备泡沫铝装置对于泡沫铝泡孔尺寸的减小情况。
图6是利用本发明实施例的吹气法制备泡沫铝装置制备的1mm左右孔径的吹气法泡沫铝光学照片。
具体实施方式
以下将结合附图详细说明本发明实施例吹气法制备泡沫铝装置及泡沫铝的制备方法。
请参阅图1，本发明实施例提供一种吹气法制备泡沫铝装置100，包括吹气管10、吹气头20、直流振动电机30及限动板40。该吹气管10包括水平段14和与水平段相连的竖直段16。该水平段14的一端为进气端12，另一端与竖直段16连接。该竖直段16的一端与水平段14连接，另一端为出气端18。该出气端18与吹气头20连接。该水平段14、竖直段16及吹气头20中形成气体连通，气体从进气端12进入该吹气管10，从水平段14流向竖直段16，并从该出气端18进入该吹气头20，最终从该吹气头20溢出。该水平段14的进气端12为固定端，该竖直段16的出气端18为自由端，使该吹气管10整体形成悬臂梁结构，能够将该直流振动电机30产生的水平方向的振动充分传递到吹气头20。该直流振动电机30和限动板40固定设置在该吹气管10的水平段14，并且，该直流振动电机30设置在该进气端12(即该固定端)和该限动板40之间，该限动板40能够限制该吹气管10在竖直方向的运动。该吹气管10可以为刚性管状结构，该水平段14和竖直段16可以为一体结构。
该直流振动电机30包括与吹气管10的水平段14固定连接的壳体、相对于壳体转动的转轴及设置在转轴端部的偏心块，通过转轴及偏心块高速旋转使直流振动电机30受到离心力的作用。由于该直流振动电机30固定设置在吹气管10的水平段14，水平段14也因此受到离心力作用，而发生振动。该直流振动电机30的转轴优选与吹气管10的水平段14的长度方向平行。该直流振动电机30的额定功率优选为20～500W，额定电压优选为3～24V，转速范围优选为1000～9000转/分钟(r/min)。
该限动板40为板形结构，固定在该水平段14上。由于该限动板40具有足够的尺寸和重量，且水平设置，从而能够抑制该吹气管10在竖直方向上的振动。该限动板40优选为水平设置在该水平段14上。在其他实施例中，该限动板40可以与水平呈小于90度的角度，但应在水平方向具有足够的投影面积，以抑制吹气管10在竖直方向上的振动。在优选的实施例中，该限动板40为钢板，该钢板在水平方向的投影面积约为(150～300mm)×(80～120mm)，厚度约为2～5mm，质量约为190～1400g。该钢板水平的焊接在该水平段14上，当该直流振动电机30的额定功率为20W，该钢板在水平方向的投影面积约为150mm×80mm，厚度约为2mm，质量约为190g。
该直流振动电机30与该限动板40共同配合使该吹气头20水平简谐振动，振幅为0～6mm，振动频率为0～160Hz。由于该直流振动电机30固定设置在该吹气管10的水平段14上，当不设置该限动板40时，由于该水平段14的一端固定，为悬臂梁结构，该直流振动电机30产生的离心力将带动该水平段14的自由端沿圆形轨迹运动。由于该限动板40限制了吹气管10在竖直方向的运动，并且该自由端沿圆形轨迹运动在水平方向的投影为简谐振动形式，因此，当设置该限动板40后，该水平段14的自由端转变为水平简谐振动。请参阅图2，经过吹气管10的竖直段16的放大，在吹气头20处产生具有较大振幅的高频水平简谐振动。该适合发泡的熔体200置于容器210，例如是耐热坩埚中。该吹气头20没入该适合发泡的熔体200中，优选的，该竖直段16的出气端18插入该适合发泡的熔体200中。该竖直段16的长度较大，例如大于20cm，该吹气头20振幅相对于竖直段16的长度较小。通过调整吹气管10竖直段16的长度和直流振动电机30的转速，使得吹气头20处的振幅为0～6mm，振动频率为0～160Hz，更优选的，使吹气头20处的振幅为2～4mm，振动频率为110～150Hz。该吹气管10的水平段14的长度可以根据进气端12与容器210的距离而定。该吹气管10的水平段14的长度优选为30～50cm，竖直段16的长度优选为30～50cm。
该吹气法制备泡沫铝装置100可进一步包括直流电机调速器50。该直流电机调速器50能够调节该直流振动电机30的转速，从而改变该水平简谐振动的振动频率。该直流电机调速器50的额定电压优选为6～30V。
该进气端12用于进气，该气体优选为压缩空气。例如该进气端12可以与压缩空气气路300连接。
该吹气头20的内径优选为0.3～1mm，壁厚优选为30～50μm，该吹气头20的材料为金属材料或无机非金属陶瓷材料，优选为陶瓷或不锈钢。在一实施例中，该吹气头20为不锈钢吹气头，为防止铝液对不锈钢的腐蚀，提高吹气头20的使用寿命，该吹气头20可进一步包括涂覆在不锈钢材料外部耐铝液腐蚀的氧化锌涂料。该吹气头20管口的朝向不限，优选为竖直向上。在优选的实施例中，该吹气管10可进一步包括过渡段17，通过该过渡段17连接该竖直段16与该吹气头10，该过渡段17水平设置，使该吹气头20管口能够竖直向上。
本发明实施例还提供一种泡沫铝的制备方法，包括以下步骤：提供适合发泡的熔体200；以及将吹气头20插入该适合发泡的熔体200中，在吹气的同时使该吹气头20做水平简谐振动。
该适合发泡的熔体200为增粘的金属铝或铝合金熔体，该增粘的金属铝或铝合金熔体包括用于增粘的金属铝或铝合金熔体及分散在该金属铝或铝合金熔体中的陶瓷颗粒。该增粘的金属铝或铝合金熔体是通过将用于增粘的陶瓷颗粒在金属铝或铝合金熔体中均匀分散得到。在优选的实施例中，该适合发泡的熔体是将8～15vol％(体积百分数)的3～15μm粒径的氧化铝(Al2O3)颗粒在650～750℃的铝合金熔体中均匀机械搅拌分散而得到。
该吹气法制备泡沫铝装置100，利用直流振动电机30使吹气头20产生高频水平简谐振动，这种水平简谐振动使得气泡的脱离条件尽可能接近一致。同时，小的吹气头20尺寸也减小了吹气头20对于熔体的扰动，从而能够制备出在一定尺寸范围内的小孔径泡沫铝。
与现有技术相比较，本发明实施例提出的吹气法制备泡沫铝装置100利用非常简单的方式得到了吹气头20处的高频水平简谐振动，并极大地减小了吹气头20的尺寸，成功制备出1mm孔径的泡沫铝。由于利用了竖直段16对于振动的放大作用，实现了一般机械振动难以达到的高频率且高振幅的要求，且直流振动电机10的成本相对于超声振动装置非常低廉。只有吹气头20和靠近吹气头20的部分吹气管10做大幅振动，而吹气头20尺寸较小，这既有利于气泡尺寸的减小，也极大降低了吹气头20运动对于熔体的扰动，从而与其他动态方法相比气泡尺寸受液体影响小，可以制得泡孔尺寸相对均匀可控的泡沫铝。
实施例1
为便于分析气泡的形成过程并更好地直观观察本发明实施例吹气法制备泡沫铝装置100对于液体中气泡尺寸的减小效果，在水溶液中进行对比实验，采用高速摄像机记录吹气发泡过程。请参阅图3，首先在静态下进行吹气实验，该吹气法制备泡沫铝装置100的直流振动电机30关闭，从而不产生振动。压缩气体经由静止的吹气头20吹入含有表面活性剂的水溶液中，气体流量为20ml/min。从图3可以看出，此时气泡的形成时间约为31ms。此时气泡的形成过程可分为膨胀和脱离阶段，气泡沿竖直方向脱离。请参阅图4，接下来在振动条件下进行吹起实验，该吹气法制备泡沫铝装置100的直流振动电机30开启，使吹气头20产生高频水平振动。压缩气体经由振动的吹气头20吹入含有表面活性剂的水溶液中，气体流量依然是20ml/min，振动频率为38.5Hz，振幅是4mm。从图4可以看出，在本发明实施例吹气法制备泡沫铝装置100提供的高频水平振动条件下，在相同流量下，气泡的形成时间由31ms缩小到3ms，约为静态条件下的十分之一，因而气泡尺寸也被极大地减小。通过使吹气头20高频水平振动，气泡在水平力的作用下相对吹气头20有水平方向的速度，气泡最终会沿水平方向脱离，这使气泡形成时间被极大缩短，气泡尺寸得到减小。因此，本发明吹气法制备泡沫铝装置100可以有效减小液体中的气泡尺寸。
实施例2
在700℃的A356熔体中添加经400℃预热两小时粒径约10μm的Al2O3颗粒，制备成适合发泡的熔体200。Al2O3颗粒总的添加量约为10vol.％，在机械搅拌下将加入的Al2O3颗粒搅拌分散均匀。然后在熔体温度为680℃时通过本发明实施例的吹气法制备泡沫铝装置100吹入压缩空气，并在吹气发泡过程中对吹气头10处施加振动，通过直流电机调速器50改变直流振动电机30的转速，以得到不同频率和振幅的振动状况。请参阅图5，在静态下泡沫铝的泡孔尺寸为10mm左右(此时吹气头10的振动频率为0Hz，振幅为0mm)；调节直流电机调速器50，使得直流振动电机30的输出转速比为100％，此时转速达到7000r/min左右，吹气头10的振动频率约为110Hz，振幅约为2mm，气泡尺寸减小到约为4mm。随后，调节直流电机调速器50，逐渐降低直流振动电机30的转速，即从7000r/min降低到约4000r/min时，泡沫铝泡孔尺寸随着振动频率和振幅的降低而增大，从约4mm逐渐增大到约为8mm。在转速比为44％，即转速约为3420r/min左右时系统达到共振点，此时吹气头10的振动频率为57Hz，振幅为4mm。由于振幅的突然增加，气泡尺寸又减小到100％转速比时的尺寸，即4mm左右。因而，采用本发明提出的高频水平振动系统可以显著降低吹气法泡沫铝的尺寸，且泡孔尺寸随着振动频率和振幅的降低而增大，频率与振幅均可独立影响泡孔尺寸的变化。
实施例3
请参阅图6，在700℃的A356熔体中添加经400℃预热两小时粒径约为10μm的Al2O3颗粒，制备成适合发泡的熔体200。Al2O3颗粒总的添加量约为10vol.％，在机械搅拌下将加入的Al2O3颗粒搅拌分散均匀。然后在熔体温度为680℃时通过本发明实施例的吹气法制备泡沫铝装置100吹入压缩空气，并在吹气发泡过程中对吹气头10施加振动，得到较为均匀的直径约1mm泡孔的泡沫铝试样，此时吹气头10的振动频率约为160Hz，振幅约为2.3mm左右。可以看到，当泡孔尺寸减小到1mm左右时，泡孔的圆整度和均匀度都非常好。

Claims (9)

1.一种吹气法制备泡沫铝装置，包括吹气管和吹气头，其特征在于，进一步包括直流振动电机及限动板，该吹气管包括水平段和与水平段相连的竖直段，该水平段包括进气端，该竖直段包括出气端，该出气端与该吹气头连接，该吹气管为悬臂梁结构，该进气端为该悬臂梁结构的固定端，该出气端为该悬臂梁结构的自由端，该直流振动电机和该限动板固定设置在该吹气管的水平段，并且，该直流振动电机设置在该固定端和该限动板之间，该限动板能够限制该吹气管在竖直方向的运动，该直流振动电机与该限动板共同配合使该吹气头水平简谐振动，振幅大于0且小于或等于6mm，振动频率大于0且小于或等于160Hz。
2.如权利要求1所述的吹气法制备泡沫铝装置，其特征在于，该直流振动电机的转速为1000～9000r/min。
3.如权利要求1所述的吹气法制备泡沫铝装置，其特征在于，该限动板为板形结构，在该水平段上水平设置。
4.如权利要求1所述的吹气法制备泡沫铝装置，其特征在于，该限动板在水平方向的投影面积为(150～300mm)×(80～120mm)，质量为190～1400g。
5.如权利要求1所述的吹气法制备泡沫铝装置，其特征在于，该竖直段的长度为30～50cm。
6.如权利要求1所述的吹气法制备泡沫铝装置，其特征在于，进一步包括直流电机调速器，该直流电机调速器能够调节该直流振动电机的转速。
7.如权利要求1所述的吹气法制备泡沫铝装置，其特征在于，该吹气头的内径为0.3～1mm，壁厚为30～50μm，吹气头的材料为金属材料或无机非金属陶瓷材料。
8.如权利要求1所述的吹气法制备泡沫铝装置，其特征在于，该吹气管竖直段的长度能够使该吹气头在水平方向的简谐振动的振幅为2～4mm，该直流振动电机的转速能够使该吹气头在水平方向的简谐振动的振动频率为110～150Hz。
9.一种泡沫铝的制备方法，使用如权利要求1至8中任一项所述的吹气法制备泡沫铝装置，并包括以下步骤：
提供增粘的金属铝或铝合金熔体；以及
将吹气头插入该增粘的金属铝或铝合金熔体中，在吹气的同时使该吹气头做水平简谐振动。
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