CN106583739B - 一种具有梯度界面的泡沫铝夹心板的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有梯度界面的泡沫铝夹心板及其制造方法，属于多孔金属材料及层状复合材料技术领域。首先将铝粉或铝合金粉与发泡剂氢化钛粉均匀混合得到混合粉末，再将下面板合金粉末、混合粉末和上面板合金粉末依次装入钢模具中，三种粉体呈层状分布，然后置于热压机中热压致密化获得可发泡的夹心板预制件，最后预制件加热发泡，获得具有梯度界面的泡沫铝夹心板。该方法在一道工序内同时完成泡沫铝预制件的致密化和泡沫铝与面板的复合过程，工艺流程短，制造成本低；且无须使用市售金属板材，选材与设计空间宽广；本发明制备的梯度界面的泡沫铝夹心板有望在汽车、轨道列车、建筑、电子和国防军工领域取得广泛应用。

Description

一种具有梯度界面的泡沫铝夹心板的制造方法
技术领域
本发明属于多孔金属材料及层状复合材料技术领域，特别涉及一种具有梯度界面的泡沫铝夹心板及其制造方法。
背景技术
泡沫铝夹心板是由泡沫铝芯层和致密金属面板复合制成的一类层状多孔金属材料。泡沫铝夹心板具有低比重、高比刚度、抗冲击、振动阻尼性能好以及电磁屏蔽等优异的综合性能，因此在汽车、轨道列车、建筑、电子和国防军工领域具有广阔的应用前景，可满足各领域对材料提出的轻量化和多功能化的迫切需求。泡沫铝夹心板常用的制备方法有：泡沫铝与面板胶粘复合工艺、泡沫铝与面板钎焊复合工艺、粉末冶金泡沫铝预制件与金属板(或金属管)轧制复合并发泡成型的工艺。前两种技术属于后复合工艺，可选用任意方式生产的泡沫铝材进行复合。后一种工艺属于原位复合工艺，是基于粉末冶金发泡工艺，将铝粉与发泡剂粉末的混合粉末装入金属管或金属包套中轧制成可发泡预制件板，然后加热发泡得到泡沫铝夹心板(CN101905326B，CN1189315C)；也可将混合粉末预紧实制成预制件板，与金属面板热压复合，加热发泡制成泡沫铝夹心板(CN102390135B)。
上述几种技术显著的共同特点是：(1)须使用金属板或金属管，一般使用市售成品板材或管材，选材受到市场限制；(2)面板与泡沫铝芯层的界面结合依赖于复合工艺，获得高强度结合具有较大的工艺难度；(3)多数情况下面板与泡沫铝的成份不一致，在应用过程中存在持续的机械载荷或热载荷时泡沫-面板界面容易产生应力集中，严重时导致夹心板破坏，缩短夹芯板的使用寿命；(4) 复合前一般需要对界面进行清洁处理，工序较为复杂，也增加了制造成本。制造面板-泡沫层间界面成分连续过渡的可发泡的夹心板预制件是进一步提高泡沫- 面板结合质量、提高夹心板使用寿命、缩短制造工序流程和降低成本的有效技术途径。
在传统颗粒增强或纤维增强金属基复合材料中，为了最大程度发挥高强度高模量颗粒或纤维的强化作用，载荷应当在增强相与基体之间实现良好的传递，界面应具备较高的结合强度，避免脱开破坏。泡沫铝夹心板是由泡沫铝和致密金属板制成的层状复合材料，与金属基复合材料相似，层间界面也是主导复合材料性能的关键要素之一。当夹心板受到外加机械载荷时，载荷通过界面在面板与泡沫铝之间传递，从而最大程度地发挥泡沫铝的比刚度和比强度优势。采用现有技术制造的泡沫铝夹心板都存在明显的界面，界面两侧结构与成分不连续，当施加机械载荷时界面应力不均匀或应力集中，容易造成界面脱粘或者界面附近泡沫铝的剪切和撕裂破坏。本发明的泡沫铝夹心板具有梯度界面结构，在面板过渡至泡沫铝的界面区域内泡孔的数量逐渐增加，尺寸逐渐增大，成分和结构都呈现连续过渡。这种过度界面可以有效传递载荷，而避免界面应力集中造成界面脱粘或界面附近泡沫铝发生过早失效，因此夹心板具有更高的服役寿命。
发明内容
本发明针对现有泡沫铝夹心板的不足，提供了一种具有梯度界面的泡沫铝夹心板及其制备方法，该泡沫铝夹心板由上下两层金属面板和中间的泡沫铝芯层构成，泡沫铝的基材为纯铝或铝合金，面板为铝、铝合金、钢、钛、钛合金中的一种，面板与泡沫芯层之间不存在清晰界面，为一定厚度的梯度界面区域，该界面区域内成分和结构连续过渡。
所述泡沫铝夹心板的厚度为10.6mm～92mm，泡沫铝芯层的厚度为 9mm～80mm，单侧面板的厚度为0.8mm～6mm。
一种具有梯度界面的泡沫铝夹心板的制造方法，包括如下步骤：
(1)铝粉或铝合金粉与发泡剂氢化钛粉在混料机上混合制成混合粉末，混料时长为8～24小时，其中，铝粉或铝合金粉的质量分数为98％～99.5％，氢化钛粉的质量百分数为0.5％～2％；
(2)根据泡沫铝夹心板的成分设计和结构设计，按照下述公式分别计算面板、泡沫铝芯层分别占据夹心板的质量分数：
m面％＝D面×ρ面/(D面×ρ面+D芯×ρ芯)
m芯％＝D芯×ρ芯/(D面×ρ面+D芯×ρ芯)
其中：m％、D和ρ分别为质量分数、厚度和密度，“面”和“芯”分别代表面板和泡沫芯层；按照计算的质量分数分别称取相应重量的面板合金粉末和泡沫铝芯层的混合粉末；
(3)将称取的下面板合金粉末、混合粉末和上面板合金粉末依次顺序装入预先加工和组装好的钢模具中，使得三种粉体呈层状分布，每装入一种粉末使用钢压头将粉末预压后再装入下一种粉末，其中，粉末装填的相对密度为50％～60％ (相对密度为实际密度与理论密度之比值)；
(4)将装填粉末后的钢模具置于热压机中热压致密化，热压后去除钢模具获得可发泡的夹心板预制件，其中，预制件的相对密度均不低于98％；
(5)步骤(4)得到的可发泡的夹心板预制件进行二次加工提高质量和改变外形尺寸，保持其梯度界面特征不变；
(6)将步骤(4)得到的预制件或步骤(5)二次加工的预制件放入已预先加热好的加热炉中加热发泡，芯层充分发泡膨胀，面板保持不变，发泡完成后冷却获得具有梯度界面的泡沫铝夹心板。
进一步地，步骤(4)中，所述热压温度为300～500℃，保温时间为30～120 分钟，热压压力为20～80MPa。
进一步地，步骤(6)中，所述发泡温度为645～700℃，发泡时间5～15分钟。
本发明基于粉末冶金技术，采用粉末铺层装填方法制成层状粉末紧实件，粉末紧实件的相对致密度为50～60％，即粉末中还存在40～50％的连通孔。在热压致密化过程中，粉末体的内部发生颗粒之间的剪切与相对滑动、颗粒的重排和挤压变形，从而消除孔隙、实现致密化，此后发生颗粒烧结，实现颗粒间的冶金结合。在粉末体的层间界面，颗粒紧实作用造成面板合金粉末和混合粉末的颗粒在层间相互渗透和扩散，形成具有微观互穿网状结构、成分连续过渡的界面区域，初步形成具有梯度界面的夹心板预制件。在加热发泡过程中，芯层发泡膨胀形成泡沫铝层，面板保持不变。界面区域内成分接近面板的微区域不发生变化，成分接近泡沫铝的微区域发泡膨胀，使得界面区域厚度增加；但受到周围面板微区域的刚性限制作用，其膨胀率相对泡沫铝芯层较低，形成的气孔尺寸较小，数量较少。界面区域从面板侧开始，成分由面板逐渐过渡至泡沫铝，气孔数量逐渐增加，气孔尺寸逐渐增大，构成了梯度界面。
本发明的有益效果：
(1)本发明的泡沫铝夹心板的层间不存在清晰界面，而代之以一定宽度的梯度界面区域，在该区域内成分和结构连续过渡，面板与泡沫铝结合质量高，可以最大程度地发挥泡沫铝的独特性能和层状结构的综合优势，延长泡沫铝夹心板的使用寿命；
(2)本发明的制造方法由于将泡沫铝与面板的复合工序和预制件紧实成形工序合二为一，而且不需要进行表面清洁处理，大大缩短了工序流程，降低了制造成本；
(3)本发明的制造方法无须使用市售成品金属板材，选材范围更宽，材料设计空间十分宽广；
(4)本发明的制造方法生产的可发泡的夹心板预制件适用于轧制、切割、机械加工等二次加工方法，可灵活改变夹心板的外观和外形尺寸，获得多种形式的产品，产品均保持梯度界面特征。
附图说明
图1为泡沫铝夹心板预制件的粉末装填示意图；
图2为具有梯度界面的泡沫铝夹心板的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种具有梯度界面的泡沫铝夹心板及其制造方法，下面结合附图和实施例对被发明做进一步说明。
图1为泡沫铝夹心板预制件的粉末装填示意图，该模具由钢模具1、下压头 2、上压头3、石墨垫4组成，其中，压头与面板合金粉末之间有一层石墨垫4；装填粉末时，在模具内依次装入下面板合金粉末5、混合粉末6和上面板合金粉末7，每装入一种粉末使用钢压头将粉末预压后再装入下一种粉末。
图2具有梯度界面的泡沫铝夹心板的结构示意图，由上面板101、梯度界面 103、泡沫铝芯层104、下面板102组成，在面板过渡至泡沫铝的界面区域内泡孔的数量逐渐增加，尺寸逐渐增大，成分和结构都呈现连续过渡。
实施例1
制备总厚度为29mm、面板厚度2.5mm、泡沫铝芯层厚度24mm的泡沫铝夹心板的工艺过程如下：
(1)称取粒度为150目的Al-11Si合金粉末139.3g(密度为2.65g/cm3)，粒度为325目的氢化钛粉末0.7g，使得氢化钛粉末和铝合金粉末的质量分数分别为 0.5wt％和99.5％)，全部装入酒桶型混料罐中，在混料机上混合8小时，制成混合粉末；
(2)分别称取两份粒度为150目的3003Al合金粉各90g(密度为2.73g/cm3)，粉末总重量(即夹心板样品总重量)320g；
(3)采用耐热不锈钢加工制成图1所示的模具，模具内腔尺寸为55mm(宽) ×200mm(长)×150mm(高)，在钢模具中依次顺序装入3003Al合金粉90g、混合粉末140g和3003Al合金粉90g，每装入一种粉末后使用钢压头将粉末预压，使得三层粉体的厚度分别达到5mm、8mm、5mm，粉体的相对密度为60％；
(4)将装填粉末后的钢模具置于热压机中，先升温至300℃，保温30分钟后加压压制，压力为60MPa，热压后去除钢模具得到总厚度为10.8mm、面板和芯层分别为3mm和4.8mm的坯料，坯料的相对密度100％；
(5)将热压后的夹心板预制件两面进行铣削加工使得面板的平整度提高，再经过抛光加工，得到镜面外观；
(6)将夹心板预制件放入预先加热至645℃的箱式电阻炉中，加热7分钟后从炉中取出，得到总厚度为29mm、面板厚度2.5mm、泡沫铝芯层厚度24mm 的泡沫铝夹心板，泡沫铝的孔隙率为80％。
实施例2
制备总厚度为10.6mm、面板厚度0.8mm、泡沫铝芯层厚度9mm的泡沫铝夹心板的工艺过程如下：
(1)称取粒度为150目的Al-10Si-0.5Mg合金粉末261.1g(密度为 2.65g/cm3)，粒度为325目的氢化钛粉末1.3g，使得氢化钛粉末和铝合金粉末的质量分数分别为0.5wt％和99.5％)，全部装入酒桶型混料罐中，在混料机上混合 8小时，制成混合粉末；
(2)分别称取两份粒度为150目的纯铝粉各118.8g(密度为2.7g/cm3)。粉末总重量(即夹心板样品总重量)500g；
(3)采用耐热不锈钢加工制成图1所示的模具，模具内腔尺寸为55mm(宽) ×200mm(长)×150mm(高)，在钢模具中依次顺序装入纯铝粉末118.8g、混合粉末262.4g和纯铝粉末118.8g，每装入一种粉末后使用钢压头将粉末预压，使得三层粉体的厚度分别达到6.7mm、15mm、6.7mm，粉体的相对密度为60％左右；
(4)将装填粉末后的钢模具置于热压机中，先升温至300℃，保温30分钟后加压压制，压力为20MPa。热压后去除钢模具得到总厚度为17mm、面板和芯层分别为4mm和9mm的坯料，坯料的相对密度100％；
(5)将热压后的坯料马上进行轧制加工，轧制总变形量80％，获得总厚度为3.4mm、面板厚度0.8mm、芯层厚度1.8mm、宽度55mm、长度1000mm的夹心板预制件；
(6)将夹心板预制件放入预先加热至645℃的箱式电阻炉中，加热5分钟后从炉中取出，得到总厚度为10.6mm、面板厚度0.8mm、泡沫铝芯层厚度9mm 的泡沫铝夹心板，泡沫铝的孔隙率为80％。
实施例3
制备总厚度为40mm、面板厚度3mm、泡沫铝芯层厚度34mm的泡沫铝夹心板的工艺过程如下：
(1)称取粒度为150目的6061Al合金粉末400g(密度为2.7g/cm3)，粒度为325目的氢化钛粉末4g，使得氢化钛粉末和铝合金粉末的质量分数分别为 1.0wt％和99％)，全部装入酒桶型混料罐中，在混料机上混合16小时，制成混合粉末；
(2)分别称取两份粒度为150目的Ti-6Al-4V合金粉各292g(密度为 4.43g/cm3)。粉末总重量(即夹心板样品总重量)988g；
(3)采用耐热不锈钢加工制成图1所示的模具，模具内腔尺寸为55mm(宽) ×200mm(长)×150mm(高)，在钢模具中依次顺序装入Ti-6Al-4V合金粉292g、混合粉末404g和Ti-6Al-4V合金粉末292g，每装入一种粉末后使用钢压头将粉末预压，使得三层粉体的厚度分别达到11mm、25mm、11mm，粉体的相对密度为54％左右；
(4)将装填粉末后的钢模具置于热压机中，先升温至500℃，保温60分钟后加压压制，压力为80MPa。热压后去除钢模具得到总厚度为25.6mm、面板和芯层分别为6mm和13.6mm的坯料。坯料的相对密度99％；
(5)将热压后的坯料置于箱式炉中，在400℃保温1小时，随后进行轧制加工，轧制总变形量50％，获得总厚度为12.8mm、面板厚度3mm、芯层厚度 6.8mm、宽度55mm、长度400mm的夹心板预制件；
(6)将夹心板预制件放入预先加热至680℃的箱式电阻炉中，加热9分钟后从炉中取出，得到总厚度为40mm、面板厚度3mm、泡沫铝芯层厚度34mm 的泡沫铝夹心板，泡沫铝的孔隙率为80％。
实施例4
制备总厚度为92mm、面板厚度6mm、泡沫铝芯层厚度80mm的泡沫铝夹心板的工艺过程如下：
(1)称取粒度为150目的纯铝粉665.5g(密度为2.7g/cm3)，粒度为325目的氢化钛粉末13.5g，使得氢化钛粉末和铝合金粉末的质量分数分别为2.0wt％和 98％)，全部装入酒桶型混料罐中，在混料机上混合24小时，制成混合粉末；
(2)分别称取两份粒度为150目的304不锈钢合金粉各748g(密度为 7.93g/cm3)。粉末总重量(即夹心板样品总重量)2175g。
(3)采用耐热不锈钢加工制成图1所示的模具，模具内腔尺寸为55mm(宽) ×200mm(长)×150mm(高)，在钢模具中依次顺序装入304不锈钢合金粉748g、混合粉末679g和304不锈钢合金粉748g，每装入一种粉末后使用钢压头将粉末预压，使得三层粉体的厚度分别达到17mm、46mm、17mm，粉体的相对密度为 50％左右；
(4)将装填粉末后的钢模具置于热压机中，先升温至500℃，保温120分钟后加压压制，压力为100MPa。热压后去除钢模具得到总厚度为40mm、面板和芯层分别为8.6mm和22.8mm的坯料。坯料的相对密度98％；
(5)将热压后的坯料置于箱式炉中，在400℃保温2小时，随后进行轧制加工，轧制总变形量30％，获得总厚度为28mm、面板厚度6mm、芯层厚度16mm、宽度55mm、长度285mm的夹心板预制件；
(6)将夹心板预制件放入预先加热至700℃的箱式电阻炉中，加热15分钟后从炉中取出，得到总厚度为92mm、面板厚度6mm、泡沫铝芯层厚度80mm 的泡沫铝夹心板，泡沫铝的孔隙率为80％。

Claims (3)

1.一种具有梯度界面的泡沫铝夹心板的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)铝粉或铝合金粉与发泡剂氢化钛粉在混料机上混合制成混合粉末，混料时长为8～24小时，其中，铝粉或铝合金粉占混合粉末的质量分数为98％～99.5％，氢化钛粉占混合粉末的质量百分数为0.5％～2％；
(2)按照泡沫铝夹心板的成分设计和结构设计，计算得到上面板、泡沫铝芯层和下面板分别占据夹心板的质量分数，按照计算的质量分数分别称取相应重量的面板合金粉末和上述的混合粉末；计算方法为：m面％＝D面×ρ面/(D面×ρ面+D芯×ρ芯)，m芯％＝D芯×ρ芯/(D面×ρ面+D芯×ρ芯)；其中：m％、D和ρ分别为质量分数、厚度和密度，“面”和“芯”分别代表面板和泡沫芯层；
(3)将称取的下面板合金粉末、混合粉末和上面板合金粉末依次顺序装入预先加工和组装好的钢模具中，三种粉体呈层状分布，每装入一种粉末使用钢压头将粉末预压后再装入下一种粉末，其中，粉末装填的相对密度为50％～60％；
(4)将装填粉末后的钢模具置于热压机中热压致密化，然后去除钢模具获得可发泡的夹心板预制件，其中，夹心板预制件的相对密度均不低于98％；
(5)将步骤(4)得到的可发泡的夹心板预制件进行二次加工提高质量和改变外形尺寸；
(6)将步骤(4)得到的预制件或步骤(5)二次加工的预制件放入已预先加热好的加热炉中加热发泡，芯层充分发泡膨胀，面板保持不变，发泡完成后冷却获得具有梯度界面的泡沫铝夹心板。
2.根据权利要求1所述的一种具有梯度界面的泡沫铝夹心板的制造方法，其特征在于，步骤(4)中，所述热压温度为300～500℃，保温时间为30～120分钟，热压压力为20～80MPa。
3.根据权利要求1所述的一种具有梯度界面的泡沫铝夹心板的制造方法，其特征在于，步骤(6)中，所述发泡温度为645～700℃，发泡时间5～15分钟。
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