CN106944623A - 泡沫铝夹芯复合结构的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种泡沫铝夹芯复合结构的制备方法，包括以下步骤：提供预轧制复合坯，预轧制复合坯包括金属盒体，以及盛装在金属盒体内的芯层粉末；对预轧制复合坯进行轧制处理，得到发泡预制坯，轧制处理的步骤依次包括：冷轧复合，热处理，以及热轧复合；将发泡预制坯进行发泡处理。上述泡沫铝夹芯复合结构的制备方法，通过对预轧制复合坯进行冷轧复合、热处理与热扎复合的结合轧制，既增强了轧制复合后芯层粉末与金属板边缘处的结合强度，又解决了芯层粉末致密度分布不均匀且与金属面板的结合强度不一致的问题，同时提高了发泡后芯层与面板的结合强度及结合均匀性。

Description

泡沫铝夹芯复合结构的制备方法

技术领域

本发明涉及多孔泡沫金属复合功能材料技术领域，特别是涉及泡沫铝夹芯复合结构的制备方法。

背景技术

泡沫铝夹芯复合结构是一种集结构和功能为一体的轻质材料，具有良好的吸能、减震、缓冲、隔音吸声、隔热、电磁屏蔽等优良的力学和物理性能，可以满足系统减重、结构承载和功能一体化、微振动抑制等要求，适应未来航空航天、汽车制造、轨道交通等领域对功能材料的需求。传统方法制备的泡沫铝夹芯复合结构，芯层与面板的结合性能不够高，结合强度不够一致，且致密度分布不够均匀，亟需提出新的制备方法。

发明内容

基于此，有必要提供一种泡沫铝夹芯复合结构的制备方法，解决目前的泡沫铝夹芯复合结构芯层与面板结合性能不高，结合强度不一致，致密度分布不均匀的问题。

一种泡沫铝夹芯复合结构的制备方法，包括以下步骤：提供预轧制复合坯，所述预轧制复合坯包括金属盒体，以及盛装在所述金属盒体内的芯层粉末；对所述预轧制复合坯进行轧制处理，得到发泡预制坯，所述轧制处理的步骤依次包括：冷轧复合，热处理，以及热轧复合；以及将所述发泡预制坯进行发泡处理。

在其中一个实施例中，所述轧制处理具体包括以下步骤：对所述预轧制复合坯进行冷轧复合；对冷轧复合后的所述预轧制复合坯进行热处理；以及对热处理后的所述预轧制复合坯进行热轧复合，所述热轧复合与所述冷轧复合的轧制压力、轧制速度和轧制压下率相同。

在其中一个实施例中，所述轧制处理具体包括以下步骤：对所述预轧制复合坯进行轧制压力为1200-1800kN，轧制速度为0.03-0.09m/s，轧制压下率为 40-50％的冷轧复合；对冷轧复合后的所述预轧制复合坯进行处理温度为 300-500℃，处理时间为10-20min的热处理；以及对热处理后的所述预轧制复合坯进行轧制压力为1200-1800kN，轧制速度为0.03-0.09m/s，轧制压下率为40-50％的热轧复合。

在其中一个实施例中，所述轧制处理具体包括以下步骤：对所述预轧制复合坯进行轧制压力为1500kN，轧制速度为0.06m/s，轧制压下率为45％的冷轧复合；对冷轧复合后的所述预轧制复合坯进行处理温度为400℃，处理时间为 15min的热处理；以及对热处理后的所述预轧制复合坯进行轧制压力为1500kN，轧制速度为0.06m/s，轧制压下率为45％的热轧复合。

在其中一个实施例中，所述预轧制复合坯的制备方法包括以下步骤：提供经过预处理的金属板；对所述经过预处理的金属板进行折边；将两块所述金属板的折边焊接，并预留一开口制成具开口的金属盒体；以及将芯层粉末装入所述具开口的金属盒体中，并封闭所述开口，制成所述预轧制复合坯。

在其中一个实施例中，所述金属板为钢板，所述钢板的预处理步骤包括：对所述钢板依次进行碱洗、铝液浸泡和打磨，其中，所述铝液浸泡的铝液温度为680-750℃，所述铝液浸泡的时间为5-15s。

在其中一个实施例中，所述开口位于所述金属盒体的焊接处的角部，焊接时，在所述折边的边缘处的角部留有不焊接区域，所述不焊接区域形成所述金属盒体的开口。

在其中一个实施例中，所述发泡处理具体包括以下步骤：将所述发泡预制坯置于发泡模具中；将所述发泡模具连同所述发泡预制坯放入热处理炉预热；以及将经过预热的所述发泡模具连同所述发泡预制坯放入发泡炉发泡。

在其中一个实施例中，所述发泡处理具体包括以下步骤：将所述发泡预制坯置于内腔高度可调的发泡模具中；将所述发泡模具连同所述发泡预制坯放入 350-450℃的热处理炉中预热10-20min；以及将经过预热的所述发泡模具连同所述发泡预制坯放入680-720℃的发泡炉发泡3-5min。

在其中一个实施例中，所述发泡模具包括凹形板、侧壁和底板，凹形板和侧壁以及底板围设成内腔，通过调节凹形板的高度调节所述内腔的高度，所述发泡预制坯的尺寸与所述发泡模具的所述内腔的长宽均有负公差。

上述泡沫铝夹芯复合结构的制备方法，通过对预轧制复合坯进行冷轧复合、热处理与热扎复合的结合轧制，既增强了轧制复合后芯层粉末与金属板边缘处的结合强度，又解决了芯层粉末致密度分布不均匀且与金属面板的结合强度不一致的问题，同时提高了发泡后芯层与面板的结合强度及结合均匀性。

附图说明

图1为本发明实施例泡沫铝夹芯复合结构制备方法的流程图；

图2为本发明实施例泡沫铝夹芯复合结构制备方法的具开口的金属盒体的结构图；

图3为本发明实施例泡沫铝夹芯复合结构制备方法所用发泡模具的结构图。

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的泡沫铝夹芯复合结构的制备方法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。

请参阅图1，本发明提供一种泡沫铝夹芯复合结构的制备方法，包括：

S100，提供预轧制复合坯，预轧制复合坯包括金属盒体，以及盛装在金属盒体内的芯层粉末；

S200，对预轧制复合坯进行轧制处理，得到发泡预制坯，所述轧制处理的步骤依次包括：冷轧复合，热处理，以及热轧复合；以及

S300，将发泡预制坯进行发泡处理。

在步骤S100中，芯层粉末由铝粉和其它金属粉末按照所需的芯层成分组成进行配料。芯层粉末的粒度优选为100目至200目。优选的，芯层粉末选用铝粉、硅粉、AlMg50合金粉，按照芯层成分为AlMg4Si8和AlMg6Si10分别进行配料，并加入发泡剂。优选的，发泡剂选用氢化钛粉末，氢化钛粉末的添加量优选为0.6-1.0wt.％。发泡剂的粒度优选为100目至500目。芯层粉末配置好后，置于混料装置上混合。优选的，混料装置为三维混料机，可以提高芯层粉末的混合效率，使芯层粉末在更短的时间内混合的更均匀。

步骤S100中，进一步包括制备预轧制复合坯。优选的，预轧制复合坯的制备具体包括以下步骤：

S121，提供经过预处理的金属板；

S122，对经过预处理的金属板进行折边；

S123，将两块金属板的折边焊接，并预留一开口制成具开口的金属盒体；以及

S124，将芯层粉末装入具开口的金属盒体中，并封闭开口，制成预轧制复合坯。

请参见图2。优选的，采用上述方法将材质相同的第一金属板111和第二金属板112焊合为金属盒体盛装芯层粉末，可有效降低轧制复合过程中芯层粉末的流失量。

步骤S121中，金属板的材质优选为钢板或铝板，金属板的厚度优选为 1.0-1.5mm。金属板的预处理步骤包括：对钢板或铝板依次进行碱洗，碱洗优选为用5-11％的氢氧化钠溶液浸泡10-20min。在碱洗后可进一步将金属板用清水冲洗干净并烘干。步骤S121可进一步包括先用丙酮或无水乙醇溶液清洗金属板的步骤。金属板的预处理步骤还可进一步包括打磨，打磨优选为：用钢丝刷打磨金属板的待焊接面，打磨至待焊接面具有足够的粗糙度，以便在轧制过程中芯层粉末与金属板更容易结合。

对钢板的碱洗步骤，优选的还包括氢氧化钠浸泡后再用高温铝液浸泡，浸泡后快速取出并水冷。铝液的温度优选为680-750℃，铝液浸泡的时间优选为 5-15s。采用铝液浸泡，进一步加强了对钢板的侵蚀，钢板的侵蚀程度得到提高，从而有利于芯层粉末与钢板的结合，使发泡后芯层与钢板的结合更牢固且致密度分布更均匀。

步骤S122具体的包括，对经过预处理的金属板进行折边，使金属板的边缘弯折，形成折边，从而使金属板形成凹形，第一金属板111和第二金属板112 分别形成第一折边131和第二折边132。

更为具体地，可将金属板的四边进行折边处理。优选的，折边与金属板的夹角为钝角，这种设计更易于将金属盒体的边缘处轧制平整，减少了后续轧制复合过程中边缘应力的影响，提高了芯层粉末与金属板边缘处的结合强度，进而增强了芯层粉末与金属板结合的致密度的均匀性。

具体的，步骤S123包括，将第一金属板111和第二金属板112通过第一折边131和第二折边132焊接，并预留一开口制成具开口120和空腔的金属盒体。

开口120优选的位于金属盒体的角部。进一步的，开口120的长度为 10-15mm，金属盒体内空腔的厚度为8.0-15mm。优选的，焊接时分别在第一折边131和第二折边132的边缘处的角部预留不焊接区域，使不焊接区域形成金属盒体的开口120。通过预留不焊接区域形成开口，简化发泡预制坯的制备流程；将不焊接区域设置在折边边缘处的角部，可进一步简化焊接流程及后续的封口操作，并提高第一折边131和第二折边132的结合强度。

在步骤S200中，轧制处理具体包括以下步骤：

S210，对预轧制复合坯进行冷轧复合；

S220，对冷轧复合后的预轧制复合坯进行热处理；以及

S230，对热处理后的预轧制复合坯进行热轧复合，热轧复合与冷轧复合的轧制压力、轧制速度和轧制压下率相同，可以增强冷轧复合和热轧复合的结合效果，使发泡预制坯的芯层粉末与金属板的结合更均匀。

冷轧复合以实现金属板与芯层粉末的初步结合；再经过热处理，能够有效降低复合板的硬度，增强复合板的韧性，可以防止预轧制复合坯在后续热轧复合和发泡过程中受热产生较大变形；保温后再进行热轧复合，使复合板受到热和力的同时作用，形成致密度较高的预发泡复合板，提高了最终制得的泡沫铝夹芯复合结构的成品率。

更为具体地，对预轧制复合坯进行轧制压力为1200-1800kN，轧制速度为 0.03-0.09m/s，轧制压下率为40-50％的冷轧复合；对冷轧复合后的预轧制复合坯进行处理温度为300-500℃，处理时间为10-20min的热处理；以及对热处理后的预轧制复合坯进行轧制压力为1200-1800kN，轧制速度为0.03-0.09m/s，轧制压下率为40-50％的热轧复合。

当轧制压力为1200-1800kN，轧制速度为0.03-0.09m/s，压下率为40-50％，热处理温度对应为300-500℃，处理时间为10-20min时，能够使芯层粉末与金属板的结合强度达到更优的水平，同时增强金属板的韧性，增强发泡完成后泡沫铝芯层孔隙的均匀度。

优选的，将预轧制复合坯在冷轧机上用1500kN的轧制压力，以0.06m/s的轧制速度进行冷轧复合，当轧制压下率达到45％时停止冷轧，使芯层粉末与金属板的结合强度更均匀；对冷轧处理后的预轧制复合坯进行处理温度为400℃，处理时间为15min的热处理，可使芯层粉末的金属粉末原子与金属板焊接面处的原子同时进行进一步扩散，使各金属原子的混合更均匀，便于后续进行热轧复合；对经过热处理后的预轧制复合坯进行轧制压力为1500kN，轧制速度为 0.06m/s，轧制压下率为45％的复合轧制，可进一步增厚扩散层，增强界面结合力，获得较高的芯层粉末致密度。

另外，泡沫铝夹芯复合结构的制备方法还可进一步包括：对预轧制复合坯进行热轧复合后，按照发泡模具的尺寸要求对其进行切割，制得发泡预制坯。优选的，发泡预制坯的尺寸与发泡模具矩形内腔的长宽均有负公差。优选的，负公差为0.8mm。按照0.8mm的负公差切割，可以方便在发泡模具中取放该发泡预制坯，同时提高最终制得的泡沫铝夹芯复合结构的高度的精确性。

步骤S300具体包括以下步骤：

S310，将发泡预制坯置于发泡模具中；

S320，将发泡模具连同发泡预制坯放入热处理炉预热；以及

S330，将经过预热的发泡模具连同发泡预制坯放入发泡炉发泡。

其中，对发泡模具连同发泡预制坯的预热处理，可进一步提高芯层粉末与金属板的结合强度并提高结合均匀性。

具体地，发泡处理包括以下步骤：将发泡预制坯置于内腔高度可调的发泡模具中；将发泡模具连同发泡预制坯放入350-450℃的热处理炉中预热10-20min；以及将经过预热的发泡模具连同发泡预制坯放入680-720℃的发泡炉发泡3-5min。

步骤S310中，还可包括，根据预设的发泡温度及发泡时间计算膨胀率，放入发泡预制坯后，根据膨胀率调节发泡模具的内腔上表面的高度。

请参阅图3，图3为步骤S310中所用发泡模具的结构示意图。该发泡模具包括：底板210、侧壁220、螺母230、螺栓240以及凹形板250。螺栓240自下而上依次穿过底板210和凹形板250，螺母230紧固底板210和凹形板250，使发泡模具形成封闭的结构。底板210、侧壁220与凹形板250围设形成内腔 260，内腔260用来盛放发泡预制坯。内腔260的高度为5-30mm。

传统的发泡模具通过在底面插入板来调节高度，而本发明实施例所用发泡模具则是通过四组螺母230与凹形板250搭配，通过将螺母230紧固在凹形板 250和底板210上，可以精确控制发泡高度。本发明所用发泡模具为完全封闭的发泡模具，可以确保发泡预制坯在整个发泡过程中被完全包裹，防止发泡过程中芯层熔化溢出对发泡高度造成影响。以精确控制发泡高度，进而提高发泡后芯层的孔隙的均匀性及与金属板的结合强度的一致性。

在步骤S310和步骤S320中，热处理炉和发泡炉的温度场优选为均匀分布，确保了发泡后芯层与面板结合的均匀性。当热处理炉温度为350-450℃，预热时间为10-20min时，能够有效提高发泡后所得泡沫铝芯层的孔隙结构的均匀性。配合680-720℃的发泡温度，3-5min的发泡时间，可以进一步提高发泡后芯层与面板之间的结合强度。

另外，泡沫铝夹芯复合结构的制备方法还可进一步包括：发泡完成后从发泡炉中取出装有发泡预制坯的发泡模具，优选的，对其进行整体水冷，充分冷却后，卸下底板210从发泡模具内整体取出泡沫铝夹芯复合结构。

实施例1

选用粒度200目的Al粉，粒度200目的Si粉和粒度200目的AlMg50合金粉，按芯层成分组成为AlMg4Si8进行配料396g，发泡剂为粒度500目的TiH₂粉末，TiH₂粉末添加量为1.0wt.％，即4g，将称量好的各种粉末装入容量为5L 的三维混料机中，设定电机频率为40Hz，混料时间1h。采用Q235A薄钢板作为包覆面板，厚度为1.0mm，长120mm，宽80mm，通过丙酮清洗后置于8％的氢氧化钠溶液浸泡15min，取出用清水冲净并烘干。对面板四边按照8mm的宽度进行折边处理。随后采用钢丝刷对面板的待焊接面进行机械打磨，或铝液浸泡10s并快速水冷后再打磨，将打磨好的两块面板通过打磨面的折边进行焊合，并在其中一边的折边的角部边缘处不做焊接处理。通过预留的开口将混合均匀的粉末灌入，并封闭开口。填充完成后的预轧制复合坯在Φ400-380×350mm冷轧机上1500kN轧制压力、0.06m/s轧制速度下进行初轧制复合后，再在400℃保温15min后，相同轧制压力及速度条件下热轧，最终形成致密度较高的预发泡复合板；对预发泡复合板，采用线切割方式对边角进行切割，并按照发泡模具的内腔尺寸100.8mm×60.8mm将剩下大块复合板切割成尺寸为100mm×60mm的发泡预制坯；发泡预制坯置于高度可控发泡模具中，根据计算所得膨胀率将发泡模具内腔上表面的高度调节为15mm，再将其放置于400℃热处理炉中预热 15min后取出，并放入温度场分布均匀的5kW箱式电阻发泡炉中，在720℃进行发泡3min，发泡完将模具从炉中整体取出水冷，最后从发泡模具内取出已获得充分膨胀，具有均匀芯层泡孔结构的泡沫铝夹芯复合结构。

实施例2

选用粒度100目的Al粉，粒度200目的Si粉和粒度200目的AlMg50合金粉，按芯层成分组成为AlMg6Si10进行配料397.6g，发泡剂为粒度500目的TiH₂粉末，TiH₂粉末添加量为0.6wt.％，即2.4g。将称量好的各种粉末装入容量为5L 的三维混料机中，设定电机频率为40Hz，混料时间1h。采用1100系纯铝板作为包覆面板，厚1.5mm，长120mm，宽80mm，经过无水乙醇清洗后置于8％氢氧化钠溶液浸泡15min，取出用清水冲净并烘干。对面板四边按照8mm的宽度进行折边处理，随后采用钢丝刷对面板的待焊接进行机械打磨。将打磨好的两块面板通过打磨面的折边进行焊合，并在其中一边的折边的角部边缘处不做焊接处理，通过预留的开口将混合均匀的粉末灌入，并封闭开口。填充完成后的预轧制复合坯在Φ400-380×350mm冷轧机上1500kN轧制压力、0.06m/s轧制速度下进行初轧制复合后，再将复合坯在400℃保温15min后，相同轧制压力及速度条件下热轧，最终形成致密度较高的预发泡复合板；对预发泡复合板，采用线切割方式对边角进行切割，并按照发泡模具的内腔尺寸100.8mm×60.8mm将剩下的大块复合板切割成尺寸为100mm×60mm的发泡预制坯；发泡预制坯置于高度可控的发泡模具中，根据计算所得膨胀率，将发泡模具内腔上表面高度调节为15mm，再将其放置于400℃热处理炉中预热15min后取出放入温度场分布均匀的5kW箱式电阻发泡炉中，在680℃进行发泡5min，发泡完模具从炉中整体取出水冷，最后从发泡模具内取出已获得充分膨胀，具有均匀芯层泡孔结构的泡沫铝夹芯复合结构。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种泡沫铝夹芯复合结构的制备方法，包括以下步骤：

提供预轧制复合坯，所述预轧制复合坯包括金属盒体，以及盛装在所述金属盒体内的芯层粉末；

对所述预轧制复合坯进行轧制处理，得到发泡预制坯，所述轧制处理的步骤依次包括：冷轧复合，热处理，以及热轧复合；以及

将所述发泡预制坯进行发泡处理。

2.根据权利要求1所述的泡沫铝夹芯复合结构的制备方法，其特征在于，所述轧制处理具体包括以下步骤：

对所述预轧制复合坯进行冷轧复合；

对冷轧复合后的所述预轧制复合坯进行热处理；以及

对热处理后的所述预轧制复合坯进行热轧复合，所述热轧复合与所述冷轧复合的轧制压力、轧制速度和轧制压下率相同。

3.根据权利要求2所述的泡沫铝夹芯复合结构的制备方法，其特征在于，所述轧制处理具体包括以下步骤：

对所述预轧制复合坯进行轧制压力为1200-1800kN，轧制速度为0.03-0.09m/s，轧制压下率为40-50％的冷轧复合；

对冷轧复合后的所述预轧制复合坯进行处理温度为300-500℃，处理时间为10-20min的热处理；以及

对热处理后的所述预轧制复合坯进行轧制压力为1200-1800kN，轧制速度为0.03-0.09m/s，轧制压下率为40-50％的热轧复合。

4.根据权利要求3所述的泡沫铝夹芯复合结构的制备方法，其特征在于，所述轧制处理具体包括以下步骤：

对所述预轧制复合坯进行轧制压力为1500kN，轧制速度为0.06m/s，轧制压下率为45％的冷轧复合；

对冷轧复合后的所述预轧制复合坯进行处理温度为400℃，处理时间为15min的热处理；以及

对热处理后的所述预轧制复合坯进行轧制压力为1500kN，轧制速度为0.06m/s，轧制压下率为45％的热轧复合。

5.根据权利要求1所述的泡沫铝夹芯复合结构的制备方法，其特征在于，所述预轧制复合坯的制备方法包括以下步骤：

提供经过预处理的金属板；

对所述经过预处理的金属板进行折边；

将两块所述金属板的折边进行焊接，并预留一开口制成具有开口的金属盒体；以及

将芯层粉末装入所述具开口的金属盒体中，并封闭所述开口，制成所述预轧制复合坯。

6.根据权利要求5所述的泡沫铝夹芯复合结构的制备方法，其特征在于，所述金属板为钢板，所述钢板的预处理步骤包括：对所述钢板依次进行碱洗、铝液浸泡和打磨，其中，所述铝液浸泡的铝液温度为680-750℃，所述铝液浸泡的时间为5-15s。

7.根据权利要求5所述的泡沫铝夹芯复合结构的制备方法，其特征在于，所述开口位于所述金属盒体的焊接处的角部，焊接时，在所述折边的边缘处的角部留有不焊接区域，所述不焊接区域形成所述金属盒体的开口。

8.根据权利要求1所述的泡沫铝夹芯复合结构的制备方法，其特征在于，所述发泡处理具体包括以下步骤：

将所述发泡预制坯置于发泡模具中；

将所述发泡模具连同所述发泡预制坯放入热处理炉预热；以及

将经过预热的所述发泡模具连同所述发泡预制坯放入发泡炉发泡。

9.根据权利要求8所述的泡沫铝夹芯复合结构的制备方法，其特征在于，所述发泡处理具体包括以下步骤：

将所述发泡预制坯置于内腔高度可调的发泡模具中；

将所述发泡模具连同所述发泡预制坯放入350-450℃的热处理炉中预热10-20min；以及

将经过预热的所述发泡模具连同所述发泡预制坯放入680-720℃的发泡炉发泡3-5min。

10.根据权利要求9所述的泡沫铝夹芯复合结构的制备方法，其特征在于，所述发泡模具包括凹形板、侧壁和底板，凹形板和侧壁以及底板围设成内腔，通过调节凹形板的高度调节所述内腔的高度，所述发泡预制坯的尺寸与所述发泡模具的所述内腔的长宽均有负公差。