CN107552793B - 一种泡沫铝原位填充薄壁管的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种泡沫铝原位填充薄壁管及其制备方法。该泡沫铝原位填充薄壁管包括空心状薄壁管，在薄壁管内原位填充有泡沫铝，薄壁管与泡沫铝之间通过冶金结合实现无缝结合；薄壁管内填充的泡沫铝的孔隙率为40％‑90％。其制备方法为将填充有均匀混合的铝粉和尿素颗粒的薄壁圆管置于冷压模具中冷压压制成型，挤压脱模后切割成圆柱形预制块，将预制块水浴溶解去除尿素颗粒，而后干燥并在氩气保护气氛、烧结温度为550‑660℃条件下保温2‑4h，制得泡沫铝原位填充薄壁管。本发明通过冶金结合实现了泡沫铝填充物与薄壁管内壁之间的无缝结合，二者协调变形最大程度上发挥出泡沫材料的吸能性能，提高了泡沫铝填充薄壁管的力学性能和吸能性。

Description

一种泡沫铝原位填充薄壁管的制备方法

技术领域

本发明涉及航空、汽车领域，尤其涉及一种泡沫铝原位填充薄壁管的制备方法。

背景技术

泡沫铝是近年发展起来的一种新型功能材料，具有轻质、高比刚度、宏观多孔、压缩应力-应变曲线包含一个很长的平稳区间等特点，材料本身的多孔效应使得泡沫铝具有比其基体材料高得多的吸能、阻尼性能。而对于管状材料，多具有低阻尼、易屈曲与吸能性差等缺陷。目前，多通过将泡沫铝填充到空心管材中，将二者性质进行有效结合。

对于现有的泡沫铝填充圆管结构，其制备方法大多是将制备好的泡沫铝切割成一定形状和尺寸，然后将其外加填充到空心管中。对于所填充的泡沫铝，目前常规做法是在大块泡沫金属上通过线切割或其他机加工手段获取所需尺寸和形貌的泡沫金属，不仅加工效率低下，并且切割过程产生废料较多，资源浪费严重。

公开号为CN104633291A的专利提出了一种高强度轻质泡沫铝钢管，在空心钢管本体内填充有泡沫铝，泡沫铝挤压在钢管本体内将钢管内部空间充实。公开号为CN104772933A的专利提出了一种泡沫铝填充双钢管复合构件，在外钢管与内钢管之间填充有泡沫铝。二者均通过填充泡沫铝实现了钢管强度的提高，但由于采用外加填充方法，泡沫铝与管壁之间存在间隙，影响填充管的强度和吸能性能，且间隙越大填充性能越差。综上，说明填充泡沫与薄壁管内壁之间的间隙越小，得到的填充圆管的性能越佳，且最理想的状态就是无缝结合。

Isabel Duarte等人在“Manufacturing and bending behaviour of in situfoam-filled aluminium alloy tubes”一文中提到了一种原位填充泡沫铝管，泡沫铝直接在薄壁铝管中原位发泡，文中采用氢化钛做发泡剂，与铝粉、硅粉混合进行原位发泡，制得的原位填充泡沫铝管的孔隙率难以精确控制，并且孔径不够均匀，尤其在与管壁接触部分造孔较小，使泡沫铝管性能不稳定，不利于在对质量和强度要求较高的条件下使用，限制了原位填充泡沫铝管的适用范围。

因此，提供一种可实现薄壁管与泡沫铝填充物无缝结合、孔径均匀、质轻、强度高、吸能性好的泡沫金属填充件，是本领域需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可实现薄壁管与泡沫铝填充物无缝结合、孔隙较均匀、质轻、强度高、吸能性好的泡沫铝原位填充薄壁管的制备方法。

本发明的技术方案为：

一种泡沫铝原位填充薄壁管的制备方法，通过以下步骤制得：将填充有均匀混合的铝粉和尿素颗粒的薄壁圆管置于冷压模具中，在压制压力为300-600MPa、保压时间240-600s的条件下利用冷压圆柱进行压制，挤压后脱模切割成含尿素颗粒的圆柱形预制块，将预制块通过水浴溶解去除造孔剂尿素颗粒，而后对其进行干燥并在氩气保护气氛、烧结温度为550-660℃条件下保温2-4h，制得泡沫铝原位填充薄壁管。

进一步的，所述铝粉和尿素颗粒的质量比为0.2-3.2:1。

进一步的，所述铝粉颗粒的粒径大小为20-200μm，所述尿素颗粒的粒径大小为0.3-3mm。

进一步的，所述薄壁管的外壁直径比冷压凹模具内径小0.1-2mm，所述薄壁管的内壁直径比冷压圆柱的外径大0.1-2mm。

进一步的，水浴温度为75-85℃。

进一步的，所述薄壁管厚度为0.1-3mm，在所述薄壁管内原位填充有泡沫铝，泡沫铝填充物与薄壁管内壁无缝结合。

进一步的，所述薄壁管的材质为铝或铝合金，所述薄壁管与泡沫铝之间通过冶金结合实现无缝结合。

进一步的，所述薄壁管内填充的泡沫铝的孔隙率为40％-90％。

进一步的，所述泡沫孔形状为球形，孔径大小为0.3-3mm。

本发明的泡沫铝原位填充薄壁管的制备方法，具有以下有益效果：

(1)本发明的泡沫铝原位填充薄壁管，通过冶金结合实现了泡沫铝填充物与薄壁管内壁之间的无缝结合，通过金属间的界面原子相互高温扩散，使得二者之间不存在任何肉眼可见的缝隙，通过二者协调变形最大程度上发挥出泡沫材料的吸能性能，通过本发明制备的原位填充薄壁管在不同应变下吸能可达35-60MJ/m³，相较于未填充以及外加填充泡沫铝薄壁管其吸能值分别提高了100％-220％和40％-70％，大大提高了薄壁管的力学性能和吸能性。

(2)本发明的泡沫铝原位填充薄壁管制备过程中，通过冷压变形在增加铝粉和尿素致密度的同时实现冷压预制块与薄壁管壁间的机械结合，再通过高温烧结，通过金属间的界面原子相互高温扩散形成冶金结合，实现了薄壁管内壁与泡沫铝填充物的无缝结合,该制备过程简单、容易操作；同时与外加填充泡沫铝方法会因进行切割产生废料相比，本发明所提供的制备方法大大节省了制备所需原材料。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明的泡沫铝原位填充薄壁管结构的主视图；

图2为本发明的泡沫铝原位填充薄壁管结构的中间截面侧视图；

图3为本发明的泡沫铝原位填充薄壁管结构的结合处放大图；

图4为本发明实施例1制得的泡沫铝原位填充薄壁管与泡沫铝外加填充薄壁管、泡沫铝的工程应力-应变性能对比曲线图；

图5为本发明实施例1制得的泡沫铝原位填充薄壁管与泡沫铝外加填充薄壁管、泡沫铝的吸能性能对比曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

一种泡沫铝原位填充薄壁管，如图1至图3所示，包括空心状薄壁管，薄壁管厚度为0.1-3mm，在薄壁管内原位填充有泡沫铝，泡沫铝填充物与薄壁管内壁无缝结合；薄壁管的材质为铝或铝合金，薄壁管与泡沫铝之间通过冶金结合实现无缝结合；泡沫铝填充的薄壁管的孔隙率为40％-90％；泡沫孔形状为球形，孔径大小为0.3-3mm。由图3至图5可以看出，本发明制得的泡沫铝原位填充薄壁管中填充物泡沫铝和薄壁管之间紧密结合，无可见缝隙，同时形成的泡沫孔为较规则的球状结构并均匀分布在薄壁管内。泡沫铝与薄壁管之间冶金结合，薄壁管给填充的泡沫铝提供了横向约束力，提高了泡沫铝的强度；泡沫铝又在很大程度上约束薄壁管发生屈曲，增大了薄壁管的变形阻力，即通过二者的协调变形最大程度上发挥出了泡沫材料的吸能性能。

上面内容详细描述了本发明的泡沫铝原位填充薄壁管的产品性能，下面将列举具体实施例对本发明进行进一步的描述：

实施例1

一种泡沫铝原位填充薄壁管，通过以下步骤制得：将平均粒径为75μm的铝粉6.782g与粒径为1.5-2mm的尿素5.030g均匀混合并填充在外径24mm、内径21.5mm的薄壁铝合金圆管内，薄壁管外涂抹脱模剂后放置在内径为25mm的圆柱形钢模中。用直径为20.5mm的挤压棒压制粉末，液压机施加400MPa的压力，保压时间300s。挤压后脱模，切割制成含尿素颗粒的圆柱形预制块。将预制块置于80℃热水中进行水浴来溶解尿素，直至烧杯中无明显气泡取出试样。对试样进行干燥，随后在氩气保护气氛下在650℃保温3h，从而烧结成型。得到孔隙率为60％的泡沫铝原位填充薄壁管，其结构如图1-3所示，可见泡沫铝与薄壁管之间无缝结合，且泡沫铝孔洞呈现规则的球形，孔径大小在1.5-2mm之间。

为了验证本发明的效果，对上述实施例1中制得的孔隙率为60％的泡沫铝原位填充薄壁管进行准静态压缩实验，并与相同孔隙率的泡沫铝外加填充薄壁管及泡沫铝的性能进行对比，结果如图4和图5所示。图中泡沫铝外加填充薄壁管中填充后间隙大小趋于零，即采用物理填充方法用泡沫铝直接放入薄壁管内并尽量填满。可见在70％应变下泡沫铝吸能13.66MJ/m³，泡沫铝外加填充薄壁管吸能26.57MJ/m³，而泡沫铝原位填充薄壁管吸能42.38MJ/m³，分别较未填充和外加填充泡沫铝吸能值提高了210％和60％。说明本发明制得的泡沫铝原位填充薄壁管的应力水平和吸能性能均远远高于另外两种，证明了本发明制备的泡沫铝原位填充薄壁管性能的优异性。

实施例2

一种泡沫铝原位填充薄壁管，通过以下步骤制得：将平均粒径为20μm的铝粉10.174g与粒径为0.3-1mm尿素3.354g均匀混合并填充在外径23mm、内径20mm的薄壁铝合金圆管内，薄壁管外涂抹脱模剂后放置在内径为24mm的钢模中。用直径为19.5mm的挤压棒压制粉末，液压机施加600MPa的压力，保压时间240s。挤压后脱模，切割制成含尿素颗粒的圆柱形预制块。将预制块置于85℃热水中进行水浴来溶解尿素，直至烧杯中无明显气泡取出试样。进行干燥，随后在氩气保护气氛下在660℃保温2h，从而烧结成型。得到孔隙率为40％的泡沫铝原位填充薄壁管。

实施例3

一种泡沫铝原位填充薄壁管，通过以下步骤制得：将平均粒径为200μm的铝粉10.174g与粒径为2.5-3mm的尿素3.354g均匀混合并填充在外径20.1mm，内径20mm的薄壁铝合金圆管内，薄壁管外涂抹脱模剂后放置在内径为20.6mm的钢模中。用直径为18mm的挤压棒压制粉末，液压机施加300MPa的压力，保压时间600s。挤压后脱模，切割制成含尿素颗粒的圆柱形预制块。将预制块置于75℃热水中进行水浴来溶解尿素，直至烧杯中无明显气泡取出试样。进行干燥，随后在氩气保护气氛下在550℃保温4h，从而烧结成型。得到孔隙率为90％的泡沫铝原位填充薄壁管。

实施例4

一种泡沫铝原位填充薄壁管，通过以下步骤制得：将平均粒径为65μm的铝粉8.478g与粒径为1.0-1.5mm的尿素4.192g均匀混合并填充在外径22mm、内径20mm的薄壁铝合金圆管内，薄壁管外涂抹脱模剂后放置在内径为24mm的钢模中。用直径为18.5mm的挤压棒压制粉末，液压机施加400MPa的压力，保压时间420s。挤压后脱模，切割制成含尿素颗粒的圆柱形预制块。将预制块置于80℃热水中进行水浴来溶解尿素，直至烧杯中无明显气泡取出试样。进行干燥，随后在氩气保护气氛下在630℃保温3.5h，从而烧结成型。得到孔隙率为50％的泡沫铝原位填充薄壁管。

实施例5

一种泡沫铝原位填充薄壁管，通过以下步骤制得：将平均粒径为150μm的铝粉3.391g与粒径为2.0-2.5mm的尿素6.707g均匀混合并填充在外径20mm、内径19mm的薄壁铝合金圆管内，薄壁管外涂抹脱模剂后放置在内径为20.1mm的钢模中。用直径为18mm的挤压棒压制粉末，液压机施加500MPa的压力，保压时间540s。挤压后脱模，切割制成含尿素颗粒的圆柱形预制块。将预制块置于75℃热水中进行水浴来溶解尿素，直至烧杯中无明显气泡取出试样。进行干燥，随后在氩气保护气氛下在650℃保温3.5h，从而烧结成型。得到孔隙率为80％的泡沫铝原位填充薄壁管。

实施例6

一种泡沫铝原位填充薄壁管，通过以下步骤制得：将平均粒径为100μm的铝粉5.087g与粒径为1.5-2mm的尿素5.869g均匀混合并填充在外径21.5mm、内径20mm的薄壁铝合金圆管内，薄壁管外涂抹脱模剂后放置在内径为23mm的钢模中。用直径为19.9mm的挤压棒压制粉末，液压机施加300MPa的压力，保压时间360s。挤压后脱模，切割制成含尿素颗粒的圆柱形预制块。将预制块置于80℃热水中进行水浴来溶解尿素，直至烧杯中无明显气泡取出试样。进行干燥，随后在氩气保护气氛下在550℃保温3h，从而烧结成型。得到孔隙率为70％的泡沫铝原位填充薄壁管。

以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。

Claims (7)

1.一种泡沫铝原位填充薄壁管的制备方法，其特征在于，通过以下步骤制得：将填充有均匀混合的铝粉和尿素颗粒的薄壁圆管置于冷压模具中，在压制压力为300-600MPa、保压时间240-600s的条件下利用冷压圆柱进行压制，挤压后脱模切割成含尿素颗粒的圆柱形预制块，将预制块通过水浴溶解去除造孔剂尿素颗粒，而后对其进行干燥并在氩气保护气氛、烧结温度为550-660℃条件下保温2-4h，制得泡沫铝原位填充薄壁管；所述薄壁管厚度为0.1-3mm，在所述薄壁管内原位填充有泡沫铝，泡沫铝填充物与薄壁管内壁无缝结合；所述薄壁管的外壁直径比冷压凹模具内径小0.1-2mm，所述薄壁管的内壁直径比冷压圆柱的外径大0.1-2mm。

2.根据权利要求1所述的泡沫铝原位填充薄壁管的制备方法，其特征在于，所述铝粉和尿素颗粒的质量比为0.2-3.2:1。

3.根据权利要求1所述的泡沫铝原位填充薄壁管的制备方法，其特征在于，所述铝粉颗粒的粒径大小为20-200μm，所述尿素颗粒的粒径大小为0.3-3mm。

4.根据权利要求1所述的泡沫铝原位填充薄壁管的制备方法，其特征在于，水浴温度为75-85℃。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的泡沫铝原位填充薄壁管的制备方法，其特征在于，所述薄壁管的材质为铝或铝合金，所述薄壁管与泡沫铝之间通过冶金结合实现无缝结合。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的泡沫铝原位填充薄壁管的制备方法，其特征在于，所述薄壁管内填充的泡沫铝的孔隙率为40％-90％。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的泡沫铝原位填充薄壁管的制备方法，其特征在于，所述泡沫铝的孔形状为球形，孔径大小为0.3-3mm。