CN107695318B - 一种泡沫镁夹芯板及其半固态触变渗流铸造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种泡沫镁夹芯板及其半固态触变渗流铸造方法，包含如下步骤：1)将非枝晶组织镁合金铸锭机械加工成两个坯料；2)将可溶性盐颗粒经预脱水处理，再将可溶性盐颗粒置于预制块模具中紧实制得预制块；3)将坯料和预制块放入渗流模具中，两个坯料之间用预制块隔开，升温到镁合金半固态温度区间，保温，得到非枝晶组织镁合金半固态浆料；4)渗流，施加的压力将非枝晶组织镁合金半固态浆料触变渗入预制块的孔隙中，冷却凝固，得到镁合金/可溶性盐颗粒复合体；5)溶去复合体中的可溶性盐颗粒，得到泡沫镁合金夹芯板。其利用半固态触变渗流铸造方法一次形成厚度可控、结构均匀的泡沫镁合金夹芯板，中间芯层和金属面板之间为一体结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种多孔金属材料的制备领域，具体涉及一种泡沫镁夹芯板及其半固态触变渗流铸造方法。
背景技术
泡沫金属夹芯板材料是由泡沫金属芯层和致密金属面板复合制成的一类层状多孔金属材料。泡沫金属夹芯板材料具有低比重、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轻量化和多功能化的迫切需求。基于此，国内外对于泡沫金属夹心板材料的研究开发给予了广泛的关注和高度的重视，并对此开展了积极的研究，其中的重点主要集中在泡沫铝合金夹心板材料上，并且截至目前已有大量关于泡沫铝合金夹心板材料的研究结果被公开报道。
众所周知，镁的密度只有铝的2/3，与泡沫铝合金相比，泡沫镁合金的密度更小、比表面积更大和能量吸收率更好，此外，泡沫镁合金还具有更好的隔声、散热、阻燃、减震和阻尼等功能。因此在泡沫铝合金夹心板材料研究开发的基础上发展泡沫镁合金夹心板材料，对于发挥泡沫镁合金夹心板材料的优势并推动其在航空航天、国防军工、电子信息、汽车、造船和建筑等行业的应用意义重大。然而，目前国内外对于泡沫镁合金夹心板材料的研究开发还基本上没有文献报道，由于金属镁比金属铝的化学活性高且易燃烧和氧化，而这些不利因素均使得制备泡沫镁合金夹心板材料比制备泡沫铝合金夹心板材料困难得多，因此有必要发展适合镁合金特点的泡沫镁合金夹心板材料制备技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种泡沫镁夹芯板及其半固态触变渗流铸造方法，其利用半固态触变渗流铸造方法一次形成厚度可控、结构均匀的泡沫镁夹芯板，中间芯层和金属面板之间为一体结构。
本发明所述的泡沫镁夹芯板，包括上下两面镁合金面板和位于镁合金面板之间的泡沫镁合金芯层，所述镁合金面板的材料是非枝晶组织镁合金，所述泡沫镁合金芯层通过将非枝晶组织镁合金面板材料加热成非枝晶组织半固态浆料再触变渗流铸造形成，其与镁合金面板为一体结构。
一种泡沫镁夹芯板的半固态触变渗流铸造方法，其包含如下步骤：
1）制备坯料，将非枝晶组织镁合金铸锭机械加工成两个坯料；
2）制备预制块，将粒径为5~12目的可溶性盐颗粒经预脱水处理，然后将处理后的可溶性盐颗粒置于预制块模具中紧实，制得预制块，所述预制块的形状与坯料一致，且其体积小于两个坯料的体积和；
3）制备非枝晶组织镁合金半固态浆料，将坯料和预制块放入渗流模具中，两个坯料之间用预制块隔开，然后升温到非枝晶组织镁合金半固态温度区间，保温1~2min，得到液相分数比例为50~60%的非枝晶组织镁合金半固态浆料；
4）渗流，施加3~5MPa的压力将非枝晶组织镁合金半固态浆料从预制块的上、下方同时触变渗入步骤2）制得的预制块的孔隙中，冷却凝固，得到镁合金/可溶性盐颗粒复合体；
5）去除可溶性盐颗粒，溶去镁合金/可溶性盐颗粒复合体中的可溶性盐颗粒，得到面板和芯层为一体结构的泡沫镁夹芯板，其中泡沫芯层的平均孔隙直径为3~5mm。
进一步，所述可溶性盐颗粒为NaCl颗粒。
进一步，所述步骤1）中的两个坯料的大小和形状一致。
目前已公开的技术中，通常采用熔体搅拌法来制备非枝晶组织镁合金铸锭。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明的泡沫镁夹芯板的面板与芯层为一体结构，提高了泡沫镁夹芯板的力学性能，应用范围更为广泛，具有较高的抗压/拉强度和粘结强度，有着良好的承载能力和优异的剥离性能。
2、本发明在半固态条件下通过施加压力进行触变渗流铸造来制备泡沫镁夹芯板，能够避免将坯料加热至全液化后再进行渗流铸造存在的燃烧或爆炸的安全隐患，提高了渗流铸造制备泡沫镁夹芯板的安全性。
3、本发明通过限定预制块的形状与坯料一致，保证预制块能完全隔开两个坯料，避免渗流施加压力时，坯料因没有预制块的限制而发生异常变形；通过限定预制块的体积小于两个坯料的体积和，保证渗流时坯料留有一定余量，进而在泡沫芯层的上下两面通过坯料的余量冷却凝固形成夹芯板的面板。
4、本发明可制备不同厚度的泡沫镁夹芯板，通过调整坯料和预制块的尺寸大小，制备出不同厚度的夹芯板。
5、本发明制备的泡沫镁夹芯板的面板和芯层的成分、组成可以根据需要进行调整，能够获得不同性能的夹芯板。
6、本发明通过保温温度和保温时间的合理控制，即将两个坯料和预制块升温到镁合金半固态温度区间，保温1~2min，得到液相分数比例为50~60%非枝晶组织镁合金半固态浆料。若保温时间过短，则得到的镁合金半固态浆料的液相分数比例较低，不利于渗流铸造；若保温时间过长，则镁合金容易发生氧化和烧损，降低泡沫镁合金的性能和增加制造成本。
7、本发明的工艺、设备简单，适用于批量化生产。
附图说明
图1是本发明的实施装置示意图；
图2是本发明的流程示意图。
图中，1—底座，2—垫块，3—加热炉，4—坯料，5—预制块，6—渗流模具，7—压头。
具体实施方式
参见图2，所示的泡沫镁夹芯板的半固态触变渗流铸造方法，其包含如下步骤：
1）制备坯料，将非枝晶组织镁合金铸锭机械加工成两个坯料；
2）制备预制块，将粒径为5~12目的可溶性盐颗粒经预脱水处理，然后将处理后的可溶性盐颗粒置于预制块模具中紧实，制得预制块，所述预制块的形状与坯料一致，且其体积小于两个坯料的体积和；
3）制备非枝晶组织镁合金半固态浆料，将坯料和预制块放入渗流模具中，两个坯料之间用预制块隔开，然后升温到非枝晶组织镁合金半固态温度区间，保温1~2min，得到液相分数比例为50~60%的非枝晶组织镁合金半固态浆料；
4）渗流，施加3~5MPa的压力将非枝晶组织镁合金半固态浆料从预制块的上、下方同时触变渗入步骤2）制得的预制块的孔隙中，冷却凝固，得到镁合金/可溶性盐颗粒复合体；
5）去除可溶性盐颗粒，溶去镁合金/可溶性盐颗粒复合体中的可溶性盐颗粒，得到面板和芯层为一体结构的泡沫镁夹芯板，其中泡沫芯层的平均孔隙直径为3~5mm。
参见图1，所示的一种实现本发明的装置，包括底座1、固定于底座1上的加热炉3、与加热炉3内壁配合的渗流模具6和与渗流模具6内壁配合的压头7，所述渗流模具6底部设有垫块2，两个坯料4和预制块5置于渗流模具6内且其形状与渗流模具6内壁间隙配合，两个坯料4和预制块5的放置方式是：将一个坯料4置于渗流模具6内的垫块2上，将预制块5置于坯料4上，将另一个坯料4置于预制块5上，压头7与预制块5上面的坯料4接触。该装置具体工作时，将两个坯料4和预制块5按顺序依次放入渗流模具6中，将渗流模具6置于加热炉3中，然后升温到镁合金半固态温度区间，并保温2~3min，再通过压头7向坯料4和预制块5施加压力，将非枝晶组织镁合金半固态浆料从预制块的上、下方同时触变渗入预制块5的间隙中，然后冷却凝固，得到镁合金/可溶性盐颗粒复合体，溶去复合体中的可溶性盐颗粒即可得到泡沫镁夹芯板，所述泡沫镁夹芯板包括上下两面镁合金面板和位于镁合金面板之间的泡沫镁合金芯层，所述镁合金面板的材料是非枝晶组织镁合金，所述泡沫镁合金芯层通过将非枝晶组织镁合金面板材料加热成非枝晶组织半固态浆料再触变渗流铸造形成，其与镁合金面板为一体结构。相比于现有的粘接结合或冶金结合的金属泡沫夹芯板，一体结构的泡沫镁夹芯板的力学性能更好，应用范围更为广泛。
实施例一，一种泡沫镁夹芯板的半固态触变渗流铸造方法，其包含如下步骤：
1）制备坯料，将非枝晶组织AZ91镁合金铸锭机械加工成两个坯料，所述坯料为直径50mm、高15mm的圆柱体；其中AZ91镁合金的各成分的重量比为：Al：8.3~9.7%，Zn：0.35~1.0 %，Mn：0.15~0.5%，Si：＜0.01%，Cu：＜0.03%，Ni：＜0.002%; Fe：＜0.005%，其余为Mg；
2）制备预制块，将粒径为5~12目的NaCl颗粒经预脱水处理，然后将处理后的NaCl颗粒置于预制块模具中紧实，制得预制块，所述预制块为直径50mm、高10mm的圆柱体；
3）制备非枝晶组织镁合金半固态浆料，将坯料和预制块放入渗流模具中，两个坯料之间用预制块隔开，然后升温到560℃，保温1min，得到液相分数比例为52%的非枝晶组织AZ91镁合金半固态浆料；
4）渗流，施加5MPa的压力将非枝晶组织AZ91镁合金半固态浆料从预制块的上、下方同时触变渗入步骤2）制得的预制块的孔隙中，冷却凝固，得到AZ91镁合金/NaCl颗粒复合体；
5）去除可溶性盐颗粒，溶去AZ91镁合金/NaCl颗粒复合体中的NaCl颗粒，得到厚度为16mm的面板和芯层为一体结构的泡沫镁夹芯板，泡沫芯层的平均孔隙直径为3.8mm。
实施例二，一种泡沫镁夹芯板的半固态触变渗流铸造方法，其包含如下步骤：
1）制备坯料，将半非枝晶组织AZ61镁合金铸锭机械加工成两个坯料，所述坯料为直径50mm、高15mm的圆柱体；其中AZ61镁合金的各成分的重量比为：Al：5.6~6.5%，Zn：0.35~1.0%，Mn：0.15~0.5%，Si：＜0.01%，Cu：＜0.03%，Ni：＜0.002%，Fe：＜0.005%，其余为Mg；
2）制备预制块，将粒径为5~12目的NaCl颗粒经预脱水处理，然后将处理后的NaCl颗粒置于预制块模具中紧实，制得预制块，所述预制块为直径50mm、高10mm的圆柱体；
3）制备非枝晶组织镁合金半固态浆料，将坯料和预制块放入渗流模具中，两个坯料之间用预制块隔开，然后升温到605℃，保温2min，得到液相分数比例为60%的非枝晶组织AZ61镁合金半固态浆料；
4）渗流，施加3MPa的压力将非枝晶组织AZ61镁合金半固态浆料从预制块的上、下方同时触变渗入步骤2）制得的预制块的孔隙中，冷却凝固，得到AZ61镁合金/NaCl颗粒复合体；
5）去除可溶性盐颗粒，溶去AZ61镁合金/NaCl颗粒复合体中的NaCl颗粒，得到厚度为15mm的面板和芯层为一体结构的泡沫镁夹芯板，泡沫芯层的平均孔隙直径为4.2mm。
实施例三，一种泡沫镁夹芯板的半固态触变渗流铸造方法，其包含如下步骤：
1）制备坯料，将非枝晶组织ZA84镁合金铸锭机械加工成两个坯料，所述坯料为直径50mm、高15mm的圆柱体；其中AZ84镁合金的各成分的重量比为：Zn：7.4~8.2%，Al：3.6~4.5%，Mn：0.15~0.40%，Si：＜0.01%，Cu：＜0.03%，Ni：＜0.002%，Fe：＜0.005%，其余为Mg。
2）制备预制块，将粒径为5~12目的NaCl颗粒经预脱水处理，然后将处理后的NaCl颗粒置于预制块模具中紧实，制得预制块，所述预制块为直径50mm、高10mm的圆柱体；
3）制备非枝晶组织镁合金半固态浆料，将坯料和预制块放入渗流模具中，两个坯料之间用预制块隔开，然后升温到585℃，保温1.5min，得到液相分数比例为56%的非枝晶组织ZA84镁合金浆料；
4）渗流，施加4MPa的压力将非枝晶组织ZA84镁合金半固态浆料从预制块的上、下方同时触变渗入步骤2）制得的预制块的孔隙中，冷却凝固，得到ZA84镁合金/NaCl颗粒复合体；
5）去除可溶性盐颗粒，溶去ZA84镁合金/NaCl颗粒复合体中的NaCl颗粒，得到厚度为18mm的面板和芯层为一体结构的泡沫镁夹芯板，泡沫芯层的平均孔隙直径为4.0mm。
Claims (3)
1.一种泡沫镁夹芯板的半固态触变渗流铸造方法，其特征在于包括如下步骤：
1）制备坯料，将非枝晶组织镁合金铸锭机械加工成两个坯料；
2）制备预制块，将粒径为5~12目的可溶性盐颗粒经预脱水处理，然后将处理后的可溶性盐颗粒置于预制块模具中紧实，制得预制块，所述预制块的形状与坯料一致，且其体积小于两个坯料的体积和；
3）制备非枝晶组织镁合金半固态浆料，将坯料和预制块放入渗流模具中，两个坯料之间用预制块隔开，然后升温到非枝晶组织镁合金半固态温度区间，保温1~2min，得到液相分数比例为50~60%的非枝晶组织镁合金半固态浆料；
4）渗流，施加3~5MPa的压力将非枝晶组织镁合金半固态浆料从预制块的上、下方同时触变渗入步骤2）制得的预制块的孔隙中，冷却凝固，得到镁合金/可溶性盐颗粒复合体；
5）去除可溶性盐颗粒，溶去镁合金/可溶性盐颗粒复合体中的可溶性盐颗粒，得到面板和芯层为一体结构的泡沫镁夹芯板，其中泡沫芯层的平均孔隙直径为3~5mm。
2.根据权利要求1所述的泡沫镁夹芯板的半固态触变渗流铸造方法，其特征在于：所述可溶性盐颗粒为NaCl颗粒。
3.根据权利要求1或2所述的泡沫镁夹芯板的半固态触变渗流铸造方法，其特征在于：所述步骤1）中的两个坯料的大小和形状一致。
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