CN108796256B - 一种空心球与铝合金基隔声材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种空心球与铝合金基隔声材料的制备方法。将经过清洗的不锈钢空心球与铝合金基体放入模具中，不锈钢空心球随机均匀分布在铝合金基体内，得到空心球和铝合金的预制体；将所述预制体与模具放入真空热压烧结炉中进行热压烧结；热压烧结后取出进行T7热处理。本发明的方法所得到的空心球与铝合金隔声材料既可实现空心球在基体内的均匀分布，又可控制隔声材料内的孔隙率。是一种可用于制备轻质高性能隔声材料的简便方法。

Description

一种空心球与铝合金基隔声材料的制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种复合材料的制备方法，具体地说是一种利用粉末冶金技术制备不锈钢空心球与铝合金基隔声材料的方法。
背景技术
泡沫金属是一类包含大量孔隙的金属固体材料，这类材料往往具有特殊的孔洞结构，极大的孔隙率，较大的比表面积，较小的密度以及一定的强度和刚度。这种独特的结构导致这类材料往往具备优良的减振降噪、缓冲吸能、阻热隔热及屏蔽辐射等性能，可广泛应用于航空航天、石油化工、核能、建筑、汽车等行业。但传统泡沫金属存在孔隙尺寸难控制、孔隙分布不均匀等问题，导致材料局部薄弱，机械性能较差，制约了泡沫材料的进一步发展。
近年来，随着金属空心球的发展，复合泡沫金属材料成为研究热点。复合泡沫金属材料是一种闭孔泡沫金属，它由嵌入在基体金属中的随机疏松空心金属球和金属基体组成。相比于传统泡沫材料，复合泡沫金属材料内孔洞尺寸相对单一，且分布较均匀。故复合泡沫材料在承受载荷时会表现出均匀的变形，往往具有更为优良的机械及阻尼性能，吸能特性更佳，隔音减振效果更好。
复合泡沫材料中主要以Fe基及Al基的应用范围较为广泛，其中Al基复合泡沫材料具有轻质、塑韧性更好的特点。在要求轻质及塑韧性等功能的领域，如汽车吸能区、航空航天等铝基复合泡沫材料的应用前景更广阔。现阶段制备复合泡沫材料的工艺方法主要包括：重力铸造法、压力浸渍法、粉末冶金法。Rabiei等利用重力铸造法制备出了低碳钢空心球/356铝合金复合泡沫材料，因制备过程中无法施加压力，使得制备出的复合材料中存在大量除空心球内空腔外的其他孔洞；Dou等采用压力浸渗法制备飞灰空心球/2024铝合金复合材料，该方法虽可减少孔洞的存在但操作过程复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种操作简单，工艺流程短，成品率高，组织缺陷相对较少且且空心球与铝基体结合较好的空心球与铝合金基隔声材料的制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
将经过清洗的不锈钢空心球与铝合金基体放入模具中，不锈钢空心球随机均匀分布在铝合金基体内，得到空心球和铝合金的预制体；将所述预制体与模具放入真空热压烧结炉中进行热压烧结；热压烧结后取出进行T7热处理。
本发明还可以包括：
1.所述的热压烧结具体包括：加热至470℃～530℃，加热过程保持压力16MPa～20MPa；在470℃～530℃范围内保温30min，该保温过程中压力保持在16MPa～20MPa范围内；再加热至550℃～580℃，加热过程将压力低至10MPa～15MPa；在550℃～580℃温度范围保温2h，该保温过程压力保持在不低于10MPa；最后随炉冷却至室温。加热至470℃～530℃阶段的加热速度为6～8℃/min；加热至550℃～580℃阶段的加热速度为2～3℃/min。
2.不锈钢的清洗具体包括：用稀盐酸清洗不锈钢空心球表面的氧化膜，将去除氧化膜后的空心球放置超声波清洗机内，用酒精进一步清洗，之后用吹风机将清洗后的空心球吹干。
3.所述T7热处理的主要工艺参数为：加热温度470℃～500℃，保温时间1h，空冷；然再加热至200℃～250℃，保温时间4h，随炉冷。
4.所述不锈钢空心球为316L不锈钢空心球，所述铝合金基体为7075铝合金粉末。316L不锈钢空心球与7075铝合金粉末的质量比为2～4:30～40。
与背景技术部分所述的两种方法相比，粉末冶金法在烧结的同时可有效施加压力，从而可减少复合材料中的孔洞且制备工艺流程较短，操作简单。然而，目前使用粉末冶金法制备铝基复合泡沫材料的工艺研究很少。本发明提供了一种操作简单、工艺流程短、成品率高、组织缺陷相对较少且空心球与铝基体结合较好的铝基复合泡沫材料的制备方法。
本发明针对铝基复合泡沫材料制备中易出现孔洞、制备过程复杂等问题，利用粉末冶金法，并设计合理的热压烧结工艺及后续热处理工艺。最终获得孔洞缺陷少，空心球与铝合金基体结合良好的铝基复合泡沫材料。
本发明所具有的进步和显著特点为：
(1)本发明采用316L不锈钢空心球，7075铝合金粉末为原材料，316L空心球随机均匀分布在基体7075铝合金粉末内部。7075铝合金的化学成分为：Si 0.4％，Mn 0.3％，Fe0.5％，Cu 1.2～2.0％，Mg 2.1～2.9％，Cr 0.18～0.28％，Zn 5.1～6.1％，Al剩余。
(2)本发明的热压烧结过程在真空环境下进行，防止铝合金基体及内部的空心球在高温环境下发生氧化。
(3)本发明的烧结同时对试样施加一定压力，促进试样在高温下的反应，使试样具有良好的致密性。减少了孔洞的出现，且空心球球壁与铝合金基体结合处缺陷更少，结合力更高。
(4)本发明可以更好地控制复合泡沫材料内孔隙率的大小，结合改变空心球的直径及壁厚等参数，可使复合泡沫材料的性能具有可设计性，从而可有效拓宽该材料的应用领域。
(5)本发明对试样采取T7热处理，使试样具有了更高的强度及塑韧性。提高了它的吸能特性及隔声效果。整个操作过程简单，工艺流程短且成品率高。
附图说明
图1是烧结温度为560℃时，空心球在基体中的分布图。
图2是烧结温度为560℃时，T7(固溶处理+稳定化处理)热处理后复合材料金相组织。
图3是复合泡沫材料的隔声性能(烧结温度为560℃时，阻抗管测试结果，测试频率范围为1250～6300Hz)。
图4a-图4b是烧结温度为580℃时，T7热处理后复合材料金相组织；其中图4b为复合泡沫材料中空心球球壁与基体反应界面处放大后的金相组织。
图5烧结温度为580℃时，复合泡沫材料内阻抗管测试结果，测试频率范围为1250～6300Hz。
具体实施方式
下面举例对本发明做更详细的描述。
以下通过具体的实施例对本发明的技术方案做详细描述，应理解的是，这些实施例是用于说明本发明，而不是对本发明的限制，在本发明的构思前提下对本发明做简单改进，都属于本发明要求保护的范围。
实施例1
称取3.71g(150个)316L空心球，40g 7075铝合金粉(D50，10μm)。利用稀盐酸清洗空心球表面的氧化膜，然后用酒精对空心球在超声波清洗机中进一步清洗，将清洗后的空心球用吹风机吹干备用。将清洗后的空心球与称好的7075铝合金粉预制在喷有氮化硼的不锈钢模具内，且空心球随机均匀分布在基体内部。
将预制好的模具放入真空热压烧结炉中，进行热压烧结。整个加热及降温过程均在真空环境下进行。以6℃/min的加热速度将试样加热至500℃，加热过程中保持压力为16MPa；在500℃下保温30min，保温过程中压力保持在16MPa；然后以3℃/min的加热速度将试样加热至560℃，加热过程中压力保持为10MPa；
在560℃下保温2h，在保温过程中压力保持为10MPa。保温结束后停止加热，试样随烧结炉一起冷却至室温。
对烧结好的试样进行T7热处理：先将试样加热至500℃，保温1h后取出在空气中冷却；随后将试样加热至200℃，保温4h后停止加热，并使其随着热处理炉冷却至室温。
本实验制得的铝合金基复合泡沫材料整体密度为2.9g/cm3，将此材料沿直径切开可以观察到空心球随机均匀分布在基体内，图1为烧结试样中空心球在基体中的分布示意图。T7热处理后的复合泡沫材料金相照片如图2所示，在空心球球壁与铝合金基体间可明显观察到反应层的存在，且两者之间通过反应层相结合。
本发明所制备的复合泡沫材料具有优异的力学性能，其压缩强度可达到260MPa，压缩应变可达40％。
本发明所制备的复合泡沫材料具有优异的声学性能，其隔声性能测试结果如图3所示，当频率为1600Hz时，材料的传递损失可达到56.7dB；当频率为5000Hz是材料的传递损失可达到46.6dB。随着入射声波频率的增加，传递损失逐渐减小，但减小幅度很低且传递损失数值较高。
实施例2
称取2.47g(100个)316L空心球，30g 7075铝合金粉(D50，10μm)。利用稀盐酸清洗空心球表面的氧化膜，然后用酒精对空心球在超声波清洗机中进一步清洗，将清洗后的空心球用吹风机吹干备用。将清洗后的空心球与称好的7075铝合金粉预制在喷有氮化硼的不锈钢模具内，且空心球随机均匀分布在基体内部。
将预制好的模具放入真空热压烧结炉中，进行热压烧结。整个加热及降温过程均在真空环境下进行。以8℃/min的加热速度将试样加热至530℃，加热过程中保持压力为20MPa；在530℃下保温30min，保温过程中压力保持在20MPa；然后以2℃/min的加热速度将试样加热至580℃，加热过程中压力保持为10MPa；在580℃下保温2h，在保温过程中压力保持为10MPa。保温结束后停止加热，试样随烧结炉一起冷却至室温。
然后对试样进行T7热处理，处理工艺与实例1相同。
本实验制得的复合泡沫材料密度测量结果为2.83g/cm3，复合泡沫材料的金相组织如图4a-图4b所示，图5为阻抗管测试结果(隔声声测量)结果，当入射波频率为25000Hz时复合泡沫材料的传递损失最高为47.4dB。

Claims (3)

1.一种空心球与铝合金基隔声材料的制备方法，其特征是：将经过清洗的不锈钢空心球与铝合金基体放入模具中，不锈钢空心球随机均匀分布在铝合金基体内，得到空心球和铝合金的预制体；将所述预制体与模具放入真空热压烧结炉中进行热压烧结；热压烧结后取出进行T7热处理；
所述不锈钢空心球为316L不锈钢空心球，所述铝合金基体为7075铝合金粉末，316L不锈钢空心球与7075铝合金粉末的质量比为2~4:30~40；
所述的热压烧结具体包括：加热至470℃～530℃，加热过程保持压力16MPa～20MPa；在470℃～530℃范围内保温30min，该保温过程中压力保持在16MPa～20MPa范围内；再加热至550℃～580℃，加热过程将压力低至10MPa～15MPa；在550℃～580℃温度范围保温2h，该保温过程压力保持在不低于10MPa；最后随炉冷却至室温；
所述T7热处理的主要工艺参数为：加热温度470℃~500℃，保温时间1h，空冷；再加热至200℃~250℃，保温时间4h，随炉冷。
2.根据权利要求1所述的空心球与铝合金基隔声材料的制备方法，其特征是：加热至470℃～530℃阶段的加热速度为6～8℃/min；加热至550℃～580℃阶段的加热速度为2～3℃/min。
3.根据权利要求1或2所述的空心球与铝合金基隔声材料的制备方法，其特征是不锈钢的清洗具体包括：用稀盐酸清洗不锈钢空心球表面的氧化膜，将去除氧化膜后的空心球放置超声波清洗机内，用酒精进一步清洗，之后用吹风机将清洗后的空心球吹干。
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