CN109136618A - 一种梯度泡沫铝材料的制备方法 - Google Patents

一种梯度泡沫铝材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种梯度泡沫铝材料的制备方法，该方法首先通过包套轧制法制备出基体成分相同，而发泡剂含量不同的坯料或者基体成分不同，而发泡剂含量相同的坯料，然后将这些坯料按一定的顺序进行叠放并固定在一起，再进行轧制复合处理，最后进行高温发泡以制备出梯度泡沫铝材料。该制备方法具有高效、低成本、高性能的特点。

Description

一种梯度泡沫铝材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种梯度材料的制备方法，具体涉及一种梯度泡沫铝材料的制备方法，属于梯度材料制备技术领域。
背景技术
梯度泡沫铝是指泡沫铝的某一尺寸方向上密度、孔径以及成分连续变化的泡沫铝结构，它克服了传统匀质泡沫铝材料的不足，可以用低孔隙率区作为承载，高孔隙率区实现功能特性，因此，梯度泡沫铝是一种先进的结构功能一体化材料结构。目前，梯度泡沫铝的制备方法有渗流铸造法、占位体烧结法、搅拌摩擦加工法以及化学铣削法等。
渗流铸造法是以铝锭、NaCl为原材料，首先将NaCl放置在模具当中，利用压机制备NaCl坯料，通过控制压力控制NaCl在坯料中的体积分数，然后将铝锭、不同NaCl体积分数的坯料按一定的顺序叠放在一起，并置于渗流铸造设备当中，在气压的作用下，铝锭的熔体将注入到NaCl坯料的孔隙当中，冷却室温后，再将其放入水中，坯料中的NaCl将会溶解于水中，从而制备出梯度泡沫铝结构。
占位体烧结法是以铝粉、占位体(NaCl)为原材料，首先将铝粉、占位体(不同粒径、不同质量比)以及少量的增粘剂进行充分的混合，将不同的混合粉按一定的顺序铺放在模具当中，利用压机进行致密化处理制备出坯料，然后将坯料置入水中，其中占位体将会溶解进水中，最后再进行高温烧结完成梯度泡沫铝结构的制备。
搅拌摩擦加工法是以铝板为原材料、以氢化钛为发泡剂，将氢化钛置于两块铝板之间，通过搅拌摩擦焊将两块铝板连接在一起，在此过程中氢化钛均匀分布于铝合金当中，应用同样的方法制备出不同氢化钛含量的坯料，然后将这些坯料按一定的顺序排放，并利用搅拌摩擦焊将其连接再一起，最后通过高温发泡制备出梯度泡沫铝结构。
化学铣削法是将已经制备好的开孔泡沫铝浸入在NaOH或HCl溶液中，通过控制NaOH或HCl溶液的液面高度，控制泡沫铝在溶液中的侵蚀时间，从而获得梯度泡沫铝结构。
目前，梯度泡沫铝的制备方法都存在不足之处，渗流铸造法和占位体烧结法制备过程中需采用压力机来制备坯料，所制备的梯度泡沫铝外形尺寸受限于压机的吨位和台面尺寸，而无法制备出大尺寸的材料结构。搅拌摩擦加工法过程中需大量的使用搅拌摩擦过程，这包括发泡剂分散以及不同特征坯料之间的连接，因此在大尺寸梯度泡沫铝制备过程中存在加工效率低、成本高的问题。化学铣削法过程中使用酸、碱等溶液，且需要特殊的装置来完成，因此其环境友好性差，成本较高。
发明内容
针对目前梯度泡沫铝制备过程中存在的不足之处，本发明基于粉末冶金法提出了一种梯度泡沫铝材料的制备方法，该方法以TiH2、ZrH2和CaCO3等可热解的物质为发泡剂，首先通过包套轧制法制备出发泡剂含量不同或基体成分不同的若干个坯料，然后将若干个坯料按一定的顺序进行叠放并固定在一起，并进行轧制复合处理，制备出梯度坯料，最后进行高温发泡以制备出梯度泡沫铝材料，该方法具有高效、低成本、高性能的特点。
为了实现本发明，其采用了如下技术方案：
一种梯度泡沫铝材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将铝粉、发泡剂按一定的质量比混合均匀，得到混合粉；
(2)采用纯铝板制备矩形包套；
(3)将混合粉放入包套内，密封包套；
(4)将装有混合粉的包套放入加热炉中进行高温热处理，热处理温度350℃～450℃，时间30min～60min；
(5)将热处理后的包套进行轧制致密化处理，总轧制压下量不超过50％，道次压下量10％～20％，道次间进行高温热处理，热处理温度350℃～450℃，时间30min～60min；
(6)去除包套，得到板状的坯料；
(7)重复(1)～(6)，制备出基体成分相同发泡剂含量不同的若干个坯料或基体成分不同发泡剂含量相同的若干个坯料；
(8)将基体成分相同发泡剂含量不同的若干个坯料或基体成分不同发泡剂含量相同的若干个坯料按一定的顺序进行叠放并固定在一起，得到叠层坯料；
(9)将叠层坯料放入加热炉中进行高温热处理，热处理温度350℃～450℃，时间30min～60min；
(10)将热处理后的叠层坯料进行轧制复合处理，总轧制压下量高于80％，首次压下量大于50％，道次压下量10％～20％，道次间进行高温热处理，热处理温度350℃～450℃，时间30min～60min；
(11)将轧制复合处理后的叠层坯料放入加热炉中进行高温发泡，待坯料温度达到T～T+80℃时，将叠层坯料从加热炉中取出、空冷，得到梯度泡沫铝材料，其中T为铝粉的基体成分的熔点。
进一步地，步骤(1)中所述发泡剂为TiH2、ZrH2和CaCO3中的一种，所述铝粉的基体成分为纯铝粉、铝合金粉中的一种或几种。
进一步地，步骤(1)中采用混粉机将铝粉、发泡剂进行混合，混合时间为4h。
进一步地，步骤(1)中所述发泡剂在混合粉中的质量分数为0～2.0％。
进一步地，步骤(2)的具体方法如下：利用有机溶剂去除纯铝板表面的油脂，然后将其单面均匀涂覆止焊剂，采用氩弧焊接将纯铝板焊接成矩形的包套，涂敷止焊剂的一面在包套的内侧。
进一步地，步骤(7)的若干个坯料的发泡剂含量、基体成分相同或不相同。
进一步地，步骤(8)中的基体成分相同发泡剂含量不同的若干个坯料按照发泡剂含量从低到高、从低到高再到低或者从高到低再到高的顺序进行叠放。
进一步地，步骤(8)中的基体成分不同发泡剂含量相同的若干个坯料按照基体1—基体2—基体3、……、基体1—基体2—基体3、基体3—基体2—基体1……基体3—基体2—基体1的顺序进行叠放，或者按照基体1—基体2—基体3……基体1—基体2—基体3的顺序进行叠放，或者按照基体3—基体2—基体1……基体3—基体2—基体1—基体2—基体3……基体1—基体2—基体3的顺序进行叠放。
进一步地，所有的热处理均采用箱式电阻炉。
本发明的技术效果：
1.采用工业化轧制的方法来制备出发泡剂含量、基体合金呈梯度分布的坯料，然后通过高温发泡来制备孔隙结构梯度泡沫铝或基体成分梯度泡沫铝，不需要复杂的专用装备，能够用于大尺寸梯度泡沫铝的工业化生产，制备效率高、成本低。
2.基于通过控制发泡剂的分布或铝粉基体成分的变化来制备梯度泡沫铝的发明构思，采用包套轧制制备出若干个坯料，并将若干个坯料轧制复合在一起，最后通过高温发泡制备出梯度泡沫铝，易于实现孔隙结构的连续变化或成分梯度的变化，这是现有技术中没有的，所制备的梯度泡沫铝具有更优异的综合性能，更好的满足需求，为进一步拓展泡沫铝结构的应用奠定基础。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
图中：1-原始材料a铝粉和b发泡剂；2-材料混合；3-表面处理；4-包套密封；5-高温处理；6-高温轧制；7-包套去除；8-叠合固定；9-高温发泡；10-梯度泡沫铝。
图2为本发明制备得到的梯度泡沫铝材料的形貌图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的一种梯度泡沫铝材料的制备方法作进一步阐述，但本发明的保护内容并不限于以下实施例。
实施例1
一种梯度泡沫铝材料的制备方法，包括如下步骤：
1.将AlSi12合金粉、TiH2粉按一定的比例放置在混粉机中进行充分混合得到混合粉，混合时间4h；
2.利用酒精、丙酮等有机溶剂去除纯铝板表面的油脂，然后将其单面均匀涂覆上止焊剂，采用氩弧焊接将纯铝板焊接成矩形包套，涂敷止焊剂的一面在包套的内侧；
3.将混合粉放入纯铝矩形的包套内，并用氩弧焊接进行密封；
4.将纯铝矩形包套放入箱式电阻炉中进行高温热处理，热处理温度450℃，时间30min；
5.利用轧机进行纯铝包套轧制致密化处理，总轧制压下量不超过50％，道次压下量10～20％，道次间将进行高温热处理，热处理温度450℃，时间30min；
6.利用机械加工的方法去除包套，获得板状的坯料；
7.重复(1)～(6)制备出发泡剂在混合粉中的质量含量分别为0.0wt.％，0.25wt.％，0.50wt.％，0.75wt.％，1.0wt.％的坯料；
8.将不同发泡剂含量的坯料，按照0.0wt.％→0.25wt.％→0.50wt.％，0.75wt.％→1.0wt.％的顺序叠放并固定在一起，得到叠层坯料；
9.将叠层坯料放入箱式电阻炉中进行高温热处理，热处理温度450℃，时间30min；
10.利用轧机进行叠层坯料的轧制复合处理，总轧制压下量为80％，首次压下量为60％，剩余道次压下量分别为10％，道次间将进行高温热处理，热处理温度450℃，时间30min；
11.将轧制复合处理后的叠层坯料放入箱式电阻炉进行高温发泡，待叠层坯料的温度达到630℃时，将叠层坯料从箱式电阻炉取出、空冷，制备出孔径梯度泡沫铝材料。
实施例2
一种梯度泡沫铝材料的制备方法，包括如下步骤：
1.将AlSi12合金粉、TiH2粉按一定的比例放置在混粉机中进行充分混合得到混合粉，混合时间4h；
2.利用酒精、丙酮等有机溶剂去除纯铝板表面的油脂，然后将其单面均匀涂覆上止焊剂，采用氩弧焊接将纯铝板焊接成矩形包套，涂敷止焊剂的一面在包套的内侧；
3.将混合粉放入纯铝矩形的包套内，并用氩弧焊接进行密封；
4.将纯铝矩形包套放入箱式电阻炉中进行高温热处理，热处理温度450℃，时间30min；
5.利用轧机进行纯铝包套轧制致密化处理，总轧制压下量不超过50％，道次压下量10～20％，道次间将进行高温热处理，热处理温度450℃，时间30min；
6.利用机械加工的方法去除包套，获得板状的坯料；
7.重复(1)～(6)制备出发泡剂在混合粉中的质量含量分别为0.0wt.％，0.25wt.％，0.50wt.％，0.75wt.％，1.0wt.％的坯料；
8.将不同发泡剂含量的坯料，按照0.0wt.％→0.25wt.％→0.50wt.％→0.75wt.％→1.0wt.％→0.75wt.％→0.50wt.％→0.25wt.％→0.0wt.％的顺序叠放并固定在一起，得到叠层坯料；
9.将叠层坯料放入箱式电阻炉中进行高温热处理，热处理温度450℃，时间30min；
10.利用轧机进行叠层坯料的轧制复合处理，总轧制压下量为80％，首次压下量为60％，剩余道次压下量分别为10％，道次间将进行高温热处理，热处理温度450℃，时间30min；
11.将轧制复合处理后的叠层坯料放入箱式电阻炉进行高温发泡，待叠层坯料的温度达到630℃时，将叠层坯料从箱式电阻炉取出、空冷，制备出孔径梯度泡沫铝材料。
实施例3
一种梯度泡沫铝材料的制备方法，包括如下步骤：
1.将L2纯铝粉、AlSi12合金粉分别与TiH2粉按99：1的比例放置在混粉机中进行充分混合得到混合粉，混合时间4h；
2.利用酒精、丙酮等有机溶剂去除纯铝板表面的油脂，然后将其单面均匀涂覆上止焊剂，采用氩弧焊接将纯铝板焊接成矩形包套，涂敷止焊剂的一面在包套的内侧；
3.将混合粉放入纯铝矩形的包套内，并用氩弧焊接进行密封；
4.将纯铝矩形包套放入箱式电阻炉中进行高温热处理，热处理温度450℃，时间30min；
5.利用轧机进行纯铝包套轧制致密化处理，总轧制压下量不超过50％，道次压下量10～20％，道次间将进行高温热处理，热处理温度450℃，时间30min；
6.利用机械加工的方法去除包套，获得板状的坯料；
7.重复(1)～(6)制备出发泡剂在混合粉中的质量含量为1.0wt.％的坯料，其中混合粉中的铝粉分别L2纯铝粉和AlSi12合金粉；
8.将不同基体成分的坯料，按照L2→AlSi12的顺序叠放并固定在一起，得到叠层坯料；
9.将叠层坯料放入箱式电阻炉中进行热处理，热处理温度450℃，时间20min；
10.利用轧机进行叠层坯料的轧制复合处理，总轧制压下量为80％，首次压下量为60％，剩余道次压下量分别为10％，道次间将进行高温热处理，热处理温度450℃，时间20min；
11.将轧制复合处理后的叠层坯料放入箱式电阻炉进行高温发泡，待叠层坯料的温度达到660℃时，将叠层坯料从箱式电阻炉取出、空冷，制备出成分梯度泡沫铝材料。

Claims (9)

1.一种梯度泡沫铝材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将铝粉、发泡剂按一定的质量比混合均匀，得到混合粉；
(2)采用纯铝板制备矩形包套；
(3)将混合粉放入包套内，密封包套；
(4)将装有混合粉的包套放入加热炉中进行高温热处理，热处理温度350℃～450℃，时间30min～60min；
(5)将热处理后的包套进行轧制致密化处理，总轧制压下量不超过50％，道次压下量10％～20％，道次间进行高温热处理，热处理温度350℃～450℃，时间30min～60min；
(6)去除包套，得到板状的坯料；
(7)重复(1)～(6)，制备出基体成分相同发泡剂含量不同的若干个坯料或基体成分不同发泡剂含量相同的若干个坯料；
(8)将基体成分相同发泡剂含量不同的若干个坯料或基体成分不同发泡剂含量相同的若干个坯料按一定的顺序进行叠放并固定在一起，得到叠层坯料；
(9)将叠层坯料放入加热炉中进行高温热处理，热处理温度350℃～450℃，时间30min～60min；
(10)将热处理后的叠层坯料进行轧制复合处理，总轧制压下量高于80％，首次压下量大于50％，道次压下量10％～20％，道次间进行高温热处理，热处理温度350℃～450℃，时间30min～60min；
(11)将轧制复合处理后的叠层坯料放入加热炉中进行高温发泡，待坯料温度达到T～T+80℃时，将叠层坯料从加热炉中取出、空冷，得到梯度泡沫铝材料，其中T为铝粉的基体成分的熔点。
2.根据权利要求1所述的一种梯度泡沫铝材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述发泡剂为TiH2、ZrH2和CaCO3中的一种，所述铝粉的基体成分为纯铝粉、铝合金粉中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种梯度泡沫铝材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中采用混粉机将铝粉、发泡剂进行混合，混合时间为4h。
4.根据权利要求1所述的一种梯度泡沫铝材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述发泡剂在混合粉中的质量分数为0～2.0％。
5.根据权利要求1所述的一种梯度泡沫铝材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体方法如下：利用有机溶剂去除纯铝板表面的油脂，然后将其单面均匀涂覆止焊剂，采用氩弧焊接将纯铝板焊接成矩形的包套，涂敷止焊剂的一面在包套的内侧。
6.根据权利要求1所述的一种梯度泡沫铝材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(7)的若干个坯料的发泡剂含量、基体成分相同或不相同。
7.根据权利要求1所述的一种梯度泡沫铝材料的制备方法，其特征在于，步骤(8)中的基体成分相同发泡剂含量不同的若干个坯料按照发泡剂含量从低到高、从低到高再到低或者从高到低再到高的顺序进行叠放。
8.根据权利要求1所述的一种梯度泡沫铝材料的制备方法，其特征在于，步骤(8)中的基体成分不同发泡剂含量相同的若干个坯料按照基体1—基体2—基体3、……、基体1—基体2—基体3、基体3—基体2—基体1……基体3—基体2—基体1的顺序进行叠放，或者按照基体1—基体2—基体3……基体1—基体2—基体3的顺序进行叠放，或者按照基体3—基体2—基体1……基体3—基体2—基体1—基体2—基体3……基体1—基体2—基体3的顺序进行叠放。
9.根据权利要求1所述的一种梯度泡沫铝材料的制备方法，其特征在于，所有的热处理均采用箱式电阻炉。
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