CN109513941B - 一种空心铝合金微球制备装置及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空心铝合金微球制备装置及制备方法，所述装置包括密封壳体、坩埚、吹气装置、振动器；所述吹气装置包括吹气头；所述坩埚为侧壁具有空心容腔的槽型结构，所述空心容腔用于容纳铝合金熔体；通过吹气头吹气制备空心铝合金微球。通过调节气体流速与振动频率，可有效调控微球的粒径，从而使制备得到的空心铝合金微球粒径小且均匀；进一步地，通过控制空心铝合金微球的粒度可以控制泡沫铝合金中的气孔大小和分布，从而制备得到孔泡小且分布均匀的泡沫铝合金。采用该装置的制备方法工艺简单，无需反应模板，生产流程短、成本低。

Description

一种空心铝合金微球制备装置及制备方法

技术领域

本发明属于金属材料加工领域，具体涉及一种空心铝合金微球制备装置及制备方法。

背景技术

泡沫铝合金是在纯铝或铝合金中加入添加剂后，经过发泡工艺制成的，是一种新型结构功能材料。作为结构材料，它具有轻质和高比强度的特点；作为功能材料，它同时具备隔音降噪、隔热、阻燃、减震、吸收冲击能、电磁屏蔽等多种物理性能。泡沫铝合金的这些优异性能使其在当今的材料领域具有广阔的应用前景，特别是在冶金、机械、交通运输、航空航天、化工、电子通讯、建筑、军备及汽车领域有着广泛的应用。

按照气孔结构，泡沫铝合金可分为开孔泡沫铝合金和闭孔泡沫铝合金。其中，闭孔泡沫铝合金的用途更为广泛。闭孔泡沫铝合金的制备方法主要有熔体吹气法、熔体发泡法和粉末致密化发泡法等。熔体吹气法通过喷嘴注入，其气泡可直接产生而没有气泡的形核和长大过程，通过该方法产生的气泡尺寸相对较大，而且难以控制孔尺寸的均匀性。粉末致密化发泡法和熔体发泡法均采用发泡剂发泡，在孔径的控制方面存在重复性差、孔隙不均匀等问题。

为了制备得到泡孔尺寸均匀的泡沫铝合金材料，中国专利文献CN108950438A公开了一种轻质泡沫铝及其制备方法，公开了通过在原料中加入分子筛来增加泡沫铝的孔隙率，同时，分子筛的加入可使泡沫铝孔径尺寸与平均尺寸偏差程度降低，有利于保证孔径大小均匀。然而，此种方法需要在原料中加入反应模板，制备过程存在复杂的物理化学反应，而且工艺复杂，模板去除困难或不彻底，往往形成一种多层壳核结构，制备得到的泡沫铝合金的物理性质难以得到充分发挥。

综上，为了获得更好的性能，制备泡沫铝合金要求气孔小且分布均匀，当泡沫铝合金的泡孔尺寸减小并分布均匀后，会有效提高泡沫铝合金的二次加工性，同时其力学性能也会大幅提升，然而，目前的泡沫铝合金制备方法不能有效控制气孔的大小和分布。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的之一是提供一种空心铝合金微球制备装置；本发明的另一目的是提供上述空心铝合金微球的制备方法；本发明的再一目的是提供一种基于上述空心铝合金微球制备装置的泡沫铝合金制备方法。使用本发明所述的空心铝合金微球制备装置可制备得到大小均匀、直径在0.1mm以下的空心铝合金微球，基于其进行泡沫铝合金制备，可以得到具有微米级尺度均匀细小的泡沫孔结构的泡沫铝合金材料。

本发明的目的之一是通过以下技术方案实现的。

一种空心铝合金微球制备装置，包括，

密封壳体；

坩埚，设置于所述密封壳体内部；

吹气装置，所述吹气装置包括吹气头，所述吹气头设置于坩埚内；

振动器，所述振动器用于使吹气头发生振动。

进一步，所述空心铝合金微球制备装置还包括加热器，用以对坩埚中的铝合金熔体进行保温和/或加热。

进一步，所述坩埚为侧壁具有空心容腔的槽型结构，所述空心容腔用于容纳铝合金熔体，所述加热器设置于所述槽型结构中间。

进一步，所述吹气装置还包括进气管路，所述进气管路从坩埚外部穿过所述空心容腔并与所述吹气头连通，所述振动器设置于坩埚外的进气管路上；还包括进液管路，所述进液管路与所述坩埚连通，用以向所述空心容腔输送铝合金熔体。

进一步，所述坩埚侧壁顶部具有一斜度，且具有开口，所述开口下方设置有吹气头。

进一步，所述斜度为坩埚上表面与水平面夹角0°-30°；所述吹气头的内径为0.2-1mm。

进一步，所述吹气头的材料为金属或无机非金属陶瓷。

本发明的目的之二是通过以下技术方案实现的。

一种空心铝合金微球的制备方法，包括以下步骤：

S1：对所述密封壳体抽真空，充入保护气体；

S2：在坩埚内提供具有过热度且添加有增粘剂的铝合金熔体；

S3：使吹气头位于所述铝合金熔体液面下方；

S4：调节振动器的振动频率及进气管路中的气体流速，气体通过吹气头吹向熔体表面，形成空心铝合金微球；

S5：冷却并收集。

进一步，所述增粘剂为钙、硼、镁、铁、铜、锰、钛、硅、镍、钴、锌、氧化铜、氧化钛、氧化硅、钛铁、硅铁、碳化硅、氢化钛、氢化锆、氧化铝、二硼化钛和碳化硼粉末中的一种或几种，且粒度为10μm以下，加入量为熔体的5-10vol％。

在具体的实施方式中，所述增粘剂为氧化铝、氧化铜或氧化钛中的一种或几种。

进一步，步骤S2中所述铝合金熔体的具体制备方法为：将纯铝或铝合金加热熔化至680-750℃，加入经预热的所述增粘剂，进行搅拌至增粘剂在熔体中分散均匀，即得到所述的铝合金熔体。

进一步，步骤S1中所述的保护气体为惰性气体，优选氩气、氦气中的一种或几种。

进一步，步骤S4中所述的气体为氩气、氦气、氮气或压缩空气。

进一步，步骤S4中所述的振动频率为0-150Hz，优选100-150Hz。

进一步，步骤S4中所述气体流速为10-20mL/min。

本发明的目的之三是通过以下技术方案实现的。

一种泡沫铝合金的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

(1)按照上述空心铝合金微球的制备方法，制备得到空心铝合金微球；

(2)按粒度对空心铝合金微球进行分级，并选取合适粒度或粒度组配；

(3)以步骤(2)选取得到的空心铝合金微球，通过粉末冶金的方法制备泡沫铝合金。

进一步，步骤(2)中，按粒度对空心铝合金微球分级的方法为选择筛分法或风选法。

进一步，步骤(3)中，所述粉末冶金法包括：

将空心铝合金微球预热至100-120℃，模压成型，成型压力为140-160MPa；将所得压坯放置于密闭烧结炉内进行保护气氛烧结，烧结工艺为：烧结温度570-620℃，升温速率为12-15℃/min，保温时间为20-60min。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种空心铝合金微球制备装置，该装置充分利用了熔体的表面张力，通过通气与震荡，在熔体的液面处形成空心微球，通过调节气体流速与振动频率可有效调控微球的粒径，从而使制备得到的空心铝合金微球粒径小且均匀；本发明可制备得到粒径小于0.1mm的空心铝合金微球。

本发明还提供了相应的空心铝合金微球制备方法及泡沫铝合金制备方法，该制备方法工艺简单，无需反应模板，生产流程短、成本低。通过控制空心铝合金微球的粒度，可以进一步控制泡沫铝合金中的气孔大小和分布，从而制备得到孔泡小且分布均匀的泡沫铝合金；本发明可在微米级尺度上获得均匀细小的泡沫孔结构，可有效解决目前泡沫铝合金构件存在的问题，如在剪切带中的过早失效，以及在弯曲导致的拉应力下的低拉升强度等问题。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明空心铝合金微球制备装置示意图；

1-密封壳体；2-坩埚；21-空心容腔；22-开口；3-进液管路；4-吹气头；5-进气管路；6-振动器；7-加热器

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

根据本发明的实施方式，提出一种中空铝合金微球制备装置，参照图1，所述装置包括密封壳体1，坩埚2，进液管路3，吹气头4，进气管路5，振动器6，加热器7。坩埚2设于密封壳体1内部，坩埚2为槽型结构，加热器7设置于所述槽型结构中间，坩埚2的侧壁具有空心容腔21，进液管路3与空心容腔21连通；坩埚2的侧壁顶部设有开口22，开口22下方设有吹气头4，其内径为0.2-1mm；吹气头4与进气管路5连通，振动器6设置于进气管路5上。

所述中空铝合金微球制备装置的工作原理如下：

坩埚2设于密封壳体1内部，使空心铝合金微球的制备过程在密封壳体1内的气体条件下进行；通过进液管路3向空心容腔21输入铝合金熔体；加热器7根据需要对空心容腔21中的铝合金熔体进行保温或加热；通过调节振动器6以调节吹气头4的振动频率，同时通过进气管路5向吹气头4通入一定流速的气体；使吹气头4位于所述铝合金熔体液面下方，气体通过吹气头4吹向熔体表面，形成空心铝合金微球。

实施例1

将A356铝合金加热熔化至680℃，加入经400℃预热2h的粒径为5μm的Al₂O₃颗粒，Al₂O₃颗粒的添加量为10vol％，进行机械搅拌至加入的Al₂O₃颗粒在熔体中分散均匀，所得到的铝合金熔体用于后续制备过程。

对密封壳体1进行抽真空充入氩气作为保护气，在铝合金熔体温度为680℃时，将其通过进液管路3输入空心容腔21，使空心容腔21充满铝合金熔体，调节振动器6以调节吹气头4的振动频率为100Hz，同时通过进气管路5向吹气头4以15mL/min的流速通入氩气，氩气通过吹气头4吹向铝合金熔体表面，形成空心铝合金微球。

待空心铝合金微球冷却后，用150目的筛网进行筛分，得到粒度为-150目的空心铝合金微球用于后续制备过程。

通过粉末冶金的方法制备泡沫铝合金：将空心铝合金微球加热至100℃，装入模具，压制成坯，自然冷却至室温，其中，压制的压力为150MPa，成形密度为2.30g/cm³；将所得压坯放置于密闭烧结炉内烧结，烧结的升温过程为在室温到600℃之间的升温速度为14℃/min，在600℃温度下保温30min，密闭烧结炉内压力0.01MPa，炉内气氛为氩气。然后冷却至室温，制备得到泡沫铝合金。

实施例2

将纯铝加热熔化至750℃，加入经400℃预热2h的粒径为5μm的TiO₂颗粒，TiO₂颗粒的添加量为8vol％，进行机械搅拌至加入的TiO₂颗粒在熔体中分散均匀，所得到的铝合金熔体用于后续制备过程。

对密封壳体1进行抽真空充入氩气作为保护气，在铝合金熔体温度为680℃时，将其通过进液管路3输入空心容腔21，使空心容腔21充满铝合金熔体，调节振动器6以调节吹气头4的振动频率为150Hz，同时通过进气管路5向吹气头4以10mL/min的流速通入氩气，氩气通过吹气头4吹向铝合金熔体表面，形成空心铝合金微球。

待空心铝合金微球冷却后，用200目的筛网进行筛分，得到粒度为-200目的空心铝合金微球用于后续制备过程。

通过粉末冶金的方法制备泡沫铝合金：将空心铝合金微球加热至120℃，装入模具，压制成坯，自然冷却至室温，其中，压制的压力为160MPa，成形密度为2.60g/cm³；将所得压坯放置于密闭烧结炉内烧结，烧结的升温过程为在室温到620℃之间的升温速度为14℃/min，在600℃温度下保温40min，密闭烧结炉内压力0.01MPa，炉内气氛为氩气。然后冷却至室温，制备得到泡沫铝合金。

实施例3

将A356铝合金加热熔化至700℃，加入经400℃预热2h的粒径为10μm的CuO颗粒，CuO颗粒的添加量为5vol％，进行机械搅拌至加入的CuO颗粒在熔体中分散均匀，所得到的铝合金熔体用于后续制备过程。

对密封壳体1进行抽真空充入氦气作为保护气，在铝合金熔体温度为680℃时，将其通过进液管路3输入空心容腔21，使空心容腔21充满铝合金熔体，调节振动器6以调节吹气头4的振动频率为90Hz，同时通过进气管路5向吹气头4以20mL/min的流速通入氮气，氮气通过吹气头4吹向铝合金熔体表面，形成空心铝合金微球。

待空心铝合金微球冷却后，用风选方法进行筛分，将筛分得到的空心铝合金微球用于后续制备过程。

通过粉末冶金的方法制备泡沫铝合金：将空心铝合金微球加热至110℃，装入模具，压制成坯，自然冷却至室温，其中，压制的压力为140MPa，成形密度为2.40g/cm³；将所得压坯放置于密闭烧结炉内烧结，烧结的升温过程为在室温到580℃之间的升温速度为12℃/min，在580℃温度下保温40min，密闭烧结炉内压力0.01MPa，炉内气氛为氦气。然后冷却至室温，制备得到泡沫铝合金。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种空心铝合金微球制备装置，其特征在于，包括，

密封壳体；

坩埚，设置于所述密封壳体内部，所述坩埚为侧壁具有空心容腔的槽型结构，所述空心容腔用于容纳铝合金熔体；

吹气装置，所述吹气装置包括吹气头，所述吹气头设置于坩埚内；

振动器，所述振动器用于使吹气头发生振动；

加热器，所述加热器设置于所述槽型结构中间，用以对坩埚中的铝合金熔体进行保温和/或加热；

所述吹气装置还包括进气管路，所述进气管路从坩埚外部穿过所述空心容腔并与所述吹气头连通，所述振动器设置于坩埚外的进气管路上；还包括进液管路，所述进液管路与所述坩埚连通，用以向所述空心容腔输送铝合金熔体；

所述坩埚侧壁顶部具有一斜度，且具有开口，所述开口下方设置有所述吹气头。

2.如权利要求1所述的空心铝合金微球制备装置，其特征在于，所述斜度为坩埚上表面与水平面夹角0°-30°；所述吹气头的内径为0.2-1mm。

3.一种如权利要求1-2任一项所述的空心铝合金微球制备装置制备空心铝合金微球的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：对所述密封壳体抽真空，充入保护气体；

S2：在坩埚内提供具有过热度且添加有增粘剂的铝合金熔体；

S3：使吹气头位于所述铝合金熔体液面下方；

S4：调节振动器的振动频率及进气管路中的气体流速，气体通过吹气头吹向熔体表面，形成空心铝合金微球，所述振动频率为0-150Hz，所述气体流速为10-20mL/min；

S5：冷却并收集。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述增粘剂为钙、硼、镁、铁、铜、锰、钛、硅、镍、钴、锌、氧化铜、氧化钛、氧化硅、钛铁、硅铁、碳化硅、氢化钛、氢化锆、氧化铝、二硼化钛和碳化硼粉末中的一种或几种，且粒度为10μm以下，加入量为熔体的5-10vol％。

5.一种泡沫铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)如权利要求3-4任一项所述的方法，制备得到空心铝合金微球；

(2)按粒度对空心铝合金微球进行分级，并选取合适粒度或粒度组配；

(3)以步骤(2)选取得到的空心铝合金微球，通过粉末冶金的方法制备泡沫铝合金。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述粉末冶金法包括：

将空心铝合金微球预热至100-120℃，模压成型，成型压力为140-160MPa；将所得压坯放置于密闭烧结炉内进行保护气氛烧结，烧结工艺为：烧结温度570-620℃，升温速率为12-15℃/min，保温时间为20-60min。

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