CN109536766B - 一种基于吹气法的半固态浆料制备泡沫铝的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于吹气法的半固态浆料制备泡沫铝的方法及装置，方法为：(1)采用近液相线法制得铝合金半固态浆料；(2)连续输送到坩埚内，通过感应线圈加热保温；隔板将坩埚分隔为储液室和发泡室，发泡室内设置搅拌桨且底部设有透液孔；(3)通过搅拌桨进行搅拌，向透液孔内喷吹空气，铝合金半固态浆料中形成泡沫；(4)泡沫上浮向坩埚外侧坍塌，逐渐凝固并由牵引轮传输出去。装置包括坩埚及其内部的隔板，隔板底边与坩埚内底面之间有间隙沿；发泡室内设有搅拌桨，底部设有透液孔；底吹喷管与透液孔连通。本发明的方法及装置避免了陶瓷颗粒与铝合金材料的分离步骤，并且避免了回收过程中陶瓷颗粒与铝合金材料的分离步骤，降低成本。

Description

一种基于吹气法的半固态浆料制备泡沫铝的方法及装置
技术领域
本发明术语多孔泡沫材料技术领域，特别涉及一种基于吹气法的半固态浆料制备泡沫铝的方法及装置。
背景技术
泡沫铝作为同时拥有气相和液相两种介质的新型材料，具有质轻，绝热，电磁屏蔽高等优良特性，在建筑，航空航天等行业都有广泛的应用；为了满足各行业的应用需求，泡沫铝的高效制备成为冶金领域研究重点。
目前工业上针对不同的需求主要有两种泡沫铝制备方法，直接吹气法和熔体发泡法；其中直接吹气法是指在金属熔体内通入气体从而生产泡沫材料的方法，其优点是成本低，可实现大批量连续生产；在熔融泡沫铝的冷却过程中，由于重力与表面张力的作用，泡沫铝会产生析液现象；这种现象的存在会致使泡沫铝流动通道内的液体沿着重力方向向下流动，最终导致泡沫收集区的泡沫铝出现，壁厚不一致，泡孔大小严重不均，甚至泡沫上方泡沫发生破裂，而底部铝合金大量堆积等结构问题，严重影响泡沫铝成品性质及制备效率。
已有研究和实践证明，单独依靠泡沫铝表面生成的氧化铝薄膜，并不能使收集区的泡沫铝长时间维持形状直至冷却；但是通过混入颗粒的方法可以延长泡沫铝的维持时间，并且颗粒的浓度与尺寸对泡沫析液速度影响较大。现今，陶瓷颗粒的投入已经是泡沫铝制备过程中的必要手段；但是陶瓷颗粒的存在会影响泡沫铝成品的导热性，导电性等材料参数，并且后期的回收利用率很低，使得生产成本极高。
半固态加工技术是20世纪70年代初，美国麻省理工的Flemings教授提出的一种金属成型的新方法；具体是指在金属在具有一定固相率的固液共存状态下的加工成型方法，这种技术所制备的半固态浆料与液态的过热金属相比，含有一定体积比例的球状初生固相；与固态金属相比又具有一定的液相特质，例如流动性等；因此，在材料成型工艺等方面具有其独特的优点；在半固态加工过程中，可以通过控制温度，搅拌速度等参数控制半固态浆料的粘度，并可以在一定范围内调整内部晶体颗粒的浓度，尺寸及形状。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于吹气法的半固态浆料制备泡沫铝的方法及装置，通过向半固态浆料内部吹气的方法制备泡沫铝，利用金属在凝固过程中生成的晶核颗粒代替原有泡沫铝生成技术中所需的陶瓷颗粒，在抑制析液现象的同时，节约能源与成本，最终生成大小均匀一致的高性能泡沫铝成品。
本发明的方法包括以下步骤：
1、采用近液相线法制备得到铝合金半固态浆料；
2、将铝合金半固态浆料连续输送到坩埚内，通过坩埚外侧的感应线圈加热，使坩埚内的铝合金半固态浆料保持稳定；通过隔板将坩埚内部分隔为底部连通的储液室和发泡室，并在发泡室内设置搅拌桨，发泡室底部设有透气孔；其中透气孔与底吹喷管连通，底吹喷管与空气泵连接；隔板顶边高过坩埚上沿；
3、通过搅拌桨对发泡室内的铝合金半固态浆料进行搅拌，将铝合金半固态浆料中的原始枝晶打碎为细小的球状晶体颗粒；同时底吹喷管向透气孔内喷吹空气，空气进入储液室后形成的气泡被搅拌桨打碎形成细小气泡，使铝合金半固态浆料中形成泡沫；
4、泡沫夹带球状晶体颗粒上浮到发泡室上方，并逐渐累积高过坩埚上沿，在隔板阻挡作用下，向坩埚外侧流动；坩埚上沿外侧设置牵引轮，泡沫逐渐凝固并由牵引轮连续传输出去，形成泡沫铝。
上述方法中，制备的泡沫铝内部的孔径在1～10mm，孔隙率80～98％。
本发明的基于吹气法的半固态浆料制备泡沫铝的装置包括坩埚及其内部的隔板，隔板底边与坩埚内底面之间有间隙，隔板顶边高过坩埚上沿；隔板将坩埚内部分隔为储液室和发泡室，发泡室内设有搅拌桨；坩埚底部设有透气孔与搅拌桨上下相对；坩埚外部设有底吹喷管与透气孔连通。
上述装置中，坩埚外侧设有保温线圈。
上述装置中，坩埚上沿外侧设有牵引轮与隔板平行放置。
本发明的方法原理为：泡沫的析液行为的产生主要是由于在收集区泡沫铝的冷却过程中，内部流体沿流动通道向重力方向流动，而晶体颗粒的存在会通过三种机理来影响这种析液行为：1、颗粒与泡沫铝表面生成的氧化铝薄膜结合，被固定在气液界面，阻碍流动通道内部流体流动；2、大量颗粒聚集在流动通道的节点处，造成拥堵，从而抑制析液行为(如图2所示)；3、颗粒的存在增加了金属液的粘度，减缓流动通道内液体的流动速度；而半固态浆料的特点在于其拥有液相的同时，内部含有大量晶体颗粒；在搅拌作用下，半固态浆料中的晶体颗粒破碎，十字型枝晶被破碎为球形晶体颗粒，此时晶体颗粒的尺寸与浓度受搅拌速度所控制；由于球形晶体颗粒的存在，抑制了泡沫的析液过程，阻止泡沫壁破碎所导致泡沫的合并，从而使泡沫铝形成时其中的气孔大小均一；向半固态浆料吹气制备泡沫铝，可以节约工业常用制备方法中需添加的陶瓷颗粒，在节约成本与材料的同时，生产高性能且泡孔均匀的泡沫铝材料；已知通过改变剪切速率可以调控半固态浆料的表观粘度；在向半固态浆料吹气的过程中，持续进行搅拌，可以使半固态浆料粘度变小，有助于吹气管吹出的气泡快速上浮并被收集，当气泡上浮至表面堆积形成泡沫后，进入牵引轮引导的牵引冷却阶段，半固体浆料粘度变大，可有效减缓泡沫铝的析液现象；其次，相比于其他方法，吹气法制得的泡沫铝孔径较大，搅拌可以使其破碎变小，从而更加满足工业需求。
本发明与现有设备方法相比，具有如下显而易见的特点和优点：可改变现有泡沫铝制备工艺中的必要手段，以铝合金凝固过程中生成的球形晶核代替原生产过程中需添加的陶瓷颗粒。在减缓泡沫铝凝固过程中固有析液现象的同时，避免了陶瓷颗粒对泡沫铝成品材料参数的影响，并且起到了节约材料与成本的作用；泡沫铝在回收的过程中，避免了陶瓷颗粒与铝合金材料的分离步骤，方便回收，降低成本；采用吹气法手段，成本低廉，可以实现大批量生产。
附图说明
图1为本发明实施例中的一种基于吹气法的半固态浆料制备泡沫铝的装置结构示意图；
图中，1、坩埚，2、铝合金半固态浆料，3、感应线圈，4、搅拌桨，5、牵引轮，6、泡沫，7、底吹喷管，8、隔板；
图2为本发明的晶体颗粒对析液行为影响机理示意图；其中左图为内部流体沿流动通道向重力方向流动，中图为颗粒与泡沫铝表面生成的氧化铝薄膜结合，被固定在气液界面，阻碍流动通道内部流体流动，右图为颗粒聚集在流动通道的节点处，造成拥堵，从而抑制析液行为。
具体实施方式
本发明实施例中采用的牵引轮由上下两侧辊轮组构成，各辊轮组的多个辊轮轴线相互平行，且与隔板平行；各辊轮组与驱动电机转配在一起。
本发明实施例中采用的铝合金为6061铝合金，其半固态时的温度为657℃。
本发明实施例中，底吹喷管向透气孔内喷吹空气时，空气的流速为60L/min。
本发明实施例中，搅拌时控制剪切速率在500～1000/s。
本发明实施例中，透气孔的数量至少一个，底吹喷管的内径1mm。
实施例1
基于吹气法的半固态浆料制备泡沫铝的装置结构如图1所示，包括坩埚1及其内部的隔板8，隔板8底边与坩埚1内底面之间有间隙，隔板8顶边高过坩埚1上沿；隔板8将坩埚内部分隔为储液室和发泡室，发泡室内设有搅拌桨4；坩埚1底部设有透气孔与搅拌桨上4下相对；坩埚1外部设有底吹喷管7与透气孔连通；坩埚1外侧环绕有感应线圈3；
坩埚1上沿外侧设有牵引轮5与隔板8平行放置；
牵引轮与驱动电机装配在一起；搅拌桨与搅拌电机装配在一起；感应线圈与加热电源装配在一起；底吹喷管与空气压缩机装配在一起；
方法为：
采用近液相线法制备得到牌号为6061的铝合金半固态浆料，其温度为657±0.5℃；
将铝合金半固态浆料连续输送到坩埚内，通过坩埚外侧的感应线圈加热，使坩埚内的铝合金半固态浆料保持稳定在液相线温度附近；
当铝合金半固态浆料的液面高过隔板下沿后，启动搅拌桨对铝合金半固态浆料进行搅拌，同时通过底吹喷管喷吹空气，空气经透气孔进入发泡室；
空气进入储液室后形成的气泡被搅拌桨打碎形成细小气泡，使铝合金半固态浆料中形成泡沫，部分铝合金半固态浆料中的原始枝晶生成细小的球状晶体颗粒；
泡沫夹带球形颗粒上浮到发泡室上方，并逐渐累积高过坩埚上沿，在隔板阻挡作用下，向坩埚外侧坍塌；坩埚上沿外侧设置牵引轮，泡沫逐渐凝固并由牵引轮连续传输出去，形成泡沫铝；
获得的泡沫铝的平均孔径1mm，孔隙率80％。
实施例2
装置结构同实施例1；
方法同实施例1，不同点在于：
获得的泡沫铝的平均孔径5mm，孔隙率90％。
实施例3
装置结构同实施例1；
方法同实施例1，不同点在于：
获得的泡沫铝的平均孔径10mm，孔隙率98％。

Claims (1)

1.一种基于吹气法的半固态浆料制备泡沫铝的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）采用近液相线法制备得到牌号为6061的铝合金半固态浆料，其温度为657±0.5℃；
（2）将铝合金半固态浆料连续输送到坩埚内，通过坩埚外侧的感应线圈加热，使坩埚内的铝合金半固态浆料保持稳定；通过隔板将坩埚内部分隔为底部连通的储液室和发泡室，并在发泡室内设置搅拌桨，发泡室底部设有透气孔；其中透气孔与底吹喷管连通，底吹喷管与空气泵连接；隔板顶边高过坩埚上沿；
（3）通过搅拌桨对发泡室内的铝合金半固态浆料进行搅拌，搅拌时控制剪切速率在500~1000/s；将铝合金半固态浆料中的原始枝晶打碎为细小的球状晶体颗粒；同时底吹喷管向透气孔内喷吹空气，底吹喷管向透气孔内喷吹空气时，空气的流速为60L/min；空气进入储液室后形成的气泡被搅拌桨打碎形成细小气泡，使铝合金半固态浆料中形成泡沫；
（4）泡沫夹带球状晶体颗粒上浮到发泡室上方，并逐渐累积高过坩埚上沿，在隔板阻挡作用下，向坩埚外侧流动；坩埚上沿外侧设置牵引轮，泡沫逐渐凝固并由牵引轮连续传输出去，形成泡沫铝；所述的泡沫铝内部的孔径在1~10mm，孔隙率80~98%。
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