CN109868385B - 一种泡体均匀性良好的泡沫铝的制备装置及方法 - Google Patents

一种泡体均匀性良好的泡沫铝的制备装置及方法 Download PDF

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本发明属于多孔金属泡沫材料技术领域，公开了一种泡体均匀性良好的泡沫铝的制备装置及方法，其装置包括反应器壳体、线圈装置、模具，所述反应器壳体和模具均为顶部开口结构，所述模具可拆卸式装配在反应器壳体内部，线圈装置嵌入式装配在反应器壳体侧壁内，反应器壳体内壁底部装配有用于调节模具内腔温度的温控装置，模具内腔设置有可升降的混合搅拌器，混合搅拌器上设置有用于向模具内腔注入气固混合物的供给通道，本发明通过交变磁场与泡沫铝中感生电流的相互作用，产生垂直于模具壁面指向泡沫铝熔体中心的电磁压力，使泡沫铝与模具壁面摩擦减小，泡沫铝流动顺畅，从而获得泡体均匀性良好的泡沫铝或泡沫铝合金产品。

Description

一种泡体均匀性良好的泡沫铝的制备装置及方法
技术领域
本发明属于多孔金属泡沫材料技术领域，具体涉及一种泡体均匀性良好的泡沫铝的制备装置及方法。
背景技术
泡沫铝是一种以纯铝或铝合金为基体的多孔金属材料，具有多种优良性能，如吸音隔声、孔隙率高、能量吸收性能好、电磁屏蔽性能好、阻尼减震性能好等。广泛应用于航空航天、交通运输、电子通讯、建筑机械等多个领域，其研究成为国内外材料科学技术领域的重要研究内容之一。现行比较成熟的制备泡沫铝的方法为粉末冶金法、吹气发泡法和熔体直接发泡法。其中粉末冶金法是将铝粉或铝合金粉与发泡剂粉末混合，来制备泡沫铝材的一种方法，其不足之处在于制备工艺复杂，生产成本高。吹气发泡法生产的泡沫铝材料存在孔隙分布不均匀的问题。熔体直接发泡法工艺流程简单、生产成本低、可制备大型板材，工业应用前景广阔。其基本原理主要是将纯铝或铝合金熔化，再加入增稠剂使得铝熔体的粘度增加，以防止气泡从熔体中溢出，然后加入发泡剂，最后经冷却使发泡剂产生的气体滞留在熔体内部。
但现行的熔体直接发泡法也存在着一些不足，应用熔体直接发泡法制备泡沫铝产品时，泡沫铝与模具壁面接触的边缘区域，沿着发泡方向，存在一层扭曲的非球形孔隙，这层孔隙又窄又长，具有较大的纵横比。这层非球形孔隙的出现导致了泡沫铝产品孔隙分布不均匀，直接影响产品的能量吸收性能及其稳定性，降低了产品成材率和产品质量，同时也增加了制造成本。
导致这一现象的原因是，由于模具壁面做不到绝对光滑，泡沫铝与模具壁面接触的粘附界面处，有一层致密铝液层，根据粘性流动理论，模具壁面附近的致密铝液层，流动速度近似为零。在泡沫铝的发泡阶段，气泡层在发泡方向上具有一定速度，其与致密铝液层之间存在相对滑动，必然产生速度梯度，致密铝液层附近的气泡出现严重变形，这就导致了致密铝液层附近孔隙变形明显。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种能解决泡沫铝生产过程中边缘孔隙严重变形问题的装置及制备方法，通过交变磁场与泡沫铝中感生电流的相互作用，产生垂直于模具壁面指向泡沫铝熔体中心的电磁压力，使泡沫铝与模具壁面摩擦减小，泡沫铝流动顺畅，从而获得泡体均匀性良好的泡沫铝或泡沫铝合金产品。
本发明技术方案如下：
一种泡体均匀性良好的泡沫铝的制备装置，包括反应器壳体、线圈装置、模具，所述反应器壳体和模具均为顶部开口结构，所述模具可拆卸式装配在反应器壳体内部，线圈装置嵌入式装配在反应器壳体侧壁内，反应器壳体内壁底部装配有用于调节模具内腔温度的温控装置，模具内腔设置有可升降的混合搅拌器，混合搅拌器上设置有用于向模具内腔注入气固混合物的供给通道。
所述线圈装置包括线圈和交流电源，线圈与外部交流电源电连接，交流电源的输入电流强度为50A～100A,频率为800Hz～5000Hz。
供给通道上设置有用于调节气固混合物流量的调整供给阀。
所述装置还包括传送带，传送带的末端位于模具上方。
一种泡体均匀性良好的泡沫铝的制备方法，采用前述的一种泡体均匀性良好的泡沫铝的制备装置，包括以下步骤：
步骤1、按如下质量分数比进行备料：纯铝或铝合金：增稠剂：TiH2＝(95.5～97)：(2～3)：(1～1.5)；
步骤2、将纯铝或铝合金锭放入模具中，利用温控装置加热，待纯铝或铝合金锭熔化得到熔体，升温到850～900℃，恒温直至熔体温度均匀后，将增稠剂加入熔体，并以800～1000rpm的搅拌速度进行增稠搅拌，持续搅拌8～10min；
步骤3、利用控温装置将熔体温度调为620～680℃，搅拌速度调整为1000rpm～2500rpm进行发泡搅拌，同时通过向供给通道内通入惰性气体的方式将TiH2混入熔体中,同时开启线圈装置，发泡搅拌持续0.5～6min；
步骤4、待TiH2与熔体均匀后，迅速升起混合搅拌器，然后在该温度下保温1～6min，使混合物料与TiH2进行充分发泡反应；
步骤5、保温阶段结束后，关闭线圈装置，将模具冷却，获得泡体均匀性良好的泡沫铝。
6、根据权利要求5所述的一种泡体均匀性良好的泡沫铝的制备方法，其特征在于，所述均匀性良好的泡沫铝的孔径为1～8mm，孔隙率为75％～85％，孔径误差小于10％,孔隙变形率≤0.2％。
本发明的工作原理如下：
在合适温度将增稠剂(金属钙颗粒)加入熔体后，混合物料的粘度增加；又在合适温度将发泡剂TiH2加入混合物料之后，发泡剂TiH2迅速反应，产生气体，进入发泡阶段；在加入发泡剂TiH2的同时，线圈装置开启，在线圈中通交流电；交变电场会在线圈周围产生交变磁场，从而在模具内部的泡沫铝中感应出感生电流，该感生电流与交变磁场相互作用就会产生垂直于模具壁面指向泡沫铝熔体中心的电磁压力；该电磁压力会部分甚至全部抵消泡沫铝产生的静压力，从而将靠近模具壁面的泡沫铝熔体推离模具壁面，从而降低泡沫铝与模具壁面之间的接触压力和滑动摩擦力，使二者之间呈现软接触状态，改善模具壁面、致密铝液层和气泡层之间的润滑条件；因为泡沫铝的孔隙结构具有良好的电磁屏蔽效果，所以在一定频率范围内，在交变磁场中电磁压力主要表现为泡沫铝熔体表面的约束力，并不影响泡沫铝内部结构；通过这种方式减弱或者消除边缘气泡层的严重变形，使泡沫铝产品的孔结构更稳定，进一步提升了泡沫铝产品性能，从而获得泡体均匀性良好的泡沫铝或泡沫铝合金产品。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明利用线圈装置产生交变磁场，交变磁场与泡沫铝中的感生电流相互作用，产生垂直于模具壁面指向泡沫铝熔体中心的电磁压力，降低了泡沫铝与模具壁面之间的接触压力和滑动摩擦力，使它们之间呈现软接触状态。本发明通过线圈装置，改善了模具壁面、致密铝液层和气泡层之间的润滑条件。有效解决了泡沫铝产品边缘孔隙变形过大的问题，改善了发泡阶段泡沫铝的流动，提升了泡沫铝产品的性能和产品生产效率，降低了企业的生产成本。
2、本发明通过调节交变电源频率、线圈装置电流强度、搅拌强度和模具形状等参数可基本满足不同类型泡沫铝材料的制备要求。
3、通过在供给通道上设置调整供给阀，可方便调节供给气固混合物(惰性气体与TiH2混合物)的流量，使得发泡过程简单易控。
4、通过在模具上方设置传送带，方便了增稠剂的添加。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
其中：传送带1；混合搅拌器2；调整供给阀3；进料口4；模具5；线圈装置6；温控装置7；反应器壳体8。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种泡体均匀性良好的泡沫铝的制备装置，包括反应器壳体8、线圈装置6、模具5，所述反应器壳体8和模具5均为顶部开口结构，反应器壳体8内壁装配有模具5，线圈装置6嵌入式装配在反应器壳体8侧壁内，线圈装置6用于产生交变电场，反应器壳体8内壁底部装配有用于调节模具5内腔温度的温控装置7，模具5内腔设置有可升降的混合搅拌器2，混合搅拌器2上设置有用于向模具5内腔注入气固混合物的供给通道。
具体的，混合搅拌器2的转轴为中空的，作为供给通道的一部分,转轴上部连通有进料口4。
温控装置7用于调节模具5内的温度,其原理属于现有技术,在此便不再详述。
供给通道上设置有用于调节气固混合物流量的调整供给阀3。
所述装置还包括传送带1，传送带1的末端位于模具5上方，在本实施例中，传送带1用于将增稠剂运送至模具5内腔中。
所述线圈装置6包括线圈和交流电源，线圈与交流电源电连接，交流电源的输入电流强度为50A,频率为800Hz。
一种泡体均匀性良好的泡沫铝的制备方法，采用前述的一种泡体均匀性良好的泡沫铝的制备装置，包括以下步骤：
步骤1、按如下质量分数比进行备料：纯铝或铝合金：增稠剂：TiH2＝(95.5)：(2)：(1)；
增稠剂具体为金属钙颗粒。
步骤2、将纯铝或铝合金锭放入模具5中，利用温控装置7加热，待纯铝或铝合金锭熔化得到熔体，升温到850℃，恒温直至熔体温度均匀后，将增稠剂加入熔体，并以800rpm的搅拌速度进行增稠搅拌，持续搅拌8min；
步骤3、利用控温装置将熔体温度调为620℃，搅拌速度调整为1000rpm进行发泡搅拌，同时通过向供给通道内通入惰性气体的方式将TiH2混入熔体中,同时开启线圈装置6，发泡搅拌持续2min；
惰性气体的体积以能将预定质量的TiH2完全混入熔体为准，越少越好。
步骤4、待TiH2与熔体均匀后，迅速升起混合搅拌器2，然后在该温度下保温2min，使混合物料与TiH2进行充分发泡反应；
步骤5、保温阶段结束后，关闭线圈装置6，将模具5冷却，获得泡体均匀性良好的泡沫铝。
所述均匀性良好的泡沫铝的孔径为8mm，孔隙率为76％，孔径误差小于10％，孔隙变形率为0.2％。
需要说明的是,本发明中所述的孔隙变形率,为发泡过程中产生的具有较大纵横比的孔隙数量与总孔隙数量之比。
当开启线圈装置时，线圈装置产生交变磁场，交变磁场与泡沫铝中的感生电流相互作用，产生垂直于模具壁面指向泡沫铝熔体中心的电磁压力F，降低了泡沫铝与模具壁面之间的接触压力和滑动摩擦力。
实施例2
本发明提供了一种泡体均匀性良好的泡沫铝的制备装置，包括反应器壳体8、线圈装置6、模具5，所述反应器壳体8和模具5均为顶部开口结构，反应器壳体8内壁装配有模具5，线圈装置6嵌入式装配在反应器壳体8侧壁内，线圈装置6用于产生交变电场，反应器壳体8内壁底部装配有用于调节模具5内腔温度的温控装置7，模具5内腔设置有可升降的混合搅拌器2，混合搅拌器2上设置有用于向模具5内腔注入气固混合物的供给通道。
具体的，混合搅拌器2的转轴为中空的，作为供给通道的一部分,转轴上部连通有进料口4。
温控装置7用于调节模具5内的温度,其原理属于现有技术,在此便不再详述。
供给通道上设置有用于调节气固混合物流量的调整供给阀3。
所述装置还包括传送带1，传送带1的末端位于模具5上方，在本实施例中，传送带1用于将增稠剂运送至模具5内腔中。
所述线圈装置6包括线圈和交流电源，线圈与交流电源电连接，交流电源的输入电流强度为80A,频率为2500Hz。
一种泡体均匀性良好的泡沫铝的制备方法，采用前述的一种泡体均匀性良好的泡沫铝的制备装置，包括以下步骤：
步骤1、按如下质量分数比进行备料：纯铝或铝合金：增稠剂：TiH2＝(96)：(2)：(1.5)；
增稠剂具体为金属钙颗粒。
步骤2、将纯铝或铝合金锭放入模具5中，利用温控装置7加热，待纯铝或铝合金锭熔化得到熔体，升温到870℃，恒温直至熔体温度均匀后，将增稠剂加入熔体，并以800rpm的搅拌速度进行增稠搅拌，持续搅拌8min；
步骤3、利用控温装置将熔体温度调为670℃，搅拌速度调整为2000rpm进行发泡搅拌，同时通过向供给通道内通入惰性气体的方式将TiH2混入熔体中,同时开启线圈装置6，发泡搅拌持续5min；
惰性气体的体积以能将预定质量的TiH2完全混入熔体为准，越少越好。
步骤4、待TiH2与熔体均匀后，迅速升起混合搅拌器2，然后在该温度下保温5min，使混合物料与TiH2进行充分发泡反应；
步骤5、保温阶段结束后，关闭线圈装置6，将模具5冷却，获得泡体均匀性良好的泡沫铝。
所述均匀性良好的泡沫铝的孔径为4mm，孔隙率为85％，孔径误差小于10％，孔隙变形率近似为零。
实施例3
如图1所示，本发明提供了一种泡体均匀性良好的泡沫铝的制备装置，包括反应器壳体8、线圈装置6、模具5，所述反应器壳体8和模具5均为顶部开口结构，反应器壳体8内壁装配有模具5，线圈装置6嵌入式装配在反应器壳体8侧壁内，线圈装置6用于产生交变电场，反应器壳体8内壁底部装配有用于调节模具5内腔温度的温控装置7，模具5内腔设置有可升降的混合搅拌器2，混合搅拌器2上设置有用于向模具5内腔注入气固混合物的供给通道。
具体的，混合搅拌器2的转轴为中空的，作为供给通道的一部分,转轴上部连通有进料口4。
温控装置7用于调节模具5内的温度,其原理属于现有技术,在此便不再详述。
供给通道上设置有用于调节气固混合物流量的调整供给阀3。
所述装置还包括传送带1，传送带1的末端位于模具5上方，在本实施例中，传送带1用于将增稠剂运送至模具5内腔中。
所述线圈装置6包括线圈和交流电源，线圈与交流电源电连接，交流电源的输入电流强度为80A,频率为5000Hz。
一种泡体均匀性良好的泡沫铝的制备方法，采用前述的一种泡体均匀性良好的泡沫铝的制备装置，包括以下步骤：
步骤1、按如下质量分数比进行备料：纯铝或铝合金：增稠剂：TiH2＝(96)：(2)：(1.5)；
增稠剂具体为金属钙颗粒。
步骤2、将纯铝或铝合金锭放入模具5中，利用温控装置7加热，待纯铝或铝合金锭熔化得到熔体，升温到900℃，恒温直至熔体温度均匀后，将增稠剂加入熔体，并以1000rpm的搅拌速度进行增稠搅拌，持续搅拌10min；
步骤3、利用控温装置将熔体温度调为680℃，搅拌速度调整为2500rpm进行发泡搅拌，同时通过向供给通道内通入惰性气体的方式将TiH2混入熔体中,同时开启线圈装置6，发泡搅拌持续6min；
惰性气体的体积以能将预定质量的TiH2完全混入熔体为准，越少越好。
步骤4、待TiH2与熔体均匀后，迅速升起混合搅拌器2，然后在该温度下保温6min，使混合物料与TiH2进行充分发泡反应；
步骤5、保温阶段结束后，关闭线圈装置6，将模具5冷却，获得泡体均匀性良好的泡沫铝。
所述均匀性良好的泡沫铝的孔径为2mm，孔隙率为75％，孔径误差小于10％，孔隙变形率近似为零。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种泡体均匀性良好的泡沫铝的制备装置，其特征在于，包括反应器壳体、线圈装置、模具，所述反应器壳体和模具均为顶部开口结构，所述模具可拆卸式装配在反应器壳体内部，线圈装置嵌入式装配在反应器壳体侧壁内，反应器壳体内壁底部装配有用于调节模具内腔温度的温控装置，模具内腔设置有可升降的混合搅拌器，混合搅拌器上设置有用于向模具内腔注入气固混合物的供给通道；
所述线圈装置包括线圈和交流电源，线圈与外部交流电源电连接，交流电源的输入电流强度为50A～100A,频率为800Hz～5000Hz。
2.根据权利要求1所述的一种泡体均匀性良好的泡沫铝的制备装置，其特征在于，供给通道上设置有用于调节气固混合物流量的调整供给阀。
3.根据权利要求1所述的一种泡体均匀性良好的泡沫铝的制备装置，其特征在于，所述装置还包括传送带，传送带的末端位于模具上方。
4.一种泡体均匀性良好的泡沫铝的制备方法，采用如权利要求1至3任意一项所述的一种泡体均匀性良好的泡沫铝的制备装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、按如下质量分数比进行备料：纯铝或铝合金：增稠剂：TiH2＝(95.5～97)：(2～3)：(1～1.5)；
步骤2、将纯铝或铝合金锭放入模具中，利用温控装置加热，待纯铝或铝合金锭熔化得到熔体，升温到850～900℃，恒温直至熔体温度均匀后，将增稠剂加入熔体，并以800～1000rpm的搅拌速度进行增稠搅拌，持续搅拌8～10min；
步骤3、利用控温装置将熔体温度调为620～680℃，搅拌速度调整为1000～2500rpm进行发泡搅拌，同时通过向供给通道内通入惰性气体的方式将TiH2混入熔体中,同时开启线圈装置，发泡搅拌持续0.5～6min；
步骤4、待TiH2与熔体均匀后，迅速升起混合搅拌器，然后在该温度下保温1～6min，使混合物料与TiH2进行充分发泡反应；
步骤5、保温阶段结束后，关闭线圈装置，将模具冷却，获得泡体均匀性良好的泡沫铝。
5.根据权利要求4所述的一种泡体均匀性良好的泡沫铝的制备方法，其特征在于，所述均匀性良好的泡沫铝的孔径为1～8mm，孔隙率为75％～85％，孔径误差小于10％,孔隙变形率≤0.2％。
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