CN110093527B - 一种高强度多面体形孔结构闭孔泡沫铝的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高强度多面体形孔结构闭孔泡沫铝的制备方法，包括如下步骤：(1)将铝加热熔化，形成熔体；(2)在保温情况下，加入TiB2颗粒，搅拌均匀，浇注，凝固后获得含有TiB2颗粒的铝锭；(3)加热至710～740℃形成熔体，加入增粘剂金属钙，搅拌均匀分布；(4)降温至670～710℃，加入发泡剂，搅拌混合均匀；(5)置于电阻炉中，在670～710℃保温发泡5～7min，空冷或水冷。本发明与的方法制备出的泡沫铝产品压缩强度显著提高；与相同密度类球形孔形的泡沫纯铝的屈服强度相比有大幅提高。

Description

一种高强度多面体形孔结构闭孔泡沫铝的制备方法
技术领域
本发明属于泡沫铝材料技术领域，具体涉及一种高强度多面体形孔结构闭孔泡沫铝的制备方法。
背景技术
泡沫铝材料是一种新型的结构与功能一体化材料，因其金属骨架中分布着大量孔隙而表现出相对密度低、高比强度和高比刚度、高能量吸收，同时又具有隔音降噪、隔热、电磁屏蔽和高阻尼等功能特性，在航空航天、船舶与海洋工程、交通运输、汽车行业、建筑工程、冶金、机械等行业具有广泛的应用前景。
泡沫铝的力学性能与基体材料成分和孔结构有关；闭孔泡沫铝的孔型分为3类：球形、类球形和多面体形；研究表明：球形孔泡沫铝的压缩强度明显高于多面体形泡沫铝，而低孔隙率泡沫铝孔型才表现为类球形孔；通常，采用常规熔体发泡法制备的泡沫纯铝的孔型多为类球形孔，且其压缩强度低于4MPa，作为承载构件使用限制了其在汽车、航空航天等方面对轻量化的进一步要求；因此，对闭孔泡沫铝材料的强度提出了更高要求。泡沫铝的力学性能除与孔隙率、孔的结构类型等因素有关，就是基体成分；找出一种能提高纯铝泡沫强度的强化方式且孔型为非类球形孔显得十分重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强度多面体形孔结构闭孔泡沫铝的制备方法，通过在闭孔泡沫铝中添加TiB2颗粒，在制备过程中降低气孔表面张力，从而使多面体形孔稳定存在，最终提高泡沫铝的强度性能。
本发明的高强度多面体形孔结构闭孔泡沫铝的制备方法包括如下步骤：
1、将铝加热熔化，形成熔体；
2、在熔体保温的情况下，向熔体中加入TiB2颗粒，并通过搅拌TiB2颗粒在熔体中分散均匀；其中TiB2颗粒占熔体总质量的8～15％；经过搅拌后的物料浇注，凝固后获得含有TiB2颗粒的铝锭；
3、将含有TiB2颗粒的铝锭作为原料，将原料加热至710～740℃熔化形成原料熔体，向原料熔体中加入增粘剂金属钙，通过搅拌使金属钙熔化并在原料熔体中均匀分布，对原料熔体进行增粘；其中金属钙的加入量为原料总质量的1～3％，搅拌时间为5～10min；
4、将经过增粘后的熔体降温至670～710℃，再加入发泡剂，通过搅拌使发泡剂在经过增粘后的熔体中混合均匀，形成待发泡熔体；其中发泡剂的用量为原料总质量的1～2％，搅拌时间为3～5min；
5、将待发泡熔体置于电阻炉中，在670～710℃保温发泡5～7min，然后取出空冷或水冷至凝固，制成高强度多面体形孔结构闭孔泡沫铝。
上述的步骤2中，搅拌速度为800～3000rpm。
上述的步骤3中，搅拌速度为300～500rpm。
上述的步骤4中，搅拌速度为1200～1500rpm。
上述的发泡剂为经过预处理的TiH2，其中预处理的步骤为：将TiH2在400～430℃烘烧30～40min，然后直接作为发泡剂使用。
上述的TiB2颗粒的粒径≤2μm。
上述的含有TiB2颗粒的铝锭含有TiB2、AlTi和Al2Ti。
上述的经过增粘后的熔体中含有Al20CaTi2、Al4Ca和Al2O3。
上述的TiH2的粒径300目。
上述的高强度多面体形孔结构闭孔泡沫铝材质为铝或铝合金，内部的闭孔结构为多面体形或球形，其中多面体形的闭孔结构为全部闭孔结构总体积的60％以上；高强度多面体形孔结构闭孔泡沫铝的孔隙率为50～92％，闭孔结构的平均孔径在0.3～0.6mm，平均孔壁厚度在60～120μm；高强度多面体形孔结构闭孔泡沫铝的屈服强度为3～12MPa。
上述的高强度多面体形孔结构闭孔泡沫铝的基体中含有TiB2、Al20CaTi2、Al4Ca和Al2O3。
本发明与现行技术相比，其优势如下：
1、制备出的泡沫铝产品孔壁更趋于平直，孔型为多面体形；泡沫形成初期气孔均为球形，相互之间距离很大几乎没有作用力，在重力和表面张力差的作用下会发生排液现象，使液膜变薄，气孔间相互挤压引起胞壁内熔体流动使气孔演变为多面体形；当气孔间液膜变的很薄时，在表面张力或者外界干扰的情况下发生破裂，引起泡沫失稳直至塌陷；添加TiB2颗粒后，使气孔表面张力大幅度下降，对液膜起到一定的稳定作用，从而使泡孔更容易保持多面体形孔形稳定存在，不易失稳破裂从而塌陷；
2、制备出的泡沫铝产品压缩强度显著高于现有同密度泡沫纯铝材料；泡沫铝的力学性能除了与孔结构有关，还和基体成分有关；TiB2颗粒的存在，提高了基体材料的强度，与相同密度类球形孔形的泡沫纯铝的屈服强度相比，有大幅提高。
附图说明
图1为本发明实施例1中的高强度多面体形孔结构闭孔泡沫铝外观照片图；
图2为本发明实施例2中的高强度多面体形孔结构闭孔泡沫铝外观照片图；
图3为本发明实施例3中的高强度多面体形孔结构闭孔泡沫铝外观照片图；
图4为本发明实施例1中的高强度多面体形孔结构闭孔泡沫铝和对比试验获得的泡沫铝的应力应变曲线图；图中，■为高强度多面体形孔结构闭孔泡沫铝，●为对比试验获得的泡沫铝。
具体实施方式
本发明实施例中采用的金属铝的纯度99.7％以上。
本发明实施例中采用的TiB2颗粒和TiH2为市购产品。
本发明实施例中采用金属钙的纯度为99.5％以上。
本发明实施例中孔隙率是通过公式1-(ρ*/ρs)计算，其中ρ*/ρs为泡沫铝的相对密度(ρ*为高强度多面体形孔结构闭孔泡沫铝的密度，ρs为金属铝的密度)。
本发明实施例中强度是通过载荷/压缩面积的比值计算。
本发明实施例中制备含有TiB2颗粒的铝锭时，采用内部空间为圆柱形的坩埚，材质为铁，其中圆柱形的直径80mm。
实施例1
将金属铝熔化，形成熔体；
在熔体保温的情况下，向熔体中加入TiB2颗粒，并通过搅拌TiB2颗粒在熔体中分散均匀；TiB2颗粒占熔体总质量的8％；经过搅拌后的物料浇注，凝固后获得含有TiB2颗粒的铝锭，含有TiB2、AlTi和Al2Ti成分；其中TiB2颗粒的粒径≤2μm；搅拌速度为800rpm；
将含有TiB2颗粒的铝锭作为原料，将原料加热至710℃熔化形成原料熔体，向原料熔体中加入增粘剂金属钙，通过搅拌使金属钙熔化并在原料熔体中均匀分布，对原料熔体进行增粘；其中金属钙的加入量为原料总质量的3％，搅拌时间为10min，搅拌速度为500rpm；经过增粘后的熔体中含有Al20CaTi2、Al4Ca和Al2O3成分；
将经过增粘后的熔体降温至670℃；将粒径300目的TiH2在400℃烘烧40min，然后直接加入到经过增粘后的熔体中，通过搅拌使TiH2在经过增粘后的熔体中混合均匀，形成待发泡熔体；其中TiH2的用量为原料总质量的1％，搅拌时间为3min，搅拌速度为1500rpm；
将待发泡熔体置于电阻炉中，在670℃保温发泡7min，然后取出空冷或水冷至凝固，制成高强度多面体形孔结构闭孔泡沫铝；
高强度多面体形孔结构闭孔泡沫铝内部的闭孔结构为多面体形或球形，其中多面体形的闭孔结构为全部闭孔结构总体积的60％以上，孔隙率83％，平均孔径0.5mm，平均孔壁厚度95μm，屈服强度为10MPa；其外观照片如图1所示；
采用上述原料及方法，在不加入TiB2颗粒的情况下进行对比试验，获得的泡沫铝材料进行压缩试验，试验获得的应力应变曲线如图4所示，由图可见，加入TiB2颗粒的泡沫铝产品的强度提高了50％以上。
实施例2
方法同实施例1，不同点在于：
(1)TiB2颗粒占熔体总质量的9％；搅拌速度为1200rpm；
(2)将含有TiB2颗粒的铝锭或铝合金锭作为原料，加热至720℃熔化；金属钙的加入量为原料总质量的1.5％，搅拌时间6min，搅拌速度400rpm；
(3)经过增粘后的熔体降温至680℃；TiH2在410℃烘烧35min，加入到经过增粘后的熔体中；TiH2的用量为原料总质量的1.5％，搅拌时间4min，搅拌速度1400rpm；
(4)将待发泡熔体在680℃保温发泡6min；
(5)高强度多面体形孔结构闭孔泡沫铝中多面体形的闭孔结构为全部闭孔结构总体积的67％，孔隙率81％，平均孔径0.4mm，平均孔壁厚度70μm，屈服强度9MPa；其外观照片如图2所示.
实施例3
方法同实施例1，不同点在于：
(1)TiB2颗粒占熔体总质量的10％；搅拌速度为1500rpm；
(2)将含有TiB2颗粒的铝锭或铝合金锭作为原料，加热至730℃熔化；金属钙的加入量为原料总质量的1％，搅拌时间5min，搅拌速度300rpm；
(3)经过增粘后的熔体降温至690℃；TiH2在420℃烘烧35min，加入到经过增粘后的熔体中；TiH2的用量为原料总质量的2％，搅拌时间5min，搅拌速度1300rpm；
(4)将待发泡熔体在690℃保温发泡5min；
(5)高强度多面体形孔结构闭孔泡沫铝中多面体形的闭孔结构为全部闭孔结构总体积的64％，孔隙率74％，平均孔径0.3mm，平均孔壁厚度105μm，屈服强度8MPa；其外观照片如图3所示。
实施例4
方法同实施例1，不同点在于：
(1)TiB2颗粒占熔体总质量的11％；搅拌速度为1800rpm；
(2)将含有TiB2颗粒的铝锭或铝合金锭作为原料，加热至740℃熔化；金属钙的加入量为原料总质量的2.5％，搅拌时间8min，搅拌速度400rpm；
(3)经过增粘后的熔体降温至710℃；TiH2在430℃烘烧30min，加入到经过增粘后的熔体中；TiH2的用量为原料总质量的1.5％，搅拌时间4min，搅拌速度1200rpm；
(4)将待发泡熔体在710℃保温发泡6min；
(5)高强度多面体形孔结构闭孔泡沫铝中多面体形的闭孔结构为全部闭孔结构总体积的61％，孔隙率69％，平均孔径0.6mm，平均孔壁厚度93μm，屈服强度9MPa。
实施例5
方法同实施例1，不同点在于：
(1)TiB2颗粒占熔体总质量的12％；搅拌速度为2000rpm；
(2)将含有TiB2颗粒的铝锭或铝合金锭作为原料，加热至715℃熔化；金属钙的加入量为原料总质量的2％，搅拌时间7min，搅拌速度300rpm；
(3)经过增粘后的熔体降温至680℃；TiH2在410℃烘烧40min，加入到经过增粘后的熔体中；TiH2的用量为原料总质量的2％，搅拌时间5min，搅拌速度1300rpm；
(4)将待发泡熔体在680℃保温发泡5min；
(5)高强度多面体形孔结构闭孔泡沫铝中多面体形的闭孔结构为全部闭孔结构总体积的70％，孔隙率92％，平均孔径0.4mm，平均孔壁厚度82μm，屈服强度6MPa。
实施例6
方法同实施例1，不同点在于：
(1)TiB2颗粒占熔体总质量的13％；搅拌速度为2500rpm；
(2)将含有TiB2颗粒的铝锭或铝合金锭作为原料，加热至725℃熔化；金属钙的加入量为原料总质量的2％，搅拌时间9min，搅拌速度400rpm；
(3)经过增粘后的熔体降温至690℃；TiH2在420℃烘烧40min，加入到经过增粘后的熔体中；TiH2的用量为原料总质量的1.5％，搅拌时间4min，搅拌速度1400rpm；
(4)将待发泡熔体在690℃保温发泡6min；
(5)高强度多面体形孔结构闭孔泡沫铝中多面体形的闭孔结构为全部闭孔结构总体积的69％，孔隙率88％，平均孔径0.6mm，平均孔壁厚度113μm，屈服强度11MPa。
实施例7
方法同实施例1，不同点在于：
(1)TiB2颗粒占熔体总质量的15％；搅拌速度为3000rpm；
(2)将含有TiB2颗粒的铝锭或铝合金锭作为原料，加热至735℃熔化；金属钙的加入量为原料总质量的2.5％，搅拌时间6min，搅拌速度300rpm；
(3)经过增粘后的熔体降温至700℃；TiH2在30℃烘烧30min，加入到经过增粘后的熔体中；TiH2的用量为原料总质量的2％，搅拌时间5min，搅拌速度1300rpm；
(4)将待发泡熔体在700℃保温发泡5min；
(5)高强度多面体形孔结构闭孔泡沫铝中多面体形的闭孔结构为全部闭孔结构总体积的64％，孔隙率73％，平均孔径0.3mm，平均孔壁厚度67μm，屈服强度5MPa。

Claims (3)

1.一种高强度多面体形孔结构闭孔泡沫铝的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）将铝加热熔化，形成熔体；
（2）在熔体保温的情况下，向熔体中加入TiB2颗粒，并通过搅拌TiB2颗粒在熔体中分散均匀；其中TiB2颗粒占熔体总质量的8~15%；经过搅拌后的物料浇注，搅拌速度为800~3000rpm，凝固后获得含有TiB2颗粒的铝锭；所述的TiB2颗粒的粒径≤2μm；
（3）将含有TiB2颗粒的铝锭作为原料，将原料加热至710~740℃熔化形成原料熔体，向原料熔体中加入增粘剂金属钙，通过搅拌使金属钙熔化并在原料熔体中均匀分布，对原料熔体进行增粘，搅拌速度为300~500rpm；其中金属钙的加入量为原料总质量的1~3%，搅拌时间为5~10min；
（4）将经过增粘后的熔体降温至670~710℃，再加入发泡剂，通过搅拌使发泡剂在经过增粘后的熔体中混合均匀，形成待发泡熔体；其中发泡剂的用量为原料总质量的1~2%，搅拌时间为3~5min，搅拌速度为1200~1500 rpm；
（5）将待发泡熔体置于电阻炉中，在670~710℃保温发泡5~7min，然后取出空冷或水冷至凝固，制成高强度多面体形孔结构闭孔泡沫铝；高强度多面体形孔结构闭孔泡沫铝内部的闭孔结构为多面体形或球形，其中多面体形的闭孔结构为全部闭孔结构总体积的60%以上；高强度多面体形孔结构闭孔泡沫铝的孔隙率为50~92%，闭孔结构的平均孔径在0.3~0.6mm，平均孔壁厚度在60~120 μm；高强度多面体形孔结构闭孔泡沫铝的屈服强度为3~12MPa。
2.根据权利要求1所述的一种高强度多面体形孔结构闭孔泡沫铝的制备方法，其特征在于所述的发泡剂为经过预处理的TiH2，其中预处理的步骤为：将TiH2在400~430℃烘烧30~40min，然后直接作为发泡剂使用。
3.根据权利要求2所述的一种高强度多面体形孔结构闭孔泡沫铝的制备方法，其特征在于所述的TiH2的粒径300目。
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