CN110468313B - 一种高强度闭孔泡沫铝合金及其制备方法 - Google Patents

一种高强度闭孔泡沫铝合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种高强度闭孔泡沫铝合金及其制备方法，该闭孔泡沫铝合金的化学成分及重量百分比为：Zn：5.0～8.3％，Cu：0.5～1.2％，Mg:0.3～0.6％，Ca：1.5～2.5％，Y：0.05～0.10％，余量为Al。相比于传统闭孔泡沫铝，在相同孔隙率下其压缩强度有显著提升。

Description

一种高强度闭孔泡沫铝合金及其制备方法
技术领域
本发明是一种高强度闭孔泡沫铝合金及其制备方法，属于金属材料技术领域。
背景技术
由于大量孔洞的存在，使闭孔泡沫铝同时具备多种功能性能，其密度小于水，具备良好的能量吸收、隔声、隔热、电子屏蔽等性能，已用于高铁车体、公路两侧隔声屏、火箭隔热罩、货车舱体、缓冲枪托等。同时，孔洞的存在也造成材料致密度不高，材料整体强度与刚度较实体材料低(传统闭孔泡沫铝的强度不到10MPa)，一定程度上限制其作为次承载构件和有承压要求的应用场合。为进一步扩大闭孔泡沫铝的应用领域，有必要在保持其原有多孔结构的前提下，进一步提升闭孔泡沫铝的基体强度，提升材料的整体抗压能力。
发明内容
本发明正是针对现有闭孔泡沫铝的强度偏低的问题，设计提供了一种高强度闭孔泡沫铝合金及其制备方法，其目的是提高闭孔泡沫铝的强度，在相同孔隙率的情况，使闭孔泡沫铝的强度提升超过50％。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明技术方案提出了一种高强度闭孔泡沫铝合金，其特征在于：该闭孔泡沫铝合金的化学成分及重量百分比为：Zn：5.0～8.3％，Cu：0.5～1.2％，Mg:0.3～0.6％，Ca：1.5～2.5％，Y：0.05～0.10％，余量为Al。
在一种实施中，该闭孔泡沫铝合金中的杂质≤0.3％。
在一种实施中，该闭孔泡沫铝合金中的Zn与Cu+Ca的重量百分比之间的比例≤3.2。
在一种实施中，该闭孔泡沫铝合金的化学成分及重量百分比为：Zn：6.2％，Cu：0.8％，Mg：0.4％，Ca：1.8％，Y：0.06％，杂质等于0.2％，余量为Al。
在一种实施中，该闭孔泡沫铝合金的化学成分及重量百分比为：Zn：8.0％，Cu：1.0％，Mg：0.5％，Ca：2.3％，Y：0.08％，杂质等于0.15％，余量为Al。
本发明技术方案还提出一种制备上述高强度闭孔泡沫铝合金的方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤一、按配比将Al、Zn、Cu、Y混合后在熔炉中加热、熔化，加热温度为870～890℃，待铝合金全部熔化后，搅拌30～40min；
步骤二、将铝合金熔体进行真空抽气处理；
步骤三、将铝合金熔体降温至700～710℃，加入Mg，搅拌5～10min；
步骤四、将铝合金熔体转入发泡炉，将铝合金熔体温度控制在660～680℃，加入Ca，搅拌150～180s，然后加入发泡剂，搅拌100～120s，然后水冷得到泡沫铝合金坯料；
步骤五、将泡沫铝合金坯料进行机械加工后，得到含Zn、Mg、Cu、Ca、Y的闭孔泡沫铝合金。
在一种实施中，步骤二中，真空抽气处理的压强为500～1000Pa，抽气时间为10～15min。
在一种实施中，步骤四中所使用的发泡剂为TiH2。
在一种实施中，所述Al、Zn、Mg、Ca是以纯态的形式添加，其中，纯Al元素的纯度要求满足GB/T 1196-2017，纯Zn元素的纯度要求满足GB/T 470-2008，纯Mg元素的纯度要求满足GB/T 3499-1995，纯Ca元素的纯度要求满足GB/T 4864-2008；
上述Cu、Y以中间合金的形式添加，所述中间合金为AlCu50、AlY2，所述中间合金中的元素含量满足GB/T 27677-2011的要求。
在一种实施中，步骤四中所使用的发泡剂的重量为闭孔泡沫铝合金重量的0.9～1.2％。
本申请具有以下有益的技术效果：
1.本发明技术方案在泡沫铝中引入Zn、Mg、Cu、Ca元素，可在孔壁基体中形成大量共晶网状Al-Zn-Mg-Cu-Ca析出相，有效强化基体，提升闭孔泡沫铝合金压缩屈服强度；
2.本发明技术方案在泡沫铝中引入微量Y元素，Y元素在熔炼过程中可有效抑制铝的氧化，减少熔体中氧化夹杂的生成；
3.本发明技术方案在铝熔体发泡前，将铝熔体过热至870～890℃，有效烧损、减少铝熔体中的碱土金属含量，提高铝液纯净度；
4.本发明技术方案在铝熔体发泡前，对铝熔体进行真空抽气处理，有效减少铝熔体中的非金属夹杂，减少熔体中的H含量，提高闭孔泡沫铝的压缩屈服强度；
5.本发明技术方案制备的闭孔泡沫铝合金能够达到以下技术指标：当孔隙率为70～85％时，压缩屈服强度达到34～15MPa，与传统泡沫铝相比，强度提升2-3倍。
附图说明
图1为不同孔隙率下本发明所述高强度闭孔泡沫铝合金与现有闭孔泡沫铝的压缩屈服强度的对比曲线
图2为本发明所述高强度闭孔泡沫铝合金的高倍显微组织照片
图3为Zn与Cu+Ca的重量百分比的比例为3.56时，该高强度闭孔泡沫铝合金的孔壁共晶网状析出相的高倍显微照片
具体实施方式
下面将结合实施例以附图对本发明技术方案做进一步详细介绍。
在下列实施例中，根据国标GB/T 6987-2001对铝合金成分进行测定，根据GB/T7314-2005对合金的压缩强度进行测定。
实施例1
本实施中，该闭孔泡沫铝合金的化学成分及重量百分比为：Zn：6.2％，Cu：0.8％，Mg：0.4％，Ca：1.8％，Y：0.06％，杂质等于0.2％，余量为Al。
制备该种高强度闭孔泡沫铝合金的步骤如下：
步骤1：按质量配比，在熔炉中加入铝、Zn、Cu、Y组分，其中铝和Zn是以纯铝、纯锌的形式，Cu、Y分别以AlCu50、AlY2中间合金的形式，将各合金组分过热至875℃，待各组分全部熔化后，搅拌30min；
步骤2：将铝熔体进行真空抽气处理，设定真空度为700Pa，抽气14min；
步骤3：将铝合金熔体降温至710℃，加入0.4％的Mg，搅拌6min；
步骤4：将铝合金熔体转入发泡炉，控制铝熔体温度为670℃，并加入熔体总量1.8％的Ca，搅拌170s，然后加入0.9％的发泡剂，发泡剂为TiH2，搅拌113s，然后水冷冷却得到孔隙率为70％泡沫铝合金坯料；
步骤5：将泡沫铝合金坯料取出，进行机械加工，获得轻质高强闭孔泡沫铝合金。孔隙率为72％的闭孔泡沫铝合金压缩屈服强度为32MPa。
实施例2
本实施中，该闭孔泡沫铝合金的化学成分及重量百分比为：Zn：8.0％，Cu：1.0％，Mg：0.5％，Ca：2.3％，Y：0.08％，杂质等于0.15％，余量为Al。
制备该种高强度闭孔泡沫铝合金的步骤如下：
步骤1：按质量配比，在熔炉中加入铝、Zn、Cu、Y组分，其中铝和Zn是以纯铝、纯锌的形式，Cu、Y分别以AlCu50、AlY2中间合金的形式，将各合金组分过热至885℃，待各组分全部熔化后，搅拌35min；
步骤2：将铝熔体进行真空抽气处理，设定真空度为900Pa，抽气11min；
步骤3：将铝合金熔体降温至705℃，加入0.5％的Mg，搅拌7min；
步骤4：将铝合金熔体转入发泡炉，控制铝熔体温度为675℃，并加入熔体总量2.3％的Ca，搅拌150s，然后加入1.0％的发泡剂，搅拌105s，然后水冷冷却得到孔隙率为80％泡沫铝合金坯料；进行机械加工，获得轻质高强闭孔泡沫铝合金。孔隙率为80％的闭孔泡沫铝合金压缩屈服强度为18MPa。
结合实施案例1和附图1可知，闭孔泡沫铝合金试样的强度随着孔隙率的增大而减小，本发明中的Zn、Mg、Cu、Ca、Y元素的添加明显提高了闭孔泡沫铝的压缩屈服强度。附图2为本发明中闭孔泡沫铝的孔壁的SEM微观组织照片，可以看到在闭孔泡沫铝合金基体中分布着大量、共晶网状Al-Zn-Mg-Cu-Ca析出相，这些共晶、网状析出相可有效钉扎晶界，阻碍位错移动，提升闭孔泡沫铝的压缩屈服强度。
需要说明的是，本发明中将Zn∶(Cu+Ca)限定在3.2以下，主要是因为当Zn∶(Cu+Ca)过高时，合金凝固时形成的网状共晶相长大，且此时析出相本身出现裂纹(见附图3)，明显降低了共晶网状析出相的强化效果。实验表明，当Zn：8.2％，Cu：0.7％，Mg：0.5％，Ca：1.6％，Y：0.09％时，孔隙率为80％的闭孔泡沫铝压缩屈服强度仅为13MPa，强化效果大大减弱。
以上对本发明创造的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明创造的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明创造范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (9)

1.一种高强度闭孔泡沫铝合金，其特征在于：该闭孔泡沫铝合金的化学成分及重量百分比为：Zn：5.0～8.3％，Cu：0.5～1.2％，Mg:0.3～0.6％，Ca：1.5～2.5％，Y：0.05～0.10％，余量为Al。
2.根据权利要求1所述的高强度闭孔泡沫铝合金，其特征在于：该闭孔泡沫铝合金中的杂质≤0.3％。
3.根据权利要求1所述的高强度闭孔泡沫铝合金，其特征在于：该闭孔泡沫铝合金中的Zn与Cu+Ca的重量百分比之间的比例≤3.2。
4.根据权利要求1所述的高强度闭孔泡沫铝合金，其特征在于：该闭孔泡沫铝合金的化学成分及重量百分比为：Zn：6.2％，Cu：0.8％，Mg：0.4％，Ca：1.8％，Y：0.06％，杂质等于0.2％，余量为Al。
5.根据权利要求1所述的高强度闭孔泡沫铝合金，其特征在于：该闭孔泡沫铝合金的化学成分及重量百分比为：Zn：8.0％，Cu：1.0％，Mg：0.5％，Ca：2.3％，Y：0.08％，杂质等于0.15％，余量为Al。
6.制备权利要求1所述高强度闭孔泡沫铝合金的方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤一、按配比将Al、Zn、Cu、Y混合后在熔炉中加热、熔化，加热温度为870～890℃，待铝合金全部熔化后，搅拌30～40min；
步骤二、将铝合金熔体进行真空抽气处理；
步骤三、将铝合金熔体降温至700～710℃，加入Mg，搅拌5～10min；
步骤四、将铝合金熔体转入发泡炉，将铝合金熔体温度控制在660～680℃，加入Ca，搅拌150～180s，然后加入发泡剂，搅拌100～120s，然后水冷得到泡沫铝合金坯料；
步骤五、将泡沫铝合金坯料进行机械加工后，得到含Zn、Mg、Cu、Ca、Y的闭孔泡沫铝合金。
7.根据权利要求6所述的制备高强度闭孔泡沫铝合金的方法，其特征在于：步骤二中，真空抽气处理的压强为500～1000Pa，抽气时间为10～15min。
8.根据权利要求6所述的制备高强度闭孔泡沫铝合金的方法，其特征在于：步骤四中所使用的发泡剂为TiH2。
9.根据权利要求6所述的制备高强度闭孔泡沫铝合金的方法，其特征在于：所述Al、Zn、Mg、Ca是以纯态的形式添加，其中，纯Al元素的纯度要求满足GB/T 1196-2017，纯Zn元素的纯度要求满足GB/T 470-2008，纯Mg元素的纯度要求满足GB/T 3499-1995，纯Ca元素的纯度要求满足GB/T 4864-2008；
上述Cu、Y以中间合金的形式添加，所述中间合金为AlCu50、AlY2，所述中间合金中的元素含量满足GB/T 27677-2011的要求。
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