CN111511488B - 在液浴中使金属发泡的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造至少一种第一金属的金属泡沫的方法，至少一种第一金属包含主要成分Mg、Al、Pb、Au、Zn、Ti或Fe，其量占至少一种第一金属的量以重量百分比计为至少约80％，该方法包括以下的步骤：(I)提供半成品，该半成品包括可发泡混合物，可发泡混合物包括至少一种第一金属和至少一种发泡剂；(II)将半成品浸入到包括液体的可加热浴中；以及(III)在浴中加热半成品，以通过从至少一种发泡剂中去除气体来使可发泡混合物发泡，从而形成金属泡沫。本发明还涉及一种金属泡沫、通过该方法获得的复合材料以及包括金属泡沫和/或复合材料的部件。

Description

在液浴中使金属发泡的方法
技术领域
本发明涉及一种用于制造至少一种第一金属的金属泡沫的方法，该至少一种第一金属包含主要成分Mg、Al、Pb、Au、Zn、Ti或Fe，其含量相对于至少一种第一金属的量以重量百分比计为至少约80％，该方法包括以下步骤：(I)提供半成品，该半成品包括可发泡混合物，该可发泡混合物包括至少一种第一金属和至少一种发泡剂；(II)将该半成品浸入到包括液体的可加热浴中；以及(III)在该浴中加热半成品，以通过从至少一种发泡剂中去除气体来使该可发泡混合物发泡，从而形成金属泡沫。本发明还涉及一种金属泡沫、可通过该方法获得的复合材料以及包括金属泡沫和/或复合材料的部件。
背景技术
多年来，人们已知了金属泡沫和包括金属泡沫的复合材料诸如金属泡沫夹层。特别地，如果复合材料是单组分系统，也就是说，如果使用某种金属及其合金、如尤其是铝及其合金，并且在芯与覆盖层之间的连接借助于冶金结合来产生，则金属泡沫夹层是令人感兴趣的。从各种出版物中已知用于制造这种金属泡沫和复合材料以及由其制成的部件的相应方法。DE 44 26 627 C2描述了一种方法，其中将一种或多种金属粉末与一种或多种发泡剂粉末混合，并且这样获得的粉末混合物借助于轴向热压、热等静压或轧制来压实，并且在紧接着的工序中通过滚压包层与之前经过表面处理的金属板一起形成复合材料。在将这样形成的半成品通过例如挤压、深拉或弯曲来成型之后，该半成品在最后一个步骤中被加热到如下温度，该温度处在金属粉末的固-液相范围内，但低于覆盖层的熔化温度。由于发泡剂粉末被选择为使得在该温度范围内同时进行该发泡剂粉末的气体分离，因此在这种情况下在粘性芯层内形成气泡，伴随有相应的体积增加。通过紧接着冷却复合材料，使发泡芯层稳定。
在从DE 44 26 627 C2已知的方法的修改中，其中粉末压坯已形成为闭孔，EP 1000 690 A2描述了基于粉末压坯生产这种复合材料，该粉末压坯最初制造为开孔，仅在稍后利用覆盖层来滚压包层的情况下才成为闭孔。其余的过程步骤相同。原始的开孔性意为防止在粉末压坯的存储中发泡剂的可能的气体分离导致压坯的几何形状变化，并且借此导致在随后制造具有覆盖层的复合体时出现问题。此外，在制造复合材料时，在压坯存储期间形成的氧化物层由于开孔性而易于破裂。
DE 41 24 591 C1公开了一种用于制造发泡复合材料的方法，其中将粉末混合物填充在中空金属型材中，并且紧接着与其进行共同轧制。在此，半成品的成型和随后的发泡过程以与DE 44 26 627 C2中所描述的相同方式进行。
EP 0 997 215 A2公开了一种用于制造金属复合材料的方法，该金属复合材料由固体金属覆盖层和闭孔的金属芯组成，该方法将芯层的制造和与覆盖层的连接通过如下方式组合在一个步骤中：将粉末混合物引入到在两个覆盖层之间的辊缝中，并且因此在这两个覆盖层之间压实。还提出：在保护性气体气氛中供应粉末，以防止形成氧化物层，该氧化物层可能对覆盖层与粉末混合物之间所需的连接产生负面影响。
在由DE 197 53 658 A1已知的用于制造这种复合材料的另一种方法中，一方面在芯与覆盖层之间的复合材料制造的工艺步骤和另一方面进行发泡的工艺步骤通过如下方式相结合：芯以粉末压坯的形式被引入到位于模具中的覆盖层之间，并且仅通过发泡过程来与它们连接。由于在芯的发泡期间施加的压力，覆盖层在此同时经受与包围它们的模具相对应的变形。
US 5 972 521 A公开了一种用于制造复合材料毛坯的方法，其中通过抽真空来将空气和水分从粉末中去除。随后，经抽真空的空气被相对于芯材料呈惰性、处于加压状态的气体所代替，更确切地说在粉末被压实并与覆盖层连接之前通过相对于芯材料呈惰性、处于加压状态的气体所代替。EP 1 423 222公开了一种用于制造由覆盖层和金属粉末构成的复合材料的方法，其中整个制造过程在真空下进行。特别地，粉末填充的压实和随后的轧制应在真空下进行。
除了EP 1 423 222的方法之外，从现有技术中已知的所有这些方法的共同之处在于，由于制造待发泡的芯层，在金属粉末颗粒之间的压实过程中将空气或保护性气体进行封闭，并根据压实程度对其进行压缩。在此所形成的气体压力在发泡过程中随温度升高会进一步增加，导致在加热期间，直至在达到与金属粉末材料的固-液相范围相对应的温度之前形成孔。不同于借助于这种方法所力求达到的封闭的球形孔，其中这些孔是通过使发泡剂粉末在金属粉末的固-液相范围内进行脱气而形成的，这里涉及的孔是开放的、裂纹状地彼此连接并且形状不规则的。尽管例如从US 5 564 064 A1中已知一种方法，该方法特别旨在粉末材料的熔化温度以下通过使所捕集的气体膨胀来实现这样的开放孔隙率，但是在上述方法中这种孔隙形成是不期望的，因为仅期望封闭的球形孔能够通过围绕孔的完整孔壁实现最佳的载荷传递，从而显著提高芯泡沫的强度，进而显著提高复合材料的强度。
从DE 102 15 086 A1能得知一种用于通过将半成品压缩和预压缩来制造可发泡的金属体的方法。释放气体的发泡剂在半成品的压实和预压缩之后才通过将含金属的发泡剂原料和至少一种金属的混合物氢化而形成。通过将这样获得的可发泡金属体加热至高于发泡剂的分解温度的温度来形成多孔金属体，其中优选的是在发泡金属体生产后立即实现该多孔金属体，而不进行中间冷却。
BR 10 2012 023361 A2公开了一种闭孔金属泡沫的生产方法，其中半成品在预热至780℃的电阻炉中发泡，该半成品包含：金属，选自Al、Zn、Mg、Ti、Fe、Cu和Ni；以及发泡剂，选自TiH2、CaCO3、K2CO3、MgH2、ZrH2、CaH2、SrH2和HfH2等。从WO 2007/014559A1中已知一种用于粉末冶金生产金属泡沫的方法，其中使用经压制的半成品，该半成品在压力密闭的腔室中被加热到粉末状金属材料的熔化或固相温度，在腔室中的压力从初始压力降低到最终压力后，使得半成品发泡。
在DE 199 33 870 C1中提出了一种用于在使用可发泡的压坯的情况下制造金属复合材料体的方法，其中压坯或半成品通过压缩至少一种金属粉末和至少一种释放气体的发泡剂粉末的混合物来制造。然后，将压坯与增强材料一起在发泡模具中进行热处理，从而发泡。
在US 6 391 250中，将通过粉末冶金生产方法获得的并且包含至少一种功能性结构元件的可发泡半成品在加热时以中空形式发泡。US 2004/0081571 A1涉及一种用于制造可发泡金属薄片的方法，可发泡金属薄片包含金属合金粉末与发泡剂或发泡剂粉末的混合物并且通过加热至高于发泡剂的分解温度的温度而进行发泡。EP 0 945 197 A1公开了一种方法，其中，由包含坯料的板材制成的复合金属板材或带材由包含发泡剂的铝合金形成，并且随后在压力和温度升高的情况下发泡至发泡剂的点火温度。
从DE 199 08 867 A1中已知一种用于制造复合体的方法，其中，通过粉末冶金通过在第一主体部分上加热来使金属泡沫材料发泡，使得外部材料层在衬底主体的连接表面上熔化，并由此与第一主体部分的相邻材料层以材料冶金的方式连接。
现有技术中已知的发泡方法提出了加热相应的前体材料(半成品)以进行发泡。为此，虽然提出使用某些特定热源，例如电阻炉，但是没有说明关于从热源到半成品的确切传热类型，或者在很大程度上或仅间接地通过热源和半成品之间的充气中间空间进行传热，也就是说，在热源和半成品之间没有直接接触，而是通过辐射，产生热量损失。这样的缺点是不能将发泡所需的热量均匀地传递到要发泡的前体材料或半成品上，也不是在整个表面上均匀地发生。因此，半成品的不同区域被不同地加热，这导致达到发泡温度，并因此导致在不同时间在半成品中的不同点从发泡剂产生气体。这导致在达到泡沫温度的点处形成正常的泡沫，而在其它点处没有发生泡沫的形成。在正常泡沫区域和没有泡沫形成的区域之间的区域中，不可避免地会形成缺陷，例如断层、凹痕、气泡、凸起和空腔，这些缺陷与正常泡沫区域的(预期)孔不对应。尤其是在中间区域中的这些缺陷导致整个半成品的意外的和不希望的翘曲和变形，这使得难以或不可能将泡沫产品用于需要精确制造的部件中，例如在汽车或飞机的结构中。最后，许多已知的发泡过程包括额外的步骤，例如准备和使用(中空)模具或对半成品施加压力或负压，因此太复杂而无法进行。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种改进的用于使金属发泡的方法，该方法适合于克服之前提到的缺点并且由此利用尽可能少的工艺步骤来产生几乎没有缺陷的金属泡沫或包括这种金属泡沫的复合材料。
令人惊奇地发现的是，金属和发泡剂的可发泡混合物，尤其是半成品形式，可以在适当加热的液浴中发泡，以形成金属泡沫。在这种情况下，出人意料的是，可以使待发泡区域的外表面完全润湿，但是通常，为了进一步简化工艺，通过加热的液体完全润湿整个半成品的外表面，而不会因液体润湿而对半成品和形成的金属泡沫的结构和质量产生不利影响。尽管没有从外部对半成品的表面施加额外的压力或负压，例如在其它方法以及其中使用的模具和/或压力机的情况下，但是令人惊讶的是，没有发生使用液浴的发泡过程具有的缺陷，例如与通常发泡区域中的(预期)孔不对应的翘曲、凹痕、气泡，凸起和空腔。尤其是，没有观察到带有翘曲和气泡的(中间)区域，因此总体上避免了半成品的翘曲和变形。由于不必将半成品分别放在模具和/或压力机中，并且必须施加特定的接触压力以确保均匀的传热，因此可以将几种半成品同时在液浴中发泡。尤其是，在进行根据本发明的金属发泡过程时不需要保护气体；根据本发明，可以在环境大气或空气大气和环境气压下工作。
以这种方式，令人惊讶地的是，每单位时间可以发泡的半成品数量比所描述的传统方法多得多，在传统方法中，例如需要额外的时间来打开和关闭模具或压力机，并且在其中建立压力。因此，根据本发明，能在提高金属泡沫质量的同时实现更高的产量。
因而，本发明提供：
(1)一种用于制造至少一种第一金属的金属泡沫的方法，该至少一种第一金属包含主要成分Mg、Al、Pb、Au、Zn、Ti或Fe，其量相对于至少一种第一金属的量以重量百分比计为至少约80％，该方法包括以下的步骤：
(I)提供半成品，该半成品包括可发泡混合物，该可发泡混合物包括至少一种第一金属和至少一种发泡剂，
(II)将该半成品浸入到包括液体的可加热浴中，以及
(III)在该浴中加热半成品，以通过从至少一种发泡剂中去除气体分离来使可发泡混合物发泡，从而形成金属泡沫。
(2)如上文在(1)下所述的方法，其中
半成品包括：至少一个第一区域，由可发泡混合物形成；和至少一个第二区域，由以非发泡的固体材料形式的至少一种第二金属形成，用于制造复合材料，其中复合材料包括：至少一个第一区域，由至少一种第一金属的金属泡沫形成；和至少一个第二区域，由以非发泡的固体材料形式的至少一种第二金属形成；
(3)一种复合材料，其具有通过如上文在(2)下所述的方法获得的金属泡沫；以及
(4)一种部件，其具有如上(3)中可获得的复合材料。
如果在本发明的上下文中相对于值或值的范围使用术语“约”或“基本上”，或者当使用这些术语时从上下文中得出某些值(例如，短语“A的脱气温度大约等于B的固相温度”可以理解为对于本领域技术人员来说显而易见的所使用的材料B的特定温度)，这应理解为本领域技术人员在给定上下文中将其视为专业上常见的。尤其是，术语“约”和“基本上”包括与规定值的+/-10％、优选地+/-5％、进一步优选地+/-2％、特别优选地+/-1％的偏差。
也就是说，本发明涉及一种用于制造金属泡沫或包含金属泡沫的金属复合材料的方法。根据本发明，金属泡沫以及在复合材料中的金属泡沫包括或至少一种第一金属由至少一种第一金属组成，第一金属形成孔形式的腔体，优选以封闭孔的形式，其包含气体(气体夹杂物)，由空气、来自至少一种发泡剂释放的气体或其混合物组成。优选正好一种第一金属。该至少一种第一金属利用发泡剂来发泡(起泡)。在这种情况下，由于孔形成或气体夹杂，第一金属的体积增加。对于发泡或起泡过程，以可发泡混合物的形式产生至少一种第一金属和至少一种发泡剂的混合物。该可发泡混合物优选以半成品的一部分的形式存在或者作为半成品的一部分存在。将可发泡混合物或半成品浸入可加热浴(加热浴)中，以使至少一种第一金属或可发泡混合物发泡(发泡)。对加热浴加热导致从至少一种第一金属释放气体(去除气体)。在这种情况下释放的气体通过在至少一种第一金属中并因此在金属泡沫中产生孔而使至少一种第一金属发泡。在将半成品浸入热的或加热的浴中的意义上，浸渍步骤(II)和加热步骤(III)可以同时进行。
术语“金属”在此应理解为是指商业上传统的纯净形式的金属(“纯金属”，例如纯镁、纯铝、纯铁、纯金等)及其合金。
原则上，根据本发明，所有纯形式或合金形式的可发泡(可发泡)金属都适合作为第一金属。纯形式的金属(纯金属)所含的相应金属的量(或含量)至少为相应金属的99wt.％。合适的可发泡金属尤其是镁(Mg)、铝(Al)、铅(Pb)、金(Au)、锌(Zn)、钛(Ti)或铁(Fe)。因此，第一金属可以是纯形式的镁(Mg)、铝(Al)、铅(Pb)、金(Au)、锌(Zn)、钛(Ti)或铁(Fe)，即纯镁、纯铝、纯铅、纯金、纯锌、纯钛或纯铁是优选的，基于各自的金属，各自金属的含量为至少99wt.％。然而，根据本发明，其中镁(Mg)，铝(Al)，铅(Pb)，金(Au)，锌(Zn)，钛(Ti)或铁(Fe)的金属也适合作为第一金属，它们形成主要成分，以第一金属的量为基准计，至少约80％(重量百分比，以重量百分比计的％)。因此，也可以使用上述金属的合金。因此，根据本发明，术语“金属”除了纯金属之外还包括金属合金或简称为合金。合适的镁合金是例如AZ 31(Mg96Al3Zn)。合适的铝合金例如选自以下：
-高强度铝合金，选自铝镁硅合金(6000系列)和铝锌合金(7000系列)，其中在铝锌合金(7000系列)下优选AlZn4.5Mg(7020合金)；和
-熔点为约500℃至约580℃的高强度铝合金，优选熔点为约500℃至约580℃的高强度铝合金，铝合金包括铝、镁和硅，进一步优选地为AlSi6Cu7.5，AlMg6Si6和AlMg4(±1)Si8(±1)，还进一步优选地Al Mg6Si6和AlMg4(±1)Si8(±1)，特别优选AlMg4(±1)Si8(±1)。
至少一种第一金属可以是铝或纯铝(以重量百分比计为至少99％的铝)，优选铝，其中铝含量占至少一种第一金属以重量百分比计为约80％至约90％，特别优选为约83％。至少一种第一金属还可以是高强度铝合金。高强度铝合金可以选自铝镁硅合金(6000系列)和铝锌合金(7000系列)，其中在铝锌合金(7000系列)下优选AlZn4.5Mg(7020合金)。因此，至少一种第一金属尤其可以是AlZn4.5Mg(7020合金)。至少一种第一金属可以是熔点为约500℃至约580℃的的高强度铝合金；优选地，优选的高强度铝合金是AlSi6Cu7.5，AlMg6Si6和AlMg4(±1)Si8(±1)。至少一种第一金属也可以是熔点为约500℃至约580℃的更高强度的铝合金，其包含铝、镁和硅或者仅由这些化学元素组成。优选熔点为约500℃至约580℃的高强度铝合金，其包括铝、镁和硅，是AlMg6Si6和AlMg4(±1)Si8(±1)，其中AlMg4(±1)Si8(±1)是特别优选的。
如本文所述，术语“系列”和“合金”后接四位数对于本领域技术人员而言是已知的，用于某些类别或系列的铝合金或非常特殊的铝合金。
本文中所使用的合金化学式中的符号(±1)是指所讨论的各个化学元素的质量百分比也可以大于或小于所示地存在。然而，通常，在化学式中，用这种信息提供的两个元素之间存在相互关系。例如，如果化学式中第一个元素的质量百分比用(±1)表示，则该化学式中第二个元素的质量百分比也用(±1)表示。因此，化学式AlMg4(±1)Si8(±1)尤其也包括化学式AlMg5Si7和AlMg3Si9。
例如，合适的铅合金是具有约1％铜的铅-铜合金，也就是说，PbCul或PbCu。例如，合适的金合金是具有约1％钛，也就是说，AuTil或AuTi的金-钛合金。例如，合适的锌合金是具有约1％至3％的钛的锌-钛合金，例如ZnTil，ZnTi2或ZnTi3。例如，合适的钛合金是Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo。
合适的铁合金主要是钢。根据本发明并且根据DIN EN 10020：2000-07，“钢”是一种材料，其中铁的质量分数大于任何其它元素的质量分数，其碳含量通常小于2％并且包含其它元素。有限数量的铬钢可以包含2％以上的碳，但是2％是钢和铸铁之间的常用界限。
就本发明而言，半成品是可发泡的预制材料，其在发泡后产生金属泡沫或包含这种金属泡沫的复合材料。为此，作为金属泡沫的前体的半成品包括可发泡(可起泡)混合物或仅具有可发泡(可起泡)混合物。可发泡混合物包括：待发泡的金属，也就是说，至少一种第一金属；至少一种发泡剂；以及必要时至少一种助剂。可发泡混合物或整个半成品可以通过粉末冶金来生产。通过粉末冶金生产的半成品将可发泡混合物作为压实粉末压成压坯(粉末压坯)形式或压实成使混合物能够被压制，例如作为可轧制的坯料(轧制坯料)。可发泡混合物也可以是已吸收诸如氢气的气态发泡剂的固体金属的形式。然而，根据本发明，可以使用本领域技术人员已知的所有可以发泡形成金属泡沫的半成品。这些可发泡半成品必须在发泡以形成金属泡沫时相应地膨胀，这自然与半成品的体积或其中的至少一种第一金属的金属结构的增加有关。
就本发明而言，复合材料是一种金属材料，其中两种结构不同的材料，即发泡金属(金属泡沫)和呈固态、非发泡的固体材料的形式的金属，彼此结合在一起并且形状配合地和/或材料配合地彼此连接。当通过加热使可发泡混合物发泡时，金属泡沫和固体金属材料之间通过冶金结合的(最终)连接在其相邻的连接表面处通过熔化而发生。然而，可发泡混合物和固体材料之间的大部分的冶金结合已经存在于半成品中：例如，通过重塑可发泡混合物或芯和覆盖层的形状，可以产生无氧化物的表面，这导致可发泡混合物等的粉末颗粒与一个或多个覆盖层的实心的固体材料结合，也就是说发生一种焊接。
根据本发明的复合材料包括金属泡沫和以非发泡的固体材料形式的金属。为此，该复合材料包括或具有：至少一个第一区域，由至少一种第一金属的金属泡沫形成或包括该金属泡沫；和至少一个第二区域，由以非发泡的固体材料形式的至少一种第二金属形成或包括该非发泡的固态材料。优选地，至少一个第二区域包括或具有以非发泡的固体材料形式的正好一种第二金属。至少一个第二区域可以在至少一个第一区域的表面的至少一部分上尤其设计为固体、非发泡的金属层，尤其是设计为覆盖层。优选地，在第一区域的表面上施加两个第二区域，第二区域中的每个区域作为一层，呈非发泡的固体材料的形式，即两个固体层。两个固体(覆盖)层优选通过第一区域的区域彼此分开，使得在发泡期间，由于在该区域中由于形成金属泡沫而与之相关的体积增加，第一区域可以膨胀。优选地，复合材料具有正好一个第一区域和正好一个第二区域。对于某些应用来说，复合材料优选地具有正好一个第一区域和正好两个第二区域。特别优选地，复合材料具有正好一个第一区域和正好两个第二区域，两个第二区域中的每个区域在第一区域上形成一层。非常优选地，两个第二区域或两个层被区域隔开，在该区域中第一区域或半成品可以在发泡期间膨胀。
就本发明而言，作为用于复合材料的前体或用于生产复合材料的半成品是可发泡的预制材料，该预制材料在发泡后得到复合材料。为此，半成品包括或具有：至少一个第一区域，由可发泡混合物形成或包括可发泡混合物；和至少一个第二区域，由以非发泡的固体材料形式的至少一种第二金属形成或包括非发泡的固态材料。至少一个第二区域可以在至少一个第一区域的表面的至少一部分上尤其是设计为固体、非发泡的金属层，尤其是设计为覆盖层。优选地，在第一区域的表面上施加两个第二区域，第二区域中的每个区域作为一层，呈非发泡的固体材料的形式，即两个固体层。优选地，在第一区域的表面上施加两个第二区域，两个第二区域中的每个区域分别以非发泡的固体材料的形式，也就是说，两个固体层通过第一区域的区域彼此分开，使得在发泡期间，由于在该区域中形成了金属泡沫而与之相关的体积增加，第一区域可以膨胀。
优选地，复合材料的半成品具有正好一个第一区域和正好一个第二区域。优选地，对于某些应用来说，复合材料的半成品具有正好一个第一区域和正好两个第二区域。特别优选地，复合材料的半成品具有正好一个第一区域和正好两个第二区域，两个第二区域中的每个在第一区域上形成一层。非常特别优选地，两个第二区域或两个层被区域隔开，在该区域中第一区域或半成品可以在发泡期间膨胀。
在用于制造复合材料的方法的另一实施例中，
(a)复合材料包括：至少一个第一区域，由至少一种第一金属的金属泡沫形成；以及至少一个第二区域，由以非发泡的固体材料形式的至少一种第二金属形成；并且
(b)半成品包括：至少一个第一区域，由可发泡混合物形成；以及至少一个第二区域，由以非发泡的固体材料形式的至少一种第二金属形成。
在另一实施例中，至少一个第一区域在复合材料中形成为泡沫芯，并且至少一个第一区域在用于生产该复合材料的半成品中形成为可发泡芯。该芯被第二区域分层地覆盖，元将是说，以至少一个覆盖层的形式覆盖。在这种情况下，夹层状结构、即层状的板状结构、层状结构或具有直的(非弯曲的)传播方向平面的层状结构是可能的。特别优选的是由作为泡沫芯的第一区域和由非发泡的固体材料形成的两个第二区域形成的夹层状结构，其被设计为覆盖层并且被布置在芯的两个相对的外表面上。因此，芯层和覆盖层描述了直的(非弯曲的)传播方向的平面或呈板状。然而，具有弯曲的层或平面的球形层结构也是可能的，例如以层或棒、软管、管或肠状物的方式形成的固体棒中。球形层结构可以整体上是实心的，具有实心的杆状芯或具有最里面的中空芯，使得可发泡或起泡芯具有管状构造。
与此相应地，根据本发明，金属泡沫、复合材料和其半成品可以具有任何形状，只要确保在半成品中至少一个第一区域与可发泡混合物的体积增加或膨胀即可。因此，可以将半成品形成为板状，例如圆形或多边形杆以及其它规则或不规则形状的物体。在复合材料的情况下，半成品可以具有层状结构，但是至少一个第一区域和至少一个第二区域也可以彼此相邻存在并且以另一种方式彼此连接。由于至少一个第二区域由至少一种固体、非发泡的第二金属组成，并且因此在至少一个第一区域发泡时不会膨胀，因此至少一个第二区域必须不完全覆盖至少一个第一区域，也就是说在至少一个第一区域中必须保持“开放”区域，该区域使至少一个第一区域或可发泡混合物在发泡期间膨胀。在软管状、香肠状或管状结构的情况下，将提供相应的“开口”端部和/或至少一个开口的内部通道，在发泡期间第一区域可在该处或在其中膨胀。
在粉末冶金生产可发泡混合物或半成品的情况下，可发泡混合物至少在生产过程开始时以包含粉末颗粒的粉末形式存在。最终半成品也可以包含粉末形式的可发泡混合物，但是可发泡混合物优选以压实形式例如作为压坯存在于最终半成品中。粉末的(预)压缩导致其固化，甚至可以达到粉末颗粒之间的冶金结合，即粉末的各个颗粒或颗粒(粉末颗粒)通过在混合物内扩散和形成(第一)金属间相而部分或完全彼此连接，而不是形成疏松的粉末。这种(第一)冶金结合的优点是可发泡的第一区域或芯更稳定、更紧密，在发泡时几乎没有在泡沫中形成缺陷。通过第一冶金结合还产生稳定的轧制坯料，也就是说半成品的可变形性，尤其是通过轧制、弯曲、深冲和/或液压成型的可变形性得到改善。此外，在生产复合材料的情况下，粉末颗粒通过第一冶金结合部分地连接到至少一个第二区域，尤其是如果它是以层的形式、例如至少一层覆盖层的形式。
至少一种第一金属的粉末由粉末颗粒组成，这些粉末颗粒的粒度可为约2μm至约250μm，优选地约10μm至约150μm。这些粒度所具有的优点是：由此形成特别均匀的混合物，也就是说，形成特别均匀的可发泡混合物，使得稍后在发泡时避免往常出现的缺陷。
可发泡(可起泡)混合物包括至少一种第一金属和至少一种发泡剂。优选地，可发泡混合物包括正好第一金属和至少一种发泡剂。对于某些应用来说，可发泡混合物优选地包括正好一种第一金属和正好两种发泡剂。特别优选地，可发泡混合物包括正好一种第一金属和正好一种发泡剂。可发泡混合物进一步可包括多种助剂。然而，优选地，可发泡混合物有利地不包括助剂，因为可发泡混合物和可发泡芯的结构通常被一种或多种助剂所干扰，使得随后从中获得的发泡(起泡)芯具有诸如泡沫结构中的不均匀性之类的缺陷，孔隙过大或气泡过大和/或孔隙不是封闭的而是张开的。特别优选地，可发泡混合物仅包含：正好一种第一金属；正好一种发泡剂，必要时一种或多种发泡剂的衍生物；以及不包含其它物质或助剂。可发泡混合物可以仅包含上述物质或组分或由其组成，而不是仅包含它们。
如果发泡剂选自金属氢化物，则发泡剂的一种或多种衍生物是特别合适的。在这种情况下，作为衍生物的发泡剂可以另外包含在每种情况下使用的一种或多种金属氢化物中的一种或多种金属的至少一种氧化物和/或氢氧化物。这些氧化物和/或氢氧化物在发泡剂的预处理过程中产生，并且可以改善其耐久性以及发泡时的响应性，也就是发泡气体释放的时间，使得所用的发泡剂不会过早释放发泡气，但也不会太晚释放；太早或太晚释放发泡气体在此可能产生过大的空腔，从而在金属泡沫内产生缺陷。
从一特定温度开始，起泡剂的气体温度开始，根据本发明的至少一种起泡剂通过除气或脱气来释放起泡气体，其用于使至少一种第一金属发泡。在将金属氢化物用作发泡剂的情况下，释放氢气(H2)作为发泡气体。在将金属碳化物用作发泡剂的情况下，释放二氧化碳(CO2)作为发泡气体。
根据本发明的至少一种发泡剂选自本领域技术人员已知的相应的第一金属的发泡剂。优选使用正好一种发泡剂，但是也可以使用发泡剂的混合物，尤其是两种不同发泡剂的混合物。尤其适合于在此明确提及的金属的是选自金属氢化物和金属碳酸盐的发泡剂。
关于发泡剂的选择，令人惊奇地发现的是，至少一种发泡剂的脱气温度应有利地等于至少一种第一金属的固相温度，或者应低于至少一种第一金属的固相温度，以便随后实现无缺陷的闭孔泡沫。然而，优选地，发泡剂的脱气温度应低于至少一种第一金属的固相温度不超过约90℃，特别优选地不超过约50℃。
当制造复合材料并使用至少一种第二金属时，至少一种发泡剂的脱气温度也应低于至少一种第二金属的固相温度，由于当至少一种第一金属发泡时，至少一种第二金属不得进入其固相线范围，也就是说，不得开始熔化，以防止与至少一种第一金属混合，如本文中其它部分所讨论的。因此，至少一种发泡剂的脱气温度优选低于至少一种第二金属的固相温度，特别优选低于至少约5℃。
优选地，工具本发明的发泡剂选自：对于Mg、Al、Pb、Au、Zn或Ti作为第一金属的主要成分，至少一种发泡剂优选地选自金属氢化物和金属碳酸盐，进一步优选地地选自：
-TiH2、ZrH2、HfH2、MgH2、CaH2、SrH2、LiBH4和LiAlH4组成的组中的金属氢化物；以及
-元素周期表中第二主族的碳酸盐(碱土金属)，即尤其是由BeCO3、MgCO3、CaCO3、SrCO3和BaCO3组成的组。
为了使作为第一金属的主要成分的Mg、Al、Pb、Au、Zn或Ti发泡，至少一种发泡剂进一步优选地地选自TiH2、ZrH2、MgCO3和CaCO3。发泡剂尤其是金属氢化物。优选地，金属氢化物选自TiH2、ZrH2、HfH2、MgH2、CaH2、SrH2、LiBH4和LiAlH4。至少一种金属氢化物进一步优选地地选自TiH2、ZrH2、HfH2、LiBH4和LiAlH4，还进一步优选地选自TiH2、ZrH2、LiBH4和LiAlH4，还进一步优选地选自TiH2、LiBH4和LiAlH4。优选地，金属氢化物还选自TiH2、ZrH2和HfH2，进一步优选地TiH2和ZrH2。金属氢化物TiH2是特别优选的。适合于某些应用的是选自TiH2、ZrH2和HfH2的两种金属氢化物的组合，优选TiH2和ZrH2的组合。尤其是两种作为发泡剂的金属氢化物的组合适合于某些应用，其中每一种发泡剂选择：
(a)TiH2、ZrH2和HfH2；和
(b)MgH2、CaH2、SrH2、LiBH4和LiAlH4
在每种情况下选择一种发泡剂；优选的是TiH2与选自MgH2、CaH2、SrH2、LiBH4和LiAlH4的发泡剂的组合；特别优选的是TiH2与LiBH4或LiAlH4的组合。优选地，根据本发明，使用正好一种发泡剂。如果使用金属氢化物，则特别优选仅使用一种金属氢化物作为发泡剂，进一步优选地TiH2、ZrH2、HfH2、LiBH4或LiAlH4，还进一步优选地TiH2、LiBH4或LiAlH4，特别优选地TiH2。发泡剂尤其是碱土金属碳酸盐，即碳酸钙，也就是说，尤其是选自由MgCO3、CaCO3、SrCO3和BaCO3组成的组，优选地，选自由MgCO3、CaCO3、SrCO3和BaCO3组成的组，进一步优选地，选自由MgCO3、CaCO3和SrCO3组成的组，特别优选地，选自该组由MgCO3和CaCO3组成。对于某些使Mg，Al，Pb，Au，Zn或Ti作为第一金属的主要成分进行发泡的应用来说，金属氢化物与金属碳酸盐作为发泡剂的组合是特别合适的，其中从以下两组中的每组中各选择一种发泡剂：
-TiH2、ZrH2、MgH2、CaH2、SrH2、LiBH4和LiAlH4；和
-MgCO3、CaCO3、SrCO3和BaCO3。
对于铁作为至少一种第一金属的主要成分并且对于钢作为至少一种第一金属，至少一种发泡剂优选地选自金属碳酸盐，进一步优选地地选自元素周期表的第二主族碳酸盐(碱土金属)，即尤其是由MgCO3、CaCO3、SrCO3和BaCO3组成的组，还进一步优选地选自由MgCO3、CaCO3和SrCO3组成的组，特别优选地选自由MgCO3和SrCO3组成的组。
对于根据本发明尤其是作为发泡剂提供的金属氢化物，除气温度分别如下(在圆括号中规定的除气温度)：TiH2(约480℃)、ZrH2(约640℃至约750℃)、HfH2(约500℃至约750℃)、MgH2(约415℃)、CaH2(约475℃)、SrH2(约510℃)、LiBH4(约100℃)和LiAlH4(约250℃)。对于根据本发明尤其是作为发泡剂提供的金属碳化物，除气温度分别如下(在圆括号中规定的除气温度)：MgCO3(约600℃至约1300℃)、CaCO3(约650℃至约700℃)、SrCO3(约1290℃)和BaCO3(约1360℃至约1450℃)。
根据本发明，金属氢化物作为发泡剂可以另外包含在每种情况下使用的一种或多种金属氢化物中的一种或多种金属中的至少一种氧化物和/或氢氧化物。在包含金属氢化物的发泡剂的预处理期间形成氧化物和/或氢氧化物，并改善其耐久性以及发泡时的响应性，也就是说，释放发泡气体的时间。相对于释放发泡气体的时间点而言，对泡沫响应的改善主要在于发泡气体的释放或向后期排气的偏移，以避免过早排气而形成诸如气泡和孔的缺陷而不是(闭)孔；一方面，这是通过提及的氧化物和/或氢氧化物实现的，另一方面，通过以下事实实现：至少一种发泡剂，尤其是使用一种或多种金属氢化物时，在半成品的基质中，在第一区域内的金属连接之后并且在第一区域与第二区域的金属连接之后，可选地处于高压下。作为用于预处理发泡剂的合适的方法是在熔炉中于500℃的温度下进行热处理约5小时。
氧化物尤其是化学式TivOw的氧化物，其中v为约1至约2，w为约1至约2。氢氧化物尤其是化学式TiHxOy的氢氧化物，其中x为约1.82至约1.99，y为约0.1至约0.3。在对半成品的粉末冶金制造的情况下，发泡剂的氧化物和/或氢氧化物可在发泡剂粉末的颗粒上形成一层；该层的厚度可以为约10nm至约100nm。
当使用至少两种不同的发泡剂时，发泡剂的量或所有发泡剂的总量以重量百分比计可为约0.1％(％重量百分比)至约1.9％，优选约0.3％。在每种情况下，以可发泡混合物的总量为基准计，重量百分数为约1.9％至约1.9％。氧化物和/或氢氧化物的量占至少一种发泡剂的总量以重量百分比计为约0.01％至约30％。
在制造复合材料并且使用至少一种第二金属的情况下，可以选择至少一种第二金属，只要其适合于复合材料典型地与另一种材料组分，在此为金属泡沫的牢固且持久的连接。
有利地，至少一种第一金属和至少一种第二金属不相同，也就是说，两种金属在至少一种合金成分，至少一种合金成分的质量或重量比例和/或性质(粉末相对于实心固体材料)方面有所不同，使得至少一种第二金属的固相温度高于至少一种第一金属的液相温度。然而，尤其是，至少一种第二金属的固相温度高于可发泡混合物的液相温度。
由于与至少一种第一金属作为(被压实的)粉末相比，至少一种第二金属作为(固体、非发泡的)固体材料的性质，其通常具有与熔化金属不同的熔化特性，也就是说，与固体材料相同的金属或金属合金，由于比粉末状粉末具有更高的熔化焓，因此在相同温度下开始熔化。然而，固体材料也只能在比(被压实的)粉末存在时更高的温度下开始熔化，尤其是如果后者也与发泡剂混合，因为这会降低金属粉末和发泡剂混合物的熔点，也就是说，降低了可发泡混合物整体的熔点。
在复合材料的情况下，有利的是：至少一种第二金属的固相温度高于至少一种第一金属的液相温度，尤其是高于可发泡混合物的液相温度。还有利的是：至少一种第二金属比至少一种第一金属开始熔化的时间晚得多(即足够晚)，以使由至少一种第二金属制成的至少一种第二区域以固态的、非发泡的形式熔化，例如，其可形成为固体金属覆盖层，当可发泡混合物发泡时不会熔化或开始熔化。已经发现，当至少一层在发泡过程中熔化时，尤其是在从发泡剂释放的气体的压力下，会意外地变形。如果在至少一种第一金属发泡时至少一种第二金属开始熔化，则它会与至少一种第一金属在边界层之外混合，并破坏泡沫或根本不允许泡沫形成或自身起泡沫，使得发泡过程变得完全不可控制。
至少一种第二金属的固相温度和至少一种第一金属的液相温度之间的所需的差，一方面取决于为至少一种第一金属和至少一种第二金属选择的金属或金属合金的(化学)性质，另一方面取决于它们的熔化特性。有利地，至少一种第二金属的固相温度比可发泡混合物的液相温度高至少约5℃。根据本发明，该较高的固相温度和/或至少一种第二金属的足够晚的熔化可以通过如下方式来实现：
-利用被用作主要成分的金属的类型或化学性质；
-利用至少一种第二金属的形状或性质(与至少一种第一金属的粉末形式相比为实心固体材料)，即如下形状或性质：导致更高的固相温度和/或更高的熔化焓(因为粉末状的金属比固体材料形式的固体金属熔化得早，并且固相温度较低)；和/或
-其中至少一种第二金属具有比至少一种第一金属的合金成分更少和/或与(相比)至少一种第一金属具有至少一种相同的合金成分且合金中的质量分数较低(即，在至少一种第一金属和至少一种第二金属中相同的合金成分的质量分数在至少一种第二金属中低于或小于在该至少一种第一金属中)。
在相同的金属用作主要成分的情况下，至少一个第一区域和至少一个第二区域两者的含量或量以重量百分比计为至少约80％，因此不同的熔化温度、固相温度和/或液相温度可以根据粉末和固体材料中不同合金添加剂进行相应地调整。
优选地，至少一种第二金属的固相温度比至少一种第一金属的固相温度高至少约5℃。进一步优选地，根据金属或金属合金，至少一种第二金属的固相温度比至少一种第一金属的液相温度高至少约6℃，还进一步优选地至少约7℃，还进一步优选地至少约8℃，还进一步优选地至少约9℃，还进一步优选地至少约10℃，还进一步优选地至少约11℃，还进一步优选地至少约12℃，还进一步优选地至少约13℃，还进一步优选地至少约14℃，还进一步优选地至少约15℃，还进一步优选地至少约16℃，还进一步优选地至少约17℃，还进一步优选地至少约18℃，还进一步优选地至少约19℃，而且还进一步优选地至少约20℃。无论如何，至少一种第二金属的固相温度和至少一种第一金属的液相温度之间的差，应确保在发泡过程中，至少一个第二区域，例如作为施加到芯上的、由至少一种第二金属组成的覆盖层，不那么强烈地软化或开始熔化或熔化，以使发泡气体的形成和/或膨胀在至少一个第二区域和/或至少一个第二区域中引起不希望的凸起、凹陷、裂纹、裂孔和类似缺陷，和/或至少一个第一区域部分地或完全合并或混合。通常，至少一种第二金属的固相温度应比至少一种第一金属的液相温度高至少约5℃、优选地高约10℃、特别优选地高约15℃；在特殊情况下，至少一种第二金属的固相温度比至少一种第一金属的液相温度高至少约20℃。尤其是，令人惊讶地发现的是，至少一种第二金属的固相温度比至少一种第一金属的液相温度高约15℃，通常一方面金属泡沫结构和固体材料的强度与复合结构的质量之间存在良好的平衡，即在金属泡沫和固体材料之间的相界清晰，另一方面，金属泡沫和固体材料未熔化。非常特别优选地，至少一种第二金属的固相温度比可发泡混合物的液相温度高上述温度。
在优选的实施例中，至少一种第一和第二金属不同。为此，至少一种第二金属的合金成分比至少一种第一金属的少。作为该至少一种第一金属的替代或附加，至少一种第二金属具有至少一种相同的合金成分，合金成分在合金中具有较低的质量分数；经此，与至少一种第一金属的液相温度相比，可以实现在此说明的至少一种第二金属的更高的固相温度。
根据本发明，复合材料和半成品优选地包含正好一种第二金属作为(固体、非发泡的)固体材料。在这种情况下，固体材料被理解为未发泡的实心金属，即没有孔且也不呈粉末状的实心金属。在这种情况下，该金属也可以是金属合金。与根据本发明的可发泡混合物相比，就本发明而言的固体材料是非发泡(能起泡)。优选地，至少一种第二金属的主要成分Mg(镁)、Al(铝)、Pb(铅)、Au(金)、Zn(锌)、Ti(钛)、Fe(铁)或Pt(铂)，其量占至少一种第二金属的量以重量百分比计为至少约80％。为此，至少一种第二金属还可以选自如本文所定义的用于至少一种第一金属的那些纯金属和合金。优选地，至少一种第一金属和至少一种第二金属具有相同的主要成分Mg、Al、Pb、Au、Zn、Ti或Fe。如果至少一种第二金属具有铝作为主要成分，则其尤其是选自由以下组成的组：
-纯铝；和
-高强度铝合金，选自铝镁合金(5000系列)、铝镁硅合金(6000系列)和铝锌合金(7000系列)。
至少一种第二金属可以是铝或纯铝(以重量百分比为至少99％的铝)，其中优选铝，其中铝含量占至少一种第二金属以重量百分比计为约85％比至约99％，特别优选为约98％。此外，至少一种第二金属可以是高强度铝合金。高强度铝合金可以选自铝镁合金(5000系列)、铝镁硅合金(6000系列)和铝锌合金(7000系列)。至少一种第二金属尤其可以是铝镁合金(5000系列)。至少一种第二金属尤其可以是铝镁硅合金(6000系列)，优选地Al6082(AlSi1MgMn)。最后，至少一种第二金属尤其可以是铝锌合金(7000系列)。
第一金属和第二金属的合适组合是例如但不限于以以下金属为主要成分的合金，也就是说占相应的第一或第二金属的量以重量百分比计为至少约80％，其中附加地示例性地、但不限于此地说明适合的发泡剂：
Figure BDA0002494532350000211
Figure BDA0002494532350000221
1在铁(Fe)为主要成分的情况下，可以将钢用作合金。
根据本发明的方法步骤的时间顺序或顺序优选地对应于如实施例(1)中所示的罗马数字编号，也就是说，优选首先进行步骤(I)，然后进行步骤(II)，最后进行步骤(III)。根据本发明，当在步骤(III)中加热并在以下所述的步骤(IV)中进行预热时，输入到半成品中的热量从外部进入到半成品中，也就是说，通过半成品的外表面或半成品的一部分外表面进行。在步骤(III)中，当在包括液体的可加热浴(可加热液体浴)中加热时，将热量引入半成品，其中液体从外部进入半成品，也就是说，从液体经过半成品的外表面或一部分外表面加热。无论如何，优选地，至少半成品的外表面的那些部分的至少完全润湿或甚至完全接触，这些部分也是待发泡的半成品的(至少第一)区域的一部分或在其后将待发泡(直接)处在半成品的(至少第一)区域的那些部分与加热浴的液体混合。相对应地，在步骤(II)中，优选将半成品浸入可加热的，优选已经加热的浴中，以使至少半成品外表面的上述部分完全被热浴浸湿。
该方法的步骤(III)中的加热优选进行至发泡温度，该发泡温度在可发泡混合物内为：(a)至少与至少一种发泡剂的脱气温度一样高，和/或(b)至少与可发泡混合物的固相温度一样高。发泡温度是至少一种第一金属处于可发泡状态并且发泡剂分解并由此释放使至少一种第一金属发泡的发泡气体的温度。当至少一种第一金属开始熔化(在其固相温度)或部分或完全熔化时，其处于可发泡状态。(快速)供应热量，使得在发泡剂完全分解之前，至少一种第一金属的其余部分可以熔融并发泡。在制造复合材料的情况下，在步骤(III)中优选地加热到如下发泡温度，发泡温度在可发泡混合物内小于至少一种第二金属的固相温度。这具有如下优点：至少一个第一和第二区域的金属不会混合，并且半成品除了由于发泡过程导致体积增加之外，在发泡过程中保持其原始结构，并且不翘曲。
在根据本发明的方法的步骤(III)中的起泡温度是可发泡混合物起泡(泡沫)并形成金属泡沫的温度。发泡温度应等于或高于至少一种发泡剂的脱气温度，至少与至少一种第一金属的固相温度一样高(更精确地说，考虑到与至少一种发泡剂混合而降低的熔点，尽管大多很小，以及必要时助剂：至少与可发泡混合物的固相温度一样高)，并且低于至少一种第二金属的固相温度，以便获得可能的均匀的金属泡沫并保持复合材料的特性，也就是说，以防止两种材料的熔化超出到金属泡沫和固体金属材料之间的表面连接之外。
根据本发明的方法可以附加地包括步骤(IV)：通过将步骤(I)的半成品加热到低于发泡温度约50℃至约180℃、优选地至约100℃的温度来实现预热，其中步骤(IV)在步骤(II)和/或(III)之前进行。步骤(IV)优选在步骤(II)之前进行，步骤(II)又在步骤(III)之前进行。该程序的优点在于：用于发泡的液浴对于实际的发泡过程更有效，也就是说，单位时间内具有更高的吞吐量，因为供应到半成品的所需(剩余)的热量仍然在该液浴中进行，并且在发泡过程中所需的热量比将半成品从环境温度或室温下开始加热到液浴的起泡温度要低。经此，可以使用不适合使金属起泡沫并且不包括根据本发明的液浴的一个或多个其它可加热液浴或更简单的加热源，例如电阻炉，来进行预热。步骤(II)中的浸入优选在热或加热的浴中进行，使得步骤(III)中的加热立即进行。预热可以在一个或多个部分同时进行并且持续相对较长的几个小时，优选地在约5min至约8h的时间段内，进一步优选地地在约10min至约6h的时间段内进行。
根据本发明的方法的步骤(III)中的加热可以以受控的加热速度进行，以使足以使至少一种第一金属发泡的发泡气体的时间点与达到至少一种第一金属的可发泡状态(例如其固相温度)的时间点相匹配。应当以这样的方式提供热量：当至少一种第一金属达到其可膨胀状态，例如其固相温度时，有足够的发泡气体产生以使至少一种第一金属起泡沫，并可产生最大的发泡气体。本发明提供的金属和发泡剂的方法的步骤(III)中的加热优选以约0.5K/s至约50K/s、特别优选约5K/s至约20K/s的加热速度进行。
优选将半成品浸入可加热的液体浴中，使得以尽可能短的方式将热量引入待发泡的区域或至少一个第一区域中。为此，无论如何，至少半成品的外表面的那些部分完全润湿或接触，这些部分也是待发泡的半成品的(至少第一)区域的一部分，或者位于待发泡的半成品的(直接)处在(至少第一)区域的后面放置在可加热浴中。特别优选地，将半成品完全浸入可加热的液浴中。上述用于浸入半成品的程序改善了热输入的均匀性，因为其是直接进行的，也就是说，通过直接的热传导和从液体到半成品的传输，排除了在通过辐射进行传输的情况下可能产生的热量损失。液体和半成品之间的直接接触使直接或立即的热传导和传递成为可能。这也进一步改善了所形成的金属泡沫的均匀性。尤其是，减少了在泡沫中以及在复合材料的情况下，还在至少一个第一区域和至少一个第二区域之间的界面处的缺陷的形成，即减少了泡沫与非发泡的实心固体材料之间的界面处的缺陷的形成；如果复合材料中的至少一个第二区域形成为在至少一个第一区域上的层或覆盖层，则尤其如此，此外，如果复合材料包括正好一个第一区域和正好两个第二区域，并且两个第二区域中的每个正好形成一个第一区域的层或覆盖层的区域，则尤其适用，并且当在这些情况下第一区域形成为复合材料中的芯或芯层时尤其如此。
对于可加热浴的液体，考虑这样的物质或物质混合物，其可以至少分别加热到所需的泡沫温度，而不会沸腾或蒸发到任何明显的程度。此外，液体不得(化学地)侵蚀半成品以及金属泡沫成品或复合材料成品，也不得损害或破坏其所需的外部和内部结构。令人惊讶地发现的是，选自盐，尤其是无机盐或固体颗粒，尤其是沙子或氧化铝颗粒的熔融盐可以满足这些要求。在这种情况下，盐在室温下不溶于以液体形式存在的化合物的溶液中，尤其是不溶于水溶液中。可以使用两种或更多种盐的混合物。在至少两种盐的混合物的情况下，可以将至少一种盐溶解在另一种或多种盐的熔体中。因此，可加热浴的液体优选包含至少一种熔融盐，特别优选正好一种熔融盐。可加热浴的液体优选包含至少一种熔融无机盐，特别优选正好一种熔融无机盐，优选氯化钠或氯化钾。可加热浴的(整个)液体可以仅包含上述物质或成分或由其组成，而不是仅包含它们。借此，就本发明而言，术语“液体”还特别包括熔融盐和固体颗粒浴。固体颗粒浴包括与至少一种气体和/或空气、尤其是氮气或氦气的混合物中的固体颗粒，以及与空气的另一种混合物，并且在本发明的意义上优选由流化床加热炉生产。固体颗粒通过至少一种气体和/或空气，其运动状态和行为类似于液体，或者对于本发明而言，具有类似于液体的性质。就本发明而言，熔融盐也是如此。可以在可加热浴中使用的固体颗粒的粒径优选在约10μm至约200μm的范围内，进一步优选地在约80μm至约150μm的范围内。就本发明而言，优选使用尤其是颗粒形式的沙子或氧化铝。
特别优选地，当使用固体颗粒时，在步骤(IV)中进行预热/预热。在此，可以将半成品浸入例如由沙子形成的固体颗粒浴中并进行预热，尤其是预热至约430℃至约520℃的温度，优选至约450℃至约500℃的温度。在此，一个或多个部件可以同时进行加热几个小时的较长时间，优选地在约5min至约8h的时间内，进一步优选地地在大约10min至约6h的时段。紧接着，在步骤(II)中，将半成品浸入固体颗粒浴中，尤其是浸入流化床加热炉中，尤其是由氧化铝形成的颗粒形式的流化床加热炉中，该浴优选的温度在约570℃至约630℃的范围，进一步优选地，其在约580℃至约610℃的范围。根据步骤(III)的加热立即进行。在该固体颗粒浴中的停留时间优选为约1min至约10min，进一步优选地为约1.5min至约6min。紧接着，优选地，去除泡沫半成品并且将其例如以固体颗粒浴的形式，特别是以沙子的形式，在约10℃至约40℃的温度下进行淬火。淬灭的停留时间优选在约30sec至约10min的范围内，优选在约1min至约3min的范围内。随后可以将例如以如上所述的复合材料的形式的泡沫半成品暴露于温热。步骤(I)至(IV)也可以在连续运行的工厂中进行以提高生产率。预热/预热和发泡也可以在同一浴内进行。
为了将足够高的热量传递到半成品，尤其是为了更好地控制特定的加热速率，尤其是当加热速率很高时，可加热浴液的液体相应较高的(比)热容和/或导热率是理想的。因此，加热浴的液体的高(比)热容和/或热导率出乎意料地使得能够形成特别均质的金属泡沫，也就是说，孔径的尺寸分布窄。另外，可以这种方式更快地进行发泡过程。为此目的，可加热浴的液体或熔融盐优选具有
(a)比热容的大小为约1000J/(kg·K)至约2000J/(kg·K)；并且/或者
(b)热导率的大小为约0.1W/(m·K)至约1W/(m·K)。
在适当选择液体、尤其是熔融盐或固体颗粒浴的密度的情况下，与以下的密度相比：
-第一种金属或其泡沫，可选地第二种金属，或者
-(制成的)金属泡沫或复合材料
可以通过金属泡沫或复合材料的漂浮来显示到达步骤(III)的终点。
为了获得良好的机械载荷能力，尤其是金属泡沫或包括金属泡沫的复合材料的良好的强度和/或抗扭刚度，作为复合材料的一部分或区域的金属泡沫形成为闭孔。以这种方式的封闭的球形孔能够通过围绕孔的完整的孔壁实现最佳的载荷传递，并因此明显有助于金属泡沫的强度，并且因此也有助于复合材料的强度，全面地提高了金属泡沫的强度。如果金属泡沫中的各个气体体积、尤其是两个相邻的气体体积通过分离的固相(壁)彼此分开或至多通过与制造相关的小开口(裂纹、孔)来相互连接，则该泡沫为闭孔，开口的横截面与分别使两个气体体积分开的固相(壁)的横截面相比都交小。根据本发明，优选地，尤其是在方法步骤(III)中形成基本上闭孔的金属泡沫。基本上闭孔的金属泡沫的特征在于，各个气体体积最多通过与制造相关的小开口(裂缝、孔)相互连接，但是其横截面与将这些体积分开的固相横截面相比都较小。
这样形成的金属泡沫的孔隙率为约60％至约92％，优选为约80％至约92％，特别优选为约89.3％。非发泡的固体材料的密度可为原料密度的约90％至约100％。对于铝泡沫，在步骤(III)中形成的金属泡沫的密度可以为约0.2g/cm3至约0.5g/cm3，或者与非发泡的固体材料的密度相对应地达到60％到大约92％的孔隙率。
根据本发明的方法可以附加地包括步骤(V)：使在步骤(I)中提供的半成品成型成成型件，其中在步骤(III)和/或(IV)中对这样获得的成型件进行加热，而不是对半成品进行加热。可以通过本领域技术人员已知的方法来使半成品成型。然而，根据本发明，优选通过选自弯曲、深冲、液压成型和热压的方法来进行成型。
最后，本发明包括：
-可通过根据本发明的方法获得的复合材料；
-包括复合材料的部件。
术语“部件”表示单独或与其它组件一起用于特殊目的或特殊用途的部件或生产部件，例如用于设备、机器、车辆或船舶或飞机、建筑物、家具或可以使用其它最终产品。为此，部件可以具有特定的形状，例如与其它部件的相互作用所需的形状，例如完全匹配的形状。这种成型可以有利地通过在此描述的对非发泡的(也就是说，发泡的)半成品的重塑的附加工艺步骤(步骤(V))进行，该非发泡的半成品比金属泡沫或复合材料更容易变形。
附图说明
本发明参考图1来详细地阐述。图1以横截面示出了根据本发明的作为金属泡沫夹层的复合材料，该复合材料是根据示例1在盐浴中制造的。
具体实施方式
示例1
将如下表所示由两个固体覆盖层和包含可发泡混合物的可发泡芯体组成的半成品置于温度为550℃至650℃的盐浴中并且在其中发泡，其中该半成品的金属或金属成分均由铝合金组成。与传统的加热铝泡沫相比，由于盐的高热容和导热性以及盐浴在半成品整个表面上的良好热接触，半成品的发泡温度非常均匀，即550℃至650℃，也就是说，半成品的所有区域同时或几乎同时达到所需的发泡温度。在超过固相温度后，可发泡芯开始均匀膨胀，并形成了良好的孔分布(参见图1)。泡沫的加热速率取决于材料的厚度，介于0.5K/s和50K/s之间。由于发泡的原因，半成品的密度低于盐浴的密度，导致金属泡沫夹层膨胀，发泡过程的终点容易被检测到。
因此，该方法也利用仅由压制的可发泡混合物组成而没有覆盖层的半成品进行。
Figure BDA0002494532350000281
Figure BDA0002494532350000291
1发泡剂的量占可发泡混合物的总量是以重量百分比(wt.％)来说明的。相同方法也是利用如下的发泡剂替代TiH2、按上文所说明的量来进行的：ZrH2、HfH2、MgH2、CaH2、SrH2、LiBH4和LiAlH4以及分别由TiH2与LiBH4和TiH2与LiAlH4的组合。
示例2
该方法是根据示例1来进行的，其中盐浴的温度为400℃至500℃，发泡温度为380℃至420℃。
Figure BDA0002494532350000292
1发泡剂的量占可发泡混合物的总量是以重量百分比(wt.％)来说明的。相同方法也是利用TiH2替代MgH2作为发泡剂、按上文所说明的量来进行的。
示例3
该方法是根据示例1来进行的，其中盐浴的温度为300℃至400℃，发泡温度为310℃至380℃。
Figure BDA0002494532350000293
Figure BDA0002494532350000301
1发泡剂的量占可发泡混合物的总量是以重量百分比(wt.％)来说明的。相同方法也是利用TiH2替代ZrH2作为发泡剂、按上文所说明的量来进行的。
示例4
该方法是根据示例1来进行的，其中盐浴的温度为550℃至650℃，发泡温度为580℃至630℃。
Figure BDA0002494532350000302
1发泡剂的量占可发泡混合物的总量是以重量百分比(wt.％)来说明的。
示例5
该方法是根据示例1来进行的，其中盐浴的温度为1200℃至1450℃，发泡温度为1380℃至1420℃。
Figure BDA0002494532350000303
Figure BDA0002494532350000311
1发泡剂的量占可发泡混合物的总量是以重量百分比(wt.％)来说明的。
示例6
该方法是根据示例1来进行的，其中盐浴的温度为1300℃至1650℃，发泡温度为1500℃至1680℃。
Figure BDA0002494532350000312
1发泡剂的量占可发泡混合物的总量是以重量百分比(wt.％)来说明的。
示例7
该方法是根据示例1来进行的，盐浴的温度为900℃至1150℃，发泡温度为980℃至1100℃。
Figure BDA0002494532350000321
1发泡剂的量占可发泡混合物的总量是以重量百分比(wt.％)来说明的。
示例8
该方法是根据示例1来进行的，其中使用具有氧化铝颗粒的流化床加热炉代替盐浴作为固体颗粒浴，该盐浴的粒径为约80μm至约100μm。在步骤(III)后的加热温度为600℃，在流化床加热炉中的停留时间为3分钟。使用AlSi8Mg4作为合金，并且TiH2占可发泡混合物的总量以重量百分比计为0.8％。在发泡之前，将半成品在500℃的沙浴中预热/加热15分钟。通过浸入到加热的固体颗粒浴中来进行发泡。用于预热和发泡的浴也可相同。所获得的复合材料闭孔地来构造，并且在两个覆盖层之间具有高度均匀的金属泡沫。

Claims (23)

1.一种用于制造至少一种第一金属的金属泡沫的方法，所述至少一种第一金属包含主要成分Mg、Al、Pb、Au、Zn、Ti或Fe，其量占所述至少一种第一金属的量以重量百分比计为至少80％的+/-10％，所述方法包括以下的步骤：
(I)提供半成品，所述半成品包括可发泡混合物，所述可发泡混合物包括所述至少一种第一金属和至少一种发泡剂，其中所述半成品包括：一个第一区域，由所述可发泡混合物形成；和两个第二区域，由以非发泡的固体材料形式的至少一种第二金属形成，作为通过第一区域彼此隔开的第一区域的两个表面上的覆盖层，以用于制造复合材料，其中所述复合材料包括：一个第一区域，由所述至少一种第一金属的金属泡沫形成；和两个第二区域，由以非发泡的固体材料形式的至少一种第二金属形成，作为通过第一区域彼此隔开的第一区域的两个表面上的覆盖层；
(II)将所述半成品浸入到包括液体的可加热浴中，其中可加热浴的液体包括至少一种熔融盐或固体颗粒；以及
(III)在所述浴中加热所述半成品，以通过从所述至少一种发泡剂中去除气体来使所述可发泡混合物发泡，从而形成所述金属泡沫。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一种第二金属包含主要成分Mg、Al、Pb、Au、Zn、Ti或Fe，其量占所述至少一种第二金属的量以重量百分比计为至少80％的+/-10％。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述至少一种第一金属和所述至少一种第二金属具有相同的主要成分Mg、Al、Pb、Au、Zn、Ti或Fe。
4.根据权利要求1所述的方法，其中
(a)所述至少一种第二金属的固相温度比所述可发泡混合物的液相温度高至少5℃；和/或
(b)所述至少一种第二金属的合金成分比所述至少一种第一金属的少，或者相对于所述至少一种第一金属具有至少一种相同的合金成分，所述合金成分在合金中具有较低的质量分数。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述两个第二区域中的至少一个第二区域作为所述第一区域的表面的至少一个部分上的层形成。
6.根据权利要求5所述的方法，其中
(a)在所述复合材料中构造所述第一区域作为发泡芯；并且
(b)在所述半成品中构造所述第一区域作为可发泡芯。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一种发泡剂的脱气温度
(a)等于所述至少一种第一金属的固相温度；或者
(b)低于所述至少一种第一金属的固相温度，但是低于所述至少一种第一金属的固相温度不超过90℃的+/-10％。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述至少一种发泡剂的脱气温度低于所述至少一种第二金属的固相温度。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一种发泡剂选自由金属氢化物和金属碳化物构成的组。
10.根据权利要求1所述的方法，其中在所述方法的步骤(III)中加热到脱气温度，所述脱气温度在所述可发泡混合物内为
(a)至少与所述至少一种发泡剂的脱气温度一样高，和/或
(b)至少与所述可发泡混合物的固相温度一样高。
11.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤(III)中加热到如下发泡温度，所述发泡温度在所述可发泡混合物内小于所述至少一种第二金属的固相温度。
12.根据权利要求11所述的方法，所述方法附加地包括以下的步骤：
(IV)通过将来自步骤(I)中的半成品加热到低于所述发泡温度50℃的+/-10％至100℃的+/-10％的温度来实现预热，其中步骤(IV)在步骤(II)和/或(III)之前进行。
13.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤(III)中的加热以0.5K/s的+/-10％至50K/s的+/-10％的加热速率来进行。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述可加热浴的液体
(a)比热容的大小为1000J/(kg·K)的+/-10％至2000J/(kg·K)的+/-10％；并且/或者
(b)热导率的大小为0.1W/(m·K)的+/-10％至1W/(m·K)的+/-10％。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述固体颗粒的粒度在10μm的+/-10％至200μm的+/-10％的范围内。
16.根据权利要求1所述的方法，其中使用由铝氧化物构成的固体颗粒作为固体颗粒。
17.根据权利要求1所述的方法，其中在使用固体颗粒时，使用流化床加热炉。
18.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤(III)中形成基本上闭孔的金属泡沫。
19.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤(III)中形成的金属泡沫的孔隙率为60％的+/-10％至92％的+/-10％。
20.根据权利要求1所述的方法，所述方法附加地包括以下的步骤：
(V)使在步骤(I)中提供的半成品成型为成型件，其中在步骤(III)中对这样获得的成型件而不是对所述半成品进行加热。
21.根据权利要求12所述的方法，所述方法附加地包括以下的步骤：
(V)使在步骤(I)中提供的半成品成型为成型件，其中在步骤(IV)中对这样获得的成型件而不是对所述半成品进行加热。
22.一种复合材料，所述复合材料具有能够通过权利要求1所述的方法获得的金属泡沫。
23.一种部件，所述部件包括复合材料，所述复合材料具有根据权利要求22所述的金属泡沫。
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