CN111805170B - 一种内置泡沫铝的空心点阵结构成形方法 - Google Patents
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Abstract
一种内置泡沫铝的空心点阵结构成形方法。本发明涉及金属‑泡沫铝的复合材料的制备方法。提出了一种结合金属点阵结构良好的力学性能与结构功能和泡沫铝材料优秀的力学、电学、声学和热学特性，通过点阵结构的气胀成形和泡沫铝的二次发泡法将两者的制造过程合并，得到具有两者优势的，集多种功能于一身的金属点阵‑泡沫铝复合材料的内置泡沫铝的空心点阵结构成形方法。本发明的技术方案为：按以下步骤进行成形：S1、发泡原料制备；S2、空心点阵原料加工；S3、真空扩散焊接；S4、超塑成形；S5、排气；S6、浇注；S7、冷却；S8、发泡。本发明可以实现各种尺寸的，多种材料的金属点阵‑泡沫铝复合材料的制备，有较强的泛用性，可以实现批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及金属-泡沫铝的复合材料的制备方法，具体为一种金属点阵-泡沫铝复合材料及其制备方法。
背景技术
泡沫铝作为一种孔尺寸与孔结构分布无序的超轻多孔金属材料，近年来随着其制备与加工技术的提高被大量应用于汽车，航空航天等领域。泡沫铝是一种由铝或铝合金基体和气孔组成的复合金属材料，具有很多实体金属材料没有的优异性能，包括密度小，比强度高等；并因为其独特的内部结构具有许多优秀的力学、电学、声学和热学特性，包括隔热，减震，吸能和电磁屏蔽等。
而与孔尺寸与孔结构分布无序的金属泡沫相比，基于扩散焊接工艺的三维点阵夹层结构具有结构更均匀、单元尺寸精确可控的特性，且其连接筋条由轧制板材超塑拉伸而成，其材料组织性能比金属泡沫结构更优异，在一定的孔隙率及相对密度下可根据构，点阵结构类型、成形件的性能要求（刚度、强度、冷却效率等）设计合理的单元结构，充分发挥结构的力学性能与结构功能，且具备降噪、隔声、散热、布置管线、通液、通气等优良特性。
目前，多数的多孔金属结构的应用都是单一结构的应用，功能单一，很多情况下无法兼顾良好的力学、电学、声学和热学特性和优秀的结构强度、刚度、剪切强度以及承载能力。通常使用的泡沫铝管材或板材优良的吸能能力，但其抗横向剪切能力较差；而常用的空心点阵结构虽有良好的结构强度，但抗冲击能力较差。
CN102416714A中发明了一种通过胶接将三角棱柱或者梯形棱柱插入金字塔结构点阵金属夹层板或波纹结构点阵金属夹层板的孔中进行填充并成形的方法。它先将冲孔菱形网或平整过的拉伸网采用模压、折叠技术形成金字塔芯体；然后,根据金字塔结构芯体或波纹结构芯体中孔的空间尺寸,将块状泡沫铝切割成相适应的三角棱柱或者梯形棱柱；最后,在三角棱柱或者梯形棱柱与金字塔结构芯体或波纹结构芯体接触面上均匀涂覆一层胶粘剂,然后进行填充,将空间孔结构全部插满,静置或于40-60℃烘箱中固化,得到点阵金属一泡沫铝复合材料。该方法虽然简单易操作，但是点阵结构与泡沫铝结合不够紧密，处理不当极易造成泡沫铝从点阵结构中脱出。
CN107599445B中发明了一种使用可熔性合金型芯成型技术和采用特定的注入方式进行VARTM成型的方法。先按照设计要求制备低熔点合金型芯模；再进行点阵芯三角纤维穿插，上下面板底层纤维铺设，将底层纤维织物铺设于表面并固定；进行多束梯形纤维的穿插，泡沫夹层的布置及面板顶层纤维的；最后按照特定的铺设方法和注入顺序进行VARTM成型，加热融化可熔性合金型芯。该方法生产效率高、力学性能好，但是只可以使用低熔点合金，有一定的局限性，而且难以实现批量生产。
随着制造业的迅猛发展，金属泡沫材料和空心点阵结构丢受到广泛的重视和应用。因此，如何将二者的优劣互补，得到具有优秀的力学、电学、声学和热学特性的两者结合结构并开发出一种简便有效的制造工艺迫在眉睫。
发明内容
本发明针对以上问题，提出了一种结合金属点阵结构良好的力学性能与结构功能和泡沫铝材料优秀的力学、电学、声学和热学特性，通过点阵结构的气胀成形和泡沫铝的二次发泡法将两者的制造过程合并，得到具有两者优势的，集多种功能于一身的金属点阵-泡沫铝复合材料的内置泡沫铝的空心点阵结构成形方法。
本发明的技术方案为：按以下步骤进行成形：
S1、发泡原料制备：取合金，加热至两相区温度后；向其中加入发泡剂，并进行搅拌，得到半固态浆料；
S2、空心点阵原料加工：
S2.1、建立所需成形的零件模型，确定面板的长度、宽度和厚度，并确定镂空芯板筋条宽度、长度以及筋条数量；
S2.2、取板材进行切割，加工出一个芯板和两个面板；
S3、真空扩散焊接：将步骤S2中切割后的芯板放置于两个面板之间，并整体送入真空扩散连接设备中进行扩散连接，得到预制坯；
S4、超塑成形：先将预制坯从扩散连接设备中取出，再进行封焊，并焊接上充气管；最后，使得充气管朝上，将预制坯竖直放入超塑成形模具中，并经过充气管向预制坯中进气加压，得到空心点阵样件；
S5、排气：结束对充气管的进气，并经过充气管抽出空心点阵样件中填充的氩气进行回收利用；
S6、浇注：排气完成后，断开充气管和气源的连接，并经过充气管将步骤S1中得到的半固态浆料浇注进空心点阵样件中；
S7、冷却：待半固态浆料充满空心点阵样件后，使其整体进行快速冷却，得到充满发泡预制体的空心点阵样件；
S8、发泡：对充满发泡预制体的空心点阵样件再次进行加热，达到700-750℃，加热时间为10-15min；此后，使其冷却得到金属点阵-泡沫铝复合材料。
步骤S1具体为：取一定量的Al-7Si合金，在井式电阻炉中加热至570～620℃后；向其中加入缓释处理后的发泡剂，并进行机械搅拌，搅拌时间为0.5-2min，搅拌速度800-1200r/min。
步骤S3具体为：
S3.1、对芯板及面板进行表面处理，然后按照面板-芯板-面板的顺序堆叠放置；
S3.2、将堆叠好的芯板和面板整体送入真空扩散连接设备中进行扩散连接，其中真空度为5.0×10-2Pa—1.0×10-3Pa，扩散温度为920℃—980℃。
步骤S4在超塑成形模具中，可向充气管中通入氩气进行超塑成形；其中，超塑成形温度为900℃—940℃，最终压力为2—3MPa，在达到最终压力后保压30—60min，得到空心点阵样件；保压结束后，降低并维持空心点阵样件的温度在两相区温度附近。
本发明实现了金属点阵结构内泡沫铝的填充，得到兼具泡沫材料和金属点阵两者优势的，集多种功能于一身的金属点阵-泡沫铝复合材料；本发明中泡沫铝的制备过程本质上是原位制备法（金属点阵成型过程、泡沫成型过程、泡沫铝和金属点阵的结合同步完成的方法）这种方法旨在利用发泡过程中发泡预制体的体积膨胀实现对金属点阵的填充，同时利用发泡时的高温环境实现金属管内壁与泡沫之间的冶金结合，与常规方法（填充法，胶粘法等）相比有高的结合强度；本发明，金属点阵成型过程、泡沫成型过程、泡沫铝和金属点阵的结合同步完成，制备步骤简单，具有较高的生产率；本发明可以实现各种尺寸的，多种材料的金属点阵-泡沫铝复合材料的制备，有较强的泛用性，可以实现批量生产。
附图说明
图1是本案步骤S1的加工流程图，
图2a的本案中空心点阵样件的结构示意图，
图2b是本案中芯板的俯视图，
图2c是本案中芯板的仰视图，
图3a是本案中芯板和面板的剖面图，
图3b是本案中预制坯的加工状态参考图，
图3c是本案中空心点阵样件的加工状态参考图一，
图3d是本案中空心点阵样件的加工状态参考图二，
图4是本案中步骤S5-S8的加工流程图，
图5是本案中金属点阵-泡沫铝复合材料的结构示意图。
图中1是合金，2是井式电阻炉，3是机械搅拌棒，4是缓释处理后的发泡剂，5是半固态浆料；
7是充气管，8是空心点阵样件，9是浇注管阀，10是浇注管，11是气管阀，12是气瓶，13是发泡预制体，14是金属点阵-泡沫铝复合材料。
具体实施方式
为能清楚说明本专利的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利进行详细阐述。
本发明如图1-5所示，按以下步骤进行成形：
S1、发泡原料制备：取合金，加热至两相区温度后；向其中加入发泡剂，并进行搅拌，得到半固态浆料5；
步骤S1具体为：取一定量的Al-7Si合金1，在井式电阻炉2中加热至570～620℃后；向其中加入缓释处理后的发泡剂4，并利用机械搅拌棒3进行机械搅拌，搅拌时间为0.5-2min，搅拌速度800-1200r/min为；从而使得发泡剂在尽量短的时间内均匀弥散分布在半固态浆料中。
S2、空心点阵原料加工：
S2.1、建立所需成形的零件模型，确定面板的长度、宽度和厚度，并确定镂空芯板筋条宽度、长度以及筋条数量；
S2.2、取板材进行切割，加工出一个如图2b、2c所示的芯板和两个面板；
即采用激光切割方式将钛合金或镍合金板材切割成确定外边缘尺寸的面板及拥有镂空网格结构的芯板，芯板的俯视和仰视分别如图2b和2c所示，其具有边框，设于边框内的若干横向筋板以及若干竖向筋板；所述边框上开设一空气进口，横向筋板和竖向筋板垂直，且二者相交叉，二者的交叉点为焊接点，所述焊接点分为上焊接点和下焊接点，所述上焊接点和下焊接点间隔设置，在芯板顶面上除上焊接点和边框以外的位置涂覆阻焊剂17，并在芯板底面上除下焊接点和边框以外的位置涂覆阻焊剂17。
S3、真空扩散焊接：将步骤S2中切割后的芯板18放置于两个面板16之间，并整体送入真空扩散连接设备中进行扩散连接，得到预制坯；
步骤S3具体如图3a-3d所示：
S3.1、如图3a所示，对芯板及面板进行表面处理，然后按照面板-芯板-面板的顺序堆叠放置；
S3.2、如图3b所示，将堆叠好的芯板和面板整体送入真空扩散连接设备中进行扩散连接，其中真空度为5.0×10-2Pa—1.0×10-3Pa，扩散温度为920℃—980℃；压力通过压头位移控制（通过压头的位移变化来控制压力的大小），压头从接触板料到最终位置的高度差为多层板原始厚度的5%—10%，保压时间为30—90min；
S4、超塑成形：先将预制坯从扩散连接设备中取出，再两个面板的边缘处进行封焊，并在空气进口的外侧孔口处焊接上充气管；最后，使得充气管朝上，将预制坯竖直放入超塑成形模具中，并经过充气管向预制坯中进气加压，得到空心点阵样件；
如图3c、3d、4所示，充气管朝上，将预制坯竖直放入超塑成形模具中之后，可在充气管7远离空心点阵样件8的端头处设置浇注管10，并在浇注管10中设置浇注管阀9，浇注管10远离充气管7的一端可以设置浇注漏斗；
而在浇注管10的一侧则可设置气管，气管的一端接入浇注管10中、且另一端连接气瓶12，气管中设有气管阀11；
步骤S4在超塑成形模具中，可向充气管7中通入氩气进行超塑成形；其中，超塑成形温度为900℃—940℃，最终压力为2—3MPa，在达到最终压力后保压30—60min，得到空心点阵样件8；保压结束后，降低并维持空心点阵样件8的温度在两相区温度附近。
S5、排气：结束对充气管7的进气，并经过充气管7抽出空心点阵样件8中填充的氩气进行回收利用；使得空心点阵样件8中保持常压状态；
S6、浇注：排气完成后，断开充气管和气源的连接，并经过充气管将步骤S1中得到的半固态浆料浇注进空心点阵样件中；
即将连接到气瓶上的气管阀11关闭，打开连接到浇注漏斗的浇注阀9，将步骤S1中得到的半固态浆料5沿浇注漏斗—浇注管—充气管浇注进空心点阵样件8中；
S7、冷却：待半固态浆料充满空心点阵样件后，使其整体进行快速冷却，达到室温，使得已经填充进空心点阵样件的半固态浆液凝固成发泡预制体13，得到充满发泡预制体的空心点阵样件；
S8、发泡：对充满发泡预制体13的空心点阵样件再次进行加热，达到700-750℃，加热时间为10-15min；此后，使其冷却得到金属点阵-泡沫铝复合材料14。
使得其中的发泡剂克服外界阻力发生分解，释放出来的气体迫使预制体膨胀长大，当预制体长大到一定程度时迅速冷却下来，得到充满空心点阵结构的、具有一定孔结构的泡沫铝，即最后得到如图5所示的金属点阵-泡沫铝复合材料。
本发明具体实施途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种内置泡沫铝的空心点阵结构成形方法，其特征在于，按以下步骤进行成形：
S1、发泡原料制备：取合金，加热至两相区温度后；向其中加入发泡剂，并进行搅拌，得到半固态浆料；
步骤S1具体为：取一定量的Al-7Si合金，在井式电阻炉中加热至570～620℃后；向其中加入缓释处理后的发泡剂，并进行机械搅拌，搅拌时间为0.5-2min，搅拌速度800-1200r/min；
S2、空心点阵原料加工：
S2.1、建立所需成形的零件模型，确定面板的长度、宽度和厚度，并确定镂空芯板筋条宽度、长度以及筋条数量；
S2.2、取板材进行切割，加工出一个芯板和两个面板；
S3、真空扩散焊接：将步骤S2中切割后的芯板放置于两个面板之间，并整体送入真空扩散连接设备中进行扩散连接，得到预制坯；
S4、超塑成形：先将预制坯从扩散连接设备中取出，再进行封焊，并焊接上充气管；最后，使得充气管朝上，将预制坯竖直放入超塑成形模具中，并经过充气管向预制坯中进气加压，得到空心点阵样件；
S5、排气：结束对充气管的进气，并经过充气管抽出空心点阵样件中填充的氩气进行回收利用；
S6、浇注：排气完成后，断开充气管和气源的连接，并经过充气管将步骤S1中得到的半固态浆料浇注进空心点阵样件中；
S7、冷却：待半固态浆料充满空心点阵样件后，使其整体进行快速冷却，得到充满发泡预制体的空心点阵样件；
S8、发泡：对充满发泡预制体的空心点阵样件再次进行加热，达到700-750℃，加热时间为10-15min；此后，使其冷却得到金属点阵-泡沫铝复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种内置泡沫铝的空心点阵结构成形方法，其特征在于，通过步骤S5使得空心点阵样件中保持常压状态。
3.根据权利要求1所述的一种内置泡沫铝的空心点阵结构成形方法，其特征在于，步骤S6具体为：将连接到气瓶上的气管阀关闭，打开连接到浇注漏斗的浇注阀，将步骤S1中得到的半固态浆料沿浇注漏斗、浇注管、充气管浇注进空心点阵样件中。
4.根据权利要求1所述的一种内置泡沫铝的空心点阵结构成形方法，其特征在于，步骤S7具体为：待半固态浆料充满空心点阵样件后，使其整体进行快速冷却，达到室温，使得已经填充进空心点阵样件的半固态浆液凝固成发泡预制体，得到充满发泡预制体的空心点阵样件。
5.根据权利要求1所述的一种内置泡沫铝的空心点阵结构成形方法，其特征在于，步骤S3具体为：
S3.1、对芯板及面板进行表面处理，然后按照面板-芯板-面板的顺序堆叠放置；
S3.2、将堆叠好的芯板和面板整体送入真空扩散连接设备中进行扩散连接，其中真空度为5.0×10-2Pa—1.0×10-3Pa，扩散温度为920℃—980℃。
6.根据权利要求1所述的一种内置泡沫铝的空心点阵结构成形方法，其特征在于，步骤S4在超塑成形模具中，可向充气管中通入氩气进行超塑成形；其中，超塑成形温度为900℃—940℃，最终压力为2—3MPa，在达到最终压力后保压30—60min，得到空心点阵样件；保压结束后，降低并维持空心点阵样件的温度在两相区温度附近。
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