CN112095034B - 内孔表层为双金属复合梯度结构的泡沫铝及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种内孔表层为双金属复合梯度结构的泡沫铝及其制备方法，通过在颗粒造孔剂的表面薄涂一层粘黏剂，然后在此基础上，将合金粉裹附在颗粒造孔剂表面，再将裹附合金粉的颗粒造孔剂与铝粉混合，最后经过装填，压制，热处理等过程，完成内孔表层为双金属复合梯度结构的泡沫铝的制备。与传统造孔剂未裹附合金粉的泡沫铝内孔相比，裹附在造孔剂表面的金属粉末层，在经烧结去除造孔剂后，将作为开孔泡沫铝的内表面，对开孔泡沫铝的力学性能、耐久性、耐高温等应用有较大的提高，该制备方法工艺简单，生产成本低。
Description
技术领域
本发明属于泡沫铝技术领域，具体涉及一种内孔表层为双金属复合梯度结构的泡沫铝及其制备方法。
背景技术
泡沫铝是一种在金属铝基体中分布有无数气泡的多孔质材料。它所具备的优异物理性能，特别是阻尼性能已引起广泛关注，并在消声、减震、分离工程、催化载体、屏蔽防护、吸能缓冲等一些高技术领域获得广泛应用。
用粉末冶金法制造泡沫铝材料，首先将铝粉或铝合金粉与少量的发泡剂混匀，如发泡剂为金属氢化物(metal hydride)用量通常不超过1％。将混匀的混合物压制成无残余通(开)孔(open porosity)的密实块体。常用的压实方法有：单轴向压制、挤压、粉末轧制。压实后还要做进一步的加工，诸如轧制、模锻或挤压，以使其成为半成品。然后，将此种可发泡的半成品加热到接近或高于混合物熔点的高温。在加热过程中，发泡剂分解，释放出大量的气体(氢)，迫使致密的压实材料膨胀，形成多孔隙的泡沫材料。泡沫铝材的密度或其孔隙率可通过发泡剂添加量或其他工艺参数如加热温度、加热速度等调控。
可用加工好的毛坯制取形状复杂的泡沫铝零件，方法是：将毛坯置于钢模内，加热、发泡与膨胀成近成品尺寸的零件。制取这种泡沫铝材的大致工艺参数为：纯铝粉或铝合金粉99％，氢化钛粉1％；在钢容器内20MPa的压力下，压实成无孔隙的块体；模锻成板块；600700℃发泡后冷却。如要制备三明治式复合材料，可在泡沫材的外表胶粘金属薄板。若需要纯金属式连接，则不用胶粘法，而在发泡前用轧制法将加工好的泡沫块体与外层的金属板轧压焊合，如轧制包铝材料那样。
用此粉末冶金法制作泡沫铝，虽然产品质量高，性能稳定，便于商业化生产，可用此法制备形状复杂的近成品尺寸的工件，机械加工量大为减少，制造周期缩短，工件的再现性高。但是工艺较复杂，力学强度低。
另外，单一材料的零件无法满足生产过程中多方面的要求。在实际生产中，零部件要求材料既有良好的韧性，以抵抗物料在工作中所受的冲击作用，防止部件发生断裂现象，同时又要求其具有高的强度及良好的耐磨性能，以保证部件的使用寿命和降低经济损失。但是一种材料同时具有高韧性和高硬度这两种性能在实际生产中是非常难以达到的。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术中存在的不足，提供一种内孔表层为双金属复合梯度结构的泡沫铝及其制备方法，工艺简单，所得泡沫铝性能好。
本发明采用的技术方案如下：
一种表层梯度结构的泡沫铝，所述泡沫铝中均匀分布有无序排列的孔洞，所述孔洞壁覆盖有强化层。
进一步地，孔洞的孔径为0.90-2.0mm，孔隙率50-70％。
进一步地，强化层为铝镁合金、铜锡合金或锌铁合金构成的金属层。该合金的再结晶温度与铝粉烧结再结晶温度相差不大，或在540-600℃之间。
上述的表层梯度结构的泡沫铝的制备方法，包括以下步骤：
S1.将颗粒造孔剂与粘黏剂混合搅拌，使造孔剂表面均匀涂上粘黏剂；
S2.将S1步骤所得裹覆粘黏剂的造孔剂放入合金粉中，搅拌均匀，使造孔剂表面覆盖合金粉；
S3.将S2步骤所得覆盖合金粉的造孔剂颗粒与铝粉混合均匀；
S4.将S3步骤所得混合物装填入模具进行压制，得到预制样品；
S5.对S4步骤所得预制样品先在180-220℃加热1-2h，再在540-600℃加热2-3h，即得。
本发明所采用的复合成型的方法是使两种或两种以上的具有不同物理、化学乃至力学性能的材料在界面产生冶金结合制备而成。该方法在界面的两侧保持了原有的组分，而在界面处产生了过渡层的冶金结合，从而使得该种复合材料具有两种材料的“复合效应”。本发明通过复合成型的方法制备泡沫铝，在泡沫铝孔洞壁增加了一层金属强化层，泡沫铝基材层与金属强化层界面处产生过渡层的冶金结合，所制得的材料具备了铝基材和金属强化孔洞的复合效应，即增强了泡沫铝孔洞表层的力学性能；选择恰当的表层合金，能够有效提高泡沫铝的耐蚀性。
进一步地，造孔剂为直径0.8-1.2mm的球体，经压制后发生塑性形变；因而泡沫铝样品不会因为造孔剂发生弹性形变而出现裂纹。
进一步地，造孔剂为为可溶盐或高温分解盐，优选为尿素。
进一步地，造孔剂占混合物总体积的50-70％。
进一步地，粘黏剂能够粘附金属粉末且热处理后易分解。
进一步地，粘黏剂为磷酸二氢铝。
进一步地，合金粉为铝镁合金粉、铜锡合金粉或锌铁合金粉。该合金的再结晶温度与铝粉烧结再结晶温度相差不大，或在540-600摄氏度之间。
进一步地，S4步骤装填过程中保持平稳，每装填一批混合物，将模具旋转45°，其中，每批混合物质量相同；压制过程中压力增加速度为0.2-0.5MPa/s，最大压力为350-500MPa，在最大压力下保持10-15min。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明所得泡沫铝的孔径范围0.90-2.0mm，孔隙率范围50％-70％，孔洞完整复制了造孔剂尿素的形状与尺寸，有效解决了泡沫铝孔形状不规则、尺寸难以精确控制的难题；
2、本发明泡沫铝孔洞规则，相比不规则孔洞，球形孔壁缺陷较少，减轻了压缩过程中的局部应力集中现象；
3、本发明造孔剂尿素为球体，经压制后发生塑性形变，避免了因发生弹性形变而出现裂纹的问题，且尿素价格低廉、制备过程中易于去除且对试样无污染，绿色环保；
4、本发明所制得的泡沫铝具备了铝基材和金属强化孔洞的复合效应，增强了泡沫铝孔洞表层的力学性能，有效提高了泡沫铝的耐久性和耐高温性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明泡沫铝的结构示意图；
图2为本发明表层双金属泡沫内孔梯度结构示意图；
图3为内孔为双金属梯度铜基的泡沫铝合金实物图；
图4为力学性能比较图；
图中标记：1-孔洞，2-强化层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本发明较佳实施例提供的一种表层梯度结构的泡沫铝，所述泡沫铝中均匀分布有无序排列的孔洞，所述孔洞壁覆盖有强化层；孔洞的孔径为0.90-2.0mm，孔隙率50-70％；强化层为铝镁合金、铜锡合金或锌铁合金构成的金属层。
上述的表层梯度结构的泡沫铝的制备方法，具体步骤如下：
S1.将尿素与磷酸二氢铝混合搅拌，使尿素表面均匀涂上磷酸二氢铝；尿素为直径1.0mm左右的球体，经压制后发生塑性形变；
S2.将S1步骤所得裹覆磷酸二氢铝的尿素放入铜锡合金粉中，搅拌均匀，使尿素表面覆盖合金粉；
S3.将S2步骤所得覆盖铜锡合金粉的尿素颗粒与铝粉混合均匀，尿素占混合物总体积的50％；
S4.将S3步骤所得混合物装填入模具进行压制，得到预制样品；装填过程中保持平稳，每装填一批混合物，将模具旋转45°；压制过程中压力增加速度为0.2MPa/s，最大压力为500MPa，在最大压力下保持10min；
S5.对S4步骤所得预制样品先在200℃加热1h，再在550℃加热2h，即得。
实施例2
本发明较佳实施例提供的一种表层梯度结构的泡沫铝，所述泡沫铝中均匀分布有无序排列的孔洞，所述孔洞壁覆盖有强化层；孔洞的孔径为0.90-2.0mm，孔隙率50-70％；强化层为铝镁合金、铜锡合金或锌铁合金构成的金属层。
上述的表层梯度结构的泡沫铝的制备方法，具体步骤如下：
S1.将尿素与磷酸二氢铝混合搅拌，使尿素表面均匀涂上磷酸二氢铝；尿素为直径1.0mm左右的球体，经压制后发生塑性形变；
S2.将S1步骤所得裹覆磷酸二氢铝的尿素放入锌铁合金粉中，搅拌均匀，使尿素表面覆盖合金粉；
S3.将S2步骤所得覆盖锌铁合金粉的尿素颗粒与铝粉混合均匀，尿素占混合物总体积的60％；
S4.将S3步骤所得混合物装填入模具进行压制，得到预制样品；装填过程中保持平稳，每装填一批混合物，将模具旋转45°；压制过程中压力增加速度为0.3MPa/s，最大压力为450MPa，在最大压力下保持12min；
S5.对S4步骤所得预制样品先在200℃加热1h，再在560℃加热2h，即得。
实施例3
本发明较佳实施例提供的一种表层梯度结构的泡沫铝，所述泡沫铝中均匀分布有无序排列的孔洞，所述孔洞壁覆盖有强化层；孔洞的孔径为0.90-2.0mm，孔隙率50-70％；强化层为铝镁合金、铜锡合金或锌铁合金构成的金属层。
上述的表层梯度结构的泡沫铝的制备方法，具体步骤如下：
S1.将尿素与磷酸二氢铝混合搅拌，使尿素表面均匀涂上磷酸二氢铝；尿素为直径1.0mm左右的球体，经压制后发生塑性形变；
S2.将S1步骤所得裹覆磷酸二氢铝的尿素放入铝镁合金粉中，搅拌均匀，使尿素表面覆盖合金粉；
S3.将S2步骤所得覆盖铝镁合金粉的尿素颗粒与铝粉混合均匀，尿素占混合物总体积的70％；
S4.将S3步骤所得混合物装填入模具进行压制，得到预制样品；装填过程中保持平稳，每装填一批混合物，将模具旋转45°；压制过程中压力增加速度为0.5MPa/s，最大压力为400MPa，在最大压力下保持15min；
S5.对S4步骤所得预制样品先在200℃加热1.5h，再在580℃加热3h，即得。
实验例
实验对象：实施例1制得的内孔表层为双金属复合梯度结构的泡沫铝、传统方法制得的泡沫铝，两者孔隙率相同。
圆柱形试样直径为20mm，高22mm，在压力试验机作用下，以10-3的应变速率进行压力-应变率测试；参照标准：I.Standard,ISO 13314:2011(E),2011.Mechanical Testingof Metals-Ductility Testing-Compression Test for Porous and CellularMetals.Ref Number ISO.13314(13314),1-7.结果如图4，由图可知，本发明方法制得的内孔表层为双金属复合梯度结构的泡沫铝的平台应力明显提高，力学性能增强。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种内孔表层为双金属复合梯度结构的泡沫铝，其特征在于，所述泡沫铝中均匀分布有无序排列的孔洞，所述孔洞壁覆盖有强化层；
其制备方法，包括以下步骤：
S1.将颗粒尿素与磷酸二氢铝混合搅拌，使尿素表面均匀涂上粘黏剂；
S2.将S1步骤所得裹覆磷酸二氢铝的尿素放入合金粉中，搅拌均匀，使尿素表面覆盖合金粉；
S3.将S2步骤所得覆盖合金粉的尿素颗粒与铝粉混合均匀；
S4.将S3步骤所得混合物装填入模具进行压制，得到预制样品；装填过程中保持平稳，每装填一批混合物，将模具旋转45°，其中，每批混合物质量相同；压制过程中压力增加速度为0.2-0.5MPa/s，最大压力为350-500MPa，在最大压力下保持10-15min；
S5.对S4步骤所得预制样品先在180-220℃加热1-2h，再在540-600℃加热2-3h，即得。
2.根据权利要求1所述的内孔表层为双金属复合梯度结构的泡沫铝，其特征在于，所述孔洞的孔径为0.90-2.0mm，孔隙率50-70％。
3.根据权利要求1所述的内孔表层为双金属复合梯度结构的泡沫铝，其特征在于，所述强化层为铝镁合金、铜锡合金或锌铁合金构成的金属层。
4.根据权利要求1所述的内孔表层为双金属复合梯度结构的泡沫铝的制备方法，其特征在于，所述尿素为直径0.8-1.2mm的球体。
5.根据权利要求1所述的内孔表层为双金属复合梯度结构的泡沫铝的制备方法，其特征在于，所述合金粉为铝镁合金粉、铜锡合金粉或锌铁合金粉。
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