CN112899591A - 一种泡沫铝基合金材料的制备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种泡沫铝基合金材料的制备，包括以下步骤：S1.通过织造或者非织造的形式编织支架纤维网；S2.将步骤S1制备的支架纤维网，以平行和/或呈一定的角度交错排列于多孔材料中，得到含有纤维网的多孔支架；S3.将按照质量比称量好的金属进行合金熔炼，再将步骤S2制备的多孔支架预热后置于渗流装置上，然后将熔液浇入多孔支架中，施加一定的压力，使金属熔体渗透到多孔支架中，形成金属与支架复合体；S4.切割多余的外层金属，然后用水浸泡，使得内部支架结构松散后，再用高压水冲洗，得到三维连通的开孔泡沫铝。与传统的工艺相比，本发明工艺工程简单，改进以往强化基体强度的方式，寻找一种全新的泡沫铝合金材料的制备方式。

Description

一种泡沫铝基合金材料的制备
技术领域
本发明涉及铝合金材料领域，具体涉及一种泡沫铝基合金材料的制备。
背景技术
泡沫金属是由金属骨架和内部孔洞组成，具有低密度及高孔隙率，高比强度及高比刚度，比表面积大，良好的吸能性和阻尼减震性能，耐腐蚀，耐高温，降噪等一系列的优良性能，而得到各国研究者的广泛关注。随着各种性能研究的深入，泡沫材料的优异物理性能和力学性能，使其作为结构材料和功能材料，而越来越多地被人们推广到航空航天、电子通讯、建筑、交通运输、原子能、医学、环保、冶金、机械等各个应用领域。
开孔泡沫铝具备一系列优良性能，使其成为新型的结构材料的功能材料而受到广泛关注。目前，用于工业化制备泡沫铝的工艺有熔体发泡法、粉末冶金发泡法、渗流铸造法。其中，渗流铸造法常用于制备开孔泡沫铝。而目前较为常用的渗流铸造法是采用食盐粒子作为填料粒子来制备开孔泡沫铝，
该工艺虽然较为简单，且易于工业化大规模生产，但所制备开孔泡沫铝的孔隙率较低，一般低于70％，且存在孔结构不够均匀、三维连通性差等缺点。因此，有必要探索一种能够制备出高孔隙率且孔结构均匀的开孔泡沫铝的新工艺。
另一方面，随着孔隙率的提高，开孔泡沫铝的强度下降。而作为优质的结构和功能材料，需要在提高开孔泡沫铝孔隙率的同时保证较高的基体强度。合金化、变质处理和热处理是提高铝合金强度的常用手段。
发明内容
要解决的技术问题：本发明的目的是提供一种泡沫铝基合金材料的制备，与传统的工艺相比（石膏型熔模法），工艺工程简单，改进以往强化基体强度的方式，寻找一种全新的泡沫铝合金材料的制备方式。
技术方案：一种泡沫铝基合金材料的制备，包括以下步骤：
S1. 支架纤维网的制备：通过织造或者非织造的形式编织支架纤维网；
S2. 含纤维网多孔材料的制备：将步骤S1制备的支架纤维网，以平行和/或呈一定的角度交错排列于多孔材料中，得到含有纤维网的多孔支架；
S3. 铝液浇筑：将按照质量比称量好的金属进行合金熔炼，再将步骤S2制备的多孔支架预热后置于渗流装置上，然后将熔液浇入多孔支架中，施加一定的压力，使金属熔体渗透到多孔支架中，形成金属与支架复合体；
S4. 清理支架材料：切割多余的外层金属，然后用水浸泡，使得内部支架结构松散后，再用高压水冲洗，得到三维连通的开孔泡沫铝。
优选的，所述支架纤维网为熔点高于700℃的耐熔材料，所述耐熔材料为金属或陶瓷，所述纤维网的孔隙率为60-70%。
优选的，所述含纤维网多孔材料的制备，包括以下步骤：
S1. 将PCS溶入环己烷中，加入一定配比的碳酸钙、硫酸镁、羟基磷灰石和淀粉充分搅拌混会均匀，将支架纤维网以平行和/或呈一定的角度交错置于混合粉末中，然后在一定压力下压制成规定形状；
S2. 将步骤S1制备的规定形状的材料进行烧结，得到含纤维网多孔材料。
优选的，所述PCS，碳酸钙，硫酸镁，羟基磷灰石和淀粉的质量比为3-5：2.5-5:0.5-1:4-7:0.1-0.15。
优选的，所述压制压力为5MPa，所述规定形状为10cm×10cm×10cm。
优选的，所述含纤维网多孔材料的孔径为1-5mm。
优选的，所述步骤S3中金属包含以下成分：Mg为2.5-4wt%，Si为0.5-1.2wt%，Cu为0.2-0.5wt%，Fe为0.35-0.8wt%，Ti为0.2-0.5wt%，余量为Al。
上述任意一项制备方法制备得到的泡沫铝合金材料。
有益效果：本发明的制备方法具有以下优点：
1.目前现有的泡沫铝合金或其他泡沫合金的制备方式为通过石膏型熔模法，主要经过以下5个步骤选择适合尺寸的聚氨酯海绵，灌入石膏胶料得到石膏硬化体，聚氨酯气化，浇筑铝液，最后清理石膏，本发明和现有技术相比，经过多孔支架材料的制备（相当于硬化的石膏），浇筑铝液以及最后的支架清理，大大减小的工艺流程，提高生产效率；
2.本发明不经过后道处理工艺提高铝合金强度，如：合金化、变质处理和热处理，直接在多孔支架中添加纤维网，在后期浇筑铝液和支架清理时，纤维网仍然存在于基体材料中，能够提高基体材料的力学性能。
具体实施方式
实施例1
含纤维网多孔材料的制备，包括以下步骤：
S1. 将PCS溶入环己烷中，加入一定配比的碳酸钙、硫酸镁、羟基磷灰石和淀粉充分搅拌混会均匀，其中，PCS，碳酸钙，硫酸镁，羟基磷灰石和淀粉的质量比为3：5:0.5:7:0.1，将支架纤维网以平行排列置于混合粉末中，间隔为3cm，然后在5MPa压力下压制成10cm×10cm×10cm规定形状；
S2. 将步骤S1制备的规定形状的材料进行烧结，得到含纤维网多孔材料。
实施例2
含纤维网多孔材料的制备，包括以下步骤：
S1. 将PCS溶入环己烷中，加入一定配比的碳酸钙、硫酸镁、羟基磷灰石和淀粉充分搅拌混会均匀，其中，PCS，碳酸钙，硫酸镁，羟基磷灰石和淀粉的质量比为5：2.5:1:4:0.15，将2张支架纤维网以相互垂直交错置于混合粉末中，然后在5MPa压力下压制成10cm×10cm×10cm规定形状；
S2. 将步骤S1制备的规定形状的材料进行烧结，得到含纤维网多孔材料。
实施例3
含纤维网多孔材料的制备，包括以下步骤：
S1. 将PCS溶入环己烷中，加入一定配比的碳酸钙、硫酸镁、羟基磷灰石和淀粉充分搅拌混会均匀，其中，PCS，碳酸钙，硫酸镁，羟基磷灰石和淀粉的质量比为4：3.5:0.6:6:0.12，将2张支架纤维网平行，距离为5cm，另外一张纤维网与相互平行的两张纤维网呈30°交叉置于混合粉末中，然后在5MPa压力下压制成10cm×10cm×10cm规定形状；
S2. 将步骤S1制备的规定形状的材料进行烧结，得到含纤维网多孔材料。
实施例4
一种泡沫铝基合金材料的制备，包括以下步骤：
S1. 支架纤维网的制备：通过非织造的形式编织孔隙率为60%支架纤维网；
S2. 含纤维网多孔材料的制备：按实施例1，得到含有纤维网的多孔支架；
S3. 铝液浇筑：将按照质量比称量好的金属进行合金熔炼，其中，金属包含以下成分：Mg为2.5wt%，Si为0.5wt%，Cu为0.2wt%，Fe为0.8wt%，Ti为0.2wt%，余量为Al，再将步骤S2制备的多孔支架预热后置于渗流装置上，然后将熔液浇入多孔支架中，施加一定的压力，使金属熔体渗透到多孔支架中，形成金属与支架复合体；
S4. 清理支架材料：切割多余的外层金属，然后用水浸泡，使得内部支架结构松散后，再用高压水冲洗，得到三维连通的开孔泡沫铝。
实施例5
一种泡沫铝基合金材料的制备，包括以下步骤：
S1. 支架纤维网的制备：通过织造形式编织孔隙率为70%支架纤维网；
S2. 含纤维网多孔材料的制备：按实施例2，得到含有纤维网的多孔支架；
S3. 铝液浇筑：将按照质量比称量好的金属进行合金熔炼，其中，金属包含以下成分：Mg为4wt%，Si为1.2wt%，Cu为0.5wt%，Fe为0.35wt%，Ti为0.5wt%，余量为Al，再将步骤S2制备的多孔支架预热后置于渗流装置上，然后将熔液浇入多孔支架中，施加一定的压力，使金属熔体渗透到多孔支架中，形成金属与支架复合体；
S4. 清理支架材料：切割多余的外层金属，然后用水浸泡，使得内部支架结构松散后，再用高压水冲洗，得到三维连通的开孔泡沫铝。
实施例6
一种泡沫铝基合金材料的制备，包括以下步骤：
S1. 支架纤维网的制备：通过织造形式编织孔隙率为63%支架纤维网；
S2. 含纤维网多孔材料的制备：按实施例3，得到含有纤维网的多孔支架；
S3. 铝液浇筑：将按照质量比称量好的金属进行合金熔炼，其中，金属包含以下成分：Mg为3.2wt%，Si为1.0wt%，Cu为0.3wt%，Fe为0.65wt%，Ti为0.3wt%，余量为Al，再将步骤S2制备的多孔支架预热后置于渗流装置上，然后将熔液浇入多孔支架中，施加一定的压力，使金属熔体渗透到多孔支架中，形成金属与支架复合体；
S4. 清理支架材料：切割多余的外层金属，然后用水浸泡，使得内部支架结构松散后，再用高压水冲洗，得到三维连通的开孔泡沫铝。
实施例7
一种泡沫铝基合金材料的制备，包括以下步骤：
S1. 支架纤维网的制备：通过非织造的形式编织孔隙率为68%支架纤维网；
S2. 含纤维网多孔材料的制备：按实施例3，得到含有纤维网的多孔支架；
S3. 铝液浇筑：将按照质量比称量好的金属进行合金熔炼，其中，金属包含以下成分：Mg为3.5wt%，Si为0.7wt%，Cu为0.4wt%，Fe为0.55wt%，Ti为0.4wt%，余量为Al，再将步骤S2制备的多孔支架预热后置于渗流装置上，然后将熔液浇入多孔支架中，施加一定的压力，使金属熔体渗透到多孔支架中，形成金属与支架复合体；
S4. 清理支架材料：切割多余的外层金属，然后用水浸泡，使得内部支架结构松散后，再用高压水冲洗，得到三维连通的开孔泡沫铝。
对比例1
一种泡沫铝基合金材料的制备，包括以下步骤：
S1.多孔材料的制备：将PCS溶入环己烷中，加入一定配比的碳酸钙、硫酸镁、羟基磷灰石和淀粉充分搅拌混会均匀，其中，PCS，碳酸钙，硫酸镁，羟基磷灰石和淀粉的质量比为5：2.5:1:4:0.15，然后在5MPa压力下压制成10cm×10cm×10cm规定形状，再进行烧结，得到含纤维网多孔材料；
S2. 铝液浇筑：将按照质量比称量好的金属进行合金熔炼，其中，金属包含以下成分：Mg为3.2wt%，Si为1.0wt%，Cu为0.3wt%，Fe为0.65wt%，Ti为0.3wt%，余量为Al，再将步骤S1制备的多孔支架预热后置于渗流装置上，然后将熔液浇入多孔支架中，施加一定的压力，使金属熔体渗透到多孔支架中，形成金属与支架复合体；
S3. 清理支架材料：切割多余的外层金属，然后用水浸泡，使得内部支架结构松散后，再用高压水冲洗，得到三维连通的开孔泡沫铝。
压缩性能的测试：从实施例试样上截取尺寸约为20mm×10mm×10mm 的长方体，将试样表面打磨平整。使用游标卡尺测量试样的高度 h，以及试样中部和两端处截面的长和宽，取测量平均值记为a，b，计算截面积A。进行试验时，将长方体试样置于万能试验机支承座的中心处，实现均匀缓慢加载，试验机横梁下降速度为1mm/min。
拉伸力学性能测试：所用设备为Z100万能材料试验机，拉伸速率为5×10-4m/s、拉伸样品标距10 mm，每个样品测3组数据，然后取平均值。
屈服强度（Mpa） 抗拉强度（MPa） 孔隙率（%）
实施例4 14.1 135.7 67.5
实施例5 13.7 145.5 66.3
实施例6 15.5 156.1 65.5
实施例7 15.1 148.3 63.8
对比例1 10.7 100.2 64.4
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种泡沫铝基合金材料的制备，其特征在于，包括以下步骤：
S1. 支架纤维网的制备：通过织造或者非织造的形式编织支架纤维网；
S2. 含纤维网多孔材料的制备：将步骤S1制备的支架纤维网，以平行和/或呈一定的角度交错排列于多孔材料中，得到含有纤维网的多孔支架；
S3. 铝液浇筑：将按照质量比称量好的金属进行合金熔炼，再将步骤S2制备的多孔支架预热后置于渗流装置上，然后将熔液浇入多孔支架中，施加一定的压力，使金属熔体渗透到多孔支架中，形成金属与支架复合体；
S4. 清理支架材料：切割多余的外层金属，然后用水浸泡，使得内部支架结构松散后，再用高压水冲洗，得到三维连通的开孔泡沫铝。
2.根据权利要求1所述的一种泡沫铝基合金材料的制备，其特征在于：所述支架纤维网为熔点高于700℃的耐熔材料，所述耐熔材料为金属或陶瓷，所述纤维网的孔隙率为60-70%。
3.根据权利要求1所述的一种泡沫铝基合金材料的制备，其特征在于，所述含纤维网多孔材料的制备，包括以下步骤：
S1. 将PCS溶入环己烷中，加入一定配比的碳酸钙、硫酸镁、羟基磷灰石和淀粉充分搅拌混会均匀，将支架纤维网以平行和/或呈一定的角度交错置于混合粉末中，然后在一定压力下压制成规定形状；
S2. 将步骤S1制备的规定形状的材料进行烧结，得到含纤维网多孔材料。
4.根据权利要求3所述的一种泡沫铝基合金材料的制备，其特征在于：所述PCS，碳酸钙，硫酸镁，羟基磷灰石和淀粉的质量比为3-5：2.5-5:0.5-1:4-7:0.1-0.15。
5.根据权利要求3所述的一种泡沫铝基合金材料的制备，其特征在于：所述压制压力为5MPa，所述规定形状为10cm×10cm×10cm。
6.根据权利要求3所述的一种泡沫铝基合金材料的制备，其特征在于：所述含纤维网多孔材料的孔径为1-5mm。
7.根据权利要求1所述的一种泡沫铝基合金材料的制备，其特征在于，所述步骤S3中金属包含以下成分：Mg为2.5-4wt%，Si为0.5-1.2wt%，Cu为0.2-0.5wt%，Fe为0.35-0.8wt%，Ti为0.2-0.5wt%，余量为Al。
8.如权利要求1-7中任意一项制备方法制备得到的泡沫铝合金材料。
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