CN114030262B - 一种界面金属连接泡沫金属夹芯板的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于层状复合材料制备领域，涉及一种界面金属连接合泡沫金属夹芯板的制备方法。首先，将泡沫金属作为芯层，钢、铝或其他合金作为面板，纯锌板、锡板或低熔点合金作为中间层插入到芯层和上面板之间，待中间层呈熔融状态后对芯层施加压力；再将下面板铺放于模具底部，下面板上方叠放另一中间层，加热使另一中间层呈熔融状态，然后将前面得到的叠层结构的上面板向上、芯层泡沫金属贴近熔融中间层叠放在模具中，同时对上面板施加压力，即得到界面冶金结合的泡沫金属夹芯板。相比于传统面板表面处理方式，本发明对面板进行打通孔和开斜槽处理，增加熔化的中间层熔体与面板的接触面积，实现面板与芯层的金属连接。

Description

一种界面金属连接泡沫金属夹芯板的制备方法
技术领域
本发明属于层状复合材料制备领域，具体涉及一种泡沫金属夹芯板的制备方法。
技术背景
以泡沫金属为芯材、金属板为面板制成的三明治式复合结构，简称泡沫金属夹芯板。泡沫金属夹芯板具有质量轻、高比刚度、高比强度和减震吸能等特点，在交通运输、航空航天和建筑等领域具有广泛的应用前景。
目前，制备泡沫铝夹芯板的方法主要分为两大类：物理连接法和冶金结合法。物理连接法主要有胶粘法、螺栓连接法等，借助有机胶或螺栓将泡沫铝芯层与面板连接起来。冶金连接法主要分为两种路线：一是通过钎焊、搅拌摩擦焊等实现面板和泡沫铝芯层的连接；二是首先通过粉末冶金法制备可发泡预制坯，再借助轧制或热压等技术实现面板和可发泡预制坯芯层的连接，最后对其保温发泡得到泡沫铝夹芯板。由于物理连接法制备的泡沫铝夹芯板存在结合界面处易产生应力集中、服役环境受限等问题，因此界面冶金结合的泡沫铝夹芯板成为目前乃至未来研究的重点。德国专利DE4426627C2公开了一种粉末包覆轧制法制备泡沫铝夹芯板材的方法。该方法首先将铝粉与发泡剂、添加剂进行充分混合，然后将混合物经冷等静压压制成密实的预制坯体，再经挤压、包覆后通过热轧和冷轧使预制坯体与面板复合，最后放入发泡炉内并使温度升至预制坯体所用基体金属的固相线以上并保温一定时间，利用发泡剂分解产生的气体在熔融状态下的芯层内部形成无数的气孔，经冷却可得到泡沫铝夹芯板材料。该方法与文献《Aluminium Foam Sandwich Panels:Manufacture, Metallurgy and Applications》公开的一种采用粉末冶金法制备泡沫铝夹芯板材的方法相似。
发明专利CN200510052089具体公开了一种泡沫金属的铸轧连续生产方法，采用熔体二次发泡的方式制备泡沫铝夹芯板。这种方法首先将45#钢和纯铝分别在1450℃和720℃下熔化，然后在铝熔体中加入增黏剂和发泡剂，通过搅拌使它们在铝熔体中均匀分散。再将45#钢和铝熔体浇入4挡板的立式两辊轧机并进行轧制，得到钢/铝/钢夹层板发泡前躯体带材，该带材再经二次加热和发泡，可得到钢/泡沫铝/钢复合的泡沫铝夹芯板。
发明专利CN106513637A公开了一种泡沫铝夹层板的制备方法，首先将铝合金在T1温度熔化保温、增粘，加入发泡剂搅拌均匀，同时将发泡模具预热至T1温度，铝或铝合金板预热至比其固相线温度低10~15℃的T2温度，接着将一块预热好的铝或铝合金板垫入模具底部，并将铝合金熔体倒入模具中，在熔体表面盖一层铝或铝合金板并盖上模具上盖板，控制模具的温度为T1进行保温发泡，发泡结束后冷却便得到泡沫铝夹芯板。
发明专利CN112108652A（实质审查阶段）公开了一种轻质泡沫铝夹芯板的一体化制备方法，首先对TiH2进行氧化处理，随后将铝或铝合金粉末与TiH2按照比例混合，然后将铝合金下面板置于模具型腔中，将上述混合粉料均匀铺设于下面板的上层，再将上面板置于混合粉料的上层，进行压制，得到泡沫夹芯板前驱体，同时将发泡模具加热至温度T1，最后将泡沫铝夹芯板前驱体预热至温度T2后放入发泡模具中，保温发泡后冷却得到泡沫铝夹芯板。
发明专利CN111215630A（实质审查阶段）公开了一种高比刚度泡沫铝夹芯板及其制造方法，首先将铝粉与发泡剂均匀混合制成混合粉末，在混合粉末上下各加一层颗粒增强铝基复合材料作为面板，全部装入模具进行热压致密化，制成可发泡的预制件；在面板与混合粉末之间插入一层锌带，在热压过程中发生过渡液相扩散，实现面板与芯层的冶金连接；最后将预制件加热发泡获得泡沫铝夹芯板。
上述现有技术中由于采用粉末冶金和液相铸轧等方法使得生产设备复杂，工艺流程较长，制作成本高，坯料损失率较高，并且泡沫铝夹芯板的厚度和芯层结构也不易控制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种界面冶金结合泡沫金属夹芯板的制备方法，面板材料和芯层泡沫金属结构可任意选用，因此可获得不同厚度、泡孔均匀的泡沫金属夹芯板，扩大了泡沫金属夹芯板的应用领域。
为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案。
一种界面金属连接泡沫金属夹芯板的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、根据密度和厚度要求选择泡沫金属板材作为芯层材料，将泡沫金属板切割成需求的尺寸，对其进行去毛刺和表面清洁处理。
步骤2、选择相应的金属面板并切割成与芯层相匹配的尺寸，并对面板与芯层相接触的面进行除油、除锈、打通孔和开斜槽处理。
步骤3、在面板1与芯层泡沫金属之间插入中间层1，自上而下呈“芯层泡沫金属-中间层1-面板1”顺序依次叠放，将其加热到一定温度T1，待中间层1呈熔融状态后对芯层泡沫金属施加压力，压力不大于泡沫金属的屈服应力，保压并冷却，使得面板1与芯层泡沫金属产生金属连接。
步骤4、在模具底部平铺面板2，面板2上方叠放中间层2，加热中间层2至熔融状态，然后将前面得到的叠层结构以面板1向上、芯层泡沫金属贴近熔融中间层2的方式叠放在模具之中，同时对面板1施加压力，压力不大于泡沫金属的屈服应力，使得面板2与芯层泡沫金属产生金属连接，冷却后即可得到泡沫金属夹芯板。
进一步地，步骤1中泡沫金属为泡沫铝、泡沫镁、泡沫钛、泡沫铜、泡沫镍中的一种，密度为0.2~1.0g/cm3，厚度为10~50mm。
进一步地，步骤1中用砂纸打磨泡沫金属上、下表面，除去表面毛刺和金属碎屑并露出新鲜表面，再在无水乙醇中超声清洗2~5min。
进一步地，步骤2中面板为钢面板、钛面板、镍面板、铝面板中的一种，厚度为1~5mm。
进一步地，步骤2中用来去除铝板表面油污的是2%~5%硝酸水溶液，用来去除钛板表面油污的为质量比1:6~1:4的氢氟酸和硝酸混合水溶液，用来去除钢板表面油污和锈渍的为2%~5%硫酸水溶液，用来去除镍板表面油污的为3%~6%盐酸水溶液。
进一步地，步骤2中分别用机械钻头和角磨机对酸洗过的面板打通孔和开斜槽处理，并在无水乙醇中超声清洗2~5min；通孔直径d1为面板长度的1/20~1/10，通孔之间距离d2为面板长度的1/4~1/2，斜槽与面板平面夹角α为15~75°，斜槽深度h为面板厚度的1/5~1/2，斜槽宽度w为面板长度的1/40~1/20，斜槽之间距离d3为面板长度的1/40~1/20，斜槽顶端与面板顶端距离d4为1~5mm。
进一步地，步骤3和4中的中间层为锌、锌合金板、锡、锡合金板中的一种，厚度为1~3mm。
进一步地，步骤3和4中的加热温度T1为260~550℃，T2<T1<Tm，T2为中间层板的熔点，Tm为泡沫金属板的熔点。
进一步地，在步骤3和4中施加的压力为1~5MPa，保压时间为2~5min。
本发明的有益效果是：
（1）相比于传统面板表面处理方式，本发明对面板打通孔和开斜槽处理，增加熔化的中间层熔体与面板的接触面积，提高结合效率和结合强度。
（2）熔融的中间层不但与芯层孔壁连接，同时又有适量的熔体渗入芯层表层泡孔中，增加熔化的中间层熔体与芯层的接触面积，使得面板与芯层泡沫金属板产生机械互锁和冶金结合。
（3）本发明具有短流程、低能耗、低成本和易操作等优点。
（4）本发明可实现多种类型面板与金属泡沫的牢固结合，拓宽其应用范围。
附图说明
图1为本发明界面金属连接泡沫金属夹芯板制备方法示意图。其中，1：压板；2：加热炉；3：模具；4：泡沫金属；5：中间层1；6：面板1；7：中间层2；8：面板2。
图2为本发明经打通孔和开斜槽处理后的金属面板示意图。其中，9：通孔；10：斜槽；d1：通孔直径；d2：通孔之间距离；d3：斜槽之间距离；d4：斜槽顶端与面板顶端距离；α：斜槽与面板平面夹角；h：斜槽深度；w：斜槽宽度。
图3为本发明界面金属连接泡沫金属夹芯板制备工艺流程图。其中，中间层1：锌板、锌合金板、锡板、锡合金板的一种；中间层2：锌板、锌合金板、锡板、锡合金板的一种；叠层结构1：芯层泡沫金属-中间层1-面板（自上而下）；叠层结构2：中间层2-面板（自上而下）；叠层结构3：面板-中间层1-芯层泡沫金属-中间层2-面板。
图4为本发明实施例1制备的泡沫金属夹芯板。
图5为本发明实施例1泡沫金属夹芯板界面微观组织图，其中，11：泡沫金属芯层；12：中间纯锌层；13：面板；14：扩散层。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
一种界面金属连接泡沫金属夹芯板的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、根据密度和厚度要求选择泡沫金属板材作为芯层材料，将泡沫金属板切割成需求的尺寸，对其进行去毛刺和表面清洁处理；
步骤2、选择相应的金属面板并切割成与芯层相匹配的尺寸，并对面板与芯层相接触的面进行除油、除锈、打通孔和开斜槽处理；
步骤3、在面板1与芯层泡沫金属之间插入中间层1，自上而下呈“芯层泡沫金属-中间层1-面板1”顺序依次叠放，将其加热到一定温度T1，待中间层1呈熔融状态后对芯层泡沫金属施加压力，压力不大于泡沫金属的屈服应力，保压并冷却，使得面板1与芯层泡沫金属产生金属连接；
步骤4、在模具底部平铺面板2，面板2上方叠放中间层2，加热中间层2至熔融状态，然后将前面得到的叠层结构以面板1向上、芯层泡沫金属贴近熔融中间层2的方式叠放在模具之中，同时对面板1施加压力，压力P不大于泡沫金属的屈服应力，使得面板2与芯层泡沫金属产生金属连接，冷却后即可得到泡沫金属夹芯板。
进一步地，步骤1中泡沫金属为泡沫铝、泡沫镁、泡沫钛、泡沫铜、泡沫镍中的一种，密度为0.2~1.0g/cm3，厚度为10~50mm。
进一步地，步骤1中用砂纸打磨泡沫金属上、下表面，除去表面毛刺和金属碎屑并露出新鲜表面，再在无水乙醇中超声清洗2~5min。
进一步地，步骤2中面板为钢面板、钛面板、镍面板或铝面板中的一种，厚度为1~5mm。
进一步地，步骤2中用来去除铝板表面油污的是2%~5%硝酸水溶液，用来去除钛板表面油污的为质量比1:6~1:4的氢氟酸和硝酸混合水溶液，用来去除钢板表面油污和锈渍的为2%~5%硫酸水溶液，用来去除镍板表面油污的为3%~6%盐酸水溶液。
进一步地，步骤2中分别用机械钻头和角磨机对酸洗过的面板打通孔和开斜槽处理，并在无水乙醇中超声清洗2~5min。通孔直径d1为面板长度的1/20~1/10，通孔之间距离d2为面板长度的1/4~1/2，斜槽与面板平面夹角α为15~75°，斜槽深度h为面板厚度的1/5~1/2，斜槽宽度w为面板长度的1/40~1/20，斜槽之间距离d3为面板长度的1/40~1/20，斜槽顶端与面板顶端距离d4为1~5mm。
进一步地，步骤3和4中的中间层为锌、锌合金板、锡、锡合金板中的一种，厚度为1~3mm。
进一步地，步骤3和4中的加热温度T1为260~550℃，T2<T1<Tm，T2为中间层板的熔点，Tm为泡沫金属板的熔点。
进一步地，在步骤3和4中施加的压力为1~5MPa，保压时间为2~5min。
实施例1。
（1）选取密度为0.5g/cm3、厚度为30mm的泡孔均匀的泡沫铝板，用线切割机将其切割成65×65×30mm3。
（2）用线切割机将3mm厚铝面板切割成与泡沫铝板相匹配的尺寸，对切割好的面板先用3%的硝酸水溶液进行酸洗1min除掉油污，然后用砂纸打磨泡沫铝板，用机械钻头和角磨机对酸洗过的面板打通孔和开斜槽处理，然后放入无水乙醇中超声清洗5min后用吹风机吹干。通孔直径d1为5mm，通孔之间距离d2为25mm，斜槽与面板平面夹角α为45°，斜槽深度h为1.2mm，斜槽宽度w为3mm，斜槽之间距离d3为3mm，斜槽顶端与面板顶端距离d4为2mm。
（3）在铝面板1和泡沫铝板之间插入2mm厚中间层纯锌板1，自上而下呈“泡沫铝板-纯锌板1-铝面板1”顺序依次叠放在模具中，将其加热至480℃，同时利用压力机在泡沫铝板上施加3MPa压力，并保压2min从模具中取出后空冷。
（4）在模具底部平铺铝面板2，面板2上方叠放中间层纯锌板2，将其加热至480℃，然后将之前得到的叠层结构以面板1向上、泡沫铝板向下的方式叠放在模具中熔体上，同时利用压力机在叠层结构上方施加2MPa压力，并保压2min从模具中取出后空冷，使得面板2与泡沫铝板产生金属连接，即得到界面金属连接的泡沫铝夹芯板。
实施例2。
（1）选取密度为0.2g/cm3、厚度为20mm的泡孔均匀的泡沫镁板，用线切割机将其切割成100×100×20mm3。
（2）用线切割机将2mm厚钛面板切割成与泡沫镁板相匹配的尺寸，对切割好的面板先用4%的氢氟酸和20%硝酸水溶液进行酸洗1min除掉油污，然后用砂纸打磨泡沫镁板，用机械钻头和角磨机对酸洗过的面板打通孔和开斜槽处理，然后放入无水乙醇中超声清洗2min后用吹风机吹干。通孔直径d1为6mm，通孔之间距离d2为35mm，斜槽与面板平面夹角α为30°，斜槽深度h为0.8mm，斜槽宽度w为5mm，斜槽之间距离d3为4mm，斜槽顶端与面板顶端相距d4为3mm。
（3）在钛面板1和泡沫镁板之间插入3mm厚中间层锌合金板1，自上而下呈“泡沫镁板-锌合金板1-钛面板1”顺序依次叠放在模具中，将其加热至500℃，同时利用压力机在泡沫镁板上施加1MPa压力，并保压4min从模具中取出后空冷。
（4）在模具底部平铺钛面板2，面板2上方叠放中间层锌合金板2，将其加热至450℃，然后将之前得到的叠层结构以面板1向上、泡沫镁板向下的方式叠放在模具中熔体上，同时在叠层结构上方施加3MPa压力，并保压2min从模具中取出后空冷，使得面板2与泡沫镁板产生金属连接，即得到泡沫镁夹芯板。
实施例3。
（1）选取密度为0.8g/cm3、厚度为40mm的泡孔均匀的泡沫铝板，用线切割机将其切割成150×150×40mm3。
（2）用线切割机将3mm厚钢面板切割成与泡沫铝板相匹配的尺寸，对切割好的面板先用5%的硫酸水溶液进行酸洗1min除掉油污，然后用砂纸打磨泡沫铝板，用机械钻头和角磨机对酸洗过的面板打通孔和开斜槽处理，然后放入无水乙醇中超声清洗2min后用吹风机吹干。通孔直径d1为8mm，通孔之间距离d2为50mm，斜槽与面板平面夹角α为60°，斜槽深度h为1.4mm，斜槽宽度w为8mm，斜槽之间距离d3为5mm，斜槽顶端与面板顶端相距d4为5mm。
（3）在钢面板1和泡沫铝板之间插入5mm厚中间层锡合金板1，自上而下呈“泡沫铝板-锡合金板1-钢面板1”顺序依次叠放在模具中，将其加热至360℃，并同时利用压力机在泡沫铝板上施加5MPa压力，并保压3min从模具中取出后空冷。
（4）在模具底部平铺钢面板2，面板2上方叠放中间层锡合金板2，将其加热至300℃，然后将之前得到的叠层结构以面板1向上、泡沫铝板向下的方式叠放在模具中熔体上，同时在叠层结构上方施加4MPa压力，并保压3min从模具中取出后空冷，使得面板2与泡沫铝板产生金属连接，即得到泡沫铝夹芯板。
实施例4。
（1）选取密度为0.4g/cm3、厚度为30mm的泡孔均匀的泡沫镁板，用线切割机将其切割成80×80×30mm3。
（2）用线切割机将5mm厚镍面板切割成与泡沫镁板相匹配的尺寸，对切割好的面板先用5%的盐酸水溶液进行酸洗1min除掉油污，然后用砂纸打磨泡沫镁板，用机械钻头和角磨机对酸洗过的面板打通孔和开斜槽处理，然后放入无水乙醇中超声清洗4min后用吹风机吹干。通孔直径d1为7mm，通孔之间距离d2为20mm，斜槽与面板平面夹角α为25°，斜槽深度h为2mm，斜槽宽度w为4mm，斜槽之间距离d3为3mm，斜槽顶端与面板顶端相距d4为4mm。
（3）在镍面板1和泡沫镁板之间插入4mm厚中间层纯锡板1，自上而下呈“泡沫镁板-纯锡板1-镍面板1”顺序依次叠放在模具中，将其加热至400℃，并同时利用压力机在泡沫镁板上施加1.5MPa压力，并保压5min从模具中取出后空冷。
（4）在模具底部平铺镍面板2，面板2上方叠放中间层纯锡板2，将其加热至260℃，然后将之前冶金结合的结构以面板1向上、泡沫镁板向下的方式叠放在模具中熔体上，同时在叠层结构上方施加1MPa压力，并保压5min从模具中取出后空冷，使得面板2与泡沫镁板产生金属连接，即得到泡沫镁夹芯板。

Claims (9)

1.一种界面金属连接泡沫金属夹芯板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据密度和厚度要求选择泡沫金属板材作为芯层材料，将泡沫金属板切割成需求的尺寸，对其进行去毛刺和表面清洁处理；
步骤2、选择相应的金属面板并切割成与芯层相匹配的尺寸，并对面板与芯层相接触的面进行除油、除锈、打通孔和开斜槽处理；
步骤3、在面板1与芯层泡沫金属之间插入中间层1，自上而下呈“芯层泡沫金属-中间层1-面板1”顺序依次叠放，将其加热到一定温度T1，待中间层1呈熔融状态后对芯层泡沫金属施加压力，压力不大于泡沫金属的屈服应力，保压并冷却，使得面板1与芯层泡沫金属产生金属连接；
步骤4、在模具底部平铺面板2，面板2上方叠放中间层2，加热中间层2至熔融状态，然后将步骤3得到的叠层结构以面板1向上、芯层泡沫金属贴近熔融中间层2的方式叠放在模具之中，同时对面板1施加压力，压力不大于泡沫金属的屈服应力，使得面板2与芯层泡沫金属产生金属连接，冷却后即可得到泡沫金属夹芯板。
2.如权利要求1所述的一种界面金属连接泡沫金属夹芯板的制备方法，其特征在于，所述步骤1中泡沫金属为泡沫铝、泡沫镁、泡沫钛、泡沫铜、泡沫镍中的一种，密度为0.2~1.0g/cm3，厚度为10~50mm。
3.如权利要求1所述的一种界面金属连接泡沫金属夹芯板的制备方法，其特征在于，所述步骤1中用砂纸打磨泡沫金属上、下表面，除去表面毛刺和金属碎屑并漏出新鲜表面，再在无水乙醇中超声清洗2~5min。
4.如权利要求1所述的一种界面金属连接泡沫金属夹芯板的制备方法，其特征在于，所述步骤2中面板为铝面板、钛面板、钢面板、镍面板中的一种，厚度为1~5mm。
5.如权利要求4所述的一种界面金属连接泡沫金属夹芯板的制备方法，其特征在于，所述步骤2中用来去除铝板表面油污的是2%~5%硝酸水溶液，用来去除钛板表面油污的为质量比1:6~1:4的氢氟酸和硝酸混合水溶液，用来去除钢板表面油污和锈渍的为2%~5%硫酸水溶液，用来去除镍板表面油污的为3%~6%盐酸水溶液。
6.如权利要求1所述的一种界面金属连接泡沫金属夹芯板的制备方法，其特征在于，在步骤2中分别用机械钻头和角磨机对酸洗过的面板打通孔和开斜槽处理，并在无水乙醇中超声清洗2~5min，通孔直径d1为面板长度的1/20~1/10，通孔之间距离d2为面板长度的1/4~1/2，斜槽与面板平面夹角α为15~75°，斜槽深度h为面板厚度的1/5~1/2，斜槽宽度w为面板长度的1/40~1/20，斜槽之间距离d3为面板长度的1/40~1/20，斜槽顶端与面板顶端距离d4为1~5mm。
7.如权利要求1所述的一种界面金属连接泡沫金属夹芯板的制备方法，其特征在于，所述步骤3和4中的中间层为锌、锌合金板、锡、锡合金板中的一种，厚度为1~3mm。
8.如权利要求1所述的一种界面金属连接泡沫金属夹芯板的制备方法，其特征在于，所述步骤3和4中的加热温度T1为260~550℃，T2<T1<Tm，T2为中间层板的熔点，Tm为泡沫金属板的熔点。
9.如权利要求1所述的一种界面金属连接泡沫金属夹芯板的制备方法，其特征在于，所述步骤3和4中施加的压力为1~5MPa，保压时间为2~5min。
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