CN115958183A - 一种具有冶金结合界面的泡沫铝填充金属管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有冶金结合界面的泡沫铝填充金属管及其制备方法，具体为：将已去除去内壁氧化层的待填充金属管放入表面改性剂水溶液中进行助镀处理并烘干保存；将待发泡泡沫铝金属熔体与预热金属管依次转移至模具中，使得熔体完全浸金属管并保温；将预热后的超声设备插入熔体中进行超声波处理；添加增粘剂、稳定剂以及发泡剂，持续搅拌；进行保温发泡；取出冷却，再将泡沫铝填充钢管取出并切除其两端多余的泡沫铝层，便可获得具有冶金结合界面的泡沫铝填充金属管。该方法具有低成本、一体化短流程、近成型加工的特点，可实现具有冶金结合界面的泡沫铝填充金属管复合结构的规模化、连续化生产，拓宽泡沫铝填充结构的应用场景。
Description
技术领域
本发明属于泡沫铝填充金属管复合结构技术领域，具体涉及一种具有冶金结合界面的泡沫铝填充金属管及其制备方法。
背景技术
泡沫铝是一种集结构与功能一体化的轻质材料，与传统金属材料相比，泡沫铝质量轻，比强度、比刚度高，具有良好的冲击吸能能力和阻尼性能等，因此，近年来泡沫铝被逐步应用在航空航天、轨道交通等各个领域。一般来说，由于碰撞或爆炸中产生的能量太高，单一的泡沫金属无法承受如此大的冲击力，易失稳坍塌的缺陷使其应用受到了很大的限制。薄壁管结构具有可控制的破坏模式，较平稳的压缩载荷，是一种优异的缓冲吸能元件，但其也存在非轴向载荷的承载能力较弱的问题，而且容易发生欧拉屈曲，导致吸能不充分。因此，将泡沫铝和金属薄壁管复合制备的填充结构，弥补了泡沫铝和金属管各自的缺点，提高薄壁结构的稳定性，降低薄壁管发生整体屈曲的可能性，进一步拓展泡沫填充管复合结构的应用场景，因此受到研究者的普遍关注。研究证明泡沫铝金属有助于促使金属管按照更加稳定可控的模式变形，但是只有泡沫铝与金属管壁界面实现良好的连接时才能实现获得更高的承载力和更好的吸能效果。
目前，工业上泡沫铝填充管的制备方法主要有以下两种(1)胶粘法：是指将泡沫铝制成大坯，加工成所需的尺寸和形状，将其压入空心管材，通过胶粘工艺实现连接；(2)粉末冶金法：是指将压制而成的泡沫铝预制体在中空管材内加热发泡，泡沫铝膨胀完全填充管材内部。粉末冶金法虽然确保了泡沫芯层和管材之间的机械连接，但是在生产过程中，液体泡沫和管材之间的反应时间较短(3-4min)，液体泡沫和管材之间缺乏适当的润湿，造成泡沫与管材结合不牢固。同时，其制备流程复杂，工艺周期长，对设备精度要求高。而采用胶粘方法虽然工艺流程简单，但是对填充管使役环境要求苛刻，无法在潮湿高温的环境下使用，限制了泡沫铝填充金属管的使用场景。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种具有冶金结合界面的泡沫铝填充金属管及其制备方法，该方法制备工艺简单、泡沫参数控制精确、得到的泡沫铝填充金属管具有冶金结合界面。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种具有冶金结合界面的泡沫铝填充金属管的制备方法，包括以下步骤：
S1：备料
(1)去除金属管内壁氧化层后，加入表面改性剂水溶液中助镀后，烘干，得到待填充的金属管；
(2)将待发泡泡沫铝原料熔炼，得到待发泡泡沫铝金属熔体；
S2：预热保温
将待发泡泡沫铝金属熔体添加到预热模具中，然后将待填充的金属管预热后置于预热模具中，保证待发泡泡沫铝金属熔体浸没待填充的金属管，进行保温；
S3：超声处理
对待发泡泡沫铝金属熔体进行超声处理，超声频率为19.5～20.3kHz、超声功率为800～2000W、超声时间为0.5～5min，得到超声处理后金属熔体；
S4：发泡
向超声处理后金属熔体中加入增粘剂、或增粘剂和稳定剂，持续搅拌均匀，得到搅拌均匀的金属熔体；
向搅拌均匀的金属熔体内加入发泡剂，搅拌分散均匀后，保温1～6min，得到填充有泡沫铝的金属管；其中，在加入发泡剂前，需要调整搅拌均匀的金属熔体至600～700℃；
S5：后处理
将填充有泡沫铝的金属管冷却至泡沫铝的固相线温度，将多余的泡沫铝切除，得到具有冶金结合界面的泡沫铝填充金属管。
本发明的一种具有冶金结合界面的泡沫铝填充金属管，其采用上述方法制得，其冶金结合界面的结合厚度为10～150μm。
进一步的，所述的S1的(1)中，去除金属管内壁氧化层为通过机械或化学方法去除。
所述的S1的(2)中，泡沫铝原料为纯铝或铝合金，其熔炼温度为700～750℃，保温时间为20～30min。
进一步地，步骤S1的(1)中表面改性剂水溶液应具有良好的清洗、润湿、活化，防止钢件表面再氧化的能力。同时还应起到降低铝液表面张力、减少铝渣生成的作用。表面改性剂水溶液选自氯化物或氟化物中的一种或多种作为表面改性剂，助镀温度通常控制在70～90℃，时间控制在5～15min。
进一步地，步骤S1的(1)中金属管内壁表面改性的方法除了表面改性剂水溶液助镀之外，还可以通过预先电镀金属铜、电镀金属镍、或化学镀金属铜或化学镀金属镍中的一种或几种，形成预镀中间合金层，后续再与泡沫铝熔体反应扩散形成冶金连接。
进一步地，步骤S2中，预热保温采用的预热模具的预热温度控制在650～750℃，待填充的金属管的预热温度控制在150～250℃，预热保温时间控制在10min以上，并根据待填充的金属管的尺寸大小进行调整。
进一步地，步骤S2中，待发泡泡沫铝金属熔体浸没待填充的金属管，待发泡泡沫铝金属熔体温度应该稳定控制在670～750℃。
进一步地，步骤S3中，超声处理，采用的超声仪器应进行预热，预热温度为700～750℃，优选预热方法为，将超声仪器置于待发泡泡沫铝金属熔体上方10～30mm，进行10～20min的预热。
进一步地，步骤S3中，超声处理是将超声仪器插入待发泡泡沫铝金属熔体下20～40mm处进行超声振动。
进一步地，步骤S3中，超声处理过程中，待发泡泡沫铝金属熔体温度稳定控制在670～740℃区间内某一温度下。
进一步地，步骤S4中，加入的增粘剂为金属钙，其中钙的加入量占所用待发泡泡沫铝原料的质量百分比为1～3％。
进一步地，步骤S4中，所述的稳定剂是碳化硅、氧化铝、二氧化硅、硼化钛、硼化锆、碳化硼、碳化锆粉中的一种或几种，其中稳定剂的加入量占所用待发泡泡沫铝原料的质量百分比为0～15％，更优选为2～15％，粒度为5～70μm。
进一步地，步骤S4中，加入的发泡剂或稳定剂需要在300～400℃条件下预热干燥1～2小时后再加入到铝或铝合金熔体中。
进一步地，步骤S4中，持续搅拌均匀为将搅拌桨插入金属管内部进行搅拌，搅拌速度为700～3000r/min，搅拌时间优选为5～10min。
进一步地，步骤S4中，搅拌分散均匀为将搅拌桨插入金属管内部进行搅拌，搅拌速度为700～3000r/min，搅拌时间优选为2～5min。
进一步地，步骤S4中的发泡剂是氢化钛；氢化钛加入量为待发泡泡沫铝原料质量百分比的0.5～1.5％，粒度为20～60μm。
进一步地，步骤S4中加入的氢化钛需要进行氧化处理，处理方法为将氢化钛于400～500℃下在空气中氧化1～4小时。
进一步地，步骤S5中冷却方式包括风冷、间接水冷、直接水冷中的一种或多种。
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明通过对金属管进行助镀，并进行预热保温、超声处理、发泡后制备的泡沫铝填充金属管复合结构，其内壁和芯层之间能够实现冶金结合，提高了泡沫铝复合结构力学性能稳定性，拓宽泡沫铝复合结构的应用场景。
(2)对泡沫铝熔体与金属管之间界面中施加超声振动，促进界面元素扩散生成金属化合物层，有利于界面结合强度提高，具有抗高温氧化、耐磨、耐腐蚀的优点。
(3)结合熔体法制备泡沫铝的特点，可低成本、一体化短流程、近成型地制备出大尺寸泡沫铝填充金属管复合结构，适合工程和规模化连续生产。
附图说明
图1是本发明所制得的一种具有冶金结合界面的泡沫铝填充钢管宏观截面图。
图2是本发明所制得的一种具有冶金结合界面的泡沫铝填充钢管界面金相图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实例1
一种具有冶金结合界面的泡沫铝填充金属管复合结构制备方法，按以下步骤进行：
选择20号钢为待复合外管材质，以6wt.％KF+2wt.％ZnCl2及余量水配制表面改性剂水溶液，将20号钢采用机械法去除内壁的氧化层后，置于表面改性剂水溶液中，浸渍温度设定为在70℃，浸渍时间为5min。以1060纯铝为泡沫基体，在750℃下熔化并保温30min后，获得铝熔体。此时加热炉中的模具预热温度应该控制在750℃，待填充的钢管的预热温度控制在150℃。铝熔体和预热后的钢管依次转移到加热炉中，此时铝熔体温度应该稳定控制在720℃。
将超声波探头置于铝熔体上方15mm处预热10min。在确保熔体温度为740℃之后将超声波探头插入铝熔体中，插入深度为20mm，然后对超声波发生器进行自动搜频，使频率稳定在20.0kHz。对铝熔体进行2min的超声波处理，超声波处理的功率为1500W。
在铝熔体内加入金属钙，钙占所用铝的质量百分比为1.0％。用搅拌器进行增粘(转速700r/min，时间5min)，待温度下降至690℃后先向其中加入稳定剂碳化硼粉，之后加入发泡剂氢化钛，并搅拌均匀(搅拌速度2000r/min，搅拌时间3min)。稳定剂碳化硼粉需要在300℃下预热2h后加入到铝熔体中，其中加入的碳化硼粉占所用铝合金质量百分比为7％，粒度为60μm；加入氢化钛占所用铝合金的质量百分比为0.5％，粒度为45μm，氢化钛在加入之前需要在空气中400℃下氧化处理4h，然后在300℃下预热2h后，再加入到铝熔体中。对模具内泡沫熔体保温发泡，温度控制在690℃，保温1min后取出，在室温下自然冷却，其宏观截面图见图1。从模具中取出泡沫铝填充钢管半成品；切除泡沫铝填充钢管半成品两端多余的泡沫铝层，获得具有冶金结合界面的泡沫铝填充金属管复合结构，其冶金结合界面的平均厚度为150μm，见图2。
实施例2
一种具有冶金结合界面的泡沫铝填充金属管复合结构制备方法，按以下步骤进行：
选择45号钢为待复合外管材质，以4wt.％K2ZrF6及余量水配制表面改性剂水溶液，将45号钢采用化学法去除内壁的氧化层后，置于表面改性剂水溶液中，浸渍温度设定为在90℃，浸渍时间为10min。以A356铝合金为泡沫基体，在700℃下熔化并保温20min后，获得铝合金熔体。此时加热炉中的模具预热温度应该控制在700℃，待填充的钢管的预热温度控制在200℃。铝合金熔体和预热后的钢管依次转移到加热炉中，此时铝合金熔体温度应该稳定控制在700℃。
将超声波探头置于铝合金熔体上方30mm处预热20min。在确保铝合金熔体温度为700℃之后将超声波探头插入铝合金熔体中，插入深度为30mm，然后对超声波发生器进行自动搜频，使频率稳定在19.8kHz。对熔体进行3min的超声波处理，超声波处理的功率为1000W。
在铝合金熔体内加入金属钙，钙占所用铝合金熔体的质量百分比为1.0％。用搅拌器进行增粘(转速700r/min，时间10min)，待温度下降至640℃后先向其中加入稳定剂碳化硅粉，之后加入发泡剂氢化钛，并搅拌均匀(搅拌速度3000r/min，搅拌时间2min)。稳定剂碳化硅粉需要在400℃下预热1h后加入到铝合金熔体中，其中加入的碳化硅粉占所用铝合金熔体质量百分比为15％，粒度为70μm；加入氢化钛占所用铝合金熔体的质量百分比为1.0％，粒度为20μm，发泡剂氢化钛在加入之前需要在空气中500℃下氧化处理1h，然后在400℃下预热1h后加入到铝合金熔体中。对模具内泡沫熔体保温发泡，温度控制在640℃，保温6min后取出，在室温下直接水冷冷却。从模具中取出泡沫铝填充钢管半成品；切除泡沫铝填充钢管半成品两端多余的泡沫铝层，获得具有冶金结合界面的泡沫铝填充金属管复合结构，其冶金结合界面的平均厚度为130μm。
实施例3
一种具有冶金结合界面的泡沫铝填充金属管复合结构制备方法，按以下步骤进行：
选择1Cr13为待复合外管材质，以2wt.％NaF+4wt.％KF及余量水配制表面改性剂水溶液，将1Cr13采用化学法去除内壁的氧化层后，置于表面改性剂水溶液中，浸渍温度设定为在80℃，浸渍时间为15min。以AlSi11Mg0.6合金为泡沫基体，在700℃下熔化并保温20min后，获得铝合金熔体。此时加热炉中的模具预热温度应该控制在650℃，待填充的钢管的预热温度控制在250℃。铝合金熔体和预热后的钢管依次转移到加热炉中，此时铝合金熔体温度应该稳定控制在680℃。
将超声波探头置于铝合金熔体上方10mm处预热20min。在确保铝合金熔体温度为680℃之后将超声波探头插入铝合金熔体中，插入深度为40mm，然后对超声波发生器进行自动搜频，使频率稳定在20.3kHz。对铝合金熔体进行5min的超声波处理，超声波处理的功率为2000W。
在铝合金熔体内加入金属钙，钙占所用铝合金熔体的质量百分比为3.0％。用搅拌器进行增粘(转速900r/min，时间10min)，待温度下降至620℃后先向其中加入稳定剂氧化铝粉，之后加入发泡剂氢化钛，并搅拌均匀(搅拌速度3000r/min，搅拌时间5min)。稳定剂氧化铝粉需要在350℃下预热1.5h后加入到铝合金熔体中，其中加入的氧化铝粉占所用铝合金质量百分比为2％，粒度为70μm；加入氢化钛占所用铝合金的质量百分比为1.5％，粒度为30μm，氢化钛在加入之前需要在空气中450℃下氧化处理3h，然后在350℃下预热1.5h后加入到铝合金熔体中。对模具内泡沫熔体保温发泡，温度控制在620℃，保温3min后取出，在室温下间接水冷冷却。从模具中取出泡沫铝填充钢管半成品；切除泡沫铝填充钢管半成品两端多余的泡沫铝层，获得具有冶金结合界面的泡沫铝填充金属管复合结构，其冶金结合界面的平均厚度为15μm。
实施例4
一种具有冶金结合界面的泡沫铝填充金属管复合结构制备方法，按以下步骤进行：
选择12CrMoV为待复合外管材质，以15wt.％NH4Cl+20wt.％ZnCl2及余量水配制表面改性剂水溶液，将12CrMoV采用化学法去除内壁的氧化层后，置于表面改性剂水溶液中，浸渍温度设定为在80℃，浸渍时间为15min。以AlSi11Mg0.6合金为泡沫基体，在700℃下熔化并保温25min后，获得铝合金熔体。此时加热炉中的模具预热温度应该控制在650℃，待填充的钢管的预热温度控制在200℃。铝合金熔体和预热后的钢管依次转移到加热炉中，此时铝合金熔体温度应该稳定控制在680℃。
将超声波探头置于铝合金熔体上方20mm处预热15min。在确保铝合金熔体温度为680℃之后将超声波探头插入铝合金熔体中，插入深度为35mm，然后对超声波发生器进行自动搜频，使频率稳定在19.5kHz。对熔体进行0.5min的超声波处理，超声波处理的功率为2000W。
在纯铝熔体内加入金属钙，钙占所用铝合金的质量百分比为2.0％。用搅拌器进行增粘(转速850r/min，时间10min)，待温度下降至620℃后先向其中加入稳定剂二氧化硅粉和硼化钛粉，之后加入发泡剂氢化钛，并搅拌均匀(搅拌速度2600r/min，搅拌时间4min)。稳定剂二氧化硅粉和硼化钛粉需要在350℃下预热1h后加入到铝合金熔体中，其中加入的二氧化硅粉占所用铝合金质量百分比为5％，粒度为60μm，硼化钛粉占所用铝合金质量百分比为2％，粒度为5μm；加入氢化钛占所用铝合金的质量百分比为1.2％，粒度为45μm，氢化钛在加入之前需要在空气中450℃下氧化处理2h，然后在350℃下预热1h后加入到铝合金熔体中。对模具内泡沫熔体保温发泡，温度控制在610℃，保温5min后取出，在室温下利用压缩空气冷却。从模具中取出泡沫铝填充钢管半成品；切除泡沫铝填充钢管半成品两端多余的泡沫铝层，获得具有冶金结合界面的泡沫铝填充金属管复合结构，其冶金结合界面的平均厚度为20μm。
实施例5
一种具有冶金结合界面的泡沫铝填充金属管复合结构制备方法，按以下步骤进行：
选择1Cr18Ni9Ti为待复合外管材质，以20wt.％NH4Cl+30wt.％ZnCl2及余量水配制表面改性剂水溶液，将1Cr18Ni9Ti采用化学法去除内壁的氧化层后，置于表面改性剂水溶液中，浸渍温度设定为在85℃，浸渍时间为15min。以AlZn20合金为泡沫基体，在700℃下熔化并保温20min后，获得铝合金熔体。此时加热炉中的模具预热温度应该控制在650℃，待填充的1Cr18Ni9Ti钢管的预热温度控制在200℃。铝合金熔体和预热后的钢管依次转移到加热炉中，此时铝合金熔体温度应该稳定控制在680℃。
将超声波探头置于铝合金熔体上方30mm处预热20min。在确保铝合金熔体温度为680℃之后将超声波探头插入铝合金熔体中，插入深度为40mm，然后对超声波发生器进行自动搜频，使频率稳定在20.1kHz。对熔体进行4min的超声波处理，超声波处理的功率为1600W。
在纯铝熔体内加入金属钙，钙占所用铝合金的质量百分比为2.5％。用搅拌器进行增粘(转速750r/min，时间10min)，待温度下降至640℃后先向其中加入稳定剂硼化锆和碳化锆粉，之后加入发泡剂氢化钛，并搅拌均匀(搅拌速度1800r/min，搅拌时间5min)。稳定剂硼化锆和碳化锆粉需要在300℃下预热1h后加入到铝合金熔体中，其中加入的硼化锆占所用铝合金质量百分比为8％，粒度为40μm，碳化锆粉占所用铝合金质量百分比为2％，粒度为5μm；加入氢化钛占所用铝合金的质量百分比为1.2％，粒度为50μm，氢化钛在加入之前需要在空气中500℃下氧化处理2h，然后在300℃下预热1h后加入到铝合金熔体中。对模具内泡沫熔体保温发泡，温度控制在640℃，保温5min后取出，在室温下利用压缩空气冷却。从模具中取出泡沫铝填充钢管半成品；切除泡沫铝填充钢管半成品两端多余的泡沫铝层，获得具有冶金结合界面的泡沫铝填充金属管复合结构，其冶金结合界面的平均厚度为12μm。
实施例6
一种具有冶金结合界面的泡沫铝填充金属管复合结构制备方法，按以下步骤进行：
选择06Cr19Ni10为待复合外管材质，以20wt.％NH4Cl+25wt.％ZnCl2及余量水配制表面改性剂水溶液，将06Cr19Ni10采用化学法去除内壁的氧化层后，置于表面改性剂水溶液中，浸渍温度设定为在90℃，浸渍时间为10min。以AlSi10Cu3合金为泡沫基体，在700℃下熔化并保温20min后，获得铝合金熔体。此时加热炉中的模具预热温度应该控制在660℃，待填充的06Cr19Ni10钢管的预热温度控制在150℃。铝合金熔体和预热后的钢管依次转移到加热炉中，此时铝合金熔体温度应该稳定控制在670℃。
将超声波探头置于铝合金熔体上方25mm处预热15min。在确保铝合金熔体温度为670℃之后将超声波探头插入铝合金熔体中，插入深度为25mm，然后对超声波发生器进行自动搜频，使频率稳定在20.0kHz。对熔体进行3min的超声波处理，超声波处理的功率为1300W。
在纯铝熔体内加入金属钙，钙占所用铝合金的质量百分比为1.5％。用搅拌器进行增粘(转速700r/min，时间10min)，待温度下降至640℃后先向其中加入稳定剂硼化锆，之后加入发泡剂氢化钛，并搅拌均匀(搅拌速度2200r/min，搅拌时间3min)。稳定剂硼化锆需要在300℃下预热1h后加入到铝合金熔体中，其中加入的硼化锆占所用铝合金质量百分比为5％，粒度为25μm；加入氢化钛占所用铝合金的质量百分比为0.8％，粒度为40μm，氢化钛在加入之前需要在空气中500℃下氧化处理2h，然后在300℃下预热1h后加入到铝合金熔体中。对模具内泡沫熔体保温发泡，温度控制在620℃，保温3min后取出，在室温下直接水冷。从模具中取出泡沫铝填充钢管半成品；切除泡沫铝填充钢管半成品两端多余的泡沫铝层，获得具有冶金结合界面的泡沫铝填充金属管复合结构，其冶金结合界面的平均厚度为10μm。
实施例7
一种具有冶金结合界面的泡沫铝填充金属管复合结构制备方法，按以下步骤进行：
选择1060铝为待复合外管材质，以4wt.％KF+2wt.％ZnCl2及余量水配制表面改性剂水溶液，将1060铝采用化学法去除内壁的氧化层后，置于表面改性剂水溶液中，浸渍温度设定为在85℃，浸渍时间为10min。以AlSi11合金为泡沫基体，在720℃下熔化并保温20min后，获得铝合金熔体。此时加热炉中的模具预热温度应该控制在660℃，待填充的钢管的预热温度控制在200℃。铝合金熔体和预热后的铝管依次转移到加热炉中，此时铝合金熔体温度应该稳定控制在700℃。
将超声波探头置于铝合金熔体上方25mm处预热15min。在确保铝合金熔体温度为690℃之后将超声波探头插入铝合金熔体中，插入深度为25mm，然后对超声波发生器进行自动搜频，使频率稳定在20.0kHz。对铝合金熔体进行3min的超声波处理，超声波处理的功率为1300W。
在AlSi11熔体内加入金属钙，钙占所用铝合金的质量百分比为1.5％。用搅拌器进行增粘(转速700r/min，时间10min)，待温度下降至640℃后先向其中加入稳定剂硼化锆，之后加入发泡剂氢化钛，并搅拌均匀(搅拌速度2500r/min，搅拌时间3min)。稳定剂硼化锆需要在300℃下预热1h后加入到铝合金熔体中，其中加入的硼化锆占所用铝合金质量百分比为5％，粒度为25μm；加入氢化钛占所用铝合金的质量百分比为0.8％，粒度为40μm，氢化钛在加入之前需要在空气中500℃下氧化处理2h，然后在300℃下预热1h后加入到铝合金熔体中。对模具内泡沫熔体保温发泡，温度控制在640℃，保温3min后取出，在室温下直接水冷。从模具中取出泡沫铝填充钢管半成品；切除泡沫铝填充钢管半成品两端多余的泡沫铝层，获得具有冶金结合界面的泡沫铝填充金属管复合结构，其冶金结合界面的平均厚度为17μm。
实施例8
一种具有冶金结合界面的泡沫铝填充金属管复合结构制备方法，按以下步骤进行：
选择1060铝为待复合外管材质，采用化学法去除内壁的氧化层后，对其进行电镀Cu处理，工艺参数如下：电流密度为30mA/cm2，温度为室温。电镀液中包含试剂CuSO4·5H2O(200g/L)和H2SO4(60g/L)。通过控制通电时间，最终在试样表面获得约15μm厚的Cu预镀层。以AlSi11合金为泡沫基体，在720℃下熔化并保温20min后，获得铝合金熔体。此时加热炉中的模具预热温度应该控制在660℃，待填充的钢管的预热温度控制在200℃。铝合金熔体和预热后的铝管依次转移到加热炉中，此时铝合金熔体温度应该稳定控制在700℃。
将超声波探头置于铝合金熔体上方25mm处预热15min。在确保铝合金熔体温度为690℃之后将超声波探头插入铝合金熔体中，插入深度为25mm，然后对超声波发生器进行自动搜频，使频率稳定在20.0kHz。对铝合金熔体进行3min的超声波处理，超声波处理的功率为1300W。
在AlSi11熔体内加入金属钙，钙占所用铝合金的质量百分比为1.5％。用搅拌器进行增粘(转速700r/min，时间10min)，待温度下降至640℃后先向其中加入稳定剂硼化锆，之后加入发泡剂氢化钛，并搅拌均匀(搅拌速度2500r/min，搅拌时间3min)。稳定剂硼化锆需要在300℃下预热1h后加入到铝合金熔体中，其中加入的硼化锆占所用铝合金质量百分比为5％，粒度为25μm；加入氢化钛占所用铝合金的质量百分比为0.8％，粒度为40μm，氢化钛在加入之前需要在空气中500℃下氧化处理2h，然后在300℃下预热1h后加入到铝合金熔体中。对模具内泡沫熔体保温发泡，温度控制在640℃，保温3min后取出，在室温下直接水冷。从模具中取出泡沫铝填充钢管半成品；切除泡沫铝填充钢管半成品两端多余的泡沫铝层，获得具有冶金结合界面的泡沫铝填充金属管复合结构，其冶金结合界面的平均厚度为25μm。
实施例9
一种具有冶金结合界面的泡沫铝填充金属管复合结构制备方法，按以下步骤进行：
选择1060铝为待复合外管材质，采用机械法去除内壁的氧化层后，对其进行化学镀Ni处理，其镀液组成和工艺条件为：NiSO4·6H2O(30g/L)，NaH2PO2·H2O(30g/L)，CH3COONa(20g/L)，C3H5Na O3(15mL/L)，(NH4)2SO4(15g/L)，硫脲(2mg/L)，pH＝5.6，温度为75℃。最终在试样表面获得约12μm厚的预镀层。以AlSi11合金为泡沫基体，在720℃下熔化并保温20min后，获得铝合金熔体。此时加热炉中的模具预热温度应该控制在660℃，待填充的钢管的预热温度控制在200℃。铝合金熔体和预热后的铝管依次转移到加热炉中，此时铝合金熔体温度应该稳定控制在700℃。
将超声波探头置于铝合金熔体上方25mm处预热15min。在确保铝合金熔体温度为690℃之后将超声波探头插入铝合金熔体中，插入深度为25mm，然后对超声波发生器进行自动搜频，使频率稳定在20.0kHz。对铝合金熔体进行3min的超声波处理，超声波处理的功率为1300W。
在AlSi11熔体内加入金属钙，钙占所用铝合金的质量百分比为1.5％。用搅拌器进行增粘(转速700r/min，时间10min)，待温度下降至640℃后先向其中加入稳定剂硼化锆，之后加入发泡剂氢化钛，并搅拌均匀(搅拌速度2500r/min，搅拌时间3min)。稳定剂硼化锆需要在300℃下预热1h后加入到铝合金熔体中，其中加入的硼化锆占所用铝合金质量百分比为5％，粒度为25μm；加入氢化钛占所用铝合金的质量百分比为0.8％，粒度为40μm，氢化钛在加入之前需要在空气中500℃下氧化处理2h，然后在300℃下预热1h后加入到铝合金熔体中。对模具内泡沫熔体保温发泡，温度控制在640℃，保温3min后取出，在室温下直接水冷。从模具中取出泡沫铝填充钢管半成品；切除泡沫铝填充钢管半成品两端多余的泡沫铝层，获得具有冶金结合界面的泡沫铝填充金属管复合结构，其冶金结合界面的平均厚度为25μm。
对比例1
一种泡沫铝填充金属管的制备方法，同实施例1，不同之处在于：
没有超声处理过程，则复合界面不平直、金属化合物层厚度较大。
对比例2
一种泡沫铝填充金属管的制备方法，同实施例1，不同之处在于：
加入增粘剂后，没有搅拌过程，则导致熔体粘度不均匀影响后续的发泡效果。
对比例3
一种泡沫铝填充金属管的制备方法，同实施例1，不同之处在于：
加入发泡剂后，在调整熔体温度为650℃，则熔体膨胀率下降，泡沫铝平均孔径减少。
对比例4
一种泡沫铝填充金属管的制备方法，同实施例1，不同之处在于：
直接将待发泡泡沫铝材料加入金属管中，金属管未进行表面改性剂的助镀，则-金属管与泡沫铝芯层的连接为弱连接(非冶金结合)，连接强度不高。
对比例5
一种泡沫铝填充金属管的制备方法，将泡沫铝加工成金属管尺寸，插入金属管中并用粘结剂粘结，则该方法得到的填充有泡沫铝的金属管，连接强度低。
对比例6
一种泡沫铝填充金属管的制备方法，将泡沫铝预制体加入金属管中，在进行发泡，则泡沫铝和金属管粘结不牢固(非冶金结合)。
Claims (10)
1.一种具有冶金结合界面的泡沫铝填充金属管的制备方法，其特征在于，将金属管内壁采用表面改性剂水溶液助镀后，预热保温，将待发泡泡沫铝金属熔体添加到预热模具中，再将待填充的金属管预热后置于预热模具中，保温；超声处理，添加增粘剂、或增粘剂和稳定剂、发泡剂，进行发泡，得到具有冶金结合界面的泡沫铝填充金属管。
2.根据权利要求1所述的具有冶金结合界面的泡沫铝填充金属管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：备料
(1)去除金属管内壁氧化层后，进行金属管内壁表面改性，烘干，得到待填充的金属管；
(2)将待发泡泡沫铝原料熔炼，得到待发泡泡沫铝金属熔体；
S2：预热保温
将待发泡泡沫铝金属熔体添加到预热模具中，然后将待填充的金属管预热后置于预热模具中，保证待发泡泡沫铝金属熔体浸没待填充的金属管，进行保温；
S3：超声处理
对待发泡泡沫铝金属熔体进行超声处理，超声频率为19.5～20.3kHz、超声功率为800～2000W、超声时间为0.5～5min，得到超声处理后金属熔体；
S4：发泡
向超声处理后金属熔体中加入增粘剂、或增粘剂和稳定剂，持续搅拌均匀，得到搅拌均匀的金属熔体；
向搅拌均匀的金属熔体内加入发泡剂，搅拌分散均匀后，保温1～6min，得到填充有泡沫铝的金属管；其中，在加入发泡剂前，需要调整搅拌均匀的金属熔体至600～700℃；
S5：后处理
将填充有泡沫铝的金属管冷却至泡沫铝的固相线温度，将多余的泡沫铝切除，得到具有冶金结合界面的泡沫铝填充金属管。
3.根据权利要求2所述的具有冶金结合界面的泡沫铝填充金属管的制备方法，其特征在于，所述的S1的(2)中，泡沫铝原料为纯铝或铝合金，其熔炼温度为700～750℃，保温时间为20～30min。
4.根据权利要求2所述的具有冶金结合界面的泡沫铝填充金属管的制备方法，其特征在于，步骤S1的(1)中金属管内壁表面改性选用表面改性剂水溶液助镀、电镀金属铜形成预镀中间合金层、电镀金属镍形成预镀中间合金层、化学镀金属铜形成预镀中间合金层或化学镀金属镍形成预镀中间合金层中的一种或几种；
其中，表面改性剂水溶液助镀，选用的表面改性剂选自氯化物或氟化物中的一种或多种作为表面改性剂，助镀温度通常控制在70～90℃，时间控制在5～15min。
5.根据权利要求2所述的具有冶金结合界面的泡沫铝填充金属管的制备方法，其特征在于，步骤S2中，预热保温采用的预热模具的预热温度控制在650～750℃，待填充的金属管的预热温度控制在150～250℃，预热保温时间控制在10min以上，并根据待填充的金属管的尺寸大小进行调整；
和/或，待发泡泡沫铝金属熔体温度应该稳定控制在670～750℃。
6.根据权利要求2所述的具有冶金结合界面的泡沫铝填充金属管的制备方法，其特征在于，步骤S3中，超声处理，采用的超声仪器应进行预热，预热温度为700～750℃；
和/或，超声处理是将超声仪器插入待发泡泡沫铝金属熔体下20～40mm处进行超声振动；
和/或，超声处理过程中，待发泡泡沫铝金属熔体温度稳定控制在670～740℃区间内某一温度下。
7.根据权利要求2所述的具有冶金结合界面的泡沫铝填充金属管的制备方法，其特征在于，步骤S4中，增粘剂为金属钙，其中金属钙的加入量占所用待发泡泡沫铝原料的质量百分比为1～3％；
和/或，稳定剂选自碳化硅、氧化铝、二氧化硅、硼化钛、硼化锆、碳化硼、碳化锆粉中的一种或几种，其中稳定剂的加入量占所用待发泡泡沫铝原料的质量百分比为0～15％，粒度为5～70μm；
和/或，加入的发泡剂或稳定剂需要在300～400℃条件下预热干燥1～2小时后再加入到铝或铝合金熔体中。
8.根据权利要求2所述的具有冶金结合界面的泡沫铝填充金属管的制备方法，其特征在于，步骤S4中，持续搅拌均匀为将搅拌桨插入金属管内部进行搅拌，搅拌速度为700～3000r/min，搅拌时间为5～10min；
搅拌分散均匀为将搅拌桨插入金属管内部进行搅拌，搅拌速度为700～3000r/min，搅拌时间为2～5min。
9.根据权利要求2所述的具有冶金结合界面的泡沫铝填充金属管的制备方法，其特征在于，步骤S4中的发泡剂是氢化钛；氢化钛加入量为待发泡泡沫铝原料质量百分比的0.5～1.5％，粒度为20～60μm；氢化钛需要进行氧化处理，处理方法为将氢化钛于400～500℃下在空气中氧化1～4小时。
10.一种具有冶金结合界面的泡沫铝填充金属管，其特征在于，采用权利要求1-9任意一项所述的制备方法制得，泡沫铝填充金属管的冶金结合界面的结合厚度为10～150μm。
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