CN116516204A - 一种基于液相法发泡制备泡沫铝净成形件的方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于液相法发泡制备泡沫铝净成形件的方法，属于多孔金属材料技术领域，本发明涉及一种利用液相法制备简单构型发泡预制体，并在氮气或惰性气氛下发泡制备泡沫铝复杂净成形构件的方法。具体技术方案为，将特定成分组成铝合金熔化，加入铝粉等气泡稳定剂后，在搅拌下加入预处理后的发泡剂，挤压铸造制成高致密度的简单构型预制体，表面抛光处理掉表面氧化膜后，在气体保护下在复杂构型模具内进行发泡，缓慢冷却后获得净成形的泡沫铝构件。采用该方法制备的泡沫铝构件孔结构均匀，表面成型精度高，生产节拍快，易于批量化生产。
Description
技术领域
本发明属于多孔金属材料技术领域，具体涉及一种泡沫铝净成形件的制备方法。
背景技术
泡沫铝密度低、比强度高，具有能量吸收、阻尼吸声和阻燃隔热等优良性能，在航空航天、机械制造和汽车、列车等领域的应用正快速发展。在当前汽车车身轻量化的迫切需求带动下，轻量化、高吸能的泡沫铝净成形构件的制备和应用正受到研究者的高度重视。
目前，产业化的泡沫铝直接成型构件采用粉末致密化发泡法。其主要流程是采用金属粉为原料，通过冷压、热压等工艺制备预制体，而后在模具内发泡制得净成形件。该方法生产工艺复杂，生产效率较低，原材料、模具和工艺成本均较高，难以大规模应用。基于液相法的熔体法发泡法和和注气发泡法的铝熔体中添加了显著增大熔体粘度的增粘剂或陶瓷颗粒，形成气泡后流动性差，且需要保温发泡，难以采用常规的铸造技术直接注模成型。使用液相法制备可发泡预制体的主要难点在于发泡剂在高温下迅速分解，且含有增粘剂或颗粒的铝熔体流动性极差，难以快速批量制备致密、复杂构型的预制体。并且预制体升温发泡过程中容易出现受热不均导致局部不完全发泡，或因预制体不致密造成密度和孔结构不一致，且发泡剂在预制体熔化前即开始分解易导致裂纹等缺陷。目前，还没有可批量化生产的采用液相法制备预制体、而后升温发泡制备较高一致性的孔结构和性能的泡沫铝净成形构件工艺。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种基于液相法制备发泡简单构型预制体，而后气体保护发泡制备复杂形状泡沫铝净成形件的方法。
为达到上述目的，采用以下技术方案：
一种基于液相法发泡制备泡沫铝净成形件的方法，具体为一种通过液相法制备预制体，发泡制备泡沫铝净成形件，该方法操作步骤如下：
(1)发泡剂预处理：将发泡剂氢化钛在空气气氛中加热至460-520℃，保温抽真空，而后保压随炉冷却至室温；
(2)添加气泡稳定剂：将铝合金在坩埚内熔化，而后在680-720℃向熔融的铝合金中搅拌加入气泡稳定剂；
(3)添加发泡剂：将铝液降温至620-645℃，在搅拌下加入预处理后的发泡剂，并搅拌混匀；
(4)挤压铸造：停止搅拌后，快速将熔体浇铸预制体模具内，通过挤压铸造将铝液中的气体排出并快速凝固，制备出致密的简单构型发泡预制体；
(5)气体保护发泡：将预制体表面氧化物打磨掉，切块，装入预热后的发泡模具中，而后将模具送入可密封的加热炉炉腔内，腔体密封后抽真空，之后通入氮气或惰性保护气体；
(6)随模缓冷：将模具从炉体内转移出，在气体保护下缓慢冷却，之后开模取出，制得泡沫铝净成形件。
上述一种基于液相法发泡制备泡沫铝净成形件的方法，其中：
所述步骤(1)中，保温真空处理时，气体压力需降低至200-480Pa。
所述步骤(2)中，铝合金优选为Si质量分数为7-12wt％的AlSi合金，或者Cu质量分数为4-6wt％，Si质量分数为3-7wt％的AlSiCu合金，所述铝合金中还可以含有质量分数为0-1wt％的包括Mg和Zn在内的其他金属元素，其余为铝。
所述步骤(2)中，气泡稳定剂的成分为金属钙和金属铝粉，二者在铝合金中的质量分数为金属Ca 0.2-1.0wt％、金属铝粉8-20wt％。
所述步骤(3)中，向熔融的铝合金中加入质量分数为0.8-1.2wt％的预处理后的发泡剂，然后以800rpm的速度搅拌120-300s。
所述步骤(4)挤压铸造过程，需施加20-50MPa压力将铝液中气体挤出，并保压凝固形成致密预制体。
所述步骤(5)中预制体发泡过程中，预制体放入到预热模具中后，先抽气，而后通入保护气体，在保护气氛下发泡可将多块预制体形成的泡沫融合，在模具中形成复杂构型净成形件；所述保护气体为氮气或氩气等惰性气体，模具预热温度为640-700℃，预制体的发泡温度为630-680℃之间，保温时间为14-25min；
所述步骤(6)中的冷却过程为氮气或惰性气氛保护下气氛保护随模缓冷。
本发明的有益效果：
(1)氢化钛经过高温和真空两步联合处理，其成分转化为以TiH1.5为主，显著减缓发泡剂在高温下的分解速度。采用熔点较低的Si含量为7-12wt％的铝硅合金或者Cu含量为6wt％，Si含量为3-7wt％的AlSiCu合金，在620-640℃下加入预处理发泡剂，可极大程度减少混合和铸造过程中发泡剂的分解，增加预制体的致密性而在预制体发泡过程中取得较大的膨胀率；如附图1所示，在加入高温真空联合处理后发泡剂时，液态泡沫的膨胀速度显著减缓，而加入仅采用氧化处理发泡剂时，泡沫体迅速膨胀。
(2)通过采用AlSi和AlCuSi等铸造过程流动性较好的合金和控制金属Ca的加入量，并添加金属铝粉作为辅助气泡稳定剂，减少气泡稳定剂对于熔体流动性的影响，以保证铝熔体从搅拌炉注入挤压铸造模具时的流动性，有益于提升预制体制备的良品率。
(3)采用挤压铸造工艺制备预制体，在成型过程中将已形成的气泡挤出，并保压凝固，减少铝液凝固过程中发泡剂的分解，使预制体致密度提升，减少发泡过程中因预制体内孔隙率高造成的受热不均；通过发泡剂预处理和高温搅拌混合，改变了发泡剂的分解行为。如附图3所示，预制体在熔化后继续升温过程中快速膨胀，有助于消除因发泡剂低温分解造成的孔结构缺陷，提高泡沫体的膨胀率和孔结构均匀度的可控性。
(4)预制体发泡过程中，通过抽真空和氮气或惰性气体保护，使预制体发泡后相互之间形成的新生表面实现冶金熔合。利用该方法，可使用简单构型预制体制备大型复杂的泡沫铝净成形件；如附图4为多块预制体熔合制备的“回”字形净成形件。
(5)在冷却过程中采用随模缓冷，首先在泡沫体构件外表面形成致密层，而后向内侧缓慢凝固，可使净成形件外表面成型精度偏差小于0.5mm，避免因快速冷却造成样品表面气泡收缩褶皱，影响表面成型精度。如附图6所示，经过测量，净成形件表面公差小于0.5mm。
(6)本发明方法易于实现低成本批量生产。预制体构型简单，铝液流动性较好，可采用一模多穴方式制备多件预制体，也可采用一炉多模发泡制备净成形件，从而提高预制体生产效率。发泡过程中，没有高温下铝液对发泡模具表面的冲刷作用，减小了铝液对模具内表面的侵蚀，提高模具寿命，从而降低模具成本。
附图说明
图1高温真空联合处理后预制体发泡膨胀率；
图2为实施例1中制备的条状预制体；
图3为预制体在熔化后升温过程中的膨胀变化曲线；
图4为多块预制体熔合制备的“回”字形净成形件；
图5为块状预制体；
图6为实施例3制备的预制体发泡融合后泡沫铝净成形件剖面；
图7为实施例3制备的泡沫铝净成形件三维蓝光扫描结果与图纸对比差异；
图8为实施例4制备的矩形截面净成形件；
图9为对比例制备的泡沫铝情况。
具体实施方式
实施例1
一种基于液相法发泡制备泡沫铝净成形件的方法，具体操作步骤如下：
(1)发泡剂预处理：将发泡剂氢化钛放置于真空处理炉内，空气气氛加热至500℃，保温并抽真空，使腔内压力降低至280Pa，而后停止加热，随炉缓冷；
(2)添加气泡稳定剂：将800g含有质量分数10.0％硅的铝合金在坩埚内熔化，而后在720℃向熔融的铝合金中搅拌加入质量分数为1.0％的金属钙和8.0％的金属铝粉，以500rpm的速度搅拌180s混合均匀；
(3)添加发泡剂：将铝熔体温度降低至630℃，而后加入质量分数为1.0％预处理后的氢化钛，以800rpm的速度搅拌120s，而后快速将熔体浇铸至预制体模具内；
(4)挤压铸造：挤压合模并施加20MPa压力使预制体凝固成型，制备致密的条状预制体，如图2所示；
(5)气体保护发泡：将条状预制体表面氧化物打磨掉，并切割成小段。将发泡模具送入650℃加热炉中预热，模具预热完成后打开发泡模具，装入预制体并送入气氛加热炉中。关闭气氛加热炉炉门，打开真空泵抽气1min，关闭真空泵，通入N2。在640℃保温发泡20min；
(6)随模缓冷：将发泡模具从气氛加热炉中移出至冷却位，气氛保护下缓慢冷却，而后打开炉门和模具取出泡沫铝净成形件。
实施例2
一种基于液相法发泡制备泡沫铝净成形件的方法，具体操作步骤如下：
(1)发泡剂预处理：将发泡剂氢化钛放置于真空处理炉内，空气气氛加热至460℃，保温并抽真空，使腔内压力降低至200Pa，而后停止加热，随炉缓冷；
(2)添加气泡稳定剂：将1200g含有质量分数12.0％硅的铝合金在坩埚内熔化，而后在720℃向熔融的铝合金中搅拌加入质量分数为0.5％的金属钙和15.0％的金属铝粉，以500rpm的速度搅拌180s混合均匀；
(3)添加发泡剂：将铝熔体温度降低至625℃，而后加入质量分数为1.2％的预处理后的氢化钛，以800rpm的速度搅拌240s，而后快速将熔体浇铸至预制体模具内；
(4)挤压铸造：挤压合模并施加40MPa压力使预制体凝固成型，制备致密的块状预制体；
(5)气体保护发泡：将块状预制体表面氧化物打磨掉，并切割成小块。将发泡模具送入660℃加热炉中预热，模具预热完成后打开发泡模具，装入多块发泡预制体并送入气氛加热炉中。关闭气氛加热炉炉门，打开真空泵抽气2min，关闭真空泵，通入Ar气保护。在650℃保温发泡18min；
(6)随模缓冷：将发泡模具从气氛加热炉中移出至冷却位，气氛保护下缓慢冷却，而后打开炉门和模具取出泡沫铝净成形件。制备的“回”字型净成形件如图4所示。
实施例3
一种基于液相法发泡制备泡沫铝净成形件的方法，具体操作步骤如下：
(1)发泡剂预处理：将发泡剂氢化钛放置于真空处理炉内，空气气氛加热至520℃，保温并抽真空，使腔内压力降低至480Pa，而后停止加热，随炉缓冷；
(2)添加气泡稳定剂：将1500g含有质量分数为7.0％硅和5.0％的Cu的铝合金在坩埚内熔化，而后在720℃向熔融的铝合金中搅拌加入质量分数为0.2％的金属钙和20.0％的金属铝粉，以500rpm的速度搅拌200s混合均匀；
(3)添加发泡剂：将铝熔体温度降低至640℃，而后加入质量分数为1.2％的预处理后的氢化钛，以800rpm的速度搅拌240s，而后快速将熔体浇铸至预制体模具内；
(4)挤压铸造：挤压合模并施加50MPa压力使预制体凝固成型，制备致密的块状预制体，如附图5所示；
(5)气体保护发泡：将发泡模具送入690℃加热炉中预热，模具预热完成后打开发泡模具，装入多块发泡预制体并送入气氛加热炉中。关闭气氛加热炉炉门，打开真空泵抽气1min，关闭真空泵，通入N2气保护。在670℃保温发泡23min；
(6)随模缓冷：将发泡模具从气氛加热炉中移出至冷却位，气氛保护下缓慢冷却，而后打开炉门和模具取出泡沫铝净成形件。制备的净成形件如图6所示。对其外观进行检测，如附图7所示，其表面偏差小于0.5mm。
实施例4
一种基于液相法发泡制备泡沫铝净成形件的方法，具体操作步骤如下：
(1)发泡剂预处理：将发泡剂氢化钛放置于真空处理炉内，空气气氛加热至520℃，保温并抽真空，使腔内压力降低至480Pa，而后停止加热，随炉缓冷；
(2)添加气泡稳定剂：将1200g含有质量分数7.0％硅的铝合金在坩埚内熔化，而后在720℃向熔融的铝合金中搅拌加入质量分数为0.2％的金属钙和20.0％的金属铝粉，以500rpm的速度搅拌180s混合均匀；
(3)添加发泡剂：将铝熔体温度降低至645℃，而后加入质量分数为0.8％的预处理后的氢化钛，以600rpm的速度搅拌180s，而后快速将熔体浇铸至预制体模具内；
(4)挤压铸造：挤压合模并施加25MPa压力使预制体凝固成型，制备致密的块状预制体；
(5)气体保护发泡：将块状预制体切割出1块200g的样块。将矩形发泡模具送入700℃加热炉中预热，模具预热完成后，装入多块发泡预制体并送入气氛加热炉中。关闭气氛加热炉炉门，打开真空泵抽气1min30s，关闭真空泵，通入N2气保护。在680℃保温发泡20min；
(6)随模缓冷：将发泡模具从气氛加热炉中移出至冷却位，气氛保护下缓慢冷却，而后打开炉门和模具取出泡沫铝净成形件。制备的矩形截面净成形件如图8所示。
对比例
一种基于液相法发泡制备泡沫铝净成形件的方法，具体操作步骤如下：
(1)发泡剂预处理：将发泡剂氢化钛放置于真空处理炉内，空气气氛加热至520℃，保温20min而后停止加热，随炉缓冷；
(2)添加气泡稳定剂：将1500g含有质量分数为10.0％硅的AlSi合金在坩埚内熔化，而后在720℃向熔融的铝合金中搅拌加入质量分数为3％的金属钙，以500rpm的速度搅拌200s混合均匀；
(3)添加发泡剂：将铝熔体温度降低至635℃，而后加入质量分数为1.2％的预处理后的氢化钛，以800rpm的速度搅拌240s，而后快速将熔体浇铸至预制体模具内。因铝液内存在大量气泡，且粘度较大，不能充满预制体模具，且预制体内存在大量大小不一的气泡；
(4)保温发泡：将矩形截面发泡模具送入690℃加热炉中预热，模具预热完成后，装入预制体。在670℃保温发泡20min，泡沫体仅部分发泡，没有充满矩形模具；
(5)快速冷却：将发泡模具从加热炉中移出，模具表面喷水进行快速冷却，冷却后的泡沫体与模具内壁接触部分表面出现明显的凹凸不平，与模具内壁差异较大，如图9所示。
Claims (8)
1.一种基于液相法发泡制备泡沫铝净成形件的方法，其特征在于操作步骤如下：
(1)发泡剂预处理：将发泡剂氢化钛在空气气氛中加热至460-520℃，保温抽真空，而后保压随炉冷却至室温；
(2)添加气泡稳定剂：将铝合金在坩埚内熔化，而后在680-720℃向熔融的铝合金中搅拌加入气泡稳定剂；
(3)添加发泡剂：将铝液降温至620-645℃，在搅拌下加入预处理后的发泡剂，并搅拌混匀；
(4)挤压铸造：停止搅拌后，快速将熔体浇铸预制体模具内，通过挤压铸造将铝液中的气体排出并快速凝固，制备出致密的简单构型发泡预制体；
(5)气体保护发泡：将预制体表面氧化物打磨掉，切块，装入预热后的发泡模具中，而后将模具送入可密封的加热炉炉腔内，腔体密封后抽真空，之后通入氮气或惰性保护气体；
(6)随模缓冷：将模具从炉体内转移出，在气体保护下缓慢冷却，之后开模取出，制得泡沫铝净成形件。
2.根据权利要求1所述的一种基于液相法发泡制备泡沫铝净成形件的方法，其特征在于所述步骤(1)中，保温真空处理时，气体压力需降低至200-480Pa。
3.根据权利要求1所述的一种基于液相法发泡制备泡沫铝净成形件的方法，其特征在于所述步骤(2)中，铝合金为Si质量分数为7-12wt％的AlSi合金，或者Cu质量分数为4-6wt％，Si质量分数为3-7wt％的AlSiCu合金，所述铝合金中还可以含有质量分数为0-1wt％的包括Mg和Zn在内的其他金属元素，其余为铝。
4.根据权利要求1所述的一种基于液相法发泡制备泡沫铝净成形件的方法，其特征在于所述步骤(2)中，气泡稳定剂的成分为金属钙和金属铝粉，二者在铝合金中的质量分数为金属Ca 0.2-1.0wt％、金属铝粉8-20wt％。
5.根据权利要求1所述的一种基于液相法发泡制备泡沫铝净成形件的方法，其特征在于所述步骤(3)中，向熔融的铝合金中加入质量分数为0.8-1.2wt％的预处理后的发泡剂，然后以800rpm的速度搅拌120-300s。
6.根据权利要求1所述的一种基于液相法发泡制备泡沫铝净成形件的方法，其特征在于所述步骤(4)挤压铸造过程，施加20-50MPa压力将铝液中气体挤出，并保压凝固形成致密预制体。
7.根据权利要求1所述的一种基于液相法发泡制备泡沫铝净成形件的方法，其特征在于所述步骤(5)中预制体发泡过程中，预制体放入到预热模具中后，先抽气，而后通入保护气体，在保护气氛下发泡可将多块预制体形成的泡沫融合，在模具中形成复杂构型净成形件；所述保护气体为氮气或氩气惰性气体，模具预热温度为640-700℃，预制体的发泡温度为630-680℃之间，保温时间为14-25min。
8.根据权利要求1所述的一种基于液相法发泡制备泡沫铝净成形件的方法，其特征在于所述步骤(6)中的冷却过程为氮气或惰性气氛保护下气氛保护随模缓冷。
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