CN1273630C - 二次泡沫化制备泡沫铝合金异形件的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于制备泡沫铝合金异形件的二次发泡制备泡沫铝合金的方法，包括以下几步：首先将铝合金加热至熔化，并加入钙至铝合金熔液中，充分搅拌均匀；再加入氢化钛，搅拌，使氢化钛在熔体充分混合均匀获得一次发泡泡沫铝合金熔体，然后迅速提出搅拌桨，将一次发泡泡沫铝合金熔体快速冷却获得一次发泡铝合金；再将冷却后的一次泡沫铝合金加热，并保温，然后将保温后的铝合金压制成预制件，最后将铝合金预制件放入模具中，并保温，使得铝合金预制件泡沫化，然后将发泡后的泡沫铝合金冷却，获得二次泡沫铝合金。

Description

二次泡沫化制备泡沫铝合金异形件的方法

                            技术领域

本发明涉及一种泡沫铝合金的制备方法，尤其涉及一种二次泡沫化制备泡沫铝合金的方法。

                            背景技术

以闭孔泡沫铝为重点的超轻型金属结构，由于特殊的孔隙结构，实现了结构材料轻质、多功能化，从而成为当前航天以及高技术的热点。

由于汽车等民用及高技术领域的需求，泡沫铝异形件正成为泡沫金属制备领域中的前沿。传统的熔体发泡法直接制备异形件存在着困难，而粉末冶金法制备泡沫铝异形件则存在成本高、工艺不稳定等缺陷。

                            发明内容

本发明提供一种可用于制备泡沫铝合金异形件的低成本的二次泡沫化制备泡沫铝合金制备方法。

本发明采用如下技术方案：

一种二次泡沫化制备泡沫铝合金异形件的方法，包括以下几步：

第一步：将铝合金加热至熔化，加入相当于铝合金加入量(重量百分比)的0.5％-5％的钙至铝合金熔液中，搅拌均匀；再加入相当于铝合金重量的0.5％-5％的氢化钛，以800～5000rpm的速度搅拌20～100秒，使氢化钛在熔体混合均匀，然后提出搅拌桨，获得一次泡沫化铝合金熔体，再将一次泡沫化泡沫铝合金熔体快速冷却获得一次泡沫化铝合金；

第二步：将上述一次泡沫化铝合金加热到300～500℃，并保温0.3～3小时，然后将保温后的一次泡沫化铝合金在100～1000MPa的压强下热压，压制成二次泡沫化铝合金预制件，

第三步：将上述二次泡沫化铝合金预制件放入650℃～850℃的异形中空模具中，并保温5～20分钟，使得二次泡沫化铝合金预制件熔化，同时使得一次泡沫化过程中氢化钛分解剩余的氢分解出来，使得二次泡沫化铝合金预制件在异形中空模具中泡沫化，然后将发泡后的泡沫铝合金冷却，脱模，可获得二次泡沫化铝合金异形件。

发明原理：

氢化钛是铝合金泡沫化的驱动力，在泡沫化过程中，氢化钛的分解量一直没有引起人们的重视，本发明在对氢化钛的分解过程进行定量分析的基础上，获得了本发明的技术方案。

氢化钛分解温度对氢气产率的影响：对氢化钛分解动力学方程组，可以计算在903k、913k、923k、933k、943k下氢气一次产率f₁随时间变化的曲线，结果如附图1。由附图1可知，相同的分解时间下，温度越高，氢气一次产率f₁越高；分解时间越长，氢气的一次产率f₁越高。670℃下氢气产率f₁比650℃高60％以上。

氢化钛分解时间对氢气产率的影响：附图2是温度为923k下，预分解时间分别为0s(即一次分解)、60s、80s、100s、120s、150s的氢气二次产率f₂随时间变化的关系。由附图2可见，二次分解曲线和预分解曲线形状相似，但二次产率f₂明显降低，且预分解时间越长，二次分解氢气产率f₂就越低。但是，即使预分解时间达到150s，其二次分解氢气产率f₂均大于10％。

连续升温条件下氢化钛二次分解的氢气产率：附图3为预分解温度分别为923k、933k、943k、953k，预分解时间为80s的二次连续升温分解曲线，升温速率为1.26k/s。由附图3可知，在同一预分解时间下，预分解温度越高，连续升温二次分解氢气的产率越低。连续升温条件下的氢气二次产率均大于10％。

而形成泡沫铝合金所必需的氢气的计算如下：

在一次泡沫化过程中，氢化钛分解产生的氢气的绝大部分由于搅拌逃散到空气中或者燃烧掉，只有一部分存留在熔体中以形成泡沫铝合金。下面计算形成一定孔隙率的泡沫铝合金所必需的氢气量：熔体泡沫化冷却前熔体泡沫中氢气的质量。

以熔体发泡法泡沫化条件计算为例：泡沫化温度为T，铝合金熔体的质量为m_Al，氢化钛的加入质量占铝合金的百分比为a，在冷却前泡沫铝合金中氢气的体积为V_g，孔隙率为Pr，气泡的平均内压力为P_内，在快速冷却过程中，氢化钛分解放出的气体量忽略不计(可通过控制使得泡沫铝合金熔体孔隙率较低从而使其很快冷却)，因而泡沫铝合金冷却前气泡内的气体的质量m_f为：

氢化钛总的含氢质量m₀为：

$m_0=m_{\mathrm{Al}}\·a\·\frac{1.94}{1.94+48}---\left(2\right)$

因而泡沫铝合金冷却前气泡内的气体的质量m_f(即形成泡沫铝合金所必需的氢气质量)占氢化钛总的含氢质量m₀的百分比k为：

计算k还需要确定P_内，过程如下：

气泡阻力主要由三个部分组成：铝合金熔体的静压力P₁，由表面张力引起的附加压力ΔP和大气压力P_大气压，在气泡内压力P_内与气泡膨胀的阻力之间达到动态平衡：

                P_内＝P_大气压+P₁+ΔP                (4)

其中，P₁＝ρ_Al.g.h，在通常的泡沫化条件下，泡沫铝合金的最高高度h可达到200mm，则熔体最大的静压强P₁＝0.054×10⁵N/m²，附加压强为ΔP＝2.σ/r，铝合金的表面张力为0.98N/m，气泡的平均半径(均匀化搅拌以后)在0.0008m～0.003m左右，因而附加压强最大值达约为0.0245×10⁵N/m²。对于微小气泡，由于附加压力产生的内压力较大，但是其总体积也很小，因而其总量很少，可以忽略。

因此，由式(4)可得：P_g≈1.09175×10⁵Pa；

由(3)可以计算形成泡沫铝合金所必需的氢气质量占氢化钛总的含氢质量的百分比不超过7.13％。

因而，常规泡沫化条件下的氢化钛二次分解的气体量(大于10％)大于形成泡沫铝合金所必需的氢气量(小于7.13％)，二次泡沫化是有理论基础的。

因而从生产上，首先是控制合适的预分解的时间，其次是控制再加热过程中氢气的损失。在生产上，前者通过合适的冷却时机和冷却强度可以控制。后者可采用两个手段：一、控制预制件的致密度，主要通过本发明技术方案中热压的压力和温度来控制致密度；二、控制加热速度，主要通过本发明技术方案中的二次发泡温度来控制。较大的致密度可以使得在氢化钛在再加热过程中氢化钛分解的气体被封闭在致密的实体内；而控制加热速度可以使得氢化钛再分解的时间减短，从而减少氢气的损失。

本发明获得如下技术效果：

1.本发明中将氢化钛分布均匀的一次泡沫化铝合金采用热压的手段致密化做成预制件，再加热，利用因氢化钛在一次泡沫化过程中分解不完全而残余的氢化钛分解产生的氢气，使得受热熔化后的铝合金熔体二次泡沫化，获得泡沫铝合金；如果将预制件放在一定中空形状的模具里面可获得孔隙率均匀的泡沫铝合金异形件，这是传统的熔体发泡法不能获得的。

2.本发明无需对氢化钛氢化钛做任何处理，具有工艺过程简单、成本低、工艺可靠的特点。

3.本发明在钙增粘的熔体发泡法基础上发展而来的，钙增粘的机理与碳化硅陶瓷颗粒增粘的机理有所不同，钙加入铝合金熔体后产生的增粘作用的主要是金属间化合物；钙增粘的铝合金熔体通过搅拌过程中反应获得分布均匀的金属间化合物，因而具有粘度均匀的特点，这些金属间化合物在热压以及再加热的过程中分布依然是均匀的，因而容易获得孔结构均匀的二次泡沫化铝合金；而碳化硅陶瓷增粘的泡沫铝合金，其分布不易均匀，因而制备的泡沫铝合金不易均匀，此外由于碳化硅陶瓷颗粒自身的不稳定性也会导致一系列产品问题。

4.由于常规一次泡沫化条件下剩余的氢化钛在再加热过程中能够产生足够的氢气，因而本发明可制备较高孔隙率(孔隙率范围50～90％)的二次泡沫化泡沫铝合金异形件。

5.本发明采用加大冷却强度、采用压力降低铝合金孔隙率的方法使得一次泡沫化铝合金熔体的冷却时间减少，从而减少氢化钛在一次分解过程中的分解量。

根据氢化钛分解动力学计算可知，在泡沫铝合金冷却过程中，氢化钛分解量会呈指数下降，在冷却过程中，氢化钛中的氢会有部分损失，但是量较少，此外冷却越快，分解量下降趋势也越快；在泡沫铝合金的冷却过程中孔隙率越低，其导热系数越大，传热越快；所以用压力降低一次泡沫化铝合金熔体的孔隙率，对于减少在冷却过程中一次泡沫铝合金的冷却时间效果更好，从而可使得有较多未分解完全的氢化钛用于二次泡沫化，有利于进一步提高二次泡沫化的泡沫铝合金的孔隙率。

6.本发明通过一次泡沫化过程中的搅拌使得氢化钛均匀的分散在一次泡沫化铝合金熔体中，通过热压提高二次泡沫化铝合金预制件致密度，从而使得二次泡沫化过程中氢气量的损失减少，热压压力的提高和热压温度的提高有利于进一步提高二次泡沫化铝合金预制件的致密度；此外，热压还可以提高氢化钛分布的均匀性，从而提高二次泡沫化铝合金的均匀性。

7.对二次泡沫化铝合金预制件加热，可使得二次泡沫化铝合金预制件熔化，同时其中残余的氢化钛分解产生氢气使其泡沫化，获得二次泡沫化泡沫铝合金，提高加热温度，可使得预制件加热速度提高，从而减少氢气的损失量，还可以进一步提高氢化钛的分解量(由附图1可以看出)，进而提高泡沫铝合金的孔隙率。

                            附图说明

图1是根据氢化钛分解动力学计算的630℃、640℃、650℃、660℃和670℃定温条件下热分解曲线；

图2是根据氢化钛分解动力学计算的650℃下，氢化钛预分解时间分别为0s，60s，80s，100s，120s，150s的氢气二次产率与时间的关系曲线；

图3是根据氢化钛分解动力学计算的650℃、660℃、670℃和680℃下，预分解时间为80s的氢化钛二次加热(与预分解温度相同)连续升温氢气二次产率与时间的关系曲线(升温速率)。

                         具体实施方式

实施例1

一种二次泡沫化制备泡沫铝合金异形件的方法，包括以下几步：

第一步：将铝合金加热至熔化，加入相当于铝合金加入量(重量百分比)的0.5％-5％的钙至铝合金熔液中，搅拌均匀(搅拌速度可以是300～600rpm)；再加入相当于铝合金重量的0.5％-5％的氢化钛，以800～5000rpm的速度搅拌20～100秒，使氢化钛在熔体混合均匀，然后提出搅拌桨，获得一次泡沫化铝合金熔体，再将一次泡沫化泡沫铝合金熔体快速冷却获得一次泡沫化铝合金；其中，铝合金可以是铸造铝硅系合金，如ZL101，ZL102，ZL111系列合金，也可以是铸造铝铜系合金，如ZL201，ZL202，ZL205系列合金，也可以是主要含铜或者主要含硅的变形铝合金，加入氢化钛以后的搅拌速度为3000rpm，2000rpm，1200rpm，1000rpm相应的搅拌时间可以为30s，45s，80s，90s，可以通过加大冷却强度，如加大冷却水的流速，选用导热快的冷却介质，采用加压，以及加快搅拌速度等手段在短时间内降低一次泡沫铝合金熔体的孔隙率，其中，以加0.01MPa～0.5MPa压强作用与一次泡沫铝合金熔体从而降低其孔隙率的效果最好；

第二步：将上述一次泡沫化铝合金加热到300℃～500℃，并保温0.3～3小时，然后将保温后的一次泡沫化铝合金在100～1000MPa的压强下热压，压制成二次泡沫化铝合金预制件，

其中，热压温度可以为350℃，410℃，450℃，480℃，保温时间可以为0.5小时，1小时，1.8小时，2.5小时，热压压强可以为200MPa，350MPa，420MPa，550MPa，630MPa，760MPa，840MPa，900MPa；

第三步：将上述二次泡沫化铝合金预制件放入650℃～850℃的异形中空模具中，并保温5～20分钟，使得二次泡沫化铝合金预制件熔化，同时使得一次泡沫化过程中氢化钛分解剩余的氢分解出来，使得二次泡沫化铝合金预制件在异形中空模具中泡沫化，然后将发泡后的泡沫铝合金冷却，脱模，可获得二次泡沫化铝合金异形件。

其中，异形中空模具的的模腔中空形状可以是任意形状，包括规则形状和不规则形状，可以是球形、圆柱形、方柱形，或者不规则的抛物面，实施时，可将预制件预先摆放在需要填充泡沫铝合金的模具或零件的中空部分；保温时间可以为5分钟，7.5分钟，8.8分钟，11分钟，14分钟，16分钟，19分钟。

实施例2

一种二次泡沫化制备泡沫铝合金异形件的方法，包括以下几步：

第一步：将铝合金加热至熔化，加入相当于铝合金加入量(重量百分比)的0.5％-5％的钙至铝合金熔液中，搅拌均匀(搅拌速度可以是300～600rpm)；再加入相当于铝合金重量的0.5％-5％的氢化钛，以800～5000rpm的速度搅拌20～100秒，使氢化钛在熔体混合均匀，然后提出搅拌桨，获得一次泡沫化铝合金熔体，再将一次泡沫化泡沫铝合金熔体快速冷却获得一次泡沫化铝合金；其中，铝合金可以是铸造铝硅系合金，如ZL101，ZL102，ZL111系列合金，也可以是铸造铝铜系合金，如ZL201，ZL202，ZL205系列合金，也可以是主要含铜或者主要含硅的变形铝合金，加入氢化钛以后的搅拌速度为3000rpm，2000rpm，1200rpm，1000rpm相应的搅拌时间可以为30s，45s，80s，90s，可以通过加大冷却强度，如加大冷却水的流速，选用导热快的冷却介质，采用加压，以及加快搅拌速度等手段在短时间内降低一次泡沫铝合金熔体的孔隙率，其中，以加0.01MPa～0.5MPa压强作用与一次泡沫铝合金熔体从而降低其孔隙率的效果最好；

第二步：将上述一次泡沫化铝合金加热到300℃～500℃，并保温0.3～3小时，然后将保温后的一次泡沫化铝合金在100～1000MPa的压强下热压，压制成二次泡沫化铝合金预制件，

其中，热压温度可以为350℃，410℃，450℃，480℃，保温时间可以为0.5小时，1小时，1.8小时，2.5小时，热压压强可以为200MPa，350MPa，420MPa，550MPa，630MPa，760MPa，840MPa，900MPa；

第三步：将上述二次泡沫化铝合金预制件放入保持为650℃～850℃的异形中空模具的模腔中，并保温5～20分钟，使得二次泡沫化铝合金预制件熔化，同时使得一次泡沫化过程中氢化钛分解剩余的氢分解出来，使得二次泡沫化铝合金预制件在异形中空模具中泡沫化，然后将发泡后的泡沫铝合金冷却，脱模，可获得二次泡沫化铝合金异形件。

其中，异形中空模具的中空腔形状可以是任意形状，包括规则形状和不规则形状，可以是规则形状：如球形、圆柱形、方柱形，也可以是不规则形状：其外部形状根据与中空模具或中空零件中空腔相匹配，以泡沫铝填满中空模具或中空零件的中空内腔为准；实施时，可根据填充的孔隙率要求，预先计算预制件的质量，并将预制件预先摆放在需要填充泡沫铝合金的模具或零件的中空部分的各个位置；中空模具的温度可以为650℃，660℃，670℃，685℃，698℃，720℃，750℃，780℃，820℃，840℃，保温时间可以为5分钟，7.5分钟，8.8分钟，11分钟，14分钟，16分钟，19分钟，

本实施例中热压温度为400～450℃效果更好，热压压强为500～800MPa效果更好，异形中空模具的温度为680～750℃效果更好。

此方法可以用于制备普通熔体发泡法无法制备的外形复杂的泡沫铝合金异形件：可将预制件放置于需要填充泡沫铝合金的中空模具或者中空零件中，加热发泡可获得外形各异的泡沫铝合金，泡沫铝合金异形件的外形跟模具或零件中的空腔的形状相匹配。

Claims (5)

1.一种二次泡沫化制备泡沫铝合金异形件的方法，其特征在于包括以下几步：

第一步：将铝合金加热至熔化，加入相当于铝合金重量的0.5％-5％的钙至铝合金熔液中，搅拌均匀；再加入相当于铝合金重量的0.5％-5％的氢化钛，以800～5000rpm的速度搅拌20～100秒，使氢化钛在熔体混合均匀，然后提出搅拌桨，获得一次泡沫化铝合金熔体，再将一次泡沫化铝合金熔体快速冷却获得一次泡沫化铝合金；

第二步：将上述一次泡沫化铝合金加热到300～500℃，并保温0.3～3小时，然后将保温后的一次泡沫化铝合金在100～1000MPa的压强下热压，压制成二次泡沫化铝合金预制件，

第三步：将上述二次泡沫化铝合金预制件放入650℃～850℃的异形中空模具的模腔中，并保温5～20分钟，使得二次泡沫化铝合金预制件熔化，同时使得一次泡沫化过程中氢化钛分解剩余的氢分解出来，使得二次泡沫化铝合金预制件在异形中空模具的模腔中泡沫化，然后将发泡后的泡沫铝合金冷却，可获得二次泡沫化铝合金异形件。

2.根据权利要求1所述的二次泡沫化制备泡沫铝合金异形件的方法，其特征在于用0.01MPa～0.5MPa压强作用于一次泡沫化铝合金熔体，使得一次泡沫铝化合金熔体液态孔隙率进一步降低，从而加快一次泡沫化铝合金熔体的冷却。

3.根据权利要求1所述的二次泡沫化制备泡沫铝合金异形件的方法，其特征在于热压温度为400～450℃。

4.根据权利要求1所述的二次泡沫化制备泡沫铝合金异形件的方法，其特征在于热压压强为500～800MPa。

5.根据权利要求1所述的二次泡沫化制备泡沫铝合金异形件的方法，其特征在于异形中空模具的温度为680～750℃。

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