粉末法制備泡沫鋁

粉末法制備泡沫鋁

0泡沫金屬的應用泡沫金屬是一種由金屬基礎設施和孔腔組成的新多孔材料。這是多孔材料的一個分支。一般來說，它指的是孔腔干燥率為40%98%的多孔金屬。由于其結構的特殊性,使它既具有金屬的特性又有氣泡特性,即既具有一般多孔材料所具有的輕質特性,又具有金屬的優(yōu)良機械性能和熱、電等物理性能。如輕質、滲透、能量吸收、熱性能、高比表面積、電磁屏蔽性能等。現(xiàn)在,國外泡沫金屬的應用主要有:防火和吸(隔)音板、沖擊能量吸收材料、建筑板、半導體氣體擴散盤、緊湊熱交換器、液體控制裝置、電磁屏蔽物和過濾器等方面?？蓱迷谟钪妗⒑娇铡⒑教?、船舶、電子、汽車制造和建筑業(yè)等領域中,應用領域正在不斷擴大。泡沫金屬根據(jù)其內部孔隙結構的不同可分為:開孔結構和閉孔結構?？蓱迷S多方法制造泡沫金屬,歸納如表1。這些方法中,采用Fraunhofer的粉末冶金加工工藝(即粉體發(fā)泡法)生產泡沫金屬特別受歡迎,因為它可以生產出性能優(yōu)越、價格便宜的閉孔材料。發(fā)泡通常是指從金屬液體中釋放出氣體,確保氣體不逸出,最后通過冷卻將其穩(wěn)定在液態(tài)泡沫金屬中。1混料和發(fā)泡劑的密度粉末冶金法制備泡沫鋁的基本工藝過程如圖1所示。實驗選用的基體材料為6061粉末,發(fā)泡劑為TiH2粉末。將它們以適當?shù)谋壤谛行鞘角蚰C中混合。實驗中發(fā)泡劑的含量不超過1wt%。通過混合,發(fā)泡劑均勻地分布在基體粉末中。因6061粉末和發(fā)泡劑顆粒的密度不同,故要獲得均勻的混合物,混料是一關鍵的工藝。將混合粉末用20～30MPa的壓力在圓柱模中壓制成直徑為20mm,高度為16mm的圓柱試樣,然后在380～450℃之間燒結,保溫時間為一個半小時左右。隨后將試樣在400℃左右熱壓成無孔隙的半成品,其密度可達鋁合金的90%以上。半成品試樣在基體熔點以上的溫度加熱發(fā)泡,加熱速度為30℃/min左右,保溫時間在15min內。在一定溫度下,保溫時間、加熱速度是影響泡沫鋁密度的關鍵因素,因為在泡沫張大過程中,孔的張大、合并進行得相當快。泡沫鋁的孔隙率可通過改變發(fā)泡劑的含量和半成品發(fā)泡時的加熱條件來控制。最終的泡沫鋁有一閉合的表面層。試樣被切成兩部分,可看到明顯的孔隙結構,如圖2所示。2實驗技術分析2.1混料均勻程度的影響因素混合后粉末不應當發(fā)生加工硬化和粉碎,或者是造成一種組元覆蓋在另一種組元的表面上。制品燒結后的性能及發(fā)泡效果,在很大程度上取決于物料混合后各組元分布的均勻程度。發(fā)泡劑在6061粉末中是否均勻分布亦即混料的均勻程度決定發(fā)泡效果,如氣孔均勻度、孔徑大小等,因此要求混料時做到盡可能的均勻。而混料均勻程度的影響因素主要有:球料比、混料時間、轉速。實驗中球料比以2:1或3:1為宜,轉速為100～120r/min,混料時間為60～70min。球料比過高或者轉速太快都容易造成結塊,從而導致混料的不均勻,對后面的發(fā)泡不利;而且鋁粉和TiH2都是易燃、易爆物,所以球料比和轉速都必須控制在一定的范圍,否則容易造成爆炸。為了防止鋁在較高溫度下被氧化和避免危險的產生,混料時需在球磨罐中充入一定的保護性氣體,如氦氣、氬氣、氮氣等。圖3為本實驗中發(fā)泡前的半成品試樣的掃描電鏡形貌圖,從圖3(a)和3(b)中可看出,盡管有一些不同尺寸的TiH2顆粒,但它們的分布基本上還是均勻的。鋁基體是灰黑色的,TiH2顆粒是白色的,其含量為0.8wt%。2.2試驗結果分析第一次壓制后試樣的密度可達理論密度的70%左右,其孔隙率較高,如果直接發(fā)泡,實驗結果表明達不到理想的發(fā)泡要求,因為試樣本身就存在許多微孔,加熱過程中,發(fā)泡劑分解,氣體從微孔中釋放,以致發(fā)泡后孔隙很小,圖4為一次壓制發(fā)泡后斷面的掃描電鏡形貌圖。從圖4可看出,黑色區(qū)域為孔隙,白色區(qū)域為鋁基體,盡管孔隙比較均勻,但氣孔非常小,只有40～50μm。為了獲得理想的孔隙率,需要對試樣進一步壓實,進一步減小壓坯空洞體積,達到幾乎堵塞內部氣體外泄的每一個通道,從而得到低孔型率甚至無孔制品。為此,采取熱壓的方法,使其密度達到理論密度的90%以上。熱壓過程中,加熱溫度受發(fā)泡劑的分解溫度和6061合金的熱壓溫度限制,實驗中加熱溫度為400℃,保溫時間為1h。試樣經過燒結并保溫后,從燒結爐中迅速取出送到壓力機機架上并快速加壓。試樣在快速壓下過程中,發(fā)生塑性變形,壓坯間的孔隙大大減小,最終試樣密度可達理論密度的90%以上,這也是發(fā)泡必需的條件。3.3保溫時間對孔隙率的影響為了提高加熱速率和實驗效率,預先把加熱爐升溫到600℃,因為當加熱速率太低時,發(fā)泡性能可能會下降?？赡苁且驗榧訜岬?00℃以上時,TiH2開始緩慢分解,如果在這一溫度停留時間過長,氣體會從粉末顆粒之間的微孔逃逸。因此,預先加熱是提高加熱速率,使TiH2快速分解并保留在基體中,達到理想的孔隙結構的有效方法。圖5示出了實驗中加熱速率對孔隙率的影響。在一定溫度下的保溫時間也很重要,如果時間過短,TiH2可能分解不完全,試樣來不及脹大;如果時間過長,當試樣膨脹達到最大后,由于表面張力,金屬從孔壁向孔邊流動,以及由于金屬本身的重力熔融金屬從孔向下流動。圖6描述了保溫時間對孔隙率的影響。3結論(1)粉末冶金是一種簡單、可靠的制備泡沫金屬的方法。應用該方法已制備出相對密度為0.2～0.6,平均孔徑為2～5mm,孔隙率為40%～85%的泡沫鋁試樣。(2)泡沫鋁的結構性能由制備工藝參數(shù)相可制約相互影響,即混合條件、壓縮條件以及發(fā)泡過程中的加熱溫度、加熱速率和保溫時間是控制泡沫鋁的關鍵因素。(3)在Ti