一種低密度小孔徑粉末冶金法泡沫鋁復合結(jié)構(gòu)的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種低密度小孔徑粉末冶金法泡沫鋁復合結(jié)構(gòu)的制備方法，屬于多孔金屬材料【技術(shù)領(lǐng)域】。該方法首先采用振動篩篩分的方式，選擇粒徑大小一致的TiH2粉末做發(fā)泡劑；再將鋁粉、鎂粉、硅粉、發(fā)泡劑粉按一定的比例混合均勻后，采用擠壓成型，制備出可發(fā)泡預制體；最后將可發(fā)泡預制體置入與其復合的模型中，預熱一段時間后，迅速轉(zhuǎn)移到保溫爐中保溫發(fā)泡，冷卻后即可制得泡沫鋁復合結(jié)構(gòu)。采用本發(fā)明方法制得的泡沫鋁材料，密度低、孔徑小、孔結(jié)構(gòu)缺陷少，具有更高的強度和更好的吸能性能，適于推廣應用。
【專利說明】一種低密度小孔徑粉末冶金法泡沬鋁復合結(jié)構(gòu)的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種低密度小孔徑粉末冶金法泡沫鋁的制備方法，屬于多孔金屬材料【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]泡沫鋁復合結(jié)構(gòu)是將泡沫鋁和某種材料(鋼、鋁、銅等)復合后形成的以泡沫鋁為芯材的三明治板或者異形件。它既具有泡沫鋁的輕質(zhì)、比強度高，吸能、吸聲、阻燃、隔熱性能優(yōu)良等特點，又具有復合金屬的強度、硬度等力學性能優(yōu)良的特點，呈現(xiàn)出良好的綜合性能。因此在交通運輸、航空、航天等行業(yè)尤其是汽車工業(yè)上有著廣闊的應用前景。粉末冶金法由于具有短流程、近凈成形的特點，在制備三明治夾芯板和異形件，尤其是一些形狀復雜的異形件時具有得天獨厚的優(yōu)勢。然而現(xiàn)有的粉末冶金法工藝，存在著預制體受熱不均、TiH2分解和預制體熔化時段不匹配的問題，使得制備的泡沫鋁孔結(jié)構(gòu)存在很大的缺陷，綜合性能低下，同時造成生產(chǎn)工藝不穩(wěn)定，產(chǎn)品成品率低，生產(chǎn)成本高，這嚴重影響了泡沫鋁復合結(jié)構(gòu)的應用和推廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]發(fā)明目的:
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種泡沫鋁復合結(jié)構(gòu)的制備方法，同時提高產(chǎn)品的成材 率，并獲得密度低、孔徑小、孔結(jié)構(gòu)缺陷少、綜合性能高的泡沫鋁復合結(jié)構(gòu)件。
[0004]技術(shù)方案:
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實施的:
一種低密度小孔徑粉末冶金法泡沫鋁復合結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于:該方法步驟如下:
(O發(fā)泡劑TiH2的選擇:采用振動篩篩分的方式，選擇粒徑大小一致的TiH2粉末做發(fā)泡劑；
(2)預制體的制備:將鋁粉、鎂粉、硅粉、發(fā)泡劑粉按比例混合均勻后，采用擠壓成型，制備出可發(fā)泡預制體；
(3)低密度小孔徑泡沫鋁的制備:將可發(fā)泡預制體置入與其復合的模型中，預熱一段時間后，迅速轉(zhuǎn)移到保溫爐中保溫發(fā)泡，冷卻后即可制得泡沫鋁復合結(jié)構(gòu)。
[0005]步驟(1)中采用振動篩篩分的方式，篩分時間為30分鐘,每次篩分總量為100g,篩分后選擇粒徑為75 μ m-53 μ m、53 μ m-37 μ m或37 μ m-25 μ m的TiH2粉末做發(fā)泡劑，且所有發(fā)泡劑粉末均采用480°C空氣中加熱氧化90分鐘的處理工藝。
[0006]步驟(2)中發(fā)泡劑TiH2粉末的添加量為可發(fā)泡預制體總質(zhì)量的0.2-0.4%，鎂粉添加量為預制體總質(zhì)量的4-6%,娃粉末添加量為預制體總質(zhì)量的6-8%,余量添加招粉。
[0007]步驟(2)預制體的制備過程為:粉末的混合時間為120分鐘，混合均勻后，采用5000KN的擠壓機，先400MPa冷壓密實，保壓時間為5_10分鐘，然后再加熱到450°C后熱擠壓制坯，擠壓模具采用的擠壓比為8:1-20:1。
[0008]步驟(3)可發(fā)泡預制體預熱后的高溫快速加熱，即先將模型及其置入其中的可發(fā)泡預制體放入到500°C的保溫爐中預熱5-10分鐘，待模具和預制體溫度均達到500°C后迅速轉(zhuǎn)移到760-820°C的加熱爐中保溫加熱，保溫時間為90秒-300秒，冷卻方式為水冷或者水霧冷卻。
[0009]制備的泡沫招密度在0.45g/cm3-0.7 g/cm3,孔徑為0.8-2.0mm。
[0010]優(yōu)點和效果: (1)選擇粒徑一致的小顆粒TiH2做發(fā)泡劑，可大大增加泡沫體生長的穩(wěn)定性，有效分散、減少、甚至消除通孔、裂紋等缺陷；同時還可以通過選擇TiH2的粒徑，來控制泡沫體的孔徑，生產(chǎn)出孔徑在0.8-2mm范圍內(nèi)可調(diào)的泡沫鋁復合結(jié)構(gòu)件；
(2)S1、Mg元素的合理加入進一步穩(wěn)定了泡沫體的結(jié)構(gòu)，提高了復合結(jié)構(gòu)的綜合性能，從而可拓寬泡沫材料的應用范圍；
(3)500°C預熱后，再760-820°C高溫快速加熱的工藝，大大縮短了預制體的熔化時間，減少了因預制體熔化和TiH2分解時段不一致，造成的孔結(jié)構(gòu)缺陷；同時還可以提高發(fā)泡劑TiH2的利用率，使其用量降低到0.2-0.4%范圍內(nèi)，大大降低生產(chǎn)成本；
(4)本發(fā)明可有效減小泡沫鋁復合結(jié)構(gòu)的孔結(jié)構(gòu)缺陷，獲得接近100%的成材率，從而對推進泡沫鋁復合結(jié)構(gòu)的工業(yè)化生產(chǎn)及應用能起到十分積極的作用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1本發(fā)明工藝流程示意圖。
【具體實施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行進一步說明:
本發(fā)明涉及一種低密度小孔徑粉末冶金法泡沫鋁復合結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于:該方法步驟如下:
(O發(fā)泡劑TiH2的選擇:采用振動篩篩分的方式，選擇粒徑大小一致的TiH2粉末做發(fā)泡劑；
(2)預制體的制備:將鋁粉、鎂粉、硅粉、發(fā)泡劑粉按一定的比例混合均勻后，采用擠壓成型，制備出可發(fā)泡預制體；
(3)低密度小孔徑泡沫鋁的制備:將可發(fā)泡預制體置入與其復合的模型中，預熱一段時間后，迅速轉(zhuǎn)移到保溫爐中保溫發(fā)泡，冷卻后即可制得泡沫鋁復合結(jié)構(gòu)。
[0013]上述步驟(1)中采用振動篩篩分的方式，篩分時間為30分鐘，每次篩分總量為100g,篩分后選擇粒徑為75 μ m-53 μ m、53 μ m-37 μ m或37 μ m-25 μ m的TiH2粉末做發(fā)泡劑，且所有發(fā)泡劑粉末均采用480°C空氣中加熱氧化90分鐘的處理工藝。
[0014]上述步驟(2)中發(fā)泡劑TiH2粉末的添加量為可發(fā)泡預制體總質(zhì)量的0.2%-0.4%，鎂粉添加量為預制體總質(zhì)量的4%-6%，娃粉末添加量為預制體總質(zhì)量的6%-8%，余量添加招粉。
[0015]上述步驟(2)預制體的制備過程為:粉末的混合時間為120分鐘，混合均勻后，采用5000KN的擠壓機，先400MPa冷壓密實，保壓時間為5_10分鐘，然后再加熱到450°C后熱擠壓制坯，擠壓模具采用的擠壓比為8:1-20:1。
[0016]上述步驟(3)可發(fā)泡預制體預熱后的高溫快速加熱，即先將模型及其置入其中的可發(fā)泡預制體放入到500°C的保溫爐中預熱5-10分鐘，待模具和預制體溫度均達到500°C后迅速轉(zhuǎn)移到760-820°C的加熱爐中保溫加熱，保溫時間為90秒-300秒，冷卻方式為水冷或水霧冷卻。
[0017]制備的泡沫招密度在0.45g/cm3_0.7 g/cm3,孔徑為0.8-2.0mm。
[0018]本發(fā)明原理如下:
泡沫鋁作為一種多孔材料，孔結(jié)構(gòu)的好壞直接決定了其力學性能的優(yōu)劣。現(xiàn)有的粉末冶金工藝是將預制體加熱到鋁合金熔點以上一般是680-720°C之間進行保溫發(fā)泡，然而TiH2在4001:左右就開始分解，分解溫度明顯低于鋁合金的熔點，這使得泡沫鋁的形核、發(fā)泡從半熔融態(tài)就已經(jīng)開始，而此時預制體的粘度較液態(tài)高很多，各部分分布也很不均勻。所以，最終制得的泡沫鋁材料，與熔體法相比，在孔徑大小方面存在更大的不一致性，且極易形成大的通孔、裂紋等孔結(jié)構(gòu)缺陷。
[0019]采用粒徑大小一致的小粒徑TiH2做發(fā)泡劑，則可以保證在TiH2添加量不變的前提下，顯著提高其顆粒數(shù)量。如TiH2粒徑減小一半，體積則減小到原來的1/8，顆粒數(shù)量將會增大到原來的8倍，形核質(zhì)點顯著增多，從而可大大提高形核率；形核率提高，泡沫體在生長過程中，單位體積內(nèi)氣泡數(shù)量增多，而發(fā)泡驅(qū)動力不變，單個氣泡的平均受力減小，泡沫體生長的穩(wěn)定性增加，氣泡合并均勻進行，制備的泡沫鋁孔徑較小，可有效分散孔結(jié)構(gòu)缺陷，提高力學性能，且不會出現(xiàn)因局部發(fā)泡能力過強，而產(chǎn)生大孔、通孔的現(xiàn)象，可保證孔徑大小的一致性、孔結(jié)構(gòu)的均勻性，從而生產(chǎn)出低密度、小孔徑的復合結(jié)構(gòu)件。
[0020]S1、Mg元素粉末的加入不但可以降低鋁合金的熔點，使其和TiH2的分解溫度更加接近，而且還可以大大提高泡沫體的力學性能，同時形成的合金化合物還可以有效減小泡沫體生長過程中的排液現(xiàn)象，使泡沫體生長更加穩(wěn)定?，F(xiàn)有技術(shù)認為Mg粉添加量應基本控制在1%以下，超過1%后，預制體氧化率增加、膨脹率降低、孔結(jié)構(gòu)惡化，因此對更高Mg添加量的發(fā)泡過程未進行系統(tǒng)研究。本發(fā)明將Mg粉的添加量提高到了 4-6%范圍內(nèi)，結(jié)果表明高加入量的Mg可以提高熔融狀態(tài)的液態(tài)比例，降低表面張力和粘度，從而提高膨脹率，并能進一步減少發(fā)泡劑TiH2的用量，增加發(fā)泡過程的穩(wěn)定性，獲得低密度、小孔徑、高性能的泡沫鋁復合結(jié)構(gòu)。
[0021]760_820°C高溫快速加熱可使預制體迅速達到熔融狀態(tài)，避免因加熱時間過長，預制體受熱不均，各部分發(fā)泡時間不一致，而TiH2過早分解，造成最終泡沫體中出現(xiàn)通孔、裂紋的現(xiàn)象。發(fā)泡之前對預制體和模型進行500°C預熱處理，可消除預制體擠壓成形過程中產(chǎn)生的內(nèi)應力，同時使模型溫度和預制體的溫度與發(fā)泡溫度更加接近，進一步縮短預制體的熔化時間，使發(fā)泡時間更加集中，泡沫體生長過程更加穩(wěn)定。
[0022]實施例1 預制體的制備:
選擇振動篩篩分出的75 μ m-53 μ HiTiH2粉，放入保溫爐中在480°C加熱氧化處理90分鐘，冷卻后按TiH2粉0.3%、Mg粉4%、Si粉7%其余為鋁粉的比例在滾筒混料機上進行混合，混合時間為120分鐘。接下來將混合均勻的粉末置入10:1的擠壓模具中，采用5000KN金屬擠壓機進行擠壓。擠壓方式為首先采用400MPa冷擠壓，保壓時間為5-10分鐘，將混合粉壓成密實的預制體，然后將擠壓模具和預制體一起加熱到450°C后進行熱擠壓，進行制坯。
[0023]泡沫鋁復合結(jié)構(gòu)的制備:
將制備好的可發(fā)泡預制體，置入與其復合的模型中，然后將其一起放入500°C的保溫爐中進行預熱，待模型和預制體溫度均達到500°C后，迅速轉(zhuǎn)移到760°C的加熱爐中保溫加熱，保溫時間為90秒，最后從保溫爐中取出，采用水霧冷卻后即可制得泡沫鋁復合結(jié)構(gòu)。
[0024]采用此工藝制得的泡沫鋁復合結(jié)構(gòu)的平均孔徑為1.8mm，泡沫鋁芯層密度為0.6
/ 3
g/cm ο
[0025]實施例2
選擇振動篩篩分出的53 μ m-37 μ HiTiH2粉，放入保溫爐中在480°C加熱氧化處理90分鐘，冷卻后按TiH2粉0.3%、Mg粉5%、Si粉7%其余為鋁粉的比例在滾筒混料機上進行混合，混合時間為120分鐘。接下來將混合均勻的粉末置入8:1的擠壓模具中，按照例I相同擠壓工藝進行擠壓制坯。
[0026]泡沫鋁復合結(jié)構(gòu)的制備:
將制備好的可發(fā)泡預制體，置入與其復合的模型中，然后將其一起放入500°C的保溫爐中進行預熱，待模型和預制 體溫度均達到500°C后，迅速轉(zhuǎn)移到780°C的加熱爐中保溫加熱，保溫時間為110秒，最后從保溫爐中取出，采用水霧冷卻后即可制得泡沫鋁復合結(jié)構(gòu)。
[0027]采用此工藝制得的泡沫鋁復合結(jié)構(gòu)的平均孔徑為1.2_，泡沫鋁芯層密度為0.45
/ 3
g/cm ο
[0028]實施例3
選擇振動篩篩分出的37 μ m-25 μ HiTiH2粉，放入保溫爐中在480°C加熱氧化處理90分鐘，冷卻后按TiH2粉0.3%、Mg粉6%、Si粉7%，其余為鋁粉的比例在滾筒混料機上進行混合，混合時間為120分鐘。接下來將混合均勻的粉末置入13:1的擠壓模具中，按照例I相同擠壓工藝進行擠壓制坯。
[0029]泡沫鋁復合結(jié)構(gòu)的制備:
將制備好的可發(fā)泡預制體，置入與其復合的模型中，然后將其一起放入500°C的保溫爐中進行預熱，待模型和預制體溫度均達到500°C后，迅速轉(zhuǎn)移到800°C的加熱爐中保溫加熱，保溫時間為110秒，最后從保溫爐中取出，采用水霧冷卻后即可制得泡沫鋁復合結(jié)構(gòu)。
[0030]采用此工藝制得的泡沫鋁復合結(jié)構(gòu)的平均孔徑為0.9mm，泡沫鋁芯層密度為0.53
/ 3
g/cm ο
[0031]實施例4
選擇振動篩篩分出的37 μ m-25 μ HiTiH2粉，放入保溫爐中在480°C加熱氧化處理90分鐘，冷卻后按TiH2粉0.2%、Mg粉6%、Si粉6%其余為鋁粉的比例在滾筒混料機上進行混合，混合時間為120分鐘。接下來將混合均勻的粉末置入20:1的擠壓模具中，按照例I相同擠壓工藝進行擠壓制坯。
[0032]泡沫鋁復合結(jié)構(gòu)的制備:
將制備好的可發(fā)泡預制體，置入與其復合的模型中，然后將其一起放入500°C的保溫爐中進行預熱，待模型和預制體溫度均達到500°C后，迅速轉(zhuǎn)移到820°C的加熱爐中保溫加熱，保溫時間為300秒，最后從保溫爐中取出，采用水冷冷卻后即可制得泡沫鋁復合結(jié)構(gòu)。[0033]采用此工藝制得的泡沫鋁復合結(jié)構(gòu)的平均孔徑為0.8mm，泡沫鋁芯層密度為0.7
g/cm3 。
[0034]實施例5
選擇振動篩篩分出的75 μ m-53 μ HiTiH2粉，放入保溫爐中在480°C加熱氧化處理90分鐘，冷卻后按TiH2粉0.4%、Mg粉4%、Si粉8%其余為鋁粉的比例在滾筒混料機上進行混合，混合時間為120分鐘。接下來按照例I相同擠壓工藝進行擠壓制坯。
[0035]泡沫鋁復合結(jié)構(gòu)的制備:
將制備好的可發(fā)泡預制體，置入與其復合的模型中，然后將其一起放入500°C的保溫爐中進行預熱，待模型和預制體溫度均達到500°C后，迅速轉(zhuǎn)移到760°C的加熱爐中保溫加熱，保溫時間為90秒，最后從保溫爐中取出，采用水冷冷卻后即可制得泡沫鋁復合結(jié)構(gòu)。
[0036]采用此工藝制得的泡沫鋁復合結(jié)構(gòu)的平均孔徑為2.0_，泡沫鋁芯層密度為0.55 g/cm 3 。
【權(quán)利要求】
1.一種低密度小孔徑粉末冶金法泡沫鋁復合結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于:該方法步驟如下: (1)發(fā)泡劑TiH2的選擇:采用振動篩篩分的方式，選擇粒徑大小一致的TiH2粉末做發(fā)泡劑； (2)預制體的制備:將鋁粉、鎂粉、硅粉、發(fā)泡劑粉按比例混合均勻后，采用擠壓成型，制備出可發(fā)泡預制體； (3)低密度小孔徑泡沫鋁的制備:將可發(fā)泡預制體置入與其復合的模型中，預熱一段時間后，迅速轉(zhuǎn)移到保溫爐中保溫發(fā)泡，冷卻后即可制得泡沫鋁復合結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述低密度小孔徑粉末冶金法泡沫鋁復合結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于:步驟(1)中采用振動篩篩分的方式，篩分時間為30分鐘，每次篩分總量為100g，篩分后選擇粒徑為75 μ m-53 μ m、53 μ m-37 μ m或37 μ m-25 μ m的TiH2粉末做發(fā)泡劑，且所有發(fā)泡劑粉末均采用480°C空氣中加熱氧化90分鐘的處理工藝。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述低密度小孔徑粉末冶金法泡沫鋁復合結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于:步驟(2)中發(fā)泡劑TiH2粉末的添加量為可發(fā)泡預制體總質(zhì)量的0.2-0.4%，鎂粉添加量為預制體總質(zhì)量的4-6%,娃粉末添加量為預制體總質(zhì)量的6-8%,余量添加招粉。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述低密度小孔徑粉末冶金法泡沫鋁復合結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于:步驟(2)預制體的制備過程為:粉末的混合時間為120分鐘，混合均勻后，采用5000KN的擠壓機，先400MPa冷壓密實，保壓時間為5_10分鐘，然后再加熱到450°C后熱擠壓制坯，擠壓模具采用的擠壓比為8:1-20:1。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低密度小孔徑粉末冶金法泡沫鋁復合結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于:步驟(3)可發(fā)泡預制體預熱后的高溫快速加熱，即先將模型及其置入其中的可發(fā)泡預制體放入到500°C的保溫爐中預熱5-10分鐘，待模具和預制體溫度均達到500°C后迅速轉(zhuǎn)移到760-820°C的加熱爐中保溫加熱，保溫時間為90秒-300秒，冷卻方式為水冷或者水霧冷卻。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低密度小孔徑粉末冶金法泡沫鋁復合結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于:制備的泡沫招密度在0.45g/cm3-0.7 g/cm3,孔徑為0.8-2.0mm。
【文檔編號】C22C21/08GK103589892SQ201310619419
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月29日
【發(fā)明者】郭志強, 趙胤, 袁曉光, 黃宏軍, 左曉姣, 東雪 申請人:沈陽工業(yè)大學