粉末冶金法制备泡沫铝

粉末冶金法制备泡沫铝的工艺研究及其展望摘要泡沫铝由于具有多种独特的性能，已备受研究者的关注。制备泡沫铝的方法很多，本文主要介绍了粉末冶金法制备泡沫铝的工艺，对影响工艺的因素进行了分析，提出了粉末冶金法需要改进的方面，以推动粉末冶金法制备泡沫铝的研究和应用。关键字泡沫铝粉末冶金法影响因素1引言泡沫铝作为一种新型的功能材料，以其独特的性能，具有广阔的应用前景[12。泡沫铝由于轻质结构，吸声，隔音等性能，正大范围应用于汽车，航空，公路建设，建筑装饰等工业和国防科技领域⑶。目前制备泡沫铝的方法有熔体发泡发法、渗流铸造法、液态金属凝固法、熔模铸造法、粉末冶金法、固-气共晶凝固法、添加球料法等。其中，粉末冶金法是近年来国外研究比较集中的一种工艺⑷。粉末冶金发泡法是由德国Fraunhofer材料研究所发明的一种生产方法，利用此方法制备出结构均匀的泡沫材料，可以加工成近成品尺寸的零件⑸，也可以制成三明治式的复合材料，中间为泡沫铝材料层，而两面为生长成一体的铝薄板。粉末冶金法在欧洲得到了广泛的研究，目前，制备较为成功的有德国FOAMINAL、奥地利的ALULIGHT和斯洛伐克的ALUFOAM三个品牌⑹。我国对粉末冶金法制备泡沫铝的研究还处于实验阶段，北京的有色金属研究总[71、太原重型机械学院⑻、东南大学、东北大学⑼等单位对粉末冶金法进行了研究。2泡沫铝的粉末冶金法制备2.1制备原理首先将铝粉和发泡剂（通常是TiH2）粉混合均匀，然后将其压制成致密的预制块，预制块中不能有残留的气孔和缺陷，否则会对产品质量造成很大的影响。将预制块放入炉中加热，加热至铝熔点附近，发泡剂受热开始分解生成气体，首先形成气孔，然后长大，使预制体膨胀，形成多孔的泡沫铝。图1为粉末冶金法制备泡沫铝的工艺流程图。

图1粉末冶金法制备泡沫铝［1图1粉末冶金法制备泡沫铝［10］Fig.1Preparationofaluminumfoamsbypowdermetallurgy2.2实验经验德国J.BanhartMi］等将商用铝粉、铝硅合金粉、锌粉、铅粉和一小部分适当的发泡剂(金属氢化物)混合，在模具中压制成致密的，无孔隙的预制块，将其加热到金属或合金的熔点附近，预制块就会膨胀成多孔的闭孔材料。东北大学的魏莉⑻等人将铝粉与氢化钛混合均匀后放入模具中压制成金属坯，在坩埚中放入熔盐进行保护，待熔盐熔化后，炉温升至所需温度，将金属坯放入熔融的熔盐中。开始计时，金属坯开始被加热，可观察到发泡情况，待发泡到一定时间后取出，迅速冷却，得到泡沫铝材料。祖国胤［121等人用铝硅合金(87.5wt%Al，12.5wt%Si)作为原料，铝硅合金粉末的平均尺寸低于0.15mm，用粒径低于20pm的氢化钛作为发泡剂，工业用200mmX10mmX1.8mm的纯铝作为表面板材。将铝硅合金粉末和1.0wt%的氢化钛以及0.5wt%-2.0wt%的镁合金粉末放入到高能球磨机中搅拌10小时。表面的板材用钢刷处理成“砂面”然后用丙酮处理后，干燥。在经处理过的面材上涂一层铝箔，然后压制混合均匀的混合物。轧制前驱体进行发泡的阻力炉为10千瓦的功率，发泡温度介于620°C和640°C，发泡时间为5-10分钟来制备具有三明治结构的泡沫铝材料。2.3粉末冶金法制备泡沫铝的影响因素2.3.1粉末的组成粉末冶金法制备泡沫铝首先要考虑粉末的组成及配比，其中包括基体金属粉末，发泡剂和稳定剂等。在基体粉末的选择上，考虑到铝硅合金具有高强度，低熔点和优良的发泡性，目前大多数研究以铝硅合金为泡沫铝的基体材料。为选取合适的铝硅合金，需分析含硅量和铝硅合金性能的关系。有文献M31报道，随着硅含量的增加，Al-Si合金的抗拉强度和硬度也会随之增加，在硅含量在12%时，抗拉强度和硬度达到一个峰值，且延伸率也达到一个相对峰值。因此，从性能上看，Al-12wt%Si是良好的配比方案。在发泡过程中气泡的稳定性相当重要，因此，就需要加入适当的稳定剂来增加气泡的稳定性。金属泡沫基础的稳定机理由Banhart等人提出的颗粒稳定机理，即加入与熔体有较好润湿性的陶瓷颗粒或者高反应性的元素，同铝合金表面的氧化物反应来稳定气泡［⑷。发泡剂的加入量，对泡沫的孔隙率很重要。左孝青等通过计算得出，TiH2的加入量为1.2%时，可产生足够的氢气使发泡体具有85%以上的孔隙率［⑸。2.3.2粉末颗粒粒度基体铝粉末和发泡剂粉末的颗粒粒度大小，影响着二者之间的混合程度，以及泡沫铝材料的密度和泡孔分布的均匀性。东北大学的郭志强［161等人通过实验，研究了粉末颗粒的粒度大小对粉末的混合程度及泡沫铝材料密度的影响，得出当基体铝粉末颗粒和发泡剂TiH2的颗粒粒度处于同一个粒度级别时，TiH2颗粒呈“点”状均匀分布在合金粉末中，当合金粒度dv74pm时，泡沫铝的密度达到最低，孔隙率达到最高，泡孔分布均匀，泡体发育完全，制得了较为理想的泡沫铝材料。2.3.3镁粉添加量将镁粉加入到铝合金粉末和发泡剂粉末的混合粉中，进行压制，发泡，此时，镁粉主要起到稳定泡沫的作用，因此，研究镁粉的添加量也具有一定的意义。东北大学王磊［171等人利用粉末冶金法制备不同Mg粉含量的纯铝闭孔泡沫铝材料，并对Mg粉添加量对泡沫铝发泡行为及泡沫稳定性的影响进行了研究。结果表明，Mg粉的添加导致前驱体膨胀率的显著增大和泡沫体泡孔结构的均匀化；添加的Mg粉会和空气中雾化的Al粉表面的Al2O3反应，生成同铝熔体具有良好润湿性的MgAl2O4相，打破原有铝粉的表面的氧化物结构，增加了熔体的表面粘度，提高了泡沫的稳定性；在工业纯铝粉含量(0.34±0.01%)和Mg粉添加量为0.6%-1.0%的条件下，可以获得最佳的膨胀率和均匀的泡孔结构。2.3.4发泡剂的选用发泡剂影响着泡沫铝的发泡效果，孔隙率和孔径的均匀性［18］，因此，选择合适的发泡剂非常重要。发泡剂的选择主要考虑发泡工艺，环境的影响，发泡剂的稳定性等，要求发泡迅速，发气量大，发泡工艺简单，发泡剂本身释放的气体无公害，发泡剂的稳定性要好。在粉末冶金法制备泡沫铝的工艺中，通常选用TiH2作为发泡剂。由于TiH2在400〜600°C时释放出发泡气体一氢气，这与铝的熔点(660°C)和AlSi7合金的熔点(577C)比较接近［⑼，并且TiH2相对于其他氢化物而言，作为发泡剂更加稳定。但由于TiH2的价格较为昂贵，对泡沫铝的规模化生产仍有阻碍。因此，有泡沫铝的研究者正在寻找可以代替TiH2的发泡剂。Nakamura等以廉价的CaCO3为发泡剂的主要材料，经过包覆处理的CaCO3作为发泡剂制备出小孔径的泡沫铝，对比用TiH2为发泡剂制备出的泡沫铝，发现其孔径更小，孔隙率也可达到85%［20］，如图2所示。图2用CaCO3和TiH2发泡剂制备的泡沫铝横截面Fig.2Thecross-sectionalimagesoffoamaluminumpreparedwithCaCO3andTiH22.3.5压制工艺粉末的压制是粉末冶金法制备泡沫铝至关重要的一步，压坯的致密度直接影响了最终的发泡解果⑶。成型压力的选择决定了基体的致密度，也决定了孔的大小和均匀性。在压制时必须确保发泡剂完全嵌入铝基体中，且不存在残余通孔。需选取合适的压力，压力过高会使预制体产生分层或断裂；压力过低，会使预制体达不到所需的致密度［21］。一般采用两次压制方法，第一次压制后试样的密度可达理论值的70%左右，其孔隙率较高，若直接发泡，则达不到理想的发泡效果,进行第二次压制后，试样的密度可达理论密度的90%以上©I。德国科学家采用热压的方法成型，热压温度为400〜500°C［23］。我国的科研工作者提出铝合金粉压制压力130〜150MPa，热压温度400〜450C时，可以得到结构致密的预制体㈣。2.3.6发泡时间发泡时间对发泡也有一定的影响，如果发泡时间太短，发泡剂分解不充分，所制备出的泡沫铝密度大，孔隙比较小。而发泡时间过长，制备出的泡沫铝就会有比较大的的气孔，气孔分布不均匀，甚至会出现气孔贯通的现象。图3为泡沫铝体积膨胀与时间的关系曲线©I。t/s tg/s<a> <b>图3泡沫铝体积膨胀与时间的关系曲线Fig.3Thecurveoftherelationbetweentimeandaluminumfoamvolumeexpansion2.3.7发泡温度TiH2的分解量不仅与发泡时间有关，还与发泡温度有关。发泡温度一方面影响着TiH2分解氢气产生的分压，一方面又影响着熔融金属的粘度，这两方面的相互作用决定了泡沫铝的密度和孔隙率［81。W.R.D等测出了铝硅合金熔液的粘度随温度变化的曲线，在高于620C时，随温度的升高粘度缓慢降低；在低于620C时，粘度迅速增大，如图4所示［26］。若发泡温度低于熔点温度，TiH2分解产生的

氢气被压制在未熔融的金属基体中，不能释放出来，从而不能发泡；若温度高于熔点温度，产生的氢气压力会使基体金属膨胀，在基体内部产生气泡；但温度过高，则使熔体的粘度降低，造成孔的不均匀分布。0.00450.00350.00300.0025-600 650 700 750 800Temperalur^/^^0.00450.00350.00300.0025-600 650 700 750 800Temperalur^/^^图4温度对铝硅合金熔液粘度的影响Fig.4EffectoftemperatureonAl-Sialloymeltviscosity2.3.8排液在发泡过程中存在着两种排液机理0］,—种机理是从泡壁流向泡边界的毛细管作用驱动力；另一种是在重力的驱动下，沿泡沫的边界从上往下流动，形成一垂直分布的熔体密度梯度。东南大学梁晓军等通过研究这两种排液机理得出结论，排液速度大小与粘度呈反比，为了降低泡壁变薄的速率，在成分不改变的情况下，就需要增加熔体的粘度，因此可以在保证预制块升温速率的前提下，尽可能的降低发泡温度，使熔体的粘度变大［28］，或者，可以在熔体中加入SiC，Al2O3微粒来增加熔体的粘度［29］。2.3.9造孔剂的选用若用粉末冶金法制备开孔泡沫铝，则需要用到造孔剂，所选用的造孔剂要有适当的强度，良好的去除性，密度小，能与铝合金熔体很好地形成冶金相，且价格低廉，来源广⑶。姜斌等用氯化钠、尿素为造孔剂制备出了孔径可调的开孔泡沫铝［30］。2.3.10气泡的稳定性由于发泡过程相当复杂，泡沫结构的形成是由气泡与液相界面间复杂的相互作用所控制，因此提高气泡的稳定性也是粉末冶金法制备泡沫铝过程中一个非常重要的问题。但是，鲜有这方面的报道，东北大学魏莉等通过实验的方法，得出结论：氢化钛分解对气泡稳定性有很大的影响。氢化钛分解释放出的氢气是气泡长大的驱动力，因此保持气泡内气体压力与气泡表面张力的平衡，是获得孔结构均匀、密度适合的泡沫铝材料的关键[31]。3现存问题及展望粉末冶金法制备的泡沫铝具孔隙率高、实验方法简单等优点国],受到越来越多的研究者的关注。但仍然存在许多问题，其工艺还需进一步优化。孔径：虽然现在对于粉末冶金法制备泡沫铝的孔径能够做到控制，但还是不能控制孔的形貌，不能制备出人们想要的孔结构，因此，还需要优化工艺参数和实验操作条件。尺寸：粉末冶金法现阶段还不能制备出大尺寸的泡沫铝材料。成本：发泡剂昂贵是粉末冶金法成本高的一个重要因素，限制了粉末冶金法的广泛推广应用。基于以上这些不足之处，我们还有许多的工作要做：寻找新的基体合金，探索更多的铝合金来制备泡沫铝，找出哪一种合金作为基体可以制备出咼孔隙率，孔径均匀的泡沫铝。研究其他的发泡剂在粉末冶金法制备泡沫铝的应用，尽快找出在不降低泡沫铝性质的前提下可以替换TiH2的发泡剂，以降低泡沫铝的制备成本，使粉末冶金法制备泡沫铝的工艺尽快扩大使用。基础研究仍需要继续探索，突破均匀的孔结构，工艺的可控制性等存在的难点，研究制备出大尺寸块材的工艺，早日实现商业化生产。参考文献DaviesGJ，ZhenS.Metallicfoams:theirproduction，propertiesandapplication[J].MaterialScience，1983,18(4)：1899.王祝堂泡沫铝材：生产工艺、组织性能及应用市场】J],轻合金加工技术，1999,27(12)：1-5⑶周向阳，张太康，李昌林等：粉末冶金法制备泡沫铝的研究进展[J],材料导报，2010,24(9):7-14.KarstenStEbener,JoachimBaumeister,GeraldRausch,etal.Formingmetalfoamsbysimplermethodsforcheapersolutions[J].MetalPowderReport,2005,60(1):12-16J.Banhart,J.Baumeister,M.Weber.PowderMetallurgicalTechnologyfortheProductionofMetallicFoams[J],MaterialsandDesign.1997,18(4):217〜220.朱勇刚泡沫铝的粉末冶金制备方法及其相关性能的研究[D]；南京：东南大学材料科学与工程系2004:3-5.崔舜，曾庆学.泡沫铝制备工艺的试验研究[J].江苏冶金.1998.32(2).31〜35.魏莉，罗洪杰，姚广春等，粉末冶金法制备泡沫铝材研究进展[J]，轻金属，2003,11:59-62刘杰，王录才等，PCM法制备泡沫铝的研究现状及应用前景[J]，铝加工，2008,1:31-34姜斌，赵乃勤，泡沫铝的制备方法及应用进展[J]，金属热处理，2005,30(6):36-40J.BanhartJ.Baumeister,M.WeberPowderMetallurgicalTechnologyfortheProductionofMetallicFoams[R]Birmingham(UK),23.-25.10.1995(EuropeanPowderMetallurgyAssociation,Shrewsbury)pp.201-208ZUGuoyin,SONGBinna,GUANZhihao,etal.PreparationofAluminumFoamSandwichbyRolling-bonding/PowderMetallurgyFoamingTechnologyJ]JournalofWuhuuniversityofTechnology-Mater.Sci.Ed.Aug.2011:671-674黄恢元，铸造手册第三卷-铸造非铁合金[M].北京：机械工业出版社，1993DudkaA,etal.Structureanddistributionofoxidesinaluminiumfoam[J].ActaMater,2008,56:3990张金娅.多孔泡沫铝制备理论基础研究[D].昆明：昆明理工大学,2002:45郭志强，姚广春，尉海军等，粉体颗粒粒度对粉末冶金法制备泡沫铝材料的影响[J],2007,28(8):1163-1166王磊，姚广春，罗洪杰等，Mg粉添加量对泡沫铝发泡行为的影响[J].中国有色金属学报201020(7):1339-1345BanhartJ.Manufacture,Characterizationandapplicationofcellularmetalsandmetalfoams[J].ProgMaterSci，2001,46(6)：559ZeppelinFvon，HirscherM,StanzickH，eta1.Desorptionofhydrogenfromblowingagentsusedforfoamingmetals[J].ComposSciTechn,2003,63(16):229JyongsikJang,JoonwonBae,etal.Fabricationandcharacterizationofpolyanilinecoatedcarbonnanofiberforsupercapacitor[J].Carbon,2005,43:2730潘强，王芳等，PCM法泡沫铝的研究及应用现状[J]，铝加工，2011,4:10刘菊芬，刘荣佩，史庆南等，新型泡沫铝制备工艺研究[J]，材料导报，2002，16(8):65〜6F.Baumgartner.IndustrializationofPowderCompactFoamingProcess[J].AdvancedEngineeringMaterials.2000,2(4):168〜174.王芳，王录才,粉体发泡法泡沫铝制备工艺及性能的研究[J],铸造设备研究.2002,41(1):16宋振纶，马立群等•铝熔体泡沫化过程体积变