粉末法制备泡沫铝

粉末法制备泡沫铝

0泡沫金属的应用泡沫金属是一种由金属基础设施和孔腔组成的新多孔材料。这是多孔材料的一个分支。一般来说，它指的是孔腔干燥率为40%98%的多孔金属。由于其结构的特殊性,使它既具有金属的特性又有气泡特性,即既具有一般多孔材料所具有的轻质特性,又具有金属的优良机械性能和热、电等物理性能。如轻质、渗透、能量吸收、热性能、高比表面积、电磁屏蔽性能等。现在,国外泡沫金属的应用主要有:防火和吸(隔)音板、冲击能量吸收材料、建筑板、半导体气体扩散盘、紧凑热交换器、液体控制装置、电磁屏蔽物和过滤器等方面。可应用在宇宙、航空、航天、船舶、电子、汽车制造和建筑业等领域中,应用领域正在不断扩大。泡沫金属根据其内部孔隙结构的不同可分为:开孔结构和闭孔结构。可应用许多方法制造泡沫金属,归纳如表1。这些方法中,采用Fraunhofer的粉末冶金加工工艺(即粉体发泡法)生产泡沫金属特别受欢迎,因为它可以生产出性能优越、价格便宜的闭孔材料。发泡通常是指从金属液体中释放出气体,确保气体不逸出,最后通过冷却将其稳定在液态泡沫金属中。1混料和发泡剂的密度粉末冶金法制备泡沫铝的基本工艺过程如图1所示。实验选用的基体材料为6061粉末,发泡剂为TiH2粉末。将它们以适当的比例在行星式球磨机中混合。实验中发泡剂的含量不超过1wt%。通过混合,发泡剂均匀地分布在基体粉末中。因6061粉末和发泡剂颗粒的密度不同,故要获得均匀的混合物,混料是一关键的工艺。将混合粉末用20～30MPa的压力在圆柱模中压制成直径为20mm,高度为16mm的圆柱试样,然后在380～450℃之间烧结,保温时间为一个半小时左右。随后将试样在400℃左右热压成无孔隙的半成品,其密度可达铝合金的90%以上。半成品试样在基体熔点以上的温度加热发泡,加热速度为30℃/min左右,保温时间在15min内。在一定温度下,保温时间、加热速度是影响泡沫铝密度的关键因素,因为在泡沫张大过程中,孔的张大、合并进行得相当快。泡沫铝的孔隙率可通过改变发泡剂的含量和半成品发泡时的加热条件来控制。最终的泡沫铝有一闭合的表面层。试样被切成两部分,可看到明显的孔隙结构,如图2所示。2实验技术分析2.1混料均匀程度的影响因素混合后粉末不应当发生加工硬化和粉碎,或者是造成一种组元覆盖在另一种组元的表面上。制品烧结后的性能及发泡效果,在很大程度上取决于物料混合后各组元分布的均匀程度。发泡剂在6061粉末中是否均匀分布亦即混料的均匀程度决定发泡效果,如气孔均匀度、孔径大小等,因此要求混料时做到尽可能的均匀。而混料均匀程度的影响因素主要有:球料比、混料时间、转速。实验中球料比以2:1或3:1为宜,转速为100～120r/min,混料时间为60～70min。球料比过高或者转速太快都容易造成结块,从而导致混料的不均匀,对后面的发泡不利;而且铝粉和TiH2都是易燃、易爆物,所以球料比和转速都必须控制在一定的范围,否则容易造成爆炸。为了防止铝在较高温度下被氧化和避免危险的产生,混料时需在球磨罐中充入一定的保护性气体,如氦气、氩气、氮气等。图3为本实验中发泡前的半成品试样的扫描电镜形貌图,从图3(a)和3(b)中可看出,尽管有一些不同尺寸的TiH2颗粒,但它们的分布基本上还是均匀的。铝基体是灰黑色的,TiH2颗粒是白色的,其含量为0.8wt%。2.2试验结果分析第一次压制后试样的密度可达理论密度的70%左右,其孔隙率较高,如果直接发泡,实验结果表明达不到理想的发泡要求,因为试样本身就存在许多微孔,加热过程中,发泡剂分解,气体从微孔中释放,以致发泡后孔隙很小,图4为一次压制发泡后断面的扫描电镜形貌图。从图4可看出,黑色区域为孔隙,白色区域为铝基体,尽管孔隙比较均匀,但气孔非常小,只有40～50μm。为了获得理想的孔隙率,需要对试样进一步压实,进一步减小压坯空洞体积,达到几乎堵塞内部气体外泄的每一个通道,从而得到低孔型率甚至无孔制品。为此,采取热压的方法,使其密度达到理论密度的90%以上。热压过程中,加热温度受发泡剂的分解温度和6061合金的热压温度限制,实验中加热温度为400℃,保温时间为1h。试样经过烧结并保温后,从烧结炉中迅速取出送到压力机机架上并快速加压。试样在快速压下过程中,发生塑性变形,压坯间的孔隙大大减小,最终试样密度可达理论密度的90%以上,这也是发泡必需的条件。3.3保温时间对孔隙率的影响为了提高加热速率和实验效率,预先把加热炉升温到600℃,因为当加热速率太低时,发泡性能可能会下降。可能是因为加热到500℃以上时,TiH2开始缓慢分解,如果在这一温度停留时间过长,气体会从粉末颗粒之间的微孔逃逸。因此,预先加热是提高加热速率,使TiH2快速分解并保留在基体中,达到理想的孔隙结构的有效方法。图5示出了实验中加热速率对孔隙率的影响。在一定温度下的保温时间也很重要,如果时间过短,TiH2可能分解不完全,试样来不及胀大;如果时间过长,当试样膨胀达到最大后,由于表面张力,金属从孔壁向孔边流动,以及由于金属本身的重力熔融金属从孔向下流动。图6描述了保温时间对孔隙率的影响。3结论(1)粉末冶金是一种简单、可靠的制备泡沫金属的方法。应用该方法已制备出相对密度为0.2～0.6,平均孔径为2～5mm,孔隙率为40%～85%的泡沫铝试样。(2)泡沫铝的结构性能由制备工艺参数相可制约相互影响,即混合条件、压缩条件以及发泡过程中的加热温度、加热速率和保温时间是控制泡沫铝的关键因素。(3)在Ti