泡沫Al-0.2Sc-0.17Zr合金制备的探索性实验-免费范文(三)

是很有前景的。要使金属熔体可以发泡，就必须在熔体中导入气体，它可以用直接注射或发泡剂分解产生气体的方式来实现。因此熔体发泡法包括注气发泡法和直接发泡法两类[15]。

（a） 注气发泡法

Norsk Hydro和Cymat/Alcan的熔体发泡法在工艺采用的是将气体连续得注入其中的方法。其工艺流程如图1-1所示。

此方法通常以金属基复合材料〔如锻铝或铸铝合金和体积分数10%～30%的SiC或Al2O3颗粒混合〕为原料，利用传统的铸造设备将原料融化成熔体并将其倾倒进装有漏斗的容器,通过小喷口喷射气体注入搅拌器，通过搅拌器的搅拌使气体均匀的分散在熔融体中并形成小的气泡。实验过程中可以通过调节气体流速、搅拌器所用的喷口的数量和尺寸和搅拌器转速来改变气泡的大小。熔体注气发泡法制备泡沫铝具有简单、廉价的优势，但是有此法生产的泡沫铝材料孔的大小不均匀，存在密度梯度以及不均匀的孔隙结构，特别是在早期因为孔泡沫铝传送带的压力，从而导致在泡沫铝的强度和刚度降低在样品厚度方向。特别是早期由于传送带的压力作用把泡沫铝中的孔洞压扁，从而致使沿厚度方向泡沫铝的强度和刚度降低。因为要确保陶瓷颗粒在符合原料中分布均匀，所以这个方案还要对原料进行长时间的搅拌。对制成的泡沫铝切割成需要的尺寸可得到需要的产品，但是由于碳化硅等陶瓷颗粒的存在,切割时比较困难[16]。

图1-1 Cymat/Alcan连续生产泡沫平板设备示意图

（b） 溶液直接发泡法

在熔体直接发泡法中，气泡是由固体发泡剂受热分解释放大量的气体产生的。

AlPoras泡沫制备法师由日本Shinko Wire公司持有技术专利[18]的目前工艺较成熟的熔体直接发泡法，同时这个技术可生产大尺寸的泡沫铝。在680℃的铝熔体中添加1.5wt.%的Ca并在在大气氛围下搅拌6分钟来增加铝熔融体的粘度。因为钙是高亲氧元素并且在搅拌过程中加剧了金属熔体和钙的表面氧化，产生的氧化物(如CaO、A12O3、CaAl2O4)可以起到增粘的作用。熔融体必须有适当的粘度和抵抗搅拌的能力才能得到最佳发泡率的泡沫铝。将1.6wt.％的氢化钛发泡剂加入到已倒入到铸型中的增粘后的铝熔融体并进行搅拌（转速要达到一定的速度）使发泡剂均匀的分散在熔融体中，TiH2发泡剂在铝液受热分解形成的氢气使熔体体积变大并填满铸型，之后用风冷的方式是熔融体在铸型中冷却凝固得到泡沫铝。Alporas泡沫制备工艺如图1-2所示。AlPoras法得到泡沫铝产品是一种超轻闭孔泡沫结构材料，样品密度为0.18～0.24g/cm3，孔径约为4.5mm，并且样品的空结构均匀性较高。这种泡沫铝产品是现在商业价值最高的产品。这种方法解决了了熔体中气泡的迁移和变形问题。气泡的长大合并以及气泡壁的颇类影响着Alporas产品泡沫体的结构。

目前,东北大学利用熔体直接发泡法生产泡沫铝的技术已经工业化了。

图1-2 AlPoras泡沫制备工艺流程图

（2） 粉末冶金法

粉末冶金法就是利用粉末冶金的途径制备泡沫铝。粉末冶金法制备泡沫铝就是将铝或铝合金粉末和发泡剂(常用氢化钛)粉末混合。将混合后的粉末压制成致密的坯体并加热。当温度高于铝合金粉末的熔点时，处于液态铝合金内部的发泡剂粉末受热分解产生气体从而在熔融体中形成气泡，冷却凝固后得到泡沫铝产品。粉末冶金法可在一定范围内改变气泡的大小和分布。该法制得的产品质量高，性能稳定，可以适用于商业化生产。再用粉末冶金法制备泡沫铝材料是如果在半成品样品表面覆盖金属板可以达到夹层型复合材料，此外还可生产其他的复合材料。但此法生产泡沫铝过程较为复杂,且生产成本高。粉末冶金法制作泡沫铝的工艺流程如图1-3[3,10]。

图1-3 粉末冶金发泡法制各泡沫铝工艺流程图

还可以通过同轴喷嘴空心球泡沫制造法、溅射喷镀法、添加料球法、无重力混合法等来制备闭孔泡沫铝材料。

熔体直接发泡法、粉末冶金法和注气发泡法是现在来说制造闭孔泡沫铝材料比较成熟的方法；而渗流铸造法和熔模铸造法则是制造开孔泡沫铝比较成熟的工艺。闭孔和通孔泡沫铝都具有自身独特的优势,如闭孔泡沫铝的密度小、强度高、隔音隔热、减震效果好;而通孔泡沫铝的优势为较强的吸能和过滤性能。

制备闭孔和开孔泡沫铝主要工艺的相关信息列于表1-1[8,9]中

表1-1 泡沫铝的主要制备方法及其工艺特点

孔型制备工艺工艺特点成本均匀性孔径（mm） 孔隙率（％） 成品形式是否商业化

闭孔熔体直接发泡法简单低一般 1～10 80～95 板材或近似实形部件是

闭孔注气发泡法简单低较差 3～25 80～97 板材是

闭孔粉末冶金法比较复杂较高较高 1～5 80～92 近似实形部件是

开孔渗流铸造法比价简单较低一般 0.3～5 60～70 板材或近似实形部件是

开孔熔模铸造法复杂高较高 ＞5 88～97 实形部件是

1.4 泡沫铝材料的性能特征

1

1.3

1.4.1 泡沫铝的结构特征

孔径和孔隙率是闭孔泡沫铝制备技术和泡沫铝结构特征中的两个重要参数，孔径的控制问题是泡沫铝在吸音领域最先考虑的因素 [19]。但对于泡沫铝的结构特征我们并不只关心这孔径和孔系数这两个参数，泡沫铝的在结构特征方面的特征参数主要有下面几个：

（1） 计算试样任一截面的孔洞的平均直径称为泡沫铝的孔径，是泡沫铝平均孔隙直径的亮度。取任一试样的截面测量计算其孔隙的平均直径作为其孔径。泡沫铝的孔径范围较大,一般在0.1～10之间。

(2) 孔隙率：泡沫体材料的孔隙率分为面孔隙率和体孔隙率，样品某个截面上孔洞总面积与整个横截面面积之比为面孔隙率；体孔隙率是所有孔隙体积与总体积之比。通常情况，孔隙率表示体孔隙率。由于泡沫体中金属与所用原料金属为相同的金属,所以可以用称重法测孔隙率:

QUOTE (1)

式中Pf:泡沫金属的表观密度；Ps：基体的密度；θ：孔隙率。

大部分呢的泡沫铝的孔隙率都为40～90％。但是由粉末冶金法得到的泡沫铝孔隙率一般不大于30％，而海绵状的泡沫铝的孔隙率可达98％。因此，泡沫铝通过不同的工艺制造其孔隙率和孔径是不同的。

（3） 孔洞类型:由于泡沫铝合金的制造方法的不同，泡沫铝在结构上上可分为闭孔和开孔两种孔洞类型。其中前者有大量独立的气泡存在内部，而后者的特征则是连续贯通的三维孔洞。

（4） 孔的形状及分布:欧洲方面的学者通常将泡沫铝的孔在形状上分为球形和多面体形。多空金属通过熔体发泡法制造，其内部气泡从生成到相互接触前，会因为表面张力的作用而成球形，如果熔体凝固时气泡之间还未相互接触这时获得就是球形的空洞；如果熔体凝固时熔体内的气泡已经接触了，气泡之间因为表面张力的作用变成多面形，这时得到的是多面形的空洞。对于平面状态来说，主要有六边形，三边形，四边形；在三维空间来说有正八面体，三棱柱，五边形十二面体等。

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