本发明属于金属材料加工领域，尤其是涉及一种采用熔体液面剪切工艺制备泡沫铝合金的方法。
背景技术：
多孔泡沫金属作为气孔相和金属相的结合体，由于其结构的特殊性，表现出不同于致密金属的特殊性能，具有轻质、比表面积大、高比强度、阻尼减振、吸声隔音、能量吸收、电磁屏蔽等物理特性。泡沫铝优异的物理及力学性能使其作为功能材料和结构材料用于航空航天工业、交通运输行业、建筑工业等领域。泡沫铝的孔隙率一般为40％～90％，密度约为铝的0.1～0.6倍。正因为泡沫铝中含有大量的孔隙使其密度较低，泡沫铝的屈服强度也远小于致密铝合金材料的屈服强度，但其具有较高的比强度、比刚度。由于泡沫铝的压缩特性中存在着较大范围的屈服平台段，应变滞后于应力，所以在变形过程中能够消耗大量的功，使泡沫铝具有良好的能量吸收能力，是防冲击和缓冲的理想材料。同时，泡沫铝可以作为吸音、消音材料。根据孔结构的不同，泡沫金属可以分为通孔、闭孔两种。通孔是指胞孔与邻孔之间是互相连通的；闭孔则指各个胞孔之间是相互独立、自行封闭的。闭孔泡沫金属材料具有更好的强度，因其兼具结构材料和功能材料特性而具有更广泛的用途。
经历了数十年的研究发展，如今泡沫铝的制备方法已有多种，并且随着技术的进步，生产成本也在不断降低，有些制备方法已经可以商业应用。闭孔泡沫铝的主要制备方法有：发泡剂熔体发泡法、熔体注气发泡法和粉末冶金法。这几种方法均有各自的缺点，采用发泡剂法生产的泡沫铝因气孔率和孔径均小，密度大，具有良好的力学性能和气泡结构，但工艺过程比较复杂。粉末冶金法生产的泡沫铝材料具有更加优良的性能，但工艺过程更为复杂，成本高。以上两种方法生产的泡沫铝材料虽然通过工艺改进可明显提高力学性能。但由 于工艺方法限制，不仅成本高，而且难以实现大尺寸连续生产。注气法能够以相对低的成本生产半连续式的宽幅泡沫铝面板，产品气孔率和孔径均较大，密度小。但生产过程因合金化和高含量的增粘颗粒，高温发泡引起的氧化现象等，造成产品的气泡结构和力学性能较差。因此，寻求新的泡沫铝制备方法，以提高生产效率、降低制备成本、提高材料性能成为新技术的研究目标。
技术实现要素：
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种采用熔体液面剪切工艺制备泡沫铝合金的方法，本发明方法可以在不用发泡剂、不注气的条件下进行熔体发泡制备闭孔、半闭孔泡沫铝合金材料。本发明方法既简化了利用熔体进行泡沫铝合金制备的工艺，也避免了注气法制备泡沫铝合金过度氧化的不利影响，提高了泡沫铝合金的强度和塑性。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种采用熔体液面剪切工艺制备泡沫铝合金的方法，对铝合金熔体进行增粘，将增粘的铝合金熔体通过表面高速分散剪切，制造气液混合泡沫体，经泡沫引出、结晶凝固，获得泡沫铝合金结构材料。具体包括以下步骤：
(1)融化铝合金，并向铝合金熔体中加入硅、镁、钙以调整铝合金成分，使得硅、镁、钙在最终所得复合高粘度熔体中的质量分数分别为3-9％、1-3％、0.5-3％；加入硅、镁、钙的作用在于一方面提高铝合金熔体的粘度，另一方面改善熔体和增粘剂间的浸润性；
(2)继续向步骤(1)所得铝合金熔体中添加增粘剂，强力搅拌得到复合高粘度熔体，复合高粘度熔体中，增粘剂质量分数为5～20％；
(3)通过表面高速剪切，制造气液混合泡沫体，经泡沫引出、结晶凝固，获得泡沫铝合金结构材料。
所述的增粘剂为碳化硅或氧化铝。
步骤(3)中表面高速剪切是指在680-750℃温度下，施加转速在200-1000rpm的搅拌。高速剪切时采用的工具为搅拌器或分散器，通过变换搅拌器或分散器结构及其剪切线速度得到不同泡孔结构、不同密度的泡沫铝。所述的搅拌头或分散器可以有不同结构。
步骤(3)中泡沫引出是利用牵引或机械传动的方式将气液混合泡沫体中的泡沫引出。
步骤(3)中采用常温结晶凝固或降温结晶凝固，采用降温结晶凝固时，采用风冷或水冷降温，以提高降温速度，使泡沫体较快结晶凝固。
步骤(3)中所述的表面高速剪切过程中向熔体内注气或不注气。
为降低氧化，提高泡沫合金结构强韧性，在步骤(3)所述的表面高速剪切过程可以在氮气、氩气等惰性气氛保护下进行的。
步骤(3)中所述的表面高速剪切包括表面高速剪切以及浅层高速剪切，所述的浅层指搅拌或分散装置插入熔体达到浸没或半浸没状态。
本发明中，所述的铝合金可由镁合金、锌合金、铜合金替换。。即本发明方法可以应用于铝合金、镁合金、锌合金、铜合金等多种合金系低密泡沫结构的制备。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
(1)本发明采用增粘的铝合金熔体，通过分散器表面搅拌剪切形成气液混合泡沫体，制备泡沫铝合金。相对于现行发泡剂或注气方法，工艺简单，节约成本，提高经济性。
(2)相对于注气法，本发明方法工艺简单，大幅缩短了常见的泡沫铝制造的工艺周期，制备的泡沫铝合金由于显著缩短了氧化过程，避免了结构体宏观裂纹的形成，使得泡沫铝合金性能显著提高。
(3)本发明制备的泡沫铝合金形态、泡体形状、泡孔大小主要由分散器结构、剪切线速度和熔体的粘度决定。泡沫铝合金孔壁结构完整，泡沫铝合金强度会有所提高。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
利用a356铝合金，坩埚中融化后，添加1.5wt％ca和15wt％sic(均指最终占熔体总质量的质量分数)，形成复合铝合金增粘熔体。在680-700℃温度下，利用涡轮式搅拌器在500-600rpm条件下搅拌，制造气液混合泡沫体，经泡 沫引出、结晶凝固，获得的泡沫铝密度在0.21-0.23g/cm2之间，泡沫铝的压缩强度为1.1mpa。
实施例2
纯铝坩埚熔化后，添加5.5wt％si、1.0wt％ca、2.2wt％mg和18wt％sic(均指最终占熔体总质量的质量分数)，形成复合铝合金增粘熔体。在690-710℃温度下，利用涡轮式搅拌器在600-800rpm条件下搅拌，制造气液混合泡沫体，经泡沫引出、结晶凝固，获得的泡沫铝密度在0.23-0.26g/cm2之间，泡沫铝的压缩强度1.2mpa。
实施例3
一种采用熔体液面剪切工艺制备泡沫铝合金的方法，对铝合金熔体进行增粘，将增粘的铝合金熔体通过表面高速分散剪切，制造气液混合泡沫体，经泡沫引出、结晶凝固，获得泡沫铝合金结构材料。具体包括以下步骤：
(1)融化纯铝，并向铝合金熔体中加入硅、镁、钙以调整铝合金成分；使得硅、镁、钙在最终所得复合高粘度熔体中的质量分数分别为9％、3％、3％；加入硅、镁、钙的作用在于一方面提高铝合金熔体的粘度，另一方面改善熔体和增粘剂间的浸润性；
(2)继续向步骤(1)所得铝合金熔体中添加增粘剂碳化硅，强力搅拌得到复合高粘度熔体，复合高粘度熔体中，增粘剂质量分数为20％。
(3)通过表面高速剪切(是指在750℃温度下，施加转速在1000rpm的搅拌)，制造气液混合泡沫体，利用机械传动的方式将气液混合泡沫体中的泡沫引出、采用水冷降温结晶凝固，获得泡沫铝合金结构材料。
步骤(3)中表面高速剪切包括表面高速剪切以及浅层高速剪切，浅层指搅拌或分散装置插入熔体达到浸没或半浸没状态。高速剪切时采用的工具为搅拌器或分散器，通过变换搅拌器或分散器结构及其剪切线速度得到不同泡孔结构、不同密度的泡沫铝。所述的搅拌头或分散器可以有不同结构。为降低氧化，提高泡沫合金结构强韧性，步骤(3)表面高速剪切过程是在氮气、氩气等惰性气氛保护下进行的。步骤(3)中表面高速剪切过程中向熔体内注气或不注气。
本实施例获得的泡沫铝密度为0.23g/cm2，泡沫铝的压缩强度1.5mpa。
实施例4
一种采用熔体液面剪切工艺制备泡沫铝合金的方法，对铝合金熔体进行增粘，将增粘的铝合金熔体通过表面高速分散剪切，制造气液混合泡沫体，经泡沫引出、结晶凝固，获得泡沫铝合金结构材料。具体包括以下步骤：
(1)融化铝合金，并向铝合金熔体中加入硅、镁、钙以调整铝合金成分；使得硅、镁、钙在最终所得复合高粘度熔体中的质量分数分别为3％、1％、0.5％；加入硅、镁、钙的作用在于一方面提高铝合金熔体的粘度，另一方面改善熔体和增粘剂间的浸润性；
(2)继续向步骤(1)所得铝合金熔体中添加增粘剂氧化铝，强力搅拌得到复合高粘度熔体，复合高粘度熔体中，增粘剂质量分数为5％；
(3)通过表面高速剪切(是指在690℃温度下，施加转速在200rpm的搅拌)，制造气液混合泡沫体，利用牵引的方式将气液混合泡沫体中的泡沫引出、采用常温结晶凝固，获得泡沫铝合金结构材料。
步骤(3)中表面高速剪切包括表面高速剪切以及浅层高速剪切，浅层指搅拌或分散装置插入熔体达到浸没或半浸没状态。高速剪切时采用的工具为搅拌器或分散器，通过变换搅拌器或分散器结构及其剪切线速度得到不同泡孔结构、不同密度的泡沫铝。所述的搅拌头或分散器可以有不同结构。为降低氧化，提高泡沫合金结构强韧性，步骤(3)表面高速剪切过程是在大气环境中进行的。步骤(3)中表面高速剪切过程中向熔体内注气或不注气。
本实施例获得的泡沫铝密度为0.27g/cm2，泡沫铝的压缩强度为1.0mpa。
实施例5
一种采用熔体液面剪切工艺制备泡沫铝合金的方法，对铝合金熔体进行增粘，将增粘的铝合金熔体通过表面高速分散剪切，制造气液混合泡沫体，经泡沫引出、结晶凝固，获得泡沫铝合金结构材料。具体包括以下步骤：
(1)融化铝合金，并向铝合金熔体中加入硅、镁、钙以调整铝合金成分，使得硅、镁、钙在最终所得复合高粘度熔体中的质量分数分别为6％、2％、1.5％；加入硅、镁、钙的作用在于一方面提高铝合金熔体的粘度，另一方面改善熔体和增粘剂间的浸润性；
(2)继续向步骤(1)所得铝合金熔体中添加增粘剂氧化铝，强力搅拌得 到复合高粘度熔体，复合高粘度熔体中，增粘剂质量分数为10％
(3)通过表面高速剪切(是指在700℃温度下，施加转速在600rpm的搅拌)，制造气液混合泡沫体，利用机械传动的方式将气液混合泡沫体中的泡沫引出、采用风冷降温结晶凝固，获得泡沫铝合金结构材料。
步骤(3)中表面高速剪切包括表面高速剪切以及浅层高速剪切，浅层指搅拌或分散装置插入熔体达到浸没或半浸没状态。高速剪切时采用的工具为搅拌器或分散器，通过变换搅拌器或分散器结构及其剪切线速度得到不同泡孔结构、不同密度的泡沫铝。所述的搅拌头或分散器可以有不同结构。为降低氧化，提高泡沫合金结构强韧性，步骤(3)表面高速剪切过程是在氮气、氩气等惰性气氛保护下进行的。步骤(3)中表面高速剪切过程中向熔体内注气或不注气。
本实施例获得的泡沫铝密度为0.22g/cm2，泡沫铝的压缩强度1.3mpa。
以上实施例中的铝合金可由镁合金、锌合金、铜合金替换。即本发明方法可以应用于铝合金、镁合金、锌合金、铜合金等多种合金系低密泡沫结构的制备。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。