一种泡沫铝薄壁异型件的制备方法与流程

本发明涉及一种泡沫铝薄壁异型件的制备方法，属于多孔金属材料技术领域。

背景技术：

泡沫铝异型件就是将泡沫铝和某种材料（钢、铝、铜等）复合后形成的以泡沫铝为芯材的三维立体结构。它既具有泡沫铝的轻质、高比强、吸声、隔热、阻燃、减振、阻尼、吸收冲击等性能优异的特点，同时又解决了单一泡沫铝强度较低的缺点，是一种综合性能优异的新型轻量化材料。因此在交通运输、航空、航天等行业，尤其是汽车工业上有着巨大的开发潜力和广阔的应用前景。

泡沫铝异型件作为一种三维立体部件，形状复杂，很难采用最新的轧制复合、累积叠轧等夹芯板的生产工艺来制备。而传统的胶黏工艺，由于属于物理连接，结合强度偏低，耐高温、耐蚀性差，其应用范围也十分有限。粉末冶金发泡工艺利用可发泡先驱体在闭合型腔内保温、膨胀，最后与外型结合为一个整体的方式来制备异型件，具有短流程、近净成形的特点，被认为是目前最具有开发潜力的一种泡沫铝异型件的制备工艺。

然而，传统的粉末冶金法，是将采用单向模压或者挤压制备的可发泡先驱体，直接置入密闭型腔中保温发泡，由于异型件形状复杂，往往需要多个预制坯即多坯体发泡的方式才能实现。而当异型件壁厚较小时，需要的可发泡先驱体的尺寸也很小，数量很多，往往需要较长的时间才能制备完成，这大大降低了生产效率，提高了生产成本，严重阻碍泡沫铝薄壁异型件的工业化进程。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种泡沫铝薄壁异型件的制备方法，同时提高生产效率、降低生产成本，为泡沫铝薄壁异型件的产业化提供必要的技术支持。

技术方案：

一种泡沫铝薄壁异型件的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

（1）粉料的混合：将原料铝粉和发泡剂氢化钛粉混合均匀；

（2）预制体的制备：将步骤（1）中混合好的粉末采用先冷压，再热挤压，最后多道次拉拔的方式，制备出线状的可发泡预制坯；

（3）泡沫铝异型件的制备：根据金属型腔的内腔厚度，选择合适直径的线状可发泡预制坯；根据芯层的密度要求，将线状可发泡预制坯折叠后，置入与其复合的金属的型腔中，然后转移到保温炉中保温后，转移到发泡炉中进行发泡，冷却后即可制得以泡沫铝为芯层以复合金属为表层的薄壁异型结构件：

其中：

所述步骤（1）中的发泡剂氢化钛粉的粒度为25μm以下；所述发泡剂氢化钛粉采用480℃空气中加热氧化120分钟的处理工艺；

所述步骤（1）中发泡剂氢化钛粉的添加量为预制体总质量的0.1-0.2%，其余为铝粉。

所述的一种泡沫铝薄壁异型件的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中预制体的制备方式采用三步成型：

第一步先采用500MP冷压的方式将混合粉末压制成高致密度的冷压坯；

第二步将冷压坯放到保温炉中在400℃保温加热90-120分钟后，迅速转移到预热好的挤压模具中进行挤压；

第三步将挤坯进行多道次拉拔，最终制成线状可发泡预制坯。

所述的一种泡沫铝薄壁异型件的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中挤压比为不小于30:1，挤压模具及压头的预热温度为390℃±20℃，得到的圆形挤压坯的横截面直径为12-15mm。

所述的一种泡沫铝薄壁异型件的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中挤压坯多道次拉拔过程中，每道次断面缩减率控制在15-20%之间，第1道次和第6道次拉拔前预制坯均采用400℃加热60分钟热处理工艺，最终制备出直径在2-5mm之间的线状可发泡预制坯。

所述的一种泡沫铝薄壁异型件的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中，根据薄壁异型件的壁厚要求选择合适直径的线状可发泡预制坯，根据芯层泡沫体的密度要求，将线状可发泡预制坯折叠后，置入与其复合的型腔中，最后放到保温炉中，保温发泡。

所述的一种泡沫铝薄壁异型件的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中，保温炉的保温温度为550-580℃，保温时间为40-50分钟，待线状预制坯与金属外型的温度都达到保温炉的设定温度后，迅速将其转移到发泡炉中发泡，发泡炉的温度设定在720-750℃之间，保温发泡时间在120-180秒之间，待泡沫体充满整个型腔，与金属壁紧密结合，形成异型结构后迅速冷却，冷却方式为水冷或者水雾冷。

优点及效果：

（1）泡沫铝薄壁异型件，由于壁厚较薄，采用的可发泡预制坯的尺寸较小，发泡过程中，吸热速度快、熔化时间短、发泡剂利用率高、发泡动力强，氢化钛分解释放的氢气很容易突破表层金属的束缚，溢出泡沫体，从而造成泡体的坍塌，严重降低芯层泡沫体的质量。因此本工艺在发泡剂的设计上，采用了小粒径、低添加量的方案。小粒径的氢化钛可使泡沫体在生长过程中，单位体积内气泡数量增多，而发泡驱动力不变，单个气泡的平均受力减小，泡沫体生长的稳定性增加，气泡合并均匀进行，不会出现因局部发泡能力过强，而产生大孔、通孔、甚至溢出体外的现象，从而可保证孔径大小的一致性、孔结构的均匀性。低添加量的氢化钛，在薄壁异型件高发泡剂利用率的前提下，不但不会降低芯层泡沫体的膨胀率，反而会使得发泡过程更稳定，还能进一步提高泡沫体的膨胀率；

（2）在可发泡预制坯的制备上采用了三步成型工艺，在传统的冷压制坯后再加热挤压的两步成型工艺的基础上增加了拉拔工序，即将热挤压后制得的挤压坯再采用多道次拉拔的方式，最终制备出线状的可发泡预制坯。薄壁异型件制备过程中，只需根据异型件的壁厚和芯层泡沫体的密度要求，选择合适直径的线状可发泡预制坯，采用合理的折叠方式，将线状可发泡预制坯折叠后，置入与其复合的金属型腔中，一起置入保温炉中保温发泡即可。无需耗费大量的时间制备出多个小尺寸的可发泡预制坯后，再采用多坯体发泡的方式来制备薄壁异型件。本发明大大提高了生产效率，降低了生产成本，对推动泡沫铝薄壁异型件的工业化进程具有十分积极的意义。

（3）采用多坯体发泡的方式，各小发泡预制坯，由于不是同时制备的，在致密度上或多或少的都存在一定的差异。发泡过程中，各小发泡预制体在起始膨胀时间、膨胀率上必然也存在一定的不同。因此最终制得的薄壁异型件各部分之间也会或多或少的存在一些密度差异，从而影响异型件的综合性能。本工艺采用的可发泡预制坯是同一条件下制得的一整条线状可发泡预制坯，其在合金成分及致密度上都保持高度的一致，因此最终制得的薄壁异型件各部分之间，在密度的一致性、孔结构的均匀性上，与多坯体发泡法相比都要好很多，其综合性能也远高于多坯体发泡法制备的薄壁异型件，这对泡沫铝薄壁异型件的产业化也是十分有利的。

附图说明：

图1线状可发泡预制坯的折叠方式示意图；

图2泡沫铝薄壁异型件的制备工艺流程图。

具体实施方式：

本发明是一种泡沫铝薄壁异型件的制备方法，该方法步骤如下：

（1）粉料的混合：首先将发泡剂TiH2粉末采用480℃空气中加热氧化120分钟的处理工艺，然后采用振动筛筛分的方式选择粒径在25μm以下的TiH2颗粒做发泡剂，按质量百分比0.1-0.2%的比例加入到基体铝粉中，最后将混合粉末放到球磨机上混合，混合时间为120分钟。

（2）预制体的制备：预制体的制备方式采用三步成型：第一步先采用500MP冷压的方式将混合粉末压制成高致密度达的冷压坯。第二步将冷压坯放到保温炉中在400℃保温加热90-120分钟后，迅速转移到挤压模具中进行挤压，其中挤压模具的挤压比为不小于30:1，挤压模具及压头的预热温度为390℃（温度上下波动偏差不超过20℃），得到的圆形挤压坯的横截面直径为12-15mm。第三步对挤压坯进行多道次拉拔，每道次断面缩减率控制在15-20%之间，第1道次和第6道次拉拔前预制坯均采用400℃加热60分钟热处理工艺，最终制备出直径在2-5mm之间的线状可发泡预制坯。

（3）泡沫铝异型件的制备：根据薄壁异型件的壁厚要求选择合适直径的线状可发泡预制坯，根据芯层泡沫体的密度要求，采用合理的折叠方式，将线状可发泡预制坯折叠后，置入与其复合的型腔中，一起置入550-580℃保温炉中，保温40-50分钟，待线状预制坯与金属外型的温度都达到保温炉子的设定温度后，迅速将其转移到发泡炉中发泡，发泡炉的温度设定在720-750℃之间，保温发泡时间在120-180秒之间，待泡沫体充满整个型腔，与金属壁紧密结合，形成异型结构后迅速冷却，冷却方式为水冷或者水雾冷。

线状可发泡预制坯的折叠方式如图1所示，其中d为线状可发泡预制坯的直径，2-5mm；D为可发泡预制坯的折叠间距，据薄壁异型件芯层泡沫体的密度要求计算而得；H为薄壁异型件的高度；L为薄壁异型件的总长度。由于薄壁异型件并非为规则的长方体，因此图中H、L为各段高度或者长度的总和，各小段的H小、L小根据异型件的形状适当调整。

采用此工艺制备的泡沫铝异型结构件，芯层泡沫体的密度在0.65g/cm³-1.35g/cm³之间，芯层泡沫体厚度在2-5mm之间。

本方法在发泡剂的设计上，采用了小粒径、低添加量的方案，可使气泡稳定生长、气泡合并均匀进行，不会出现因局部发泡能力过强，而产生大孔、通孔、甚至溢出体外的现象，从而可保证孔径大小的一致性、孔结构的均匀性。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步说明：

实施例1

预制体的制备：

将480℃加热氧化处理120分钟后的粒度小于25μm的TiH2粉与铝粉放到滚筒混料机上进行混合，混合时间为120分钟，其中TiH2添加量为0.1%，余量为铝粉。接下来将混合均匀的粉末置入圆柱形模具中，加压到500MPa，保压10分钟，将混合粉末压制成圆柱形冷压坯。脱模后将冷压坯，置入400℃的保温炉中保温加热120分钟，然后迅速转移到30：1的预热好的挤压模具中进行热挤压（挤压模具及压头的预热温度为390℃），制备成直径12mm的挤压坯。最后对挤压坯进行多道次拉拔，第1道次和第6道次拉拔前预制坯均采用400℃加热60分钟热处理工艺，每道次的断面缩减率控制在15%左右，最后将挤压坯拉拔成直径为2mm左右的线状可发泡预制坯，

泡沫铝异型件的制备：

将线状可发泡预制坯折叠后置入与其复合的金属型腔中，然后将装填完毕后首先将其置入550℃，的保温炉中，保温50分钟，待线状预制坯与金属外型的温度都达到保温炉子的设定温度后，迅速将其转移到发泡炉中发泡，发泡炉的温度设定在720℃，保温发泡时间在约为180秒，待泡沫体充满整个型腔，与金属壁紧密结合，形成异型结构后迅速冷却，冷却方式为水冷或者水雾冷。采用此工艺制备的泡沫铝薄壁异型结构件，芯层泡沫体的密度在约为1.35g/cm³，芯层泡沫体厚度在约为2mm。

实施例2

预制体的制备：

将480℃加热氧化处理120分钟后的粒度小于25μm的TiH2粉与铝粉放到滚筒混料机上进行混合，混合时间为120分钟，其中TiH2添加量为0.2%，余量为铝粉。接下来将混合均匀的粉末置入圆柱形模具中，加压到500MPa，保压10分钟，将混合粉末压制成圆柱形冷压坯。脱模后将冷压坯，置入400℃的保温炉中保温加热90分钟，然后迅速转移到30：1的预热好的挤压模具中进行热挤压（挤压模具及压头的预热温度为390℃），制备成直径15mm的挤压坯。最后对挤压坯进行多道次拉拔，第1道次和第6道次拉拔前预制坯均采用400℃加热60分钟热处理工艺，每道次的断面缩减率控制在20%左右，最后将挤压坯拉拔成直径为5mm左右的线状可发泡预制坯，

泡沫铝异型件的制备：

将线状可发泡预制坯折叠后置入与其复合的金属型腔中，然后将装填完毕后首先将其置入580℃的保温炉中，保温40分钟，待线状预制坯与金属外型的温度都达到保温炉子的设定温度后，迅速将其转移到发泡炉中发泡，发泡炉的温度设定在750℃，保温发泡时间约为120秒，待泡沫体充满整个型腔，与金属壁紧密结合，形成异型结构后迅速冷却，冷却方式为水冷或者水雾冷。采用此工艺制备的泡沫铝薄壁异型结构件，芯层泡沫体的密度在约为0.65g/cm³，芯层泡沫体厚度在约为5mm。

实施例3

预制体的制备：

将480℃加热氧化处理120分钟后的粒度小于25μm的TiH2粉与铝粉放到滚筒混料机上进行混合，混合时间为120分钟，其中TiH2添加量为0.15%，余量为铝粉。接下来将混合均匀的粉末置入圆柱形模具中，加压到500MPa，保压10分钟，将混合粉末压制成圆柱形冷压坯。脱模后将冷压坯，置入400℃的保温炉中保温加热105分钟，然后迅速转移到30：1的预热好的挤压模具中进行热挤压（挤压模具及压头的预热温度为390℃），制备成直径13.5mm的挤压坯。最后对挤压坯进行多道次拉拔，第1道次和第6道次拉拔前预制坯均采用400℃加热60分钟热处理工艺，每道次的断面缩减率控制在17.5%左右，最后将挤压坯拉拔成直径为3.5mm左右的线状可发泡预制坯，

泡沫铝异型件的制备：

将线状可发泡预制坯折叠后置入与其复合的金属型腔中，然后将装填完毕后首先将其置入565℃的保温炉中，保温45分钟，待线状预制坯与金属外型的温度都达到保温炉子的设定温度后，迅速将其转移到发泡炉中发泡，发泡炉的温度设定在735℃，保温发泡时间约为150秒，待泡沫体充满整个型腔，与金属壁紧密结合，形成异型结构后迅速冷却，冷却方式为水冷或者水雾冷。采用此工艺制备的泡沫铝薄壁异型结构件，芯层泡沫体的密度在约为1.0g/cm³，芯层泡沫体厚度在约为3.5mm。