一种泡沫铝夹层板的制备方法与流程

本发明涉及一种泡沫铝夹层板的制备方法，属于多孔金属材料领域。

背景技术：

泡沫铝夹层板是一种表面为铝或铝合金实心层，芯部为泡沫铝的夹层结构，与单纯的泡沫铝相比，具有更高的比强度和能量吸收能力，在建筑、机动车、飞机、船舶、装饰等领域有广泛的应用前景。

目前，泡沫铝夹层板的主流制备方法是粘结法、粉末冶金发泡法和。粘结法采用有机胶将泡沫铝及铝（或铝合金）面板粘结在一起，获得泡沫铝夹层板；粉末冶金发泡法则是首先通过粉末冶金途径（混粉、压力加工），获得可发泡先驱体，然后将可发泡先驱体与铝（或铝合金）面板进行复合轧制，最后通过加热发泡获得泡沫铝夹层板。粘结法的不足之处是面板与泡沫芯的结合强度低，且使用温度一般不超过200℃；粉末冶金发泡法虽然可得到面板与泡沫芯为冶金结合的高强度泡沫铝夹层板，但受粉末冶金方法本身的限制，在制品成本、产量及尺寸上存在明显的不足。

为获得面板与泡沫芯为冶金结合且表面层厚度可控的高强度夹层板，本专利提出了一种泡沫铝夹层板制备方法，从熔体途径出发获得内含发泡剂的可发泡先驱体，结合TiH₂的预处理、包覆铝或铝合金板及保温发泡等过程，制备面板及泡沫芯之间为冶金结合界面且表面厚度可控的泡沫铝夹层板，克服了粉末冶金发泡法在制品成本、产量及尺寸上的不足，克服了粘结法泡沫铝夹层板在板-芯结合强度上的不足。

技术实现要素：

将铝合金（材料A）在T1温度熔化保温、增粘，向增粘的芯部铝合金熔体中加入经预氧化处理的发泡剂TiH₂进行搅拌分散；将发泡模具预热至T1温度，铝或铝合金板（材料B）预热至比其固相线温度低10~15℃的T2温度；将一块预热好的铝或铝合金板垫入模具底部，并将含TiH₂的增粘的芯部铝合金熔体倒入模具中，随后在熔体表面盖一块预热好的铝或铝合金板，最后盖上模具上盖板；控制模具的温度为T1进行保温发泡，发泡过程中，芯部铝合金熔体发泡成为夹层板的泡沫铝芯，面板熔化并形成夹层板的上下实体表面层；发泡过程结束并冷却后，获得表面层与泡沫铝芯为冶金结合的泡沫铝夹层板，夹层板表面层厚度通过面板厚度进行控制。具体步骤包括：

（1）铝合金熔体熔化保温：将铝合金（材料A）在高于其液相线温度20~30℃的温度T1下熔化后保温30~60分钟得到芯部铝合金熔体；

（2）铝合金熔体增粘：在步骤（1）获得的芯部铝合金熔体中加入增粘剂金属Ca，以1000~2000rpm的搅拌速度搅拌10~15分钟，获得增粘的铝合金熔体；其中，Ca的加入量为铝合金熔体质量的1~3%wt；

（3）加入发泡剂：在步骤（2）得到的增粘的铝合金熔体中加入经预氧化处理的发泡剂TiH₂，以1000~3000rpm的搅拌速度搅拌40~100s，得到可发泡熔体；

（4）模具及铝板预热：将厚度为1~2mm的铝或铝合金板（材料B）预热至比其液相线温度T3低10~15℃的温度T2，模具预热至温度T1，预热好的铝或铝合金板垫入模具下方将步骤（3）得到的可发泡熔体倒入模具，在熔体表面盖一层铝或铝合金板并盖上模具上盖板；

（5）保温发泡：将步骤（4）获得的内含熔体与铝或铝合金板的模具在温度T1下保温发泡5~7分钟，发泡体空冷后获得泡沫铝夹层板。

本发明步骤（1）中所述铝合金为铝与Si、Cu、Mg、Zn、Mn元素构成的二元或多元铝合金；步骤（4）中所述铝或铝合金板为工业纯铝板或各类铝合金板。

本发明所述发泡剂TiH₂颗粒的粒度范围为37~74μm；发泡剂TiH₂的预处理方法为采用400℃6h+（470~520）℃1h的工艺在大气环境中进行氧化处理。

本发明所述温度T1>T3>T2，T1-T2=10~20℃。

本发明所述方法制备得到的泡沫铝夹层板，表面为厚度1.0~2.0mm的实心层、芯部为平均孔径3~6mm、孔隙率75~90%的泡沫铝夹层板。

发明原理：

1、发泡温度、预热温度及上下铝或铝合金板液相线温度的匹配原理

制备泡沫铝夹层板需确定3个关键温度，发泡温度T1、上下铝或铝合金板预热温度T2、上下铝或铝合金板液相线温度T3，三者关系为T1>T3>T2，实验研究结果表明存在以下关系：

（1）发泡温度、芯部铝合金熔化保温温度、模具预热温度均为T1

（2）上下铝或铝合金板预热温度T2，T1-T2=10~20℃

（3）上下铝或铝合金板液相线温度T3，T3-T2=10~15℃

模具与上下铝或铝合金板的预热温度不同，分开预热，且T1>T2；上下铝或铝合金板在预热（预热温度T2）时为固态，而在发泡时为液态（发泡温度T1）。

温度匹配的出发点是芯部铝合金(材料A）的液相线温度，由此推出保温发泡温度T1，根据T1确定上下铝或铝合金板（材料B）预热温度及液相线温度T2，随后选定铝和铝合金板（材料B）即：材料A的液相线温度→保温发泡温度T1→（材料B）预热温度及液相线温度→确定材料B。

2、泡沫铝的孔隙率控制规律

发泡温度、发泡时间与孔隙率之间的关系为：

式中，：泡沫铝板的孔隙率（%，0<<100%）

t：发泡时间（min）

T₂：发泡温度（600~670℃）

3、发泡剂预处理与发泡工艺的关系

对发泡剂TiH₂进行表面氧化处理，可在其表面原位生成氧化层，在高温铝熔体内分散时有一段低分解平台区（图2中的Ⅰ区），在该时段内TiH₂不分解或少量分解，有利于发泡剂的均匀分散，并可使其在发泡过程中能够保持足够的活性（图2中的Ⅱ、Ⅲ区），获得足够的产气量以实现有效的泡沫化过程。

搅拌分散时间（即图2中Ⅰ区的时间段）与发泡温度、发泡剂预处理工艺之间的相互关系为：

式中，S：TiH₂在温度的搅拌分散时间（s，>0）

T₁：TiH₂氧化处理的最高温度（470~520℃）

T₂：发泡温度（600~670℃）

本发明的有益效果：从熔体途径出发获得内含发泡剂的可发泡先驱体，结合TiH₂的预处理、包覆铝或铝合金板及保温发泡等过程，制备面板及泡沫芯之间为冶金结合界面且表面厚度可控的泡沫铝夹层板，克服了粉末冶金发泡法在制品成本、产量及尺寸上的不足，克服了粘结法泡沫铝夹层板在板-芯结合强度上的不足，工艺过程简单、可控，可实现工业化生产。

附图说明

图1为泡沫铝夹层板制备工艺流程图；

图2为氧化预处理TiH₂在发泡温度的等温分解曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

实施例1

（1）合金熔化保温：将AlSi12合金于600℃熔化，保温30分钟；

（2）增粘 ：向步骤（1）获得的AlSi12合金熔体中添加与AlSi12合金熔体质量百分比为1.5%wt的Ca，用1000rpm的搅拌速度搅拌15分钟，获得增粘的AlSi12合金熔体；

（3）加入发泡剂：向步骤（2）获得的增粘AlSi12合金熔体中加入与AlSi12合金熔体质量百分比为1.0%wt、经400℃6h+470℃1h预氧化处理的发泡剂TiH₂，发泡剂TiH₂颗粒的粒度范围为37~74μm，发泡剂搅拌分散的搅拌速度为3000rpm、搅拌时间为70s，得到可发泡的熔体；

（4）模具及铝板预热：将厚度为1mm的AlSi9合金板预热至590℃，模具预热至600℃，模具下方垫入预热好的AlSi9合金板，将步骤3获得的含TiH₂的增粘铝合金熔体倒入模具，在熔体表面盖一层AlSi9合金板并盖上模具上盖板；

（5）保温发泡：将步骤4含有熔体和AlSi9合金板的模具温度保持在 600℃保温发泡7分钟，发泡体空冷后获得表面为厚度1mm的实心AlSi9合金层、芯部为平均孔径3mm、孔隙率75%的AlSi12合金泡沫夹层板。

实施例2

（1）铝合金熔体熔化保温：将ZL111合金于620℃熔化，保温50分钟；

（2）增粘：向步骤（1）获得的ZL111合金熔体中添加与ZL111合金熔体质量百分比为2%wt的Ca，用1500rpm的搅拌速度搅拌12分钟，获得增粘的ZL111合金熔体；

（3）加入发泡剂：向步骤（2）获得的增粘ZL111合金熔体中加入与ZL111合金熔体质量百分比为1.5%wt、经400℃6h+490℃1h预氧化处理的发泡剂TiH₂，发泡剂TiH₂颗粒的粒度范围为37~74μm，发泡剂搅拌分散的搅拌速度为2000rpm，搅拌时间为40s，得到可发泡的铝合金熔体待用；

（4）模具及铝板预热：将厚度为1mm的AlSi7合金板预热至600℃，模具预热至620℃，模具下方垫入预热好的AlSi7合金板，将步骤（3）获得的含TiH₂的增粘铝合金熔体倒入模具，在熔体表面盖一层AlSi7合金板并盖上模具上盖板；

（5）保温发泡：将步骤（4）获得的含有熔体及AlSi7合金板的模具温度保持在620℃进行保温发泡6分钟，发泡体空冷后获得表面为厚度1m的实心AlSi7合金层、芯部为平均孔径4mm、孔隙率80%的ZL111合金泡沫夹层板。

实施例3

（1）铝合金熔体熔化保温：将7075合金于670℃熔化，保温50分钟；

（2）增粘：向步骤（1）获得的7075合金熔体中添加与7075合金熔体质量百分比为3%wt的Ca，用1800rpm的搅拌速度搅拌12分钟，获得增粘的7075合金熔体；

（3）加入发泡剂：向步骤（2）获得的增粘7075合金熔体中加入与7075合金熔体质量百分比为2%wt、经400℃6h+520℃1h预氧化处理的发泡剂TiH₂，发泡剂TiH₂颗粒的粒度范围为37~74μm，发泡剂搅拌分散的搅拌速度为1000rpm，搅拌时间为100s，得到可发泡的铝合金熔体待用；

（4）模具及铝板预热：将厚度为2mm的纯铝板预热至650℃，模具预热至670℃，模具下方垫入预热好的纯铝板，将步骤（3）获得的含TiH₂的增粘铝合金熔体倒入模具，在熔体表面盖一层纯铝板并盖上模具上盖板；

（5）保温发泡：将步骤（4）获得的含有熔体及纯铝板的模具温度保持在670℃进行保温发泡5分钟，发泡体空冷后获得表面为厚度2mm的实心纯铝层、芯部为平均孔径5mm、孔隙率85%的7075合金泡沫夹层板。

实施例4

（1）铝合金熔体熔化保温：将AlMg10合金在640℃熔化，保温60分钟；

（2）铝合金熔体增粘：向步骤（1）获得的AlMg10合金熔体中添加与AlMg10合金熔体质量百分比为2.0%wt的Ca，用2000rpm的搅拌速度搅拌10分钟，获得增粘的AlMg10合金熔体；

（3）加入发泡剂：向步骤（2）获得的增粘AlMg10合金熔体中加入与AlMg10合金熔体质量百分比为1.7%wt、经400℃6h+510℃1h预氧化处理的发泡剂TiH₂，发泡剂搅拌分散的搅拌速度为2000rpm，搅拌时间为45s；

（4）模具及铝板预热：将厚度为1.5mm的AlSi4合金板预热至620℃，模具预热至640℃，模具下方垫入预热好的AlSi4合金板，将步骤（3）获得的含TiH₂的增粘铝合金熔体倒入模具，在熔体表面盖一层AlSi4合金板并盖上模具上盖板；

（5）保温发泡：将步骤（4）获得的含有熔体及AlSi4合金板的模具温度保持在640℃进行保温发泡7分钟，发泡体空冷后获得表面为厚度1.5mm的实心AlSi4合金层、芯部为平均孔径6mm、孔隙率90%的AlMg10合金泡沫夹层板。