一种激光制备泡沫铝夹芯板的方法与流程

本发明涉及功能结构材料制备技术领域，具体涉及一种激光制备泡沫铝夹芯板的方法。

背景技术：

泡沫铝合金是一种结构与功能一体化的新型材料，其以铝或铝合金为基体，通过在基体中掺加添加剂后经过发泡工艺而成。其内部含有大量气孔，孔隙率为40％～90％左右，同时兼有金属和气泡特征。泡沫铝合金有很多优异的性能，比如密度小、高吸收冲击能强、耐高温、防火功用强、抗腐蚀、隔音降噪、导热率低、电磁屏蔽性高、耐候性强、有过滤功能、易加工、易装置、成型精度高、可进行外表涂装，具有优秀的物理性能、化学性能和力学性能以及可回收性。泡沫铝合金的这些优异性能使其在当今的材料领域具有宽广的使用前景，是非常具有开发前景的工程材料，特别是在交通运输工业，航天事业和建筑构造工业等方面，可以用作轻质装潢建筑材料、阻燃材料、轻化工催化剂、热交换器，起到隔音消声、电磁屏蔽、减震抗冲击等作用。

但是，泡沫铝合金材料单独使用时无法很好地满足结构强度、刚度等要求，多数情况是与传统的致密金属相结合形成三明治结构的夹芯板，即金属薄板-泡沫铝合金-金属薄板的结构。泡沫铝合金夹芯板继承了泡沫铝合金的优异性能，具有很高的抗弯强度，可用作新型建材、机车车辆的高刚度构造件等，它在汽车制造、航天、航空等新材料领域中占有不可取代的地位。

目前三明治结构的泡沫铝合金夹芯板的制备方法通常采用轧制复合法、胶结法，还有一种真空熔炼法，具体方法可参见文献：泡沫铝合金三明治结构与其力学性能的试验研究(卢位昌，东南大学硕士学位论文，2014，南京)，即在真空环境中熔炼铝合金，并将熔融状态的铝合金作为“胶水”进行胶结。

然而以上传统的制备方法都存在不同的弊端，如轧制复合法即将带有发泡剂的混合粉末置于两块铝板之间，进行复合轧制使之成为预制发泡体，然后再在高温炉中进行发泡，该方法在一定程度上受到轧制设备和高温炉的限制，胶结法主要是达不到环保的要求并且制备的夹芯板结合强度差，而真空熔炼法将铝合金熔炼作为“胶水”的方法也受到真空室的限制。

因此，针对上述技术限制，有必要提出一种更为简单、易行的泡沫铝合金夹芯板的制备方法，以扩大泡沫铝合金夹芯板的应用范围。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种激光制备泡沫铝夹芯板的方法，采用激光直接熔化进行制备，摒弃了传统利用轧制或者胶结的方法，突破了传统生产设备的限制，也解决了传统制备方法所带来的环境污染问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种激光制备泡沫铝夹芯板的方法，包括以下步骤：

S1、根据所需制备的泡沫铝合金夹芯板的尺寸数据，建立几何模型及加工轨迹；

S2、对泡沫铝合金芯材块体进行表面处理；

S3、设定激光器激光加工参数；

S4、激光器按照S1设定的加工轨迹对泡沫铝合金芯材块体的表面进行增材制造加工，得到泡沫铝合金块体一个方向上所需的面板；

S5、将步骤S4所得的泡沫铝合金芯材块体翻转180°，重复步骤S4，直至泡沫铝合金块体在该方向上的面板增材制造完成；

S6、对步骤S5所得的泡沫铝合金夹芯板进行清洁、干燥处理并储存。

优选的，所述步骤S1中，尺寸数据包括泡沫铝合金夹芯板所需的孔径大小、面积大小，加工轨迹为扫描轨迹。

优选的，所述泡沫铝合金夹芯板的孔径为0μm≤D≤5000μm，其中D为泡沫铝合金夹芯板的泡沫孔的平均直径。

优选的，所述步骤S2中的泡沫铝合金芯材块体为铝-硅合金块体、泡沫铝块体、铝-锰合金块体、铝-镁合金块体的其中一种；所述表面处理步骤为利用氢氧化钠溶液作为清洁剂对泡沫铝合金芯材块体进行表面清洗，然后经过清水清洗，使用冷风吹干。

优选的，所述步骤S3中的激光器采用波长范围为800～1070nm的固体激光器。

优选的，所述步骤S3中的激光加工参数为：

激光光斑直径0.1μm≤d≤6000μm，激光能量P≥110W，扫描间距由每道激光束扫描时的重叠率表示，符号为O，20％≤O≤40％，扫描速度V≥5mm·s^-1。所述激光光斑直径d、扫描速度V、激光能量P符合关系式：

其中61W·s·mm^-2≤E≤106W·s·mm^-2。

优选的，所述步骤S4具体包括，激光器的激光头按照步骤S1中设定的加工轨迹，对泡沫铝合金芯材块体的一个表面进行多层激光增材，激光器每加工一层，激光头就上升一个高度，直到所需的泡沫铝合金夹芯板的面板达到所需要的厚度和面积为止；所述高度为激光头每加工一层的厚度。

优选的，所述步骤S5具体包括，将步骤S4所得的泡沫铝合金芯材块体翻转180°，然后在该方向上对泡沫铝合金芯材块体的表面重复步骤S4继续进行增材制造加工，直到该方向上的面板加工完成，形成三明治结构的泡沫铝合金夹芯板。

优选的，所述步骤S6具体包括，将步骤S5所得的泡沫铝合金夹芯板放置在蒸馏水中施加超声波进行震荡进行清洗，冷风吹干后放置在干燥皿中进行储藏。

与现有技术相比，本发明提供的一种激光制备泡沫铝夹芯板的方法通过优化工艺参数、精确控制泡沫铝合金夹芯板的面板制作尺寸，进行不同厚度、尺寸规格的制备，经过层层增材制造，得到满足任意特定形状和尺寸的泡沫铝合金夹芯板。同时，本方法摒弃了传统的制造方法，采用激光直接融化增材制备，突破了使用轧制设备、真空室设备对制备尺寸的限制，同时也不存在胶水胶合强度低的弊端，具有高可控性，制备所得的泡沫铝合金夹芯板符合应用于高端制造业对材料的高标准质量要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的激光制备泡沫铝夹芯板的方法的流程图；

图2为每道激光束扫描时的重叠率O的示意图；

图3为本发明提供的激光制备泡沫铝夹芯板的方法中泡沫铝合金芯材块体表面增材制造的示意图。

附图中涉及的附图标记和组成部分说明：

W、一次激光扫描时激光束的宽度；O、两次激光扫描时激光束的搭接率；1、激光束；2、保护气体；3、粉末射流；4、熔池；5、喷涂涂层；6、同轴夹层喷嘴；7、粉末。

具体实施方式

传统的制备方法都存在不同的弊端，如轧制复合法即将带有发泡剂的混合粉末置于两块铝板之间，进行复合轧制使之成为预制发泡体，然后再在高温炉中进行发泡，该方法在一定程度上受到轧制设备和高温炉的限制，胶结法主要是达不到环保的要求并且制备的夹芯板结合强度差，而真空熔炼法将铝合金熔炼作为“胶水”的方法也受到真空室的限制。

因此，针对上述技术限制，本发明提供一种激光制备泡沫铝夹芯板的方法，通过使用激光器进行层层增材制备三明治结构的泡沫铝合金夹芯板，突破了传统制备方法的设备限制，也解决了传统制备方法所存在的问题。

参见图1所示。具体包括如下步骤：

S1、根据所需制备的泡沫铝合金夹芯板的尺寸数据，建立几何模型及加工轨迹。

尺寸数据包括泡沫铝合金夹芯板所需的孔径大小、面积大小，加工轨迹为扫描轨迹，即激光扫描时每道激光束之间的搭接率。本发明制备的泡沫铝合金夹芯板的孔径为0μm≤D≤5000μm，其中D为泡沫铝合金夹芯板的泡沫孔的平均直径。

S2、对泡沫铝合金芯材块体进行表面处理。本发明制备方法所采用的泡沫铝合金芯材块体为铝-硅合金块体、泡沫铝块体、铝-锰合金块体、铝-镁合金块体的其中一种。

表面处理步骤为利用氢氧化钠溶液作为清洁剂对泡沫铝合金芯材块体进行表面清洗，然后经过清水清洗，使用冷风吹干。

S3、设定激光器激光加工参数。

本制备方法采用的激光器为波长范围在800～1070nm内的固体激光器，根据本方法制备的泡沫铝合金夹芯板的孔径大小及泡沫铝合金芯材块体的自身属性，设定激光加工参数为：

激光光斑直径0.1μm≤d≤6000μm，其中激光光斑直径与泡沫铝合金夹芯板的平均直径之间的关系为D＜d；激光能量P≥110W；扫描间距由每道激光束扫描时的重叠率表示，符号为O，并满足20％≤O≤40％，重叠率O的具体定义参见图2所示，其中W表示一次激光扫描时激光束的宽度，O表示两次激光扫描时激光束的搭接率；扫描速度V≥5mm·s^-1。

激光光斑直径d、扫描速度V、激光能量P符合关系式：

其中61W·s·mm^-2≤E≤106W·s·mm^-2，d、V、P的上限由该关系式限定。

S4、激光器的激光头按照步骤S1中设定的加工轨迹，对泡沫铝合金芯材块体的一个表面进行多层激光增材加工。

激光增材制备示意图如图3所示，粉末7从同轴夹层喷嘴6进入汇集成粉末射流3，粉末射流3于保护气体2的氛围中在熔池4内被激光束1高温熔化，然后在泡沫铝合金芯材块体表面形成喷涂涂层5。

激光器每加工一层，激光头就上升一个高度，该高度为激光头每加工一层的厚度直到所需的泡沫铝合金夹芯板的面板达到所需要的厚度和面积为止。

S5、将步骤S4所得的泡沫铝合金芯材块体翻转180°，然后在该方向上对泡沫铝合金芯材块体的表面重复步骤S4继续进行增材制造加工，直到该方向上的面板加工完成，形成三明治结构的泡沫铝合金夹芯板。

S6、将步骤S5所得的泡沫铝合金夹芯板放置在蒸馏水中施加超声波进行震荡清洗，冷风吹干后放置在干燥皿中进行储藏。

下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

S1、根据所需制备的泡沫铝合金夹芯板的尺寸数据，建立几何模型及加工轨迹。

尺寸数据包括泡沫铝合金夹芯板所需的孔径大小、面积大小，加工轨迹为扫描轨迹，即激光扫描时每道激光束之间的搭接率。本实施例制备的泡沫铝合金夹芯板的孔径为D＝10μm，其中D为泡沫铝合金夹芯板的泡沫孔的平均直径。

S2、对泡沫铝合金芯材块体进行表面处理。本实施例制备所采用的泡沫铝合金芯材块体为泡沫铝-镁合金块体。

表面处理步骤为利用氢氧化钠溶液作为清洁剂对泡沫铝-镁合金块体进行表面清洗，然后经过清水清洗，使用冷风吹干。

S3、设定激光器激光加工参数。

本实施例采用的激光器为波长为808nm的固体激光器，根据本实施例制备的泡沫铝-镁合金夹芯板的孔径大小及泡沫铝-镁合金块体的自身属性，设定激光加工参数为：

激光光斑直径：d＝20μm，其中激光光斑直径与泡沫铝合金夹芯板的平均直径之间的关系为D＜d；激光能量P＝110W；扫描间距由每道激光束扫描时的重叠率表示，符号为O，O＝20％，重叠率O的具体定义参见图2所示，其中W表示一次激光扫描时宽度，O表示两次激光扫描时的搭接率；扫描速度V≥5mm·s^-1。

激光光斑直径d、扫描速度V、激光能量P符合关系式：

其中E＝61W·s·mm^-2，计算得出扫描速度V＝180mm·s^-1。

S4、激光器的激光头按照步骤S1中设定的加工轨迹，对泡沫铝-镁合金块体的一个表面进行多层激光增材制造。

激光增材制备示意图如图3所示，粉末7从同轴夹层喷嘴6进入汇集成粉末射流3，粉末射流3于保护气体2的氛围中在熔池4内被激光束1高温熔化，然后在泡沫铝-镁合金块体表面形成喷涂涂层5。

激光器每加工一层，激光头就上升一个高度，该高度为激光头每加工一层的厚度直到所需的泡沫铝-镁合金夹芯板的面板达到所需要的厚度和面积为止。

S5、将步骤S4所得的泡沫铝-镁合金块体翻转180°，然后在该方向上对泡沫铝-镁合金块体的表面重复步骤S4继续进行增材制造加工，直到该方向上的面板加工完成，形成三明治结构的泡沫铝-镁合金夹芯板。

S6、将步骤S5所得的泡沫铝-镁合金夹芯板放置在蒸馏水中施加超声波进行震荡进行清洗，冷风吹干后放置在干燥皿中进行储藏。

实施例二：

本实施例与实施例一不同之处在于，本实施例制备所采用的泡沫铝合金芯材块体为泡沫铝-锰合金块体，其泡沫铝-锰合金夹芯板的孔径为D＝500μm，采用的激光器为波长为900nm的固体激光器，激光加工参数设定为：激光光斑直径d＝600μm，激光能量P＝500W，扫描间距O＝30％，选择E＝80W·s·mm^-2，按照关系式进行计算，得出扫描速度V＝10.4mm·s^-1。

实施例三：

本实施例与实施例一不同之处在于，本实施例制备所采用的泡沫铝合金芯材块体为泡沫铝-硅合金块体，其泡沫铝-硅合金夹芯板的孔径为D＝800μm，采用的激光器为波长为900nm的固体激光器，激光加工参数设定为：激光光斑直径d＝2000μm，激光能量P＝1500W，扫描间距O＝35％，选择E＝90W·s·mm^-2，按照关系式进行计算，得出扫描速度V＝8.3mm·s^-1。

实施例四：

本实施例与实施例一不同之处在于，本实施例泡沫铝-镁合金夹芯板的孔径为D＝4000μm，采用的激光器为波长为1070nm的固体激光器，激光加工参数设定为：激光光斑直径d＝5000μm，激光能量P＝2500W，扫描间距O＝40％，选择E＝105W·s·mm^-2，按照关系式进行计算，得出扫描速度V＝333.33mm·s^-1。

综上所述，本发明提供的一种激光制备泡沫铝夹芯板的方法，摒弃了传统的制备方法，采用了全新的激光制备方法，通过优化工艺参数、精确控制激光光斑大小和激光加工的加工参数，层层熔化增材制备出泡沫铝合金夹芯板。本方法不受到传统的轧制设备和真空炉尺寸的限制，克服了胶结过程中的结合力不差和其所带来的环境污染问题，符合绿色环保的生产加工要求，制得的泡沫铝合金夹芯板符合应用于高端制造业对材料的高标准质量要求。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。