粉末成形制备泡沫铝夹芯板的方法与流程

本发明涉及一种层状复合材料的制备方法技术领域，具体涉及一种粉末成形制备泡沫铝夹芯板的方法。

背景技术：

以泡沫铝为芯材、以致密金属板(如钢板、铝板、钛板、镍板等)为面板制成的三明治式复合结构，简称泡沫铝夹芯板。泡沫铝夹芯板不但继承了泡沫铝材料的轻质高强、减震吸能和电磁屏蔽等优点，且因芯层对外壳的分隔而有效地增大了夹芯结构的惯性矩，进而形成了一种高比强度和比刚度的轻量化结构，可在交通运输、航空航天和建筑等领域具有广泛的应用前景。

现有制备泡沫铝夹芯板的方法主要分为胶粘连接和金属化连接。所谓胶粘连接就是将金属面板与泡沫铝夹芯层直接用树脂胶粘接在一起。该方法简单易行，但存在的最大问题是结合界面易老化和不耐高温。金属化连接是用合金层或金属过渡层作为面板与泡沫铝夹芯层的连接剂。由于连接剂为金属，即所谓的界面间形成冶金结合，则不存在老化问题，同时使用温度也得到较大幅度的提高。因此，采用金属化连接制备的泡沫铝夹芯板作为结构材料使用时，其应用范围更广。但采用金属化连接制备泡沫铝夹芯板时，所需生产设备复杂，工艺流程较长、制作成本普遍较高。如：文献《Aluminium Foam Sandwich Panels：Manufacture，Metallurgy and Applications》公开了一种采用粉末冶金法制备出规格为1m×2m的泡沫铝夹心板材的方法。该方法首先将铝粉与发泡剂、添加剂进行充分混合，然后将混合物压制成密实的预制坯体，再通过热轧和冷轧使预制坯体与面板复合，最后放入发泡炉内并使温度升至预制坯体所用基体金属的固相线以上并保温一定时间，利用发泡剂分解产生的气体在熔融状态下的芯层内部形成无数的气孔，经冷却可得到泡沫铝夹心板材料。又如：发明专利CN200510052089具体公开了一种泡沫金属的铸轧连续生产方法，其采用熔体二次发泡的方式制备泡沫铝夹心板。这种方法首先将45#钢和纯铝分别在1450℃和720℃下熔化，然后在铝熔体中加入增黏剂和发泡剂，通过搅拌使它们在铝熔体中均匀分散。再将45#钢和铝熔体浇入4挡板的立式两辊轧机并进行轧制，得到钢/铝/钢夹层板发泡前躯体带材，该带材再经二次加热和发泡，可得到钢/泡沫铝/钢复合的泡沫铝夹心板。另外，从上述两篇文献描述的泡沫铝夹芯板制备方法中还可以看出，其技术思想是将面板(铝板、钢板)与可发泡预制坯先进行预结合，然后再通过加热发泡来获得具有金属化连接界面(冶金结合)的泡沫铝夹芯板。

相对于上述两种技术方案，发明申请CN104960270A公开了一种界面冶金结合泡沫铝板的制备方法。该方法先将已经制备完成的适当密度、孔隙率和厚度的泡沫铝板材进行表面清洁处理，然后放置于一定温度的加热平台之上；待与加热平台接触的泡沫铝板材一侧温度升到一定程度之后，再于该泡沫铝板材的上表面施加机械压力，使受热软化的泡沫铝板材发生物理变形，进而在泡沫铝板材的一侧表面形成近似于面板的蒙皮层；重复上述操作可在泡沫铝板材的另一侧形成近似于面板的蒙皮层，得到具有冶金结合界面的泡沫铝夹芯板。该方法与上述两种技术路线的不同之处主要在于其面板(蒙皮层)是在泡沫铝夹芯板制备过程中形成的，即该方法是先形成泡沫铝夹芯，后形成面板；而前述方法是先形成面板与可发泡预制坯的夹芯结构，然后再经发泡而形成泡沫铝夹芯板。尽管该方法比较简单，但其制备的泡沫铝夹芯板的面板致密程度不高，且在高温下对泡沫铝板材施加压力也会对已有泡沫结构造成一定程度的损坏，进而影响所制备的泡沫铝夹芯板的使用性能。

技术实现要素：

本发明目的在于克服现有技术中存在的问题，提供了一种粉末成形制备泡沫铝夹芯板的方法；该方法利用粉末压制技术一次形成泡沫铝夹芯板面板、泡沫芯层的预制坯，再经保温发泡可制备出厚度可控、结构均匀的泡沫铝夹芯板材料。

本发明的一种粉末成形制备泡沫铝夹芯板的方法，其技术解决方案按以下步骤进行：

步骤1、备料

按照泡沫铝夹芯板的原料配比，称量芯层原料和面板原料；

步骤2、混合物料

将称量的芯层原料混合，得到混合均匀的芯层混合粉料；

步骤3、制备泡沫铝夹芯板的预制坯

将泡沫铝夹芯板的面板原料均匀铺于成型模具的腔内，将芯层混合粉料均匀铺于面板原料上层，再加入面板原料均匀铺于芯层混合粉料上层，进行压制，压制压力为300～500MPa，保压时间为5～15分钟，制得泡沫铝夹芯板预制坯；

步骤4、加热发泡

将发泡模具放入加热炉内加热，将泡沫铝夹芯板预制坯置于发泡模具的空腔内，并闭合发泡模具，保温发泡，待泡沫铝夹芯板预制坯发泡膨胀至与发泡模具空腔上下壁完全接触后，将发泡模具移出加热炉并冷却，制得泡沫铝夹芯板。

所述的泡沫铝夹芯板为面板-芯层-面板的三明治式结构；

其中，芯层原料为铝粉或铝合金、SiC粉、镁粉和TiH₂粉；SiC粉质量为铝粉或铝合金质量的3～9％，镁粉质量为铝粉或铝合金质量的0.6～1.0％，TiH₂粉质量为铝粉或铝合金质量的0.5～1.5％；

所述的泡沫铝夹芯板的面板原料为铝或铝合金中的一种，选用原则为面板原料的熔点≥芯层原料的熔点；

所述的铝合金粉为铝与其它金属元素的合金粉，铝合金粉中，铝占铝合金粉的质量百分比为85～98％；

作为优选，铝合金粉为铝硅合金或铝硅铜合金中的一种，铝硅合金的成分及其质量百分比为：Si 8～20％，余量为Al，，铝硅铜合金的成分及质量百分比为：Si 7～9％，Cu 2～4％，余量为Al。

所述的铝粉或铝合金粉的粒度为38～74μm，SiC粉的粒度为10～80μm，镁粉的粒度为20～60μm，TiH₂粉的粒度为38～74μm。

所述的步骤1中，泡沫铝夹芯板的芯层原料加入SiC粉，其目的是增加发泡过程中铝熔体的黏度和泡沫铝夹芯板的机械强度，加入的SiC粉需预先进行氧化处理，处理的方法为，通入空气或氧气，在900～950℃氧化处理2～5小时；

所述的步骤1中，泡沫铝夹芯板的芯层原料加入镁粉，其目的是调整发泡过程中铝熔体的表面张力和泡沫铝芯层的厚度；

所述的步骤1中，泡沫铝夹芯板的芯层原料加入TiH₂粉的目的是为铝熔体发泡提供气体来源，加入的TiH₂粉需预先进行氧化处理，处理的方法为，通入空气或氧气，在450～500℃氧化处理2～10小时。

所述的步骤2中，所述的混合，混合时间为1.5～2.5小时。

所述的步骤2中，所述混合采用的设备为混料机，料球比为(2～3)∶1。

所述的步骤3中，所述的压制为热压或冷压中的一种，所述的热压的热压温度为200～400℃，热压压制方式为单轴压制或双轴压制；所述的冷压的温度为室温，冷压压制方式为单轴压制或双轴压制。

所述的步骤3中，使面板原料或芯层混合粉料均匀铺开的方法为：采用震动使粉末散开或采用冲压头将粉末压平中的一种或两种。

所述的步骤4中，所述的发泡模具为带有盖的闭合模具，发泡模具内设有高度可调的空腔，空腔高度大于预制坯的厚度。

所述的步骤4中，所述的加热的加热温度为680～760℃，保温发泡，时间为4～8min。

所述的步骤4中，所述的冷却，冷却方式为自然冷却、风冷或水雾冷却中的一种。

所述的步骤4中，所述的泡沫铝夹芯板预制坯使用前，先进行预热，预热温度为350～450℃。

本发明的一种粉末成形制备泡沫铝夹芯板的方法，相比于现有技术，其产生的积极效果是：

1、本发明制备的泡沫铝夹芯板，其泡沫芯层和面板之间完全融合在一起，不存在因中间合金层或金属间化合物所引起的界面强度降低和脆性增大问题，极大地提高了泡沫铝夹芯板的力学性能，应用范围更为广泛；

2、本发明可制备较大尺寸的泡沫铝夹芯板，通过调整发泡模具的空腔高度可制备不同厚度的泡沫铝夹芯板，可制备净近成形的泡沫铝夹芯板零件；

3、本发明制备的泡沫铝夹芯板的面板厚度可通过增减铝粉的添加量进行调整，且可制备面板厚度不同的泡沫铝夹芯板材料；

4、本发明制备的泡沫铝夹芯板的芯层成分、组成可以根据需要进行调整，可获得不同性能的夹芯板材料。该方法操作相对简单，制品成材率较高；

5、本发明使用的方法还适于制备镁、锌、铅或这些金属合金为芯层基体的泡沫金属夹芯板；本发明使用的方法还适于制备以铝合金板为面板的泡沫金属夹芯板，在此领域具有广泛的推广作用，具有普适性。

附图说明

图1是本发明制备泡沫铝夹芯板的工艺流程图；

图2是本发明所制泡沫铝夹芯板的面板与泡沫芯层结合处的局部图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

以下实施例中采用的铝粉或铝合金粉为市购产品，纯度不小于98％；SiC粉为市购产品，纯度大于98％；镁粉为市购产品，纯度大于99％；TiH₂粉为市购产品，纯度大于99.5％。

以下实施例中混合物料采用的设备为滚筒式混料机，转速80rpm。

以下实施例中压制预制坯采用的设备为数显式压力机，最大压力200t，加压速率为1.5kN/s。

以下实施例中预制坯发泡的加热设备为井式电阻炉，功率为5kw。

以下实施例制备泡沫铝夹芯板的工艺流程图见图1。

实施例1

一种粉末成形制备泡沫铝夹芯板的方法，按以下步骤进行：

步骤1、备料

按照泡沫铝夹芯板的原料配比，称量芯层原料和面板原料；

其中，芯层原料为粒度为38μm的铝粉、粒度为80μm的SiC粉、粒度为20μm的镁粉和粒度为38μm的TiH₂粉，SiC粉的加入量为铝粉质量的3％，镁粉加入量为铝粉质量的1.0％，TiH₂粉加入量为铝粉质量的1.5％；

面板原料为铝粉；

将称量的SiC粉预先进行氧化处理，处理方法为，通入空气，在900℃氧化处理5小时；

将称量的TiH₂粉预先进行氧化处理，处理方法为，通入空气，在450℃氧化处理10小时。

步骤2、混合物料

将称量的芯层原料放入混料机内混合，混合1.5小时，料球比为2∶1，得到混合均匀的50g芯层混合粉料；

步骤3、制备泡沫铝夹芯板的预制坯

将泡沫铝夹芯板的面板原料12g铝粉放入成型模具的腔内，并震动使之均匀铺开，将50g芯层混合粉料加入腔内，震动使50g芯层混合粉料均匀铺于12g铝粉上层，再加入12g铝粉并震动，使之均匀铺于芯层混合粉料上层；

将装有物料的成型模具预热至400℃后，以单轴压制的方式进行压制，压制压力为300MPa，保压时间为15分钟，制得泡沫铝夹芯板预制坯；

步骤4、加热发泡

将空腔直径为发泡模具放入加热炉内，加热至760℃后，将预热温度为350℃的泡沫铝夹芯板预制坯置于发泡模具的空腔内，调节空腔高度并固定为45mm，盖好上盖以闭合发泡模具，保温发泡8min，此时，泡沫铝夹芯板预制坯发泡膨胀至与发泡模具空腔上下壁完全接触，将发泡模具移出加热炉并水雾冷却，制得45mm厚的泡沫铝夹芯板，其中，芯层的厚度为40mm。

制备的泡沫铝夹芯板面板与泡沫芯层结合处的局部图见图2，可见泡沫铝夹芯板面板与泡沫芯层结合处分界不明显，结合强度高。

实施例2

一种粉末成形制备泡沫铝夹芯板的方法，按以下步骤进行：

步骤1、备料

按照泡沫铝夹芯板的原料配比，称量芯层原料和面板原料；

其中，芯层原料为粒度为43μm的铝硅铜合金粉(Al-8wt.％Si-3wt.％Cu)、粒度为40μm的SiC粉、粒度为40μm的镁粉和粒度为43μm的TiH₂粉为原料，SiC粉的加入量为铝硅铜合金粉质量的6％，镁粉加入量为铝硅铜合金粉质量的0.8％，TiH₂粉加入量为铝硅铜合金粉质量的1.0％；

面板原料为粒度为43μm的铝粉；

将称量的SiC粉预先进行氧化处理，处理方法为，通入空气，在900℃氧化处理4小时；

将称量的TiH₂粉预先进行氧化处理，处理方法为，通入空气，在450℃氧化处理8小时。

步骤2、混合物料

将称量的芯层原料放入混料机内混合，混合2小时，料球比为2.5：1，得到混合均匀的40g芯层混合粉料；

步骤3、制备泡沫铝夹芯板的预制坯

将泡沫铝夹芯板的面板原料10g铝粉放入成型模具的腔内，并震动使之均匀铺开，再用冲压头将铝粉压平；将40g芯层混合粉料加入腔内，震动使40g芯层混合粉料均匀铺于10g铝粉上层，再用冲压头将混合粉料压平；再加入10g铝粉并震动，使之均匀铺于芯层混合粉料上层，再用冲压头将铝粉压平；

室温下，采用双轴压制的方式进行压制，压制压力为400MPa，保压时间为10分钟，制得泡沫铝夹芯板预制坯；

步骤4、加热发泡

将空腔直径为发泡模具放入加热炉内，加热至720℃后，将预热温度为400℃的泡沫铝夹芯板预制坯置于发泡模具的空腔内，调节空腔高度并固定为35mm，盖好上盖以闭合发泡模具，保温发泡6min，此时，泡沫铝夹芯板预制坯发泡膨胀至与发泡模具空腔上下壁完全接触，将发泡模具移出加热炉并风冷，制得35mm厚的泡沫铝夹芯板，其中，芯层的厚度为31mm。

实施例3

一种粉末成形制备泡沫铝夹芯板的方法，按以下步骤进行：

步骤1、备料

按照泡沫铝夹芯板的原料配比，称量芯层原料和面板原料；

其中，芯层原料为粒度为74μm的铝硅合金粉(Al-12wt.％Si)、粒度为10μm的SiC粉、粒度为60μm的镁粉和粒度为74μm的TiH₂粉为原料，SiC粉的加入量为铝硅合金粉质量的9％，镁粉加入量为铝硅合金粉质量的0.6％，TiH₂粉加入量为铝硅合金粉质量的0.5％；

面板原料为粒度为74μm的铝粉；

将称量的SiC粉预先进行氧化处理，处理方法为，通入空气，在900℃氧化处理3小时；

将称量的TiH₂粉预先进行氧化处理，处理方法为，通入空气，在450℃氧化处理5小时。

步骤2、混合物料

将称量的芯层原料放入混料机内混合，混合2.5小时，料球比为3∶1，得到混合均匀的30g芯层混合粉料；

步骤3、制备泡沫铝夹芯板的预制坯

将泡沫铝夹芯板的面板原料8g铝粉放入成型模具的腔内，并震动使之均匀铺开，再用冲压头将铝粉压平；将30g芯层混合粉料加入腔内，震动使30g芯层混合粉料均匀铺于8g铝粉上层，再用冲压头将混合粉料压平；再加入8g铝粉并震动，使之均匀铺于芯层混合粉料上层，再用冲压头将铝粉压平；

室温下，采用单轴压制的方式进行压制，压制压力为500MPa，保压时间为5分钟，制得泡沫铝夹芯板预制坯；

步骤4、加热发泡

将空腔直径为发泡模具放入加热炉内，加热至680℃后，将预热温度为450℃的泡沫铝夹芯板预制坯置于发泡模具的空腔内，调节空腔高度并固定为25mm，盖好上盖以闭合发泡模具，保温发泡4min，此时，泡沫铝夹芯板预制坯发泡膨胀至与发泡模具空腔上下壁完全接触，将发泡模具移出加热炉并自然冷却，制得25mm厚的泡沫铝夹芯板，其中，芯层的厚度为22mm。

实施例4

一种粉末成形制备泡沫铝夹芯板的方法，按以下步骤进行：

步骤1、备料

按照泡沫铝夹芯板的原料配比，称量芯层原料和面板原料；

其中，芯层原料为粒度为63μm的铝硅合金粉(Al-9wt.％Si)、粒度为60μm的SiC粉、粒度为53μm的镁粉和粒度为63μm的TiH₂粉为原料，SiC粉的加入量为铝硅合金粉质量的7％，镁粉加入量为铝硅合金粉质量的0.9％，TiH₂粉加入量为铝硅合金粉质量的0.8％；

面板原料为6061铝合金粉；

将称量的SiC粉预先进行氧化处理，处理方法为，通入氧气，在950℃氧化处理2小时；

将称量的TiH₂粉预先进行氧化处理，处理方法为，通入氧气，在500℃氧化处理4小时。

步骤2、混合物料

将称量的芯层原料放入混料机内混合，混合2.5小时，料球比为2.5∶1，得到混合均匀的32g芯层混合粉料；

步骤3、制备泡沫铝夹芯板的预制坯

将泡沫铝夹芯板的面板原料9g 6061铝合金粉放入成型模具的腔内，并震动使之均匀铺开，再用冲压头将铝粉压平；将32g芯层混合粉料加入腔内，震动使32g芯层混合粉料均匀铺于9g 6061铝合金粉上层，再用冲压头将混合粉料压平；再加入9g 6061铝合金粉并震动，使之均匀铺于芯层混合粉料上层，再用冲压头将铝粉压平；

将装有物料的成型模具预热至300℃后，采用单轴压制的方式进行压制，压制压力为450MPa，保压时间为7分钟，制得泡沫铝夹芯板预制坯；

步骤4、加热发泡

将空腔直径为发泡模具放入加热炉内，加热至700℃后，将预热温度为450℃的泡沫铝夹芯板预制坯置于发泡模具的空腔内，调节空腔高度并固定为28mm，盖好上盖以闭合发泡模具，保温发泡6min，此时，泡沫铝夹芯板预制坯发泡膨胀至与发泡模具空腔上下壁完全接触，将发泡模具移出加热炉并自然冷却，制得28mm厚的泡沫铝夹芯板，其中，芯层的厚度为24mm。

实施例5

一种粉末成形制备泡沫铝夹芯板的方法，按以下步骤进行：

步骤1、备料

按照泡沫铝夹芯板的原料配比，称量芯层原料和面板原料；

其中，芯层原料为粒度为63μm的铝硅合金粉(Al-20wt.％Si)、粒度为53μm的SiC粉、粒度为56μm的镁粉和粒度为64μm的TiH₂粉为原料，SiC粉的加入量为铝硅合金粉质量的9％，镁粉加入量为铝硅合金粉质量的0.6％，TiH₂粉加入量为铝硅合金粉质量的0.5％；

面板原料为6061铝合金粉；

将称量的SiC粉预先进行氧化处理，处理方法为，通入氧气，在950℃氧化处理3小时；

将称量的TiH₂粉预先进行氧化处理，处理方法为，通入氧气，在500℃氧化处理2小时。

步骤2、混合物料

将称量的芯层原料放入混料机内混合，混合2小时，料球比为2.5：1，得到混合均匀的35g芯层混合粉料；

步骤3、制备泡沫铝夹芯板的预制坯

将泡沫铝夹芯板的面板原料10g 6061铝合金粉放入成型模具的腔内，并震动使之均匀铺开，再用冲压头将铝粉压平；将35g芯层混合粉料加入腔内，震动使35g芯层混合粉料均匀铺于10g 6061铝合金粉上层，再用冲压头将混合粉料压平；再加入10g 6061铝合金粉并震动，使之均匀铺于芯层混合粉料上层，再用冲压头将铝粉压平；

将装有物料的成型模具预热至200℃后，采用单轴压制的方式进行压制，压制压力为450MPa，保压时间为8分钟，制得泡沫铝夹芯板预制坯；

步骤4、加热发泡

将空腔直径为发泡模具放入加热炉内，加热至720℃后，将预热温度为450℃的泡沫铝夹芯板预制坯置于发泡模具的空腔内，调节空腔高度固定为30mm，盖好上盖闭合发泡模具，保温发泡5min，此时，泡沫铝夹芯板预制坯发泡膨胀至与发泡模具空腔上下壁完全接触，将发泡模具移出加热炉并自然冷却，制得30mm厚的泡沫铝夹芯板，其中，芯层的厚度为26mm。

本发明使用的芯层基体合金粉末(如Al-12wt.％Si铝硅合金粉、Al-8wt.％Si-3wt.％Cu铝硅铜合金粉)不限于实施例给出的种类，其他属于同种构思的合金粉末均在本发明的保护范围之内。

本发明使用的添加剂(如SiC粉、镁粉)不限于实施例给出的种类，其他属于同种构思的添加剂均在本发明的保护范围之内。

本发明使用的面板原料(如铝或铝合金)不限于实施例给出的种类，其他属于同种构思的面板原料(如铁粉、钛粉、镍粉等)均在本发明的保护范围之内。