专利名称：一种高强轻质泡沫铝复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种含有封闭型微孔的轻质泡沫铝复合材料及其制备工艺。
背景技术：
含空洞合金也称泡沫金属或发泡金属，如发泡铝、发泡镍、发泡铜等。由于这种金属具有多孔的特殊结构，可以实现多功能化于一体，具有比重轻、阻尼减震、能量吸收、降噪(包括吸声、隔声、消声)隔热、散热、电磁屏蔽、不燃烧等特点，其民用前景和军用前景十分广泛。发泡铝自80年代初由日本研制成功以来，引起世界各国的关注，美国、英国、德国等先进国家都投入大量经费予以研究。俄罗斯的研究更早，但前期未有报道，其工艺水平更为先进。发泡合金通常有两类，一类为通孔，一类为封闭孔，泡沫金属目前可工程化的制备方法主要有三大类，一种为粉末冶金法将金属盐与合金混合烧结后，将金属盐去除，得到通孔的泡沫金属，这种方法工艺设备复杂、成本高；另一种方法是吹气法在特定成分的熔融金属中吹入惰性气体，适当时机冷却，得到含有封闭式气孔的金属型材。这种方法可以得到连续板材，但无法得到大块状材料，该工艺对金属液体的粘度的要求很苛刻，合金的成分须精确调整、成本高；还有一种是发泡法在熔融的具有特定成分的金属中投入化学发气剂，产生气泡之后适当时机冷却，得到封闭孔的金属型材，这种方法工艺复杂，工艺参数难控制，对合金的成分要求严格，气孔大小不易控制，成本高。另一方面，吹气法和发泡法的材料强度很低，气孔大(一般为2～5mm)，不均匀，对使用条件有一定的限制，难以直接应用于承载和减震环境。因此，研究适用于各种合金、低成本、高强度的轻质多孔合金是国民经济发展的急需。
发明内容
本发明提供一种高强轻质泡沫铝复合材料及其制造方法，它解决了现有的泡沫铝材料强度低、气孔大，以及现有的泡沫铝的制备方法难控制、生产成本高、对合金成份要求严格的问题。本发明的轻质泡沫铝复合材料是在铝材料7内铸有空心体8而形成的含有封闭微孔的泡沫铝，该空心体8为空心的玻璃珠或煤燃烧后的粉煤灰在水中的漂浮物体。本发明的轻质泡沫铝复合材料的制备方法是(1)将空心体装入模具的型腔之内；(2)预热将装有空心体的模具预热至450℃～550℃，铝材料加热至溶化；(3)将铝材料浇注到模具内；(4)加压浸渗通过压力机施加压力，使金属液体浸渗到空心体之间的间隙之中；(5)保压冷却金属液体完全浸渗之后，保持压力并冷却；(6)脱模，取出多孔铸锭。所用空心体的大小不限，一般直径在0.1～3mm为最佳，空心体的内腔直径在0.02～2mm为最佳。铝材料的加热温度在700℃～750℃。在加压浸渗过程中施加的压力为30MPa～55MPa。模具中装入空心体的体积占模具内腔总体积的40％～70％。本发明的主要方法是将空心体按照一定比例在金属模具中制成预制体，在适当的工艺参数下，将熔融的金属液体倒入模具，通过压力机的冲头加压，使熔融金属渗入到玻璃珠间隙之中，随即冷却，达到多孔材料制备的目的。本发明的积极效果是不用通常的吹气法、反应发气法，而是以空心体的空心作为泡沫金属的空孔，在金属中加入空心体得到轻质多孔复合材料，这种材料对基体合金几乎无选择，可以使用工业废铝、民用废铝等，因此，可以根据需要选择不同的基体合金，孔隙率可以达到30％～60％，实现高比强、阻尼减震、隔音、能量吸收等多功能，而且成本低，成品率几乎100％。本发明的高强轻质泡沫铝复合材料具有强度高、成本低、气孔大小易控制的优点。
图1是本发明的高强轻质泡沫铝复合材料的结构示意图，图2是具体实施方式
一中制备方法所用模具的结构示意图。
具体实施例方式
一本实施方式的高强轻质泡沫铝复合材料是在铝材料7内铸有空心的玻璃珠8(参阅图1)。该泡沫铝的制备方法所用的模具(参阅图2)由冲头1、模具体4、压力机台面5、电炉6组成。模具内腔上部为铸腔2，下部为型腔3。其制备步骤是(1)玻璃珠装填将平均直径为0.1mm的空心玻璃珠装入模具型腔，型腔体积为φ80×60mm，装入115g，压实。此时预计体积率约为40％；(2)预热。将装有玻璃珠的模具在电炉中加热至450℃，基体合金采用6061铝合金，铝合金在另一电炉中加热至750℃；(3)将基体铝合金浇注至模具注腔之内；(4)加压通过压力机施加压力，此时压力约为45Mpa；(5)保压冷却金属液体完全浸渗之后；保持压力；(6)自然冷却脱模，取出铸锭材料。性能测试结果比重法测得孔隙率＝38％，比重＝1.6g/cm3；铸态下三点弯曲强度160Mpa。
具体实施方式
二本实施方式与具体实施方式
一不同的是，该泡沫铝的制备步骤是(1)玻璃珠装填将平均直径为0.2mm的玻璃珠装入模具型腔，型腔体积为φ85×60mm，装入92g，压实，此时预计体积率约为50％；(2)预热。将装有玻璃珠的模具在电炉中加热至500℃，基体合金采用工业废铝，废铝在另一电炉中加热至700℃；(3)将基体铝合金浇注至模具注腔之内；(4)加压通过压力机施加压力，此时压力约为38Mpa；(5)保压冷却金属液体完全浸渗之后，保持压力；自然冷却到450℃左右；(6)脱模，取出铸锭材料。性能测试结果比重约为1.4g/cm3，孔隙率约为50％，拉伸强度95Mpa。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一不同的是，该泡沫铝的制备步骤是(1)玻璃珠装填将平均直径为0.2mm的玻璃珠装入模具型腔，型腔体积为φ200×100mm，装入1070g，压实，此时预计体积率约为45％；(2)预热。将装有玻璃珠的模具在电炉中加热至450℃，基体合金采用7075铝合金边角料，在另一电炉中加热至730℃，融化；(3)将基体铝合金浇注至模具注腔之内；(4)加压通过压力机施加压力，此时压力约为50Mpa；(5)保压冷却保持压力50Mpa不变，温度降至约400℃时卸载；(6)脱模，取出铸锭材料。性能测试结果比重约为1.6g/cm3，孔隙率约为40％，常规时效处理后拉伸强度210Mpa。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一不同的是，该泡沫铝的制备步骤是(1)玻璃珠装填将直径约为3mm和1mm的玻璃珠各50％混合，装入模具型腔，型腔体积为φ200×100mm，装入1160g，压实。(2)预热。将装有玻璃珠的模具在电炉中加热至500℃，基体合金采用再生废铝，在另一电炉中加热至730℃融化；(3)将基体铝合金浇注至模具注腔之内；(4)加压通过压力机施加压力，此时压力约为40Mpa；(5)保压冷却保持压力40Mpa不变，温度降至约500℃时卸载；(6)脱模，取出铸锭材料。性能测试结果比重约为1.6g/cm3，孔隙率约为60％，铸态拉伸强度150Mpa。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
一、二、三或四不同的是，用煤燃烧后的粉煤灰在水中的漂浮物体代替空心的玻璃珠。该漂浮物体为空心结构，外部形状为近似球体，主要成份为SiO2·Al2O3。该漂浮物体可以从火力发电厂或锅炉的燃煤排放的粉煤灰中取得。所获得的泡沫铝复合材料当气孔率在50％时三点弯曲强度为450MPa，密度约为1.7g/cm3。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
一、二、三、四或五不同的是，空心玻璃珠或粉煤灰在水中的漂浮物体在装入模具之前需首先用氢氟酸腐蚀表面，使其粗糙化，所用氢氟酸的浓度为1％～3％，腐蚀时间为5～15分钟。
权利要求
1.一种高强轻质泡沫铝复合材料，其特征在于它是在铝材料(7)内铸有空心体(8)而形成的含有封闭微孔的泡沫铝。
2.根据权利要求1所述的一种高强轻质泡沫铝复合材料，其特征在于该空心体(8)为空心的玻璃珠或煤燃烧后的粉煤灰在水中的漂浮物体。
3.一种高强轻质泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在于(1)将空心体装入模具的型腔之内；(2)预热将装有空心体的模具预热至450℃～550℃，铝材料加热至溶化；(3)将铝材料浇注到模具内；(4)加压浸渗通过压力机施加压力，使金属液体浸渗到空心体之间的间隙之中；(5)保压冷却金属液体完全浸渗之后，保持压力并冷却；(6)脱模，取出多孔铸锭。
4.根据权利要求3所述的一种高强轻质泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在于所用空心体的直径在0.1mm～3mm，空心体的内腔直径在0.02mm～2mm。
5.根据权利要求3所述的一种高强轻质泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在于铝材料的加热温度在700℃～750℃。
6.根据权利要求3所述的一种高强轻质泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在于在加压浸渗过程中施加的压力为30MPa～55MPa。
7.根据权利要求3所述的一种高强轻质泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在于模具中装入空心体的体积占模具内腔总体积的40％～70％。
8.根据权利要求3、4或7所述的一种高强轻质泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在于该空心体为空心的玻璃珠或煤燃烧后的粉煤灰在水中的漂浮物体。
9.根据权利要求8所述的一种高强轻质泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在于空心体在装入模具之前需首先用氢氟酸腐蚀表面，使其粗糙化。
10.根据权利要求9所述的一种高强轻质泡沫铝复合材料的制备方法，其特征在于所用氢氟酸的浓度为1％～3％，腐蚀时间为5～15分钟。
全文摘要
一种高强轻质泡沫铝复合材料及其制备方法，它涉及一种含有封闭型微孔的轻质泡沫铝复合材料及其制备工艺。它是在铝材料(7)内铸有空心体(8)而形成的含有封闭微孔的泡沫铝。其制备方法是(1)将空心体装入模具的型腔之内；(2)预热将装有空心体的模具预热至450℃～550℃，铝材料加热至溶化；(3)将铝材料浇注到模具内；(4)加压浸渗通过压力机施加压力，使金属液体浸渗到空心体之间的间隙之中；(5)保压冷却金属液体完全浸渗之后，保持压力并冷却；(6)脱模，取出多孔铸锭。它解决了现有的泡沫铝材料强度低、气孔大，以及现有的泡沫铝的制备方法难控制、生产成本高、对合金成份要求严格的问题。
文档编号C22C1/08GK1424416SQ03100180
公开日2003年6月18日 申请日期2003年1月9日 优先权日2003年1月9日
发明者武高辉, 姜龙涛 申请人:哈尔滨工业大学