一种低密度小孔径粉末冶金法泡沫铝复合结构的制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种低密度小孔径粉末冶金法泡沫铝复合结构的制备方法，属于多孔金属材料【技术领域】。该方法首先采用振动筛筛分的方式，选择粒径大小一致的TiH2粉末做发泡剂；再将铝粉、镁粉、硅粉、发泡剂粉按一定的比例混合均匀后，采用挤压成型，制备出可发泡预制体；最后将可发泡预制体置入与其复合的模型中，预热一段时间后，迅速转移到保温炉中保温发泡，冷却后即可制得泡沫铝复合结构。采用本发明方法制得的泡沫铝材料，密度低、孔径小、孔结构缺陷少，具有更高的强度和更好的吸能性能，适于推广应用。
【专利说明】一种低密度小孔径粉末冶金法泡沬铝复合结构的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种低密度小孔径粉末冶金法泡沫铝的制备方法，属于多孔金属材料【技术领域】。
【背景技术】
[0002]泡沫铝复合结构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明治板或者异形件。它既具有泡沫铝的轻质、比强度高，吸能、吸声、阻燃、隔热性能优良等特点，又具有复合金属的强度、硬度等力学性能优良的特点，呈现出良好的综合性能。因此在交通运输、航空、航天等行业尤其是汽车工业上有着广阔的应用前景。粉末冶金法由于具有短流程、近净成形的特点，在制备三明治夹芯板和异形件，尤其是一些形状复杂的异形件时具有得天独厚的优势。然而现有的粉末冶金法工艺，存在着预制体受热不均、TiH2分解和预制体熔化时段不匹配的问题，使得制备的泡沫铝孔结构存在很大的缺陷，综合性能低下，同时造成生产工艺不稳定，产品成品率低，生产成本高，这严重影响了泡沫铝复合结构的应用和推广。
【发明内容】
[0003]发明目的:
本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种泡沫铝复合结构的制备方法，同时提高产品的成材 率，并获得密度低、孔径小、孔结构缺陷少、综合性能高的泡沫铝复合结构件。
[0004]技术方案:
本发明是通过以下技术方案实施的:
一种低密度小孔径粉末冶金法泡沫铝复合结构的制备方法，其特征在于:该方法步骤如下:
(O发泡剂TiH2的选择:采用振动筛筛分的方式，选择粒径大小一致的TiH2粉末做发泡剂；
(2)预制体的制备:将铝粉、镁粉、硅粉、发泡剂粉按比例混合均匀后，采用挤压成型，制备出可发泡预制体；
(3)低密度小孔径泡沫铝的制备:将可发泡预制体置入与其复合的模型中，预热一段时间后，迅速转移到保温炉中保温发泡，冷却后即可制得泡沫铝复合结构。
[0005]步骤(1)中采用振动筛筛分的方式，筛分时间为30分钟,每次筛分总量为100g,筛分后选择粒径为75 μ m-53 μ m、53 μ m-37 μ m或37 μ m-25 μ m的TiH2粉末做发泡剂，且所有发泡剂粉末均采用480°C空气中加热氧化90分钟的处理工艺。
[0006]步骤(2)中发泡剂TiH2粉末的添加量为可发泡预制体总质量的0.2-0.4%，镁粉添加量为预制体总质量的4-6%,娃粉末添加量为预制体总质量的6-8%,余量添加招粉。
[0007]步骤(2)预制体的制备过程为:粉末的混合时间为120分钟，混合均匀后，采用5000KN的挤压机，先400MPa冷压密实，保压时间为5_10分钟，然后再加热到450°C后热挤压制坯，挤压模具采用的挤压比为8:1-20:1。
[0008]步骤(3)可发泡预制体预热后的高温快速加热，即先将模型及其置入其中的可发泡预制体放入到500°C的保温炉中预热5-10分钟，待模具和预制体温度均达到500°C后迅速转移到760-820°C的加热炉中保温加热，保温时间为90秒-300秒，冷却方式为水冷或者水雾冷却。
[0009]制备的泡沫招密度在0.45g/cm3-0.7 g/cm3,孔径为0.8-2.0mm。
[0010]优点和效果: (1)选择粒径一致的小颗粒TiH2做发泡剂，可大大增加泡沫体生长的稳定性，有效分散、减少、甚至消除通孔、裂纹等缺陷；同时还可以通过选择TiH2的粒径，来控制泡沫体的孔径，生产出孔径在0.8-2mm范围内可调的泡沫铝复合结构件；
(2)S1、Mg元素的合理加入进一步稳定了泡沫体的结构，提高了复合结构的综合性能，从而可拓宽泡沫材料的应用范围；
(3)500°C预热后，再760-820°C高温快速加热的工艺，大大缩短了预制体的熔化时间，减少了因预制体熔化和TiH2分解时段不一致，造成的孔结构缺陷；同时还可以提高发泡剂TiH2的利用率，使其用量降低到0.2-0.4%范围内，大大降低生产成本；
(4)本发明可有效减小泡沫铝复合结构的孔结构缺陷，获得接近100%的成材率，从而对推进泡沫铝复合结构的工业化生产及应用能起到十分积极的作用。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1本发明工艺流程示意图。
【具体实施方式】
[0012]下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步说明:
本发明涉及一种低密度小孔径粉末冶金法泡沫铝复合结构的制备方法，其特征在于:该方法步骤如下:
(O发泡剂TiH2的选择:采用振动筛筛分的方式，选择粒径大小一致的TiH2粉末做发泡剂；
(2)预制体的制备:将铝粉、镁粉、硅粉、发泡剂粉按一定的比例混合均匀后，采用挤压成型，制备出可发泡预制体；
(3)低密度小孔径泡沫铝的制备:将可发泡预制体置入与其复合的模型中，预热一段时间后，迅速转移到保温炉中保温发泡，冷却后即可制得泡沫铝复合结构。
[0013]上述步骤(1)中采用振动筛筛分的方式，筛分时间为30分钟，每次筛分总量为100g,筛分后选择粒径为75 μ m-53 μ m、53 μ m-37 μ m或37 μ m-25 μ m的TiH2粉末做发泡剂，且所有发泡剂粉末均采用480°C空气中加热氧化90分钟的处理工艺。
[0014]上述步骤(2)中发泡剂TiH2粉末的添加量为可发泡预制体总质量的0.2%-0.4%，镁粉添加量为预制体总质量的4%-6%，娃粉末添加量为预制体总质量的6%-8%，余量添加招粉。
[0015]上述步骤(2)预制体的制备过程为:粉末的混合时间为120分钟，混合均匀后，采用5000KN的挤压机，先400MPa冷压密实，保压时间为5_10分钟，然后再加热到450°C后热挤压制坯，挤压模具采用的挤压比为8:1-20:1。
[0016]上述步骤(3)可发泡预制体预热后的高温快速加热，即先将模型及其置入其中的可发泡预制体放入到500°C的保温炉中预热5-10分钟，待模具和预制体温度均达到500°C后迅速转移到760-820°C的加热炉中保温加热，保温时间为90秒-300秒，冷却方式为水冷或水雾冷却。
[0017]制备的泡沫招密度在0.45g/cm3_0.7 g/cm3,孔径为0.8-2.0mm。
[0018]本发明原理如下:
泡沫铝作为一种多孔材料，孔结构的好坏直接决定了其力学性能的优劣。现有的粉末冶金工艺是将预制体加热到铝合金熔点以上一般是680-720°C之间进行保温发泡，然而TiH2在4001:左右就开始分解，分解温度明显低于铝合金的熔点，这使得泡沫铝的形核、发泡从半熔融态就已经开始，而此时预制体的粘度较液态高很多，各部分分布也很不均匀。所以，最终制得的泡沫铝材料，与熔体法相比，在孔径大小方面存在更大的不一致性，且极易形成大的通孔、裂纹等孔结构缺陷。
[0019]采用粒径大小一致的小粒径TiH2做发泡剂，则可以保证在TiH2添加量不变的前提下，显著提高其颗粒数量。如TiH2粒径减小一半，体积则减小到原来的1/8，颗粒数量将会增大到原来的8倍，形核质点显著增多，从而可大大提高形核率；形核率提高，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，制备的泡沫铝孔径较小，可有效分散孔结构缺陷，提高力学性能，且不会出现因局部发泡能力过强，而产生大孔、通孔的现象，可保证孔径大小的一致性、孔结构的均匀性，从而生产出低密度、小孔径的复合结构件。
[0020]S1、Mg元素粉末的加入不但可以降低铝合金的熔点，使其和TiH2的分解温度更加接近，而且还可以大大提高泡沫体的力学性能，同时形成的合金化合物还可以有效减小泡沫体生长过程中的排液现象，使泡沫体生长更加稳定。现有技术认为Mg粉添加量应基本控制在1%以下，超过1%后，预制体氧化率增加、膨胀率降低、孔结构恶化，因此对更高Mg添加量的发泡过程未进行系统研究。本发明将Mg粉的添加量提高到了 4-6%范围内，结果表明高加入量的Mg可以提高熔融状态的液态比例，降低表面张力和粘度，从而提高膨胀率，并能进一步减少发泡剂TiH2的用量，增加发泡过程的稳定性，获得低密度、小孔径、高性能的泡沫铝复合结构。
[0021]760_820°C高温快速加热可使预制体迅速达到熔融状态，避免因加热时间过长，预制体受热不均，各部分发泡时间不一致，而TiH2过早分解，造成最终泡沫体中出现通孔、裂纹的现象。发泡之前对预制体和模型进行500°C预热处理，可消除预制体挤压成形过程中产生的内应力，同时使模型温度和预制体的温度与发泡温度更加接近，进一步缩短预制体的熔化时间，使发泡时间更加集中，泡沫体生长过程更加稳定。
[0022]实施例1 预制体的制备:
选择振动筛筛分出的75 μ m-53 μ HiTiH2粉，放入保温炉中在480°C加热氧化处理90分钟，冷却后按TiH2粉0.3%、Mg粉4%、Si粉7%其余为铝粉的比例在滚筒混料机上进行混合，混合时间为120分钟。接下来将混合均匀的粉末置入10:1的挤压模具中，采用5000KN金属挤压机进行挤压。挤压方式为首先采用400MPa冷挤压，保压时间为5-10分钟，将混合粉压成密实的预制体，然后将挤压模具和预制体一起加热到450°C后进行热挤压，进行制坯。
[0023]泡沫铝复合结构的制备:
将制备好的可发泡预制体，置入与其复合的模型中，然后将其一起放入500°C的保温炉中进行预热，待模型和预制体温度均达到500°C后，迅速转移到760°C的加热炉中保温加热，保温时间为90秒，最后从保温炉中取出，采用水雾冷却后即可制得泡沫铝复合结构。
[0024]采用此工艺制得的泡沫铝复合结构的平均孔径为1.8mm，泡沫铝芯层密度为0.6
/ 3
g/cm ο
[0025]实施例2
选择振动筛筛分出的53 μ m-37 μ HiTiH2粉，放入保温炉中在480°C加热氧化处理90分钟，冷却后按TiH2粉0.3%、Mg粉5%、Si粉7%其余为铝粉的比例在滚筒混料机上进行混合，混合时间为120分钟。接下来将混合均匀的粉末置入8:1的挤压模具中，按照例I相同挤压工艺进行挤压制坯。
[0026]泡沫铝复合结构的制备:
将制备好的可发泡预制体，置入与其复合的模型中，然后将其一起放入500°C的保温炉中进行预热，待模型和预制 体温度均达到500°C后，迅速转移到780°C的加热炉中保温加热，保温时间为110秒，最后从保温炉中取出，采用水雾冷却后即可制得泡沫铝复合结构。
[0027]采用此工艺制得的泡沫铝复合结构的平均孔径为1.2_，泡沫铝芯层密度为0.45
/ 3
g/cm ο
[0028]实施例3
选择振动筛筛分出的37 μ m-25 μ HiTiH2粉，放入保温炉中在480°C加热氧化处理90分钟，冷却后按TiH2粉0.3%、Mg粉6%、Si粉7%，其余为铝粉的比例在滚筒混料机上进行混合，混合时间为120分钟。接下来将混合均匀的粉末置入13:1的挤压模具中，按照例I相同挤压工艺进行挤压制坯。
[0029]泡沫铝复合结构的制备:
将制备好的可发泡预制体，置入与其复合的模型中，然后将其一起放入500°C的保温炉中进行预热，待模型和预制体温度均达到500°C后，迅速转移到800°C的加热炉中保温加热，保温时间为110秒，最后从保温炉中取出，采用水雾冷却后即可制得泡沫铝复合结构。
[0030]采用此工艺制得的泡沫铝复合结构的平均孔径为0.9mm，泡沫铝芯层密度为0.53
/ 3
g/cm ο
[0031]实施例4
选择振动筛筛分出的37 μ m-25 μ HiTiH2粉，放入保温炉中在480°C加热氧化处理90分钟，冷却后按TiH2粉0.2%、Mg粉6%、Si粉6%其余为铝粉的比例在滚筒混料机上进行混合，混合时间为120分钟。接下来将混合均匀的粉末置入20:1的挤压模具中，按照例I相同挤压工艺进行挤压制坯。
[0032]泡沫铝复合结构的制备:
将制备好的可发泡预制体，置入与其复合的模型中，然后将其一起放入500°C的保温炉中进行预热，待模型和预制体温度均达到500°C后，迅速转移到820°C的加热炉中保温加热，保温时间为300秒，最后从保温炉中取出，采用水冷冷却后即可制得泡沫铝复合结构。[0033]采用此工艺制得的泡沫铝复合结构的平均孔径为0.8mm，泡沫铝芯层密度为0.7
g/cm3 。
[0034]实施例5
选择振动筛筛分出的75 μ m-53 μ HiTiH2粉，放入保温炉中在480°C加热氧化处理90分钟，冷却后按TiH2粉0.4%、Mg粉4%、Si粉8%其余为铝粉的比例在滚筒混料机上进行混合，混合时间为120分钟。接下来按照例I相同挤压工艺进行挤压制坯。
[0035]泡沫铝复合结构的制备:
将制备好的可发泡预制体，置入与其复合的模型中，然后将其一起放入500°C的保温炉中进行预热，待模型和预制体温度均达到500°C后，迅速转移到760°C的加热炉中保温加热，保温时间为90秒，最后从保温炉中取出，采用水冷冷却后即可制得泡沫铝复合结构。
[0036]采用此工艺制得的泡沫铝复合结构的平均孔径为2.0_，泡沫铝芯层密度为0.55 g/cm 3 。
【权利要求】
1.一种低密度小孔径粉末冶金法泡沫铝复合结构的制备方法，其特征在于:该方法步骤如下: (1)发泡剂TiH2的选择:采用振动筛筛分的方式，选择粒径大小一致的TiH2粉末做发泡剂； (2)预制体的制备:将铝粉、镁粉、硅粉、发泡剂粉按比例混合均匀后，采用挤压成型，制备出可发泡预制体； (3)低密度小孔径泡沫铝的制备:将可发泡预制体置入与其复合的模型中，预热一段时间后，迅速转移到保温炉中保温发泡，冷却后即可制得泡沫铝复合结构。
2.根据权利要求1所述低密度小孔径粉末冶金法泡沫铝复合结构的制备方法，其特征在于:步骤(1)中采用振动筛筛分的方式，筛分时间为30分钟，每次筛分总量为100g，筛分后选择粒径为75 μ m-53 μ m、53 μ m-37 μ m或37 μ m-25 μ m的TiH2粉末做发泡剂，且所有发泡剂粉末均采用480°C空气中加热氧化90分钟的处理工艺。
3.根据权利要求1所述低密度小孔径粉末冶金法泡沫铝复合结构的制备方法，其特征在于:步骤(2)中发泡剂TiH2粉末的添加量为可发泡预制体总质量的0.2-0.4%，镁粉添加量为预制体总质量的4-6%,娃粉末添加量为预制体总质量的6-8%,余量添加招粉。
4.根据权利要求1所述低密度小孔径粉末冶金法泡沫铝复合结构的制备方法，其特征在于:步骤(2)预制体的制备过程为:粉末的混合时间为120分钟，混合均匀后，采用5000KN的挤压机，先400MPa冷压密实，保压时间为5_10分钟，然后再加热到450°C后热挤压制坯，挤压模具采用的挤压比为8:1-20:1。
5.根据权利要求1所述的低密度小孔径粉末冶金法泡沫铝复合结构的制备方法，其特征在于:步骤(3)可发泡预制体预热后的高温快速加热，即先将模型及其置入其中的可发泡预制体放入到500°C的保温炉中预热5-10分钟，待模具和预制体温度均达到500°C后迅速转移到760-820°C的加热炉中保温加热，保温时间为90秒-300秒，冷却方式为水冷或者水雾冷却。
6.根据权利要求1所述的低密度小孔径粉末冶金法泡沫铝复合结构的制备方法，其特征在于:制备的泡沫招密度在0.45g/cm3-0.7 g/cm3,孔径为0.8-2.0mm。
【文档编号】C22C21/08GK103589892SQ201310619419
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月29日 优先权日:2013年11月29日
【发明者】郭志强, 赵胤, 袁晓光, 黄宏军, 左晓姣, 东雪 申请人:沈阳工业大学