一种TiB2颗粒增强泡沫铝/铝合金的制备方法与流程

本发明涉及一种tib2颗粒增强泡沫铝/铝合金的制备方法，属于多孔材料技术领域。

背景技术：

泡沫铝/铝合金具有高比强、高比强度、吸音减振、吸能抗压特点，在航空航天、轨道交通、建筑装饰等领域得到广泛的应用，是一种新型的功能结构材料，具有广阔的应用市场。

目前泡沫铝/铝合金常见的制备方法主要是熔体发泡法、粉末冶金发泡法、渗流铸造法和喷吹气体发泡法等。

熔体发泡法依靠熔体发泡技术，铝/铝合金熔体在ca增粘(1-3％)保温后搅拌分散发泡剂tih2，进行发泡处理。粉末冶金发泡法从粉末途径出发，将发泡剂tih2和铝/铝合金粉末混合、压制后进行加热，在金属铝的液相线以上的温度进行发泡。喷吹气体法从熔体途径出发，往sic(10-20％vol)增粘的铝/铝合金熔体中喷吹气体使发泡而得到泡沫铝/铝合金。渗流铸造法是是把预先处理好的填料放入金属型中制成预制块，再将预制块预热到一定温度，后浇入金属液，并加压使金属液渗流到预制块中，冷却凝固后形成一个三维网状互连的复合体，最后对复合体进行再加工，制成所需形状，然后将填料粒子去除，从而得到最终所要求的泡沫金属。

泡沫铝/铝合金的强度取决于孔结构及孔隙率，在基体材料相同时，孔隙率一定的时候，孔结构是影响泡沫铝/铝合金的重要因素。上述三种泡沫铝/铝合金的制备方法中，熔体发泡泡沫铝/铝合金的泡沫铝强度一般，是最常见的制备方法；粉末冶金发泡泡沫铝的空隙均匀大小相等，但容易出现微孔等结构缺陷，泡沫铝强度得不到提高；喷吹气体泡沫铝中，尽管含有10-20％vol的外加增粘相sic，但由于孔结构均匀性差及sic与铝/铝合金熔体的润湿性较差、分布不均匀，使泡沫铝/铝合金脆性提高、强度难以保证。渗流铸造法对模具制备要求较高，模具制备工艺复杂，不能重复利用，成本较高，且很难制备闭孔泡沫铝。

技术实现要素：

本发明为解决上述泡沫铝/铝合金制备技术制备的泡沫铝孔隙率一定的情况下，压缩强度不高的现象，提出一种tib2颗粒增强泡沫铝/铝合金的制备方法：在铝/铝合金熔体中原位生成tib2颗粒，后保温加入混合后的增粘剂ca和形核剂mno2，再加入发泡剂tih2进行发泡的方法，用以制备高孔隙率，高强度、孔结构可控的tib2颗粒增强泡沫铝/铝合金，该工艺简单，可实现工业化生产。

本发明的技术方案是：将铝/铝合金加热熔化，然后加入氟硼酸钾及氟钛酸钾原位生成tib2颗粒，原位反应后加入混合均匀的ca和mno2，再加入tih2进行发泡，随坩埚冷却凝固后即得tib2颗粒增强泡沫铝/铝合金。

具体步骤包括如下：

(1)复合材料的制备：以al-k2tif6-kbf4作为反应体系，加入氟硼酸钾和氟钛酸钾的混合物反应原位生成tib2颗粒增强铝基复合材料。

(2)复合材料的预处理：将tib2颗粒增强铝基复合材料融化保温后，加入混合均匀的ca和mno2的混合物。

(3)发泡剂的制备：对发泡剂tih2粉末进行氧化预处理。

(4)复合熔体的发泡：将经过预处理的tib2颗粒铝/铝合金复合材料温度控制在铝或铝合金熔点以上40～80℃的温度并保温，然后将氧化预处理后的发泡剂加入到复合材料熔体中，搅拌后分解发泡，得到复合熔体泡沫；

(5)复合熔体泡沫冷却：将复合熔体泡沫冷却至室温，得到tib2颗粒增强泡沫铝/铝合金。

所述步骤(1)中，是将铝或铝合金基体加热到750～800℃后形成熔体，保温15～25min后，再加入氟硼酸钾和氟钛酸钾的混合物进行原位反应；氟硼酸钾和氟钛酸钾的混合物的加入量为铝或铝合金熔体质量的2～10％，氟硼酸钾和氟钛酸钾的质量比为1:0.95，原位反应时间15～25分钟。

所述步骤(2)中，是将tib2颗粒增强铝基复合材料在700～750℃融化后保温20～30min，再加入经过混合的ca和mno2；ca和mno2的混合物占tib2颗粒增强铝基复合材料质量的3-4％，ca和mno2的混合物中，ca和mno2的质量比是2:1。

所述步骤(3)中，氧化预处理的步骤为：在热处理炉内加热氧化400℃氧化5小时后，500℃氧化2.5小时，再525℃氧化30分钟；发泡剂tih2粉末的加入量为复合熔体质量的1～5％。

所述步骤(4)中，加入预处理完成的发泡剂tih2并以800～2000转/分的速度搅拌1分钟，熔体中tih2分解发泡30～120秒。

所述步骤(5)中，得到的tib2颗粒增强泡沫铝/铝合金的孔隙率为75～90％，平均孔径0.5～4mm。

本发明的原理是：

1、tib2原位反应原理：

3k2tif6+6kbf4+10al＝3tib2+9kalf4+k3alf6(1)

3k2tif6+13al＝3al3ti+k3alf6+3kalf4(2)

alb2+tial3＝tib2+4al(3)

(1)、(2)、(3)式为原位反应式，由此可得到氟硼酸钾、氟钛酸钾及原位生成tib2的化学计量摩尔为：k2tif6:kbf4:tib2＝1:2:1，本发明按此配比进行配料和计算得到tib2的质量。计算可得，每生成1克tib2所需的混合反应原料为5克，所需铝/铝合金约为30克(同时考虑氧化及熔损)。

复合熔体发泡原理：常规熔体发泡制备泡沫铝，需要对熔体进行增粘处理，在铝/铝合金熔体中添加ca和mno2的混合物并搅拌5～20分钟使铝/铝合金的粘度提高10～20％。

本发明的优点在于：采用原位内生颗粒技术和熔体发泡技术相结合，在铝/铝合金熔体中原位生成tib2颗粒可以组织位错产生，增强孔结构，达到orwan强化，将增粘剂ca和形核剂mno2进行球磨混合，使得泡沫铝孔隙更加均匀，大小相等，制备出的泡沫铝/铝合金强度高、孔结构可控、制备工艺简单的特点，可实现工业化生产。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

图2为孔隙率85％tib2颗粒含量3％的增强型a356泡沫铝的孔隙图，tib2颗粒的质量分数占最终得到的tib2颗粒增强泡沫铝/铝合金质量的3％。

图3为85％孔隙率的不同tib2颗粒含量的增强型a356泡沫铝的压缩性能图和压缩屈服强度放大图，可以看出随着tib2颗粒的加入,泡沫铝的压缩屈服强度提高明显，吸能量也随之增加。

具体实施方式

实施方式一：如图1所示，本实施方式的tib2颗粒增强泡沫铝/铝合金的制备方法为：

(1)复合熔体制备：采用a356为原料，将500克a356加热到800℃熔化，保温20min后，加入占比a356铝合金质量分数2.6％的氟硼酸钾和2.47％氟钛酸钾，机械混合，混合物加入反应20分钟，获得tib2颗粒增强铝基复合材料；

(2)复合材料的预处理：将将制备好的tib2颗粒增强铝融化至700℃并保温25min，加入混合均匀的占tib2颗粒增强型a356熔体质量2％的ca和1％的mno2；

(3)发泡剂的制备：将a356质量百分含量3％的发泡剂tih2粉末15g进行氧化预处理400℃/5h+500℃/2.5h+525℃/30min。

(4)复合熔体的发泡：将步骤(2)获得的复合熔体温度降低到670℃保温18分钟，然后将步骤(3)获得的发泡剂加入到复合熔体中，并以1200转/分的速度搅拌60秒，提出搅拌器，熔体中tih2分解使复合熔体发泡1分钟，得到复合熔体泡沫；

(5)复合熔体泡沫冷却：将步骤(4)中制得的复合熔体泡沫用风冷的方法冷却到室温，得到如图2所示，孔隙率85％、平均孔径4mm的tib2颗粒的a356铝泡沫。