本發(fā)明屬于金屬材料加工領(lǐng)域，尤其是涉及一種采用熔體液面剪切工藝制備泡沫鋁合金的方法。
背景技術(shù)：
多孔泡沫金屬作為氣孔相和金屬相的結(jié)合體，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，表現(xiàn)出不同于致密金屬的特殊性能，具有輕質(zhì)、比表面積大、高比強(qiáng)度、阻尼減振、吸聲隔音、能量吸收、電磁屏蔽等物理特性。泡沫鋁優(yōu)異的物理及力學(xué)性能使其作為功能材料和結(jié)構(gòu)材料用于航空航天工業(yè)、交通運(yùn)輸行業(yè)、建筑工業(yè)等領(lǐng)域。泡沫鋁的孔隙率一般為40％～90％，密度約為鋁的0.1～0.6倍。正因?yàn)榕菽X中含有大量的孔隙使其密度較低，泡沫鋁的屈服強(qiáng)度也遠(yuǎn)小于致密鋁合金材料的屈服強(qiáng)度，但其具有較高的比強(qiáng)度、比剛度。由于泡沫鋁的壓縮特性中存在著較大范圍的屈服平臺段，應(yīng)變滯后于應(yīng)力，所以在變形過程中能夠消耗大量的功，使泡沫鋁具有良好的能量吸收能力，是防沖擊和緩沖的理想材料。同時，泡沫鋁可以作為吸音、消音材料。根據(jù)孔結(jié)構(gòu)的不同，泡沫金屬可以分為通孔、閉孔兩種。通孔是指胞孔與鄰孔之間是互相連通的；閉孔則指各個胞孔之間是相互獨(dú)立、自行封閉的。閉孔泡沫金屬材料具有更好的強(qiáng)度，因其兼具結(jié)構(gòu)材料和功能材料特性而具有更廣泛的用途。
經(jīng)歷了數(shù)十年的研究發(fā)展，如今泡沫鋁的制備方法已有多種，并且隨著技術(shù)的進(jìn)步，生產(chǎn)成本也在不斷降低，有些制備方法已經(jīng)可以商業(yè)應(yīng)用。閉孔泡沫鋁的主要制備方法有：發(fā)泡劑熔體發(fā)泡法、熔體注氣發(fā)泡法和粉末冶金法。這幾種方法均有各自的缺點(diǎn)，采用發(fā)泡劑法生產(chǎn)的泡沫鋁因氣孔率和孔徑均小，密度大，具有良好的力學(xué)性能和氣泡結(jié)構(gòu)，但工藝過程比較復(fù)雜。粉末冶金法生產(chǎn)的泡沫鋁材料具有更加優(yōu)良的性能，但工藝過程更為復(fù)雜，成本高。以上兩種方法生產(chǎn)的泡沫鋁材料雖然通過工藝改進(jìn)可明顯提高力學(xué)性能。但由 于工藝方法限制，不僅成本高，而且難以實(shí)現(xiàn)大尺寸連續(xù)生產(chǎn)。注氣法能夠以相對低的成本生產(chǎn)半連續(xù)式的寬幅泡沫鋁面板，產(chǎn)品氣孔率和孔徑均較大，密度小。但生產(chǎn)過程因合金化和高含量的增粘顆粒，高溫發(fā)泡引起的氧化現(xiàn)象等，造成產(chǎn)品的氣泡結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能較差。因此，尋求新的泡沫鋁制備方法，以提高生產(chǎn)效率、降低制備成本、提高材料性能成為新技術(shù)的研究目標(biāo)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種采用熔體液面剪切工藝制備泡沫鋁合金的方法，本發(fā)明方法可以在不用發(fā)泡劑、不注氣的條件下進(jìn)行熔體發(fā)泡制備閉孔、半閉孔泡沫鋁合金材料。本發(fā)明方法既簡化了利用熔體進(jìn)行泡沫鋁合金制備的工藝，也避免了注氣法制備泡沫鋁合金過度氧化的不利影響，提高了泡沫鋁合金的強(qiáng)度和塑性。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
一種采用熔體液面剪切工藝制備泡沫鋁合金的方法，對鋁合金熔體進(jìn)行增粘，將增粘的鋁合金熔體通過表面高速分散剪切，制造氣液混合泡沫體，經(jīng)泡沫引出、結(jié)晶凝固，獲得泡沫鋁合金結(jié)構(gòu)材料。具體包括以下步驟：
(1)融化鋁合金，并向鋁合金熔體中加入硅、鎂、鈣以調(diào)整鋁合金成分，使得硅、鎂、鈣在最終所得復(fù)合高粘度熔體中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3-9％、1-3％、0.5-3％；加入硅、鎂、鈣的作用在于一方面提高鋁合金熔體的粘度，另一方面改善熔體和增粘劑間的浸潤性；
(2)繼續(xù)向步驟(1)所得鋁合金熔體中添加增粘劑，強(qiáng)力攪拌得到復(fù)合高粘度熔體，復(fù)合高粘度熔體中，增粘劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5～20％；
(3)通過表面高速剪切，制造氣液混合泡沫體，經(jīng)泡沫引出、結(jié)晶凝固，獲得泡沫鋁合金結(jié)構(gòu)材料。
所述的增粘劑為碳化硅或氧化鋁。
步驟(3)中表面高速剪切是指在680-750℃溫度下，施加轉(zhuǎn)速在200-1000rpm的攪拌。高速剪切時采用的工具為攪拌器或分散器，通過變換攪拌器或分散器結(jié)構(gòu)及其剪切線速度得到不同泡孔結(jié)構(gòu)、不同密度的泡沫鋁。所述的攪拌頭或分散器可以有不同結(jié)構(gòu)。
步驟(3)中泡沫引出是利用牽引或機(jī)械傳動的方式將氣液混合泡沫體中的泡沫引出。
步驟(3)中采用常溫結(jié)晶凝固或降溫結(jié)晶凝固，采用降溫結(jié)晶凝固時，采用風(fēng)冷或水冷降溫，以提高降溫速度，使泡沫體較快結(jié)晶凝固。
步驟(3)中所述的表面高速剪切過程中向熔體內(nèi)注氣或不注氣。
為降低氧化，提高泡沫合金結(jié)構(gòu)強(qiáng)韌性，在步驟(3)所述的表面高速剪切過程可以在氮?dú)?、氬氣等惰性氣氛保護(hù)下進(jìn)行的。
步驟(3)中所述的表面高速剪切包括表面高速剪切以及淺層高速剪切，所述的淺層指攪拌或分散裝置插入熔體達(dá)到浸沒或半浸沒狀態(tài)。
本發(fā)明中，所述的鋁合金可由鎂合金、鋅合金、銅合金替換。。即本發(fā)明方法可以應(yīng)用于鋁合金、鎂合金、鋅合金、銅合金等多種合金系低密泡沫結(jié)構(gòu)的制備。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：
(1)本發(fā)明采用增粘的鋁合金熔體，通過分散器表面攪拌剪切形成氣液混合泡沫體，制備泡沫鋁合金。相對于現(xiàn)行發(fā)泡劑或注氣方法，工藝簡單，節(jié)約成本，提高經(jīng)濟(jì)性。
(2)相對于注氣法，本發(fā)明方法工藝簡單，大幅縮短了常見的泡沫鋁制造的工藝周期，制備的泡沫鋁合金由于顯著縮短了氧化過程，避免了結(jié)構(gòu)體宏觀裂紋的形成，使得泡沫鋁合金性能顯著提高。
(3)本發(fā)明制備的泡沫鋁合金形態(tài)、泡體形狀、泡孔大小主要由分散器結(jié)構(gòu)、剪切線速度和熔體的粘度決定。泡沫鋁合金孔壁結(jié)構(gòu)完整，泡沫鋁合金強(qiáng)度會有所提高。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
實(shí)施例1
利用a356鋁合金，坩堝中融化后，添加1.5wt％ca和15wt％sic(均指最終占熔體總質(zhì)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù))，形成復(fù)合鋁合金增粘熔體。在680-700℃溫度下，利用渦輪式攪拌器在500-600rpm條件下攪拌，制造氣液混合泡沫體，經(jīng)泡 沫引出、結(jié)晶凝固，獲得的泡沫鋁密度在0.21-0.23g/cm2之間，泡沫鋁的壓縮強(qiáng)度為1.1mpa。
實(shí)施例2
純鋁坩堝熔化后，添加5.5wt％si、1.0wt％ca、2.2wt％mg和18wt％sic(均指最終占熔體總質(zhì)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù))，形成復(fù)合鋁合金增粘熔體。在690-710℃溫度下，利用渦輪式攪拌器在600-800rpm條件下攪拌，制造氣液混合泡沫體，經(jīng)泡沫引出、結(jié)晶凝固，獲得的泡沫鋁密度在0.23-0.26g/cm2之間，泡沫鋁的壓縮強(qiáng)度1.2mpa。
實(shí)施例3
一種采用熔體液面剪切工藝制備泡沫鋁合金的方法，對鋁合金熔體進(jìn)行增粘，將增粘的鋁合金熔體通過表面高速分散剪切，制造氣液混合泡沫體，經(jīng)泡沫引出、結(jié)晶凝固，獲得泡沫鋁合金結(jié)構(gòu)材料。具體包括以下步驟：
(1)融化純鋁，并向鋁合金熔體中加入硅、鎂、鈣以調(diào)整鋁合金成分；使得硅、鎂、鈣在最終所得復(fù)合高粘度熔體中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為9％、3％、3％；加入硅、鎂、鈣的作用在于一方面提高鋁合金熔體的粘度，另一方面改善熔體和增粘劑間的浸潤性；
(2)繼續(xù)向步驟(1)所得鋁合金熔體中添加增粘劑碳化硅，強(qiáng)力攪拌得到復(fù)合高粘度熔體，復(fù)合高粘度熔體中，增粘劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20％。
(3)通過表面高速剪切(是指在750℃溫度下，施加轉(zhuǎn)速在1000rpm的攪拌)，制造氣液混合泡沫體，利用機(jī)械傳動的方式將氣液混合泡沫體中的泡沫引出、采用水冷降溫結(jié)晶凝固，獲得泡沫鋁合金結(jié)構(gòu)材料。
步驟(3)中表面高速剪切包括表面高速剪切以及淺層高速剪切，淺層指攪拌或分散裝置插入熔體達(dá)到浸沒或半浸沒狀態(tài)。高速剪切時采用的工具為攪拌器或分散器，通過變換攪拌器或分散器結(jié)構(gòu)及其剪切線速度得到不同泡孔結(jié)構(gòu)、不同密度的泡沫鋁。所述的攪拌頭或分散器可以有不同結(jié)構(gòu)。為降低氧化，提高泡沫合金結(jié)構(gòu)強(qiáng)韌性，步驟(3)表面高速剪切過程是在氮?dú)?、氬氣等惰性氣氛保護(hù)下進(jìn)行的。步驟(3)中表面高速剪切過程中向熔體內(nèi)注氣或不注氣。
本實(shí)施例獲得的泡沫鋁密度為0.23g/cm2，泡沫鋁的壓縮強(qiáng)度1.5mpa。
實(shí)施例4
一種采用熔體液面剪切工藝制備泡沫鋁合金的方法，對鋁合金熔體進(jìn)行增粘，將增粘的鋁合金熔體通過表面高速分散剪切，制造氣液混合泡沫體，經(jīng)泡沫引出、結(jié)晶凝固，獲得泡沫鋁合金結(jié)構(gòu)材料。具體包括以下步驟：
(1)融化鋁合金，并向鋁合金熔體中加入硅、鎂、鈣以調(diào)整鋁合金成分；使得硅、鎂、鈣在最終所得復(fù)合高粘度熔體中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3％、1％、0.5％；加入硅、鎂、鈣的作用在于一方面提高鋁合金熔體的粘度，另一方面改善熔體和增粘劑間的浸潤性；
(2)繼續(xù)向步驟(1)所得鋁合金熔體中添加增粘劑氧化鋁，強(qiáng)力攪拌得到復(fù)合高粘度熔體，復(fù)合高粘度熔體中，增粘劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％；
(3)通過表面高速剪切(是指在690℃溫度下，施加轉(zhuǎn)速在200rpm的攪拌)，制造氣液混合泡沫體，利用牽引的方式將氣液混合泡沫體中的泡沫引出、采用常溫結(jié)晶凝固，獲得泡沫鋁合金結(jié)構(gòu)材料。
步驟(3)中表面高速剪切包括表面高速剪切以及淺層高速剪切，淺層指攪拌或分散裝置插入熔體達(dá)到浸沒或半浸沒狀態(tài)。高速剪切時采用的工具為攪拌器或分散器，通過變換攪拌器或分散器結(jié)構(gòu)及其剪切線速度得到不同泡孔結(jié)構(gòu)、不同密度的泡沫鋁。所述的攪拌頭或分散器可以有不同結(jié)構(gòu)。為降低氧化，提高泡沫合金結(jié)構(gòu)強(qiáng)韌性，步驟(3)表面高速剪切過程是在大氣環(huán)境中進(jìn)行的。步驟(3)中表面高速剪切過程中向熔體內(nèi)注氣或不注氣。
本實(shí)施例獲得的泡沫鋁密度為0.27g/cm2，泡沫鋁的壓縮強(qiáng)度為1.0mpa。
實(shí)施例5
一種采用熔體液面剪切工藝制備泡沫鋁合金的方法，對鋁合金熔體進(jìn)行增粘，將增粘的鋁合金熔體通過表面高速分散剪切，制造氣液混合泡沫體，經(jīng)泡沫引出、結(jié)晶凝固，獲得泡沫鋁合金結(jié)構(gòu)材料。具體包括以下步驟：
(1)融化鋁合金，并向鋁合金熔體中加入硅、鎂、鈣以調(diào)整鋁合金成分，使得硅、鎂、鈣在最終所得復(fù)合高粘度熔體中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為6％、2％、1.5％；加入硅、鎂、鈣的作用在于一方面提高鋁合金熔體的粘度，另一方面改善熔體和增粘劑間的浸潤性；
(2)繼續(xù)向步驟(1)所得鋁合金熔體中添加增粘劑氧化鋁，強(qiáng)力攪拌得 到復(fù)合高粘度熔體，復(fù)合高粘度熔體中，增粘劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10％
(3)通過表面高速剪切(是指在700℃溫度下，施加轉(zhuǎn)速在600rpm的攪拌)，制造氣液混合泡沫體，利用機(jī)械傳動的方式將氣液混合泡沫體中的泡沫引出、采用風(fēng)冷降溫結(jié)晶凝固，獲得泡沫鋁合金結(jié)構(gòu)材料。
步驟(3)中表面高速剪切包括表面高速剪切以及淺層高速剪切，淺層指攪拌或分散裝置插入熔體達(dá)到浸沒或半浸沒狀態(tài)。高速剪切時采用的工具為攪拌器或分散器，通過變換攪拌器或分散器結(jié)構(gòu)及其剪切線速度得到不同泡孔結(jié)構(gòu)、不同密度的泡沫鋁。所述的攪拌頭或分散器可以有不同結(jié)構(gòu)。為降低氧化，提高泡沫合金結(jié)構(gòu)強(qiáng)韌性，步驟(3)表面高速剪切過程是在氮?dú)?、氬氣等惰性氣氛保護(hù)下進(jìn)行的。步驟(3)中表面高速剪切過程中向熔體內(nèi)注氣或不注氣。
本實(shí)施例獲得的泡沫鋁密度為0.22g/cm2，泡沫鋁的壓縮強(qiáng)度1.3mpa。
以上實(shí)施例中的鋁合金可由鎂合金、鋅合金、銅合金替換。即本發(fā)明方法可以應(yīng)用于鋁合金、鎂合金、鋅合金、銅合金等多種合金系低密泡沫結(jié)構(gòu)的制備。
上述的對實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和使用發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。