本發(fā)明涉及一種泡沫鋁的制備裝置及泡沫鋁的制備方法，尤其涉及一種吹氣法制備泡沫鋁裝置及泡沫鋁的制備方法。

背景技術(shù)：

泡沫鋁具有密度低、高比強(qiáng)度、隔音、吸音、減震、高的能量吸收性能、保溫、隔熱等綜合特性，在鐵路客車、軍事、建筑、汽車、裝飾、航天、航空、船舶等領(lǐng)域都有巨大的市場應(yīng)用潛力。泡沫鋁從氣孔結(jié)構(gòu)來看可以分為開孔泡沫鋁和閉孔泡沫鋁，其中閉孔泡沫鋁的應(yīng)用更為廣泛。閉孔泡沫鋁的制備方法主要有熔體吹氣法、熔體發(fā)泡法、粉末壓實(shí)熔化發(fā)泡法等。當(dāng)泡沫鋁的泡孔尺寸減小后，泡孔會(huì)趨向于球形，結(jié)構(gòu)更為均勻；小孔徑泡沫鋁的液膜面積減小從而使得液膜穩(wěn)定性增加，泡孔更為穩(wěn)定，在熱加工過程中更易流動(dòng)和變形，有利于泡沫鋁的二次加工；其力學(xué)性能也會(huì)大幅提升；在成型過程中出現(xiàn)的泡孔坍塌現(xiàn)象也會(huì)得到改善，有利于發(fā)泡高度的增大，從而能夠制備出大塊泡沫鋁，進(jìn)一步推動(dòng)泡沫鋁的產(chǎn)業(yè)化。因而，小孔徑特別是氣孔尺寸小于5mm的泡沫鋁的制備方法及制備裝置是目前吹氣法制備泡沫鋁發(fā)展的一個(gè)重要方向。

熔體吹氣法工藝是通過吹氣頭將氣體(一般為氧化性氣體)直接注入含有陶瓷顆粒的液態(tài)鋁或鋁合金中，歷經(jīng)氣泡的形成、上浮、堆積和冷凝過程，最終收集成型制備得到泡沫鋁的方法。相較于其他制備工藝，吹氣法具有成本低、可連續(xù)性生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。然而，吹氣法制備的泡沫鋁存在力學(xué)性能不夠高、加工方式需拓展等問題，解決方式是制備小孔徑的泡沫鋁。

吹氣法制備泡沫鋁最初是由加拿大Alcan公司和挪威Hydro公司在20世紀(jì)90年代初分別獨(dú)立提出，都是旋轉(zhuǎn)噴吹法，即通過吹氣頭的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)氣體的分散，后來Alcan又提出了通過吹氣頭往復(fù)運(yùn)動(dòng)來分散氣泡的方法(美國專利US5334236)。然而，旋轉(zhuǎn)吹氣頭和傳統(tǒng)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)吹氣頭對(duì)于熔體擾動(dòng)較大，氣泡脫離條件差異較大，制備的泡沫鋁泡孔均勻度較差。

N.Babcsan等人開發(fā)了利用超聲振動(dòng)制備吹氣法泡沫鋁的方法，先利用超聲處理在鋁熔體中分散超細(xì)顆粒，再采用超聲振動(dòng)分散進(jìn)入熔體中的氣體，泡沫鋁的孔徑可以降到亞毫米范圍內(nèi)，但Babcsan并沒有公布相應(yīng)技術(shù)細(xì)節(jié)，且超聲振動(dòng)法的成本也相對(duì)較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，確有必要提供一種吹氣法制備泡沫鋁裝置，能夠在成本較低的條件下制備出泡孔尺寸較小，且具有較好均勻度的泡沫鋁。

一種吹氣法制備泡沫鋁裝置，包括吹氣管、吹氣頭、直流振動(dòng)電機(jī)及限動(dòng)板，該吹氣管包括水平段和與水平段相連的豎直段，該水平段包括進(jìn)氣端，該豎直段包括出氣端，該出氣端與該吹氣頭連接，該吹氣管為懸臂梁結(jié)構(gòu)，該進(jìn)氣端為該懸臂梁結(jié)構(gòu)的固定端，該出氣端為該懸臂梁結(jié)構(gòu)的自由端，該直流振動(dòng)電機(jī)和該限動(dòng)板固定設(shè)置在該吹氣管的水平段，并且，該直流振動(dòng)電機(jī)設(shè)置在該固定端和該限動(dòng)板之間，該限動(dòng)板能夠限制該吹氣管在豎直方向的運(yùn)動(dòng)。

一種泡沫鋁的制備方法，包括以下步驟：提供增粘的金屬鋁或鋁合金熔體；以及將吹氣頭插入該增粘的金屬鋁或鋁合金熔體中，在吹氣的同時(shí)使該吹氣頭做水平簡諧振動(dòng)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明提出的吹氣法制備泡沫鋁裝置及泡沫鋁的制備方法利用非常簡單的方式使吹氣頭能夠進(jìn)行高頻水平簡諧振動(dòng)，由于利用了吹氣管豎直段對(duì)于振動(dòng)的放大作用，實(shí)現(xiàn)了一般機(jī)械振動(dòng)難以達(dá)到的高頻率且高振幅的要求，成功制備出孔徑較小的泡沫鋁，且直流振動(dòng)電機(jī)的成本相對(duì)于超聲振動(dòng)裝置非常低廉。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的吹氣法制備泡沫鋁裝置的組成示意圖。

圖2是沿圖1中B方向的本發(fā)明實(shí)施例的吹氣法制備泡沫鋁裝置的吹氣頭的振動(dòng)形式示意圖。

圖3是吹氣頭在沒有施加振動(dòng)時(shí)，采用高速攝像裝置獲得的水模擬的氣泡照片。

圖4是與圖3相同的吹氣頭在施加振動(dòng)時(shí)，采用高速攝像裝置獲得的水模擬的氣泡情況照片。

圖5是利用本發(fā)明實(shí)施例的吹氣法制備泡沫鋁裝置對(duì)于泡沫鋁泡孔尺寸的減小情況。

圖6是利用本發(fā)明實(shí)施例的吹氣法制備泡沫鋁裝置制備的1mm左右孔徑的吹氣法泡沫鋁光學(xué)照片。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明實(shí)施例吹氣法制備泡沫鋁裝置及泡沫鋁的制備方法。

請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明實(shí)施例提供一種吹氣法制備泡沫鋁裝置100，包括吹氣管10、吹氣頭20、直流振動(dòng)電機(jī)30及限動(dòng)板40。該吹氣管10包括水平段14和與水平段相連的豎直段16。該水平段14的一端為進(jìn)氣端12，另一端與豎直段16連接。該豎直段16的一端與水平段14連接，另一端為出氣端18。該出氣端18與吹氣頭20連接。該水平段14、豎直段16及吹氣頭20中形成氣體連通，氣體從進(jìn)氣端12進(jìn)入該吹氣管10，從水平段14流向豎直段16，并從該出氣端18進(jìn)入該吹氣頭20，最終從該吹氣頭20溢出。該水平段14的進(jìn)氣端12為固定端，該豎直段16的出氣端18為自由端，使該吹氣管10整體形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⒃撝绷髡駝?dòng)電機(jī)30產(chǎn)生的水平方向的振動(dòng)充分傳遞到吹氣頭20。該直流振動(dòng)電機(jī)30和限動(dòng)板40固定設(shè)置在該吹氣管10的水平段14，并且，該直流振動(dòng)電機(jī)30設(shè)置在該進(jìn)氣端12(即該固定端)和該限動(dòng)板40之間，該限動(dòng)板40能夠限制該吹氣管10在豎直方向的運(yùn)動(dòng)。該吹氣管10可以為剛性管狀結(jié)構(gòu)，該水平段14和豎直段16可以為一體結(jié)構(gòu)。

該直流振動(dòng)電機(jī)30包括與吹氣管10的水平段14固定連接的殼體、相對(duì)于殼體轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸及設(shè)置在轉(zhuǎn)軸端部的偏心塊，通過轉(zhuǎn)軸及偏心塊高速旋轉(zhuǎn)使直流振動(dòng)電機(jī)30受到離心力的作用。由于該直流振動(dòng)電機(jī)30固定設(shè)置在吹氣管10的水平段14，水平段14也因此受到離心力作用，而發(fā)生振動(dòng)。該直流振動(dòng)電機(jī)30的轉(zhuǎn)軸優(yōu)選與吹氣管10的水平段14的長度方向平行。該直流振動(dòng)電機(jī)30的額定功率優(yōu)選為20～500W，額定電壓優(yōu)選為3～24V，轉(zhuǎn)速范圍優(yōu)選為1000～9000轉(zhuǎn)/分鐘(r/min)。

該限動(dòng)板40為板形結(jié)構(gòu)，固定在該水平段14上。由于該限動(dòng)板40具有足夠的尺寸和重量，且水平設(shè)置，從而能夠抑制該吹氣管10在豎直方向上的振動(dòng)。該限動(dòng)板40優(yōu)選為水平設(shè)置在該水平段14上。在其他實(shí)施例中，該限動(dòng)板40可以與水平呈小于90度的角度，但應(yīng)在水平方向具有足夠的投影面積，以抑制吹氣管10在豎直方向上的振動(dòng)。在優(yōu)選的實(shí)施例中，該限動(dòng)板40為鋼板，該鋼板在水平方向的投影面積約為(150～300mm)×(80～120mm)，厚度約為2～5mm，質(zhì)量約為190～1400g。該鋼板水平的焊接在該水平段14上，當(dāng)該直流振動(dòng)電機(jī)30的額定功率為20W，該鋼板在水平方向的投影面積約為150mm×80mm，厚度約為2mm，質(zhì)量約為190g。

該直流振動(dòng)電機(jī)30與該限動(dòng)板40共同配合使該吹氣頭20水平簡諧振動(dòng)，振幅為0～6mm，振動(dòng)頻率為0～160Hz。由于該直流振動(dòng)電機(jī)30固定設(shè)置在該吹氣管10的水平段14上，當(dāng)不設(shè)置該限動(dòng)板40時(shí)，由于該水平段14的一端固定，為懸臂梁結(jié)構(gòu)，該直流振動(dòng)電機(jī)30產(chǎn)生的離心力將帶動(dòng)該水平段14的自由端沿圓形軌跡運(yùn)動(dòng)。由于該限動(dòng)板40限制了吹氣管10在豎直方向的運(yùn)動(dòng)，并且該自由端沿圓形軌跡運(yùn)動(dòng)在水平方向的投影為簡諧振動(dòng)形式，因此，當(dāng)設(shè)置該限動(dòng)板40后，該水平段14的自由端轉(zhuǎn)變?yōu)樗胶喼C振動(dòng)。請(qǐng)參閱圖2，經(jīng)過吹氣管10的豎直段16的放大，在吹氣頭20處產(chǎn)生具有較大振幅的高頻水平簡諧振動(dòng)。該適合發(fā)泡的熔體200置于容器210，例如是耐熱坩堝中。該吹氣頭20沒入該適合發(fā)泡的熔體200中，優(yōu)選的，該豎直段16的出氣端18插入該適合發(fā)泡的熔體200中。該豎直段16的長度較大，例如大于20cm，該吹氣頭20振幅相對(duì)于豎直段16的長度較小。通過調(diào)整吹氣管10豎直段16的長度和直流振動(dòng)電機(jī)30的轉(zhuǎn)速，使得吹氣頭20處的振幅為0～6mm，振動(dòng)頻率為0～160Hz，更優(yōu)選的，使吹氣頭20處的振幅為2～4mm，振動(dòng)頻率為110～150Hz。該吹氣管10的水平段14的長度可以根據(jù)進(jìn)氣端12與容器210的距離而定。該吹氣管10的水平段14的長度優(yōu)選為30～50cm，豎直段16的長度優(yōu)選為30～50cm。

該吹氣法制備泡沫鋁裝置100可進(jìn)一步包括直流電機(jī)調(diào)速器50。該直流電機(jī)調(diào)速器50能夠調(diào)節(jié)該直流振動(dòng)電機(jī)30的轉(zhuǎn)速，從而改變?cè)撍胶喼C振動(dòng)的振動(dòng)頻率。該直流電機(jī)調(diào)速器50的額定電壓優(yōu)選為6～30V。

該進(jìn)氣端12用于進(jìn)氣，該氣體優(yōu)選為壓縮空氣。例如該進(jìn)氣端12可以與壓縮空氣氣路300連接。

該吹氣頭20的內(nèi)徑優(yōu)選為0.3～1mm，壁厚優(yōu)選為30～50μm，該吹氣頭20的材料為金屬材料或無機(jī)非金屬陶瓷材料，優(yōu)選為陶瓷或不銹鋼。在一實(shí)施例中，該吹氣頭20為不銹鋼吹氣頭，為防止鋁液對(duì)不銹鋼的腐蝕，提高吹氣頭20的使用壽命，該吹氣頭20可進(jìn)一步包括涂覆在不銹鋼材料外部耐鋁液腐蝕的氧化鋅涂料。該吹氣頭20管口的朝向不限，優(yōu)選為豎直向上。在優(yōu)選的實(shí)施例中，該吹氣管10可進(jìn)一步包括過渡段17，通過該過渡段17連接該豎直段16與該吹氣頭10，該過渡段17水平設(shè)置，使該吹氣頭20管口能夠豎直向上。

本發(fā)明實(shí)施例還提供一種泡沫鋁的制備方法，包括以下步驟：提供適合發(fā)泡的熔體200；以及將吹氣頭20插入該適合發(fā)泡的熔體200中，在吹氣的同時(shí)使該吹氣頭20做水平簡諧振動(dòng)。

該適合發(fā)泡的熔體200為增粘的金屬鋁或鋁合金熔體，該增粘的金屬鋁或鋁合金熔體包括用于增粘的金屬鋁或鋁合金熔體及分散在該金屬鋁或鋁合金熔體中的陶瓷顆粒。該增粘的金屬鋁或鋁合金熔體是通過將用于增粘的陶瓷顆粒在金屬鋁或鋁合金熔體中均勻分散得到。在優(yōu)選的實(shí)施例中，該適合發(fā)泡的熔體是將8～15vol％(體積百分?jǐn)?shù))的3～15μm粒徑的氧化鋁(Al₂O₃)顆粒在650～750℃的鋁合金熔體中均勻機(jī)械攪拌分散而得到。

該吹氣法制備泡沫鋁裝置100，利用直流振動(dòng)電機(jī)30使吹氣頭20產(chǎn)生高頻水平簡諧振動(dòng)，這種水平簡諧振動(dòng)使得氣泡的脫離條件盡可能接近一致。同時(shí)，小的吹氣頭20尺寸也減小了吹氣頭20對(duì)于熔體的擾動(dòng)，從而能夠制備出在一定尺寸范圍內(nèi)的小孔徑泡沫鋁。

與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明實(shí)施例提出的吹氣法制備泡沫鋁裝置100利用非常簡單的方式得到了吹氣頭20處的高頻水平簡諧振動(dòng)，并極大地減小了吹氣頭20的尺寸，成功制備出1mm孔徑的泡沫鋁。由于利用了豎直段16對(duì)于振動(dòng)的放大作用，實(shí)現(xiàn)了一般機(jī)械振動(dòng)難以達(dá)到的高頻率且高振幅的要求，且直流振動(dòng)電機(jī)10的成本相對(duì)于超聲振動(dòng)裝置非常低廉。只有吹氣頭20和靠近吹氣頭20的部分吹氣管10做大幅振動(dòng)，而吹氣頭20尺寸較小，這既有利于氣泡尺寸的減小，也極大降低了吹氣頭20運(yùn)動(dòng)對(duì)于熔體的擾動(dòng)，從而與其他動(dòng)態(tài)方法相比氣泡尺寸受液體影響小，可以制得泡孔尺寸相對(duì)均勻可控的泡沫鋁。

實(shí)施例1

為便于分析氣泡的形成過程并更好地直觀觀察本發(fā)明實(shí)施例吹氣法制備泡沫鋁裝置100對(duì)于液體中氣泡尺寸的減小效果，在水溶液中進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，采用高速攝像機(jī)記錄吹氣發(fā)泡過程。請(qǐng)參閱圖3，首先在靜態(tài)下進(jìn)行吹氣實(shí)驗(yàn)，該吹氣法制備泡沫鋁裝置100的直流振動(dòng)電機(jī)30關(guān)閉，從而不產(chǎn)生振動(dòng)。壓縮氣體經(jīng)由靜止的吹氣頭20吹入含有表面活性劑的水溶液中，氣體流量為20ml/min。從圖3可以看出，此時(shí)氣泡的形成時(shí)間約為31ms。此時(shí)氣泡的形成過程可分為膨脹和脫離階段，氣泡沿豎直方向脫離。請(qǐng)參閱圖4，接下來在振動(dòng)條件下進(jìn)行吹起實(shí)驗(yàn)，該吹氣法制備泡沫鋁裝置100的直流振動(dòng)電機(jī)30開啟，使吹氣頭20產(chǎn)生高頻水平振動(dòng)。壓縮氣體經(jīng)由振動(dòng)的吹氣頭20吹入含有表面活性劑的水溶液中，氣體流量依然是20ml/min，振動(dòng)頻率為38.5Hz，振幅是4mm。從圖4可以看出，在本發(fā)明實(shí)施例吹氣法制備泡沫鋁裝置100提供的高頻水平振動(dòng)條件下，在相同流量下，氣泡的形成時(shí)間由31ms縮小到3ms，約為靜態(tài)條件下的十分之一，因而氣泡尺寸也被極大地減小。通過使吹氣頭20高頻水平振動(dòng)，氣泡在水平力的作用下相對(duì)吹氣頭20有水平方向的速度，氣泡最終會(huì)沿水平方向脫離，這使氣泡形成時(shí)間被極大縮短，氣泡尺寸得到減小。因此，本發(fā)明吹氣法制備泡沫鋁裝置100可以有效減小液體中的氣泡尺寸。

實(shí)施例2

在700℃的A356熔體中添加經(jīng)400℃預(yù)熱兩小時(shí)粒徑約10μm的Al₂O₃顆粒，制備成適合發(fā)泡的熔體200。Al₂O₃顆?？偟奶砑恿考s為10vol.％，在機(jī)械攪拌下將加入的Al₂O₃顆粒攪拌分散均勻。然后在熔體溫度為680℃時(shí)通過本發(fā)明實(shí)施例的吹氣法制備泡沫鋁裝置100吹入壓縮空氣，并在吹氣發(fā)泡過程中對(duì)吹氣頭10處施加振動(dòng)，通過直流電機(jī)調(diào)速器50改變直流振動(dòng)電機(jī)30的轉(zhuǎn)速，以得到不同頻率和振幅的振動(dòng)狀況。請(qǐng)參閱圖5，在靜態(tài)下泡沫鋁的泡孔尺寸為10mm左右(此時(shí)吹氣頭10的振動(dòng)頻率為0Hz，振幅為0mm)；調(diào)節(jié)直流電機(jī)調(diào)速器50，使得直流振動(dòng)電機(jī)30的輸出轉(zhuǎn)速比為100％，此時(shí)轉(zhuǎn)速達(dá)到7000r/min左右，吹氣頭10的振動(dòng)頻率約為110Hz，振幅約為2mm，氣泡尺寸減小到約為4mm。隨后，調(diào)節(jié)直流電機(jī)調(diào)速器50，逐漸降低直流振動(dòng)電機(jī)30的轉(zhuǎn)速，即從7000r/min降低到約4000r/min時(shí)，泡沫鋁泡孔尺寸隨著振動(dòng)頻率和振幅的降低而增大，從約4mm逐漸增大到約為8mm。在轉(zhuǎn)速比為44％，即轉(zhuǎn)速約為3420r/min左右時(shí)系統(tǒng)達(dá)到共振點(diǎn)，此時(shí)吹氣頭10的振動(dòng)頻率為57Hz，振幅為4mm。由于振幅的突然增加，氣泡尺寸又減小到100％轉(zhuǎn)速比時(shí)的尺寸，即4mm左右。因而，采用本發(fā)明提出的高頻水平振動(dòng)系統(tǒng)可以顯著降低吹氣法泡沫鋁的尺寸，且泡孔尺寸隨著振動(dòng)頻率和振幅的降低而增大，頻率與振幅均可獨(dú)立影響泡孔尺寸的變化。

實(shí)施例3

請(qǐng)參閱圖6，在700℃的A356熔體中添加經(jīng)400℃預(yù)熱兩小時(shí)粒徑約為10μm的Al₂O₃顆粒，制備成適合發(fā)泡的熔體200。Al₂O₃顆粒總的添加量約為10vol.％，在機(jī)械攪拌下將加入的Al₂O₃顆粒攪拌分散均勻。然后在熔體溫度為680℃時(shí)通過本發(fā)明實(shí)施例的吹氣法制備泡沫鋁裝置100吹入壓縮空氣，并在吹氣發(fā)泡過程中對(duì)吹氣頭10施加振動(dòng)，得到較為均勻的直徑約1mm泡孔的泡沫鋁試樣，此時(shí)吹氣頭10的振動(dòng)頻率約為160Hz，振幅約為2.3mm左右?？梢钥吹剑?dāng)泡孔尺寸減小到1mm左右時(shí)，泡孔的圓整度和均勻度都非常好。