泡沫鋁板的表面致密化研究

王德慶，高明

(大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028)＊

0 引言

泡沫鋁作為一種新型的多孔金屬材料，由于其獨特的結構同時具有金屬相和氣體相的特點，兼有結構材料和功能材料的優(yōu)點［1-3］.目前泡沫鋁的一個主要應用方式是與傳統(tǒng)的金屬致密板材結合成夾心構件，這種結構既克服了泡沫鋁表面粗糙、模量低(相對于傳統(tǒng)材料)及傳統(tǒng)金屬板材能量吸收、隔熱等性能低(相對于泡沫材料)的缺點，又發(fā)揮了它們各自的優(yōu)點［4-6］，但由于生產(chǎn)方法的限制，使其存在生產(chǎn)工序復雜以及許多難以克服的缺點，影響了泡沫鋁的發(fā)展和應用.如，膠粘法生產(chǎn)的泡沫鋁三明治，膠粘部分存在不耐高溫、易老化的缺點;冶金法存在結合部位易氧化，面板與芯體結合強度低容易剝離的缺點［7-8］.所以研究一種能夠克服以上缺點的新方法成為泡沫鋁發(fā)展的必然要求.

本文提出利用空氣發(fā)泡法連續(xù)生產(chǎn)閉孔泡沫鋁材一次產(chǎn)品的同時，采用直接消泡法使泡沫鋁材的表面形成與鋁熔體泡沫相同成分的厚度可控的致密表面層.其原理是將表面鋁熔體泡沫消泡而形成表面致密層.鋁熔體泡沫離開發(fā)泡室表面后經(jīng)過加熱輥和預熱網(wǎng)帶，由于加熱輥和預熱網(wǎng)帶溫度高于鋁熔體泡沫溫度，鋁熔體泡沫內(nèi)部氣體溫度升高.根據(jù)氣態(tài)方程和鋁熔體泡沫的受力平衡式可知，隨著內(nèi)部氣體溫度逐漸升高，鋁熔體的氣泡體積增大，氣泡壁變薄，使氣泡的穩(wěn)定性減弱.當表面氣泡的壁厚小于其臨界穩(wěn)定值后，氣泡破碎形成表面致密層.該表面致密層的厚度主要受加熱輥和預熱網(wǎng)帶的溫度所控制.溫度越高，表面致密層越厚.在調(diào)節(jié)溫度使表面鋁熔體氣泡消泡的同時施加機械擠壓也會對表面致密層的形成厚度有顯著影響.

該技術與其它生產(chǎn)泡沫鋁三明治的方法相比，不僅生產(chǎn)工藝簡單，產(chǎn)品價格低廉，而且所生產(chǎn)的泡沫鋁板材性能優(yōu)異，特別是表面致密層與泡沫鋁芯材為緊密的冶金結合，不會出現(xiàn)表面層與泡沫鋁夾心分離的現(xiàn)象.

本文主要研究了網(wǎng)眼尺寸、網(wǎng)帶預熱溫度、預置消泡層厚度和生產(chǎn)速度對泡沫鋁表面致密層的影響，并分析了不同致密層厚度對泡沫鋁壓縮和彎曲性能的影響.

1 實驗方法

實驗中制備泡沫鋁熔體的材料為:工業(yè)純鋁(純度為 99.21%)、工業(yè)硅(純度為 95.00%)、SiC粉末(粒度為W14)和合金元素.

在補充爐中熔煉發(fā)泡所用的泡沫鋁熔體，然后在發(fā)泡爐中利用空氣壓縮方法進行發(fā)泡.首先向發(fā)泡室中的鋁熔體底部通入氣體，電機轉動帶動水平連桿在鋁溶液中水平往復運動，使熔體對空氣進行剪切、粉碎，鋁熔體中產(chǎn)生適當尺寸的泡沫;泡沫上浮至熔體表面后通過成型模具口，經(jīng)過模具口上方預熱的擠壓輥(t1℃)和運動網(wǎng)帶(t2℃)在厚度方向擠壓并進行熔融消泡，沿水平方向牽引冷卻后成為具有表面致密層的閉孔泡沫鋁板材.通過調(diào)整模具口和預熱擠壓輥，改變預置消泡層厚度(d mm);通過調(diào)整預熱擠壓輥的間距，改變所生產(chǎn)的閉孔泡沫鋁三明治板材的厚度(20、30 和40 mm).

選取試樣的外表面，用尼康Coolpix8400數(shù)碼相機在近攝模式下拍照，觀察表面致密層的組織、結構和其他缺陷.截取試樣的橫斷面，經(jīng)拋光后，用掃描儀掃取橫斷面圖像，然后利用Sigmapro軟件測量表面致密層厚度，每個試樣的厚度都取在不同位置的5次測量平均值.用線切割方法把泡沫鋁板材制成規(guī)則的正方體(h mm×100 mm×100 mm，h是試樣厚度，分別為20、30和40 mm)和長方體(h mm×50 mm×100 mm)試樣，在WE-300型液壓萬能試驗機上分別做壓縮和三點彎曲實驗，加載速率為1 ×10－4s.

2 結果與討論

2.1 泡沫鋁表面致密層形貌

2.1.1 泡沫鋁表面致密層表面形貌

圖1(a)是未表面致密化處理的泡沫鋁板表面形貌，從圖中可以清楚地看到一個個凸起并連續(xù)分布的泡沫鋁胞，胞與胞之間的接觸部位有明顯的溝痕，因此泡沫鋁板表面凹凸不平，表面層的厚度即為泡沫鋁胞壁的厚度(約0.1 mm).圖1(b)是在生產(chǎn)速度180 mm/min，網(wǎng)帶預熱溫度700℃時利用熔融消泡法制備得到的泡沫鋁板材表面形貌，從圖中可以看出凸起的泡沫鋁胞已經(jīng)變?yōu)槠秸闹旅軐?

圖1 表面致密化處理前后的泡沫鋁板表面形貌

圖2是利用不同網(wǎng)眼尺寸的不銹鋼網(wǎng)帶制備得到的泡沫鋁表面致密層形貌.從圖中可以看出，利用20目的不銹鋼網(wǎng)帶制備得到的致密層表面粗糙，網(wǎng)帶在鋁熔體泡沫表面留下的壓痕深且網(wǎng)眼處的凸起大;利用30目的不銹鋼網(wǎng)帶制備得到的致密層表面比較平整，網(wǎng)格紋理分布比較均勻;利用40目的不銹鋼網(wǎng)帶制備得到的致密層表面，網(wǎng)帶印痕淺且網(wǎng)格紋理均勻密布，表面光滑平整.這是由于鋁熔體與不銹鋼絲之間的接觸角［9］θ＞90°，為不潤濕，在相同的預熱溫度下，網(wǎng)帶在鋁熔體上的印痕深度由鋁熔體對網(wǎng)帶不銹鋼絲的壓強所決定，網(wǎng)眼尺寸越小壓強越小，表面致密層表面越光滑，壓痕越淺.

圖2 網(wǎng)眼尺寸對致密層表面形貌的影響

圖3是網(wǎng)帶預熱溫度對致密層表面形貌的影響.由圖可見，網(wǎng)帶預熱溫度在650℃時，由于溫度過低，鋁熔體泡沫消泡量少，熔融鋁熔體泡沫與網(wǎng)帶表面接觸不完全，形成的致密層表面粗糙;在750℃時，雖然鋁熔體泡沫消泡充分，但由于溫度過高，消掉的熔融鋁熔體泡沫冷卻收縮量大，形成的致密層表面具有明顯的孔洞.在700℃時，鋁熔體泡沫消泡充分，且熔融的鋁熔體與網(wǎng)帶接觸完全，形成的致密層表面如3(b)所示，表面平整光滑，留有分布均勻的網(wǎng)格痕跡.

圖3 網(wǎng)帶預熱溫度對致密層表面形貌的影響

圖4 預置消泡層厚度對致密層表面形貌的影響

圖4是預置消泡層厚度對致密層表面形貌的影響.由圖可見，預置消泡層厚度為2 mm時，泡沫鋁表面的鋁熔體泡沫不完全，表面清晰可見已被壓扁均勻分布的鋁熔體胞;預置消泡層厚度為3 mm時，泡沫鋁表面的鋁熔體胞已基本消掉，只是在局部區(qū)域還有未消掉的鋁熔體胞;而預置消泡層厚度為4 mm時，泡沫鋁表面的鋁熔體泡完全消掉，表面形成平整光滑的致密層.

圖5是生產(chǎn)速度對致密層表面形貌的影響.由圖可見，網(wǎng)帶生產(chǎn)速度過慢，由于鋁熔體泡沫生成速度大于網(wǎng)帶運行速度，使泡沫鋁表面致密層表面形成褶皺;生產(chǎn)速度過快，則鋁熔體泡沫生成速度小于網(wǎng)帶運行速度，使致密層表面形成溝痕甚至會開裂.

圖5 生產(chǎn)速度對致密層表面形貌的影響

2.1.2 泡沫鋁表面致密層截面形貌

圖6是在網(wǎng)帶預熱溫度700℃時制備得到的30 mm厚的泡沫鋁板截面圖，由圖可見泡沫鋁芯部胞結構和直徑分布均勻，上表面形成了約0.3 mm厚度均勻的致密層.由于表面致密層是由表面的鋁熔體泡沫消掉后，冷卻凝結與內(nèi)部泡沫鋁形成一體，所以致密層與泡沫鋁芯不存在結合強度低，容易剝離的現(xiàn)象.圖7是實驗中制備得到的具有不同表面致密層厚度(0.3、0.4 和 0.5 mm)的泡沫鋁截面形貌.

圖6 具有致密層的泡沫鋁板截面形貌

圖7 具有不同表面致密層厚度的泡沫鋁截面形貌

2.2 致密層厚度的影響因素

圖8 網(wǎng)帶預熱溫度與致密層厚度的關系

2.2.1 網(wǎng)帶預熱溫度對致密層厚度的影響

隨著非洲豬瘟病毒影響范圍的不斷擴大，這一疾病在我國國內(nèi)也受到更多的關注，為避免這一病毒在我國進一步擴散，對豬的養(yǎng)殖以及其他普通消費者生命健康帶來的影響，針對這一疾病的流行方式、防控辦法以及帶來的風險進行研究非常有必要。結合現(xiàn)狀分析，我國大部分養(yǎng)殖人員對于非洲豬瘟已有初步的認識，但對于具體防控工作的展開，由于對這一疾病的作用方式、致死概率等的了解不深入，相關人員在防控工作展開中經(jīng)常會出現(xiàn)掉以輕心甚至敷衍了事的現(xiàn)象。一旦非洲豬瘟在我國養(yǎng)殖市場中的影響范圍不斷擴大，那么必然會對豬的養(yǎng)殖及販賣等帶來極大的打擊[1]。

圖8是在相同的氣流量、發(fā)泡溫度和預置消泡層厚度條件下不同厚度(20、30和40 mm)的泡沫鋁板致密層厚度與網(wǎng)帶預熱溫度的關系.由圖可見，當網(wǎng)帶預熱溫度由600℃增加到750℃時，三種泡沫鋁板的致密層厚度全部增大.因為隨著預熱溫度的升高，在相同的生產(chǎn)速度下經(jīng)過預熱網(wǎng)帶的泡沫鋁板材吸收的熱量增加，消掉的鋁熔體泡沫增加，致密層厚度增加.而且在相同的預熱溫度下，隨板材厚度的增加，致密層厚度也是逐漸增加，這是由于隨著板材厚度的增加，泡沫鋁板的生產(chǎn)速度降低，泡沫鋁板經(jīng)過預熱網(wǎng)帶的時間增長，消掉的鋁熔體泡沫增多，致密層厚度增加.

2.2.2 生產(chǎn)速度對致密層厚度的影響

圖9是在相同的發(fā)泡條件下制備泡沫鋁板時生產(chǎn)速度對致密層厚度的影響.由圖可見，隨著生產(chǎn)速度的增加，20、30和40 mm厚的泡沫鋁板致密層厚度均呈現(xiàn)下降的趨勢，分別由0.45 mm減小到 0.37 mm，由0.55 mm 減小到 0.47 mm 和由0.67 mm減小到0.58 mm.這是因為在相同的發(fā)泡溫度和氣流量下，從坩堝中產(chǎn)生的鋁熔體泡沫量是固定不變的，隨著生產(chǎn)速度的增加，泡沫鋁板經(jīng)過預熱網(wǎng)帶的時間縮短，單位面積上吸收的熱量減少，消掉的鋁熔體泡沫減少，形成的致密層厚度減小.

圖9 生產(chǎn)速度與致密層厚度的關系

2.2.3 預置消泡層厚度對致密層厚度的影響

泡沫鋁表面致密層的厚度可以利用式(1)計算

附表 致密層的計算厚度與測量厚度

附表是致密層的計算厚度與測量厚度的對比.通過附表可知，致密層厚度的測量值都大于計算值，這是因為鋁熔體泡沫在經(jīng)過預置消泡加熱輥以后要經(jīng)過預熱網(wǎng)帶，預熱網(wǎng)帶對泡沫鋁板表面繼續(xù)進行加熱，鋁熔體泡沫繼續(xù)消泡形成致密層，致密層厚度增加.

圖10是預置消泡層厚度與致密層厚度的關系.由圖可見，隨預置消泡層厚度由3 mm增加到7 mm，致密層測量厚度由0.40mm增加到0.65 mm，其增長規(guī)律與計算趨勢基本一致.

圖10 預置消泡層厚度與致密層厚度的關系

2.3 致密層對泡沫鋁力學性能的影響

2.3.1 致密層對泡沫鋁壓縮性能的影響

圖11是無致密層和致密層厚度為0.4 mm以及0.2 mm 的泡沫鋁板(密度分別為 0.18、0.22和0.24 g/cm3)應力—應變關系.由圖可見，有致密層和無致密層泡沫鋁的應力—應變曲線均分為三個階段，即線彈性區(qū)、屈服平臺區(qū)和致密區(qū)［10］.三種泡沫鋁板的屈服強度隨致密層厚度的增大而增大，其強度分別為 0.79、0.82 和 0.91 MPa.這是因為，表面致密層對受壓縮作用的泡沫鋁芯有穩(wěn)定作用，致密層厚度越大，其穩(wěn)定作用越明顯，其破碎強度越大.

圖11 致密層厚度不同的泡沫鋁板應力—應變關系

2.3.2 致密層對泡沫鋁彎曲性能的影響

圖12 不同致密層厚度的泡沫鋁板應力—撓度關系

圖12是致密層厚度為0.4和0.2 mm以及無致密層的泡沫鋁板(在相同的發(fā)泡條件下制備得到，密度分別為0.24、0.22 和 0.18 g/cm3)應力—撓度關系.由圖可見，隨致密層厚度的增加，泡沫鋁板的抗彎強度增大，分別為2.18、3.46 和 4.13 MPa.無致密層試樣的彎曲變化曲線分為兩個階段:線彈性區(qū)o～d和斷裂后撓度急劇下降區(qū)，d點抗彎強度的值為2.18 MPa.將有致密層與無致密層試樣比較，應力—撓度關系多了一個明顯的塑性變形區(qū)(與傳統(tǒng)泡沫鋁三明治彎曲變化過程一致［11］).在致密層厚度為 0.4 mm 泡沫鋁板的應力—撓度曲線中，o～a為彈性區(qū)間，a～c為塑性變形平臺區(qū).在塑性變形平臺區(qū)間內(nèi)，受壓部位的泡沫鋁胞發(fā)生塑性變形與斷裂，呈現(xiàn)出一個類似壓縮過程的吸能階段，c點抗彎強度值為4.13 MPa.

3 結論

(1)泡沫鋁經(jīng)過表面致密化之后，泡沫鋁板表面光滑平整;致密層厚度隨預置消泡層厚度的增加而增加，隨生產(chǎn)速度的增加而減小，隨預熱網(wǎng)帶溫度的升高而增加;

(2)泡沫鋁表面致密化的最佳工藝為:網(wǎng)帶為40目，預置消泡層厚度為4 mm，加熱輥和網(wǎng)帶預熱溫度為700℃，生產(chǎn)速度為140 mm/min，致密層厚度約為0.4 mm;

(3)致密層測量厚度大于計算厚度，這是由于鋁熔體泡沫經(jīng)過預置消泡后，預熱網(wǎng)帶對鋁熔體泡沫繼續(xù)加熱消泡所致;

(4)壓縮和彎曲強度都隨致密層厚度的增加而增加，同時致密層使泡沫鋁的彎曲變化過程增加了一個類似壓縮過程的塑性變形階段.

［1］許光鵬，張麗，伍薇.新型多功能材料泡沫鋁的結構性能及前景展望［J］.重慶科技學院學報，2006，8(2):51.

［2］JOHN BANHART，HEIKE STANZICK，LUKAS HELFEN，et al.Real-time X-ray Investigation of Aluminum Foam Sandwich Production［J］.Advanc Engrneering Materials，2001，6(3):407-410.

［3］王政紅，陳派明.發(fā)泡法制備泡沫鋁［J］.材料開發(fā)與應用，1998，13(3):31.

［4］吳照金，何德坪.泡沫鋁凝固過程中孔隙率的變化［J］.科學通報，2000，45(8):831.

［5］張敏，祖國胤，姚廣春，等.泡沫鋁夾心板的制備及其界面結合機理的研究［J］，功能材料，2006，31(2):281.

［6］于英華，楊春紅.泡沫鋁夾芯結構的研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向［J］.機械工程師，2006(3):43.

［7］梁曉軍，朱勇剛，陳鋒，等.泡沫鋁三明治結構的制備［J］.江蘇冶金，2002，32(1):7.

［8］CHEN C，HARTE A M，F(xiàn)LECK N A.The plastic collapse of sandwich beams with a metallic foam core［J］.International Journal of Mechanical Sciences，2001，43:1483-1505.

［9］陳天玉.不銹鋼表面處理技術［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2004:79.

［10］張明華，諶河水，趙恒義.泡沫鋁芯體夾層板壓縮力學性能的試驗研究［J］.輕金屬，2008，2:56-58.

［11］張敏，祖國胤，姚廣春.新型泡沫鋁三明治板的彎曲性能［J］.過程工程學報，2007，7(3):629-631.