基于熱壓成形無約束條件下泡沫鋁氣孔結(jié)構(gòu)的演變

王云龍 ，呂 猛 ，王 淼 ，王錄才

（1.太原科技大學(xué)華科學(xué)院，山西太原 030024；2.太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原 030024）

泡沫金屬是一種具有廣泛應(yīng)用前景和科學(xué)意義的新型材料，對其制備工藝、性能和應(yīng)用的研究已取得了較大的進展。但泡沫鋁要獲得大規(guī)模應(yīng)用和更好的發(fā)展，仍有很多問題需要解決，如工藝的簡化和穩(wěn)定性，孔結(jié)構(gòu)的精確控制；發(fā)泡過程的機理問題包括氣泡的形成，長大，破裂，氣泡的穩(wěn)定性；生產(chǎn)成本的降低；泡沫金屬性能的研究與數(shù)據(jù)積累等等[1-3]。制備工藝仍然是泡沫鋁發(fā)展的最基本的問題，PCM制備工藝具有很多優(yōu)勢且發(fā)展較快，是目前研究的主流方法之一[4-6]，因此本文以熱壓成形無約束條件下的PCM法發(fā)泡工藝作為主要的研究對象，并對泡沫鋁氣孔結(jié)構(gòu)的演變進行研究以為泡沫鋁的進一步發(fā)展和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 PCM法工藝過程

泡沫鋁的PCM法工藝主要包括：粉末原材料的準(zhǔn)備、金屬粉末與發(fā)泡劑粉末的混合、預(yù)制體的制備及加工、預(yù)制體的發(fā)泡和冷卻凝固等幾個重要環(huán)節(jié)。其中，根據(jù)預(yù)制體的制備的不同方式可以分為冷壓法、熱壓法和擠出法三種，其不同工藝如下[7]：

1）冷壓法：將混好的粉末放入冷壓模具中，在常溫下進行單向軸向壓實。

2）熱壓法：將混好的粉末放入模具中并軸向加壓，然后將粉末和模具在加壓狀態(tài)下加熱到一定溫度進行保溫保壓。

3）擠出法：先將混好的粉末放入冷壓模具中，在一定的壓力下冷壓成型，使試樣密度達(dá)到實體鋁密度的90%以上；接著，將冷壓后的粉末塊體放入熱壓模具并一起加熱到一定的溫度，再以一定的壓力將壓粉體擠壓成一定截面形狀的預(yù)制體。

本研究主要是采用熱壓法制備預(yù)制體并進行實驗。

2 實驗

2.1 預(yù)制品壓制

預(yù)制品采用單向軸壓熱壓法制備，需要的原材料為：鋁粉：80 g，粒度300目，發(fā)泡劑：TiH2加入量0.5%.將原材料混合，混合過程要求合金元素和發(fā)泡劑均勻分散，以保證得到孔結(jié)構(gòu)均勻的高質(zhì)量的泡沫材料。將鋁粉和發(fā)泡劑（TiH2）按所需比例配制好后，用機械或人工方法混合。理論上要求每一個發(fā)泡劑（TiH2）顆粒四周被鋁顆粒所包圍，使TiH2顆粒均勻彌散地分布在粉體之中[8]。將混合好的原諒在一定工藝參數(shù)下進行壓制，熱壓參數(shù)為：壓制壓力：160 MPa；保溫溫度：450℃；保壓時間：25 min.

預(yù)制品外形尺寸：50 mm×15 mm，如圖1所示。由預(yù)制品的外形圖可以看出，單向軸壓所獲得的預(yù)制品在壓制的邊緣有許多毛邊，在這些部位將會產(chǎn)生很大的應(yīng)力，當(dāng)預(yù)制品加熱至熔點以上溫度發(fā)泡時，發(fā)泡劑的分解逸出在預(yù)制品的邊緣部位將會受到應(yīng)力的影響。因此在加熱前，首先應(yīng)將預(yù)制品進行打磨，去除毛邊和尖角部位。

圖1 預(yù)制品外形照片

2.2 發(fā)泡工藝

發(fā)泡所采用的裝置如圖2所示，加熱方法為紅外加熱。預(yù)制體為自由發(fā)泡即試樣在無容器條件下發(fā)泡，考察相同試樣在自由發(fā)泡下，采用不同加熱速度（預(yù)設(shè)爐溫）時發(fā)泡過程及發(fā)泡的效果。在此過程中，試驗過程中采用熱電偶對爐溫和試樣溫度進行測量，并通過數(shù)據(jù)采集儀和計算機對溫度和時間進行記錄[9]，發(fā)泡工藝參數(shù)如表1.

3 實驗結(jié)果及分析

圖2 紅外線加熱爐

表1 熱壓法發(fā)泡工藝

3.1 爐溫為700℃時

1）試驗結(jié)果將制好的預(yù)制體試樣放入爐中，圖3為爐溫700℃，加熱12 min時所獲試樣的外形和斷面照片，孔隙率P0為45%.

圖 3預(yù)制品在700℃發(fā)泡的試樣外形和孔結(jié)構(gòu)

2）結(jié)果分析

預(yù)制品放入加熱爐后，前10 min內(nèi)試樣的體積膨脹都很小，可以觀察到少量氫氣逸出（有輕微的爆破聲）。繼續(xù)加熱，試樣體積膨脹也不會有很大的增加，體孔隙率P0基本在50%以下。這是由于爐溫為700℃時，加熱速度較慢，相同加熱時間內(nèi)試樣達(dá)到的溫度低。在試樣溫度沒有超過熔點以前，不能發(fā)泡，試樣不會有膨脹。試樣溫度超過熔點以后，時間短時，鋁熔體的黏度較大，流動性差，TiH2分解氫氣的壓力不足以克服長大所遇到的阻力形成大量小氣孔，膨脹很困難；隨著加熱時間延長，氫氣壓力會不斷增加，但熔體由于黏度大仍難以變形長大，當(dāng)氣泡壓力超過孔壁強度時，會在局部開裂，氫氣逸出，孔隙率將不再增加；繼續(xù)加熱后，氣泡合并而產(chǎn)生大的氣泡。

由于爐溫700℃時，加熱速度很慢，試樣不能獲得好的發(fā)泡效果，所以本試驗中未對此做更深入的研究。

3.2 爐溫為別為750℃、800℃、850℃時

1）實驗結(jié)果

當(dāng)爐溫分別為750℃、800℃、850℃時，進行加熱發(fā)泡，獲得的試樣升溫曲線如圖4.爐溫分別為750℃、800℃、850℃時試樣在不同時刻的發(fā)泡情如表2所示（實際直徑50 mm）.

圖4 不同爐溫下試樣自由發(fā)泡時的升溫曲線

2）結(jié)果分析

當(dāng)爐溫為750℃時：圖4 a）為泡沫鋁預(yù)制品在爐溫750℃下進行自由發(fā)泡的升溫曲線，表2第一行為不同加熱時間時試樣斷面的孔結(jié)構(gòu)和孔隙率P0.從試樣的升溫曲線和孔結(jié)構(gòu)變化可以看出，爐溫為750℃時，當(dāng)試樣溫度達(dá)到發(fā)泡劑分解溫度420℃后，試樣的加熱速度有所減緩；加熱時間達(dá)到380 s時，試樣到達(dá)熔點溫度660℃，開始熔化；熔化過程中，試樣的溫度將保持基本恒定。由表2可以看出，加熱時間至t1＝420 s時，試樣開始有發(fā)泡跡象，表明發(fā)泡劑已開始分解速，分解所產(chǎn)生的氣體在試樣內(nèi)部膨脹形成氣孔，此時孔隙率P0仍很小，只有46.0%；當(dāng)加熱時間至t2＝520 s時，發(fā)泡劑分解加劇，預(yù)制品的熔化程度繼續(xù)增加、黏度逐漸降低，氫氣的阻力減小，氣孔漸漸張大，體積的膨脹加速[10]，孔隙率由46.0%增至55.1%，孔近似球形，分布比較均勻；當(dāng)加熱時間到達(dá)t3＝620 s，鋁熔體由于重力的作用有明顯坍塌跡象，孔結(jié)構(gòu)惡化，孔隙率P0又有所減小。

表2 不同爐溫時試樣在不同時間的發(fā)泡情況

當(dāng)爐溫為800℃時：圖4 b）為泡沫鋁預(yù)制品在爐溫800℃下進行自由發(fā)泡的升溫曲線，表2第二行為不同加熱時間時試樣斷面的孔結(jié)構(gòu)和孔隙率P0.由圖4 b）升溫曲線可以看出，爐溫為800℃時，加熱時間為330 s時試樣的溫度就達(dá)到熔點，加熱速度較爐溫750℃時提高。由表2可以看出，加熱時間到達(dá)t1＝380 s時，就有明顯的發(fā)泡跡象；當(dāng)加熱時間到達(dá)t2＝480 s時，體積膨脹達(dá)到最大值，而密度最小，孔隙率P0達(dá)到最大值60.5%，孔近似球形，分布比較均勻；加熱時間進一步增加到t3＝580 s時，試樣的體積開始下降，孔結(jié)構(gòu)惡化，孔隙率也將減小。

當(dāng)爐溫為850℃時：圖4 c）為泡沫鋁預(yù)制品在爐溫850℃下進行自由發(fā)泡的升溫曲線，表2第三行為不同加熱時間時試樣斷面的孔結(jié)構(gòu)和孔隙率P0.由圖4c）升溫曲線可以看出，當(dāng)爐溫為850℃時，試樣達(dá)到鋁熔點溫度僅需280 s的時間，試樣加熱速度最大。由表2可以看出，當(dāng)試樣加熱時間達(dá)到t2＝420 s時，試樣的體積和孔隙率P0達(dá)到最大值64.2%，孔近似球形，分布比較均勻。隨著加熱時間的進一步延長，孔結(jié)構(gòu)惡化，試樣的體積和孔隙率將會減小。

4 結(jié)論

在熱壓成形無約束條件下，不同爐溫溫度對泡沫鋁的發(fā)泡有著重要影響：

1）當(dāng)爐溫700℃時，試樣不能獲得好的發(fā)泡效果，當(dāng)爐溫為750℃、800℃、850℃時，均能得到良好的發(fā)泡效果，其能達(dá)到的最大孔隙率分別為：55.1% 、60.5%、64.2%.

2）爐溫越高，解熱速度越快，試樣達(dá)到熔點需要的時間越短；加熱速度達(dá)到一定值時試樣才可以發(fā)泡。

3）泡沫鋁試樣孔結(jié)構(gòu)的演變?yōu)椋涸谝欢t溫下，隨著加熱時間的推移，達(dá)到發(fā)泡劑的分解溫度，泡沫鋁開始發(fā)泡；繼續(xù)加熱，氣孔漸漸張大，體積的膨脹加速，孔隙率也逐漸增大，孔結(jié)構(gòu)變好；達(dá)到最大值后，繼續(xù)加熱，鋁熔體由于重力的作用有明顯坍塌跡象，孔結(jié)構(gòu)惡化，孔隙率隨之減小。

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