滲流法制備泡沫鋁金屬材料的工藝參數(shù)研究

何偉鋒 陳海彬 陳勇志

(東莞理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，廣東東莞 523808)

在傳統(tǒng)材料中，孔洞通常被認(rèn)為是結(jié)構(gòu)上的一種缺陷。這是由于孔洞經(jīng)常是裂紋形成和向外擴(kuò)展的中心，對(duì)材料的化學(xué)、物理性能及力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。然而，當(dāng)材料中的孔洞數(shù)目增加到一定程度并且有規(guī)律的排列時(shí)，就會(huì)因?yàn)檫@些孔洞的存在而具有某些特殊的性能，這就是所謂的泡沫或多孔材料［1］。其中最為典型的代表就是泡沫鋁金屬材料，它是金屬鋁基體中類似分布著無數(shù)氣孔的泡沫狀金屬材料，一般孔隙率為38%～98%。泡沫鋁是一種具有大量孔洞結(jié)構(gòu)的新型多功能材料，它不僅具備多孔材料所具備的輕質(zhì)特點(diǎn)，還具備優(yōu)良的力學(xué)性能和電、熱等物理性能，如滲透、阻尼、能量吸收、電磁屏蔽、保溫、耐火阻燃、吸音隔音、比表面積大等多種特殊性能［2］，應(yīng)用涉及航天航空、軍工、能源、電子、運(yùn)輸、環(huán)保、化工、機(jī)械和生物等領(lǐng)域。

1 實(shí)驗(yàn)的基本原理

本文采用滲流鑄造法制備泡沫鋁金屬，著重探討了可溶性填料粒子尺寸及其模具的預(yù)熱溫度、鋁液的澆注溫度、真空度等工藝參數(shù)對(duì)滲流深度的影響規(guī)律。其工藝流程是將可溶性填料粒子 (如粗食鹽)堆積于鑄型模具中，壓制成坯，經(jīng)預(yù)熱后澆注液態(tài)金屬，然后將填料粒子去除，制備出孔洞相連的通孔泡沫結(jié)構(gòu)材料，同時(shí)要求這些填料粒子必須耐高溫，并且能夠在溶液中溶解［3］。

根據(jù)泡沫鋁孔結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)條件的不同，可采取真空吸鑄、固體壓頭或氣壓的方法讓所澆注的液態(tài)金屬滲透于可溶性填料粒子。同時(shí)，可溶性填料粒子采用的食鹽粒子，其來源廣泛、價(jià)格低廉、在水中可溶，不與鋁液產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，是滲流鑄造法制備泡沫鋁的理想填充材料。本文在實(shí)驗(yàn)中采取真空吸鑄的方法，將液態(tài)金屬鋁澆入裝有可溶性填料粒子 (粗食鹽)的模具中，在一定的真空壓力作用下使液體金屬滲入填料粒子中而得到金屬－填料復(fù)合體，待凝固冷卻后清理出填料粒子便可獲得開孔連通的泡沫鋁金屬材料［4］，其滲流鑄造工藝流程如圖1所示。

圖1 滲流鑄造法制備泡沫鋁工藝流程

經(jīng)過仔細(xì)分析和多種方案比較，設(shè)計(jì)確定了如圖2所示的澆注模具。其特點(diǎn)如下:模具四周模板設(shè)計(jì)成椎體，方便脫模;模具外壁四周各安裝一塊加熱板，以保證模具和填料粒子的一體預(yù)熱及保溫;在距離模具底面50 mm處放置一塊鐵網(wǎng)，用于盛放填料粒子，其孔徑又能防止食鹽粒子通過，同時(shí)抽真空時(shí)能方便氣體流動(dòng);模具頂部安裝一塊頂蓋，抽真空時(shí)鎖上;模具其中一個(gè)側(cè)面有個(gè)與外聯(lián)通的孔管，用于澆注時(shí)抽真空。

圖2 滲流鑄造原理圖及實(shí)驗(yàn)用真空吸鑄模具

2 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)原料為:ALSi 12鋁錠，粗食鹽 (10目)等。實(shí)驗(yàn)設(shè)備為自制真空吸鑄模具一套、抽真空機(jī)組、SG3－12－13型熱電爐、冷卻設(shè)備。

首先對(duì)食鹽粒子進(jìn)行篩分和預(yù)處理。將食鹽粒子加熱到600℃后不斷的攪拌，使其受熱均勻，保溫0.6 h去除其水分，以免澆注時(shí)產(chǎn)生爆裂現(xiàn)象，并且可以減少鋁液滲入鹽粒后的熱量損失，保持其流動(dòng)性。把鋁錠裝入石墨坩堝內(nèi)一起放入熱電爐，加熱溫度調(diào)到700～740℃將鋁錠熔化。接著把預(yù)處理后的粗食鹽裝入模具內(nèi)，兩者再進(jìn)行預(yù)熱處理，把溫度調(diào)到380～500℃之間。當(dāng)鋁錠熔化后，將鋁液倒進(jìn)模具內(nèi)，鎖上模具頂蓋，抽真空機(jī)組開始抽取模具內(nèi)的空氣，迫使金屬液進(jìn)入粒子空隙中去。待鋁液凝固后，取出用水溶法將粗食鹽去除即可得到泡沫鋁。

3 結(jié)果與分析

3.1 滲流鑄造法實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

選取兩種不同的模具預(yù)熱溫度和鋁液澆注溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測量實(shí)驗(yàn)后鋁液的滲流深度，安排兩組實(shí)驗(yàn)，獲得相應(yīng)的兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，改變模具預(yù)熱溫度和鋁液澆注溫度兩個(gè)工藝因素對(duì)滲流深度的影響如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)方案與結(jié)果

兩組實(shí)驗(yàn)制備的泡沫鋁樣件如圖3所示。

從表1中看出，影響到泡沫鋁滲流深度及孔均勻性的主要工藝參數(shù)有粒子尺寸及其與模具的預(yù)熱溫度、鋁液的澆注溫度和真空度。而觀察實(shí)驗(yàn)中成形的泡沫鋁 (如圖3所示)，可見圖3(a)成品所滲流深度較小，靠近模具周邊的滲流深度比中間部分的滲流深度要大，而且泡沫鋁上表面的孔結(jié)構(gòu)不均勻，有較大體積的孔洞。圖3(b)成品的滲流深度比圖3(a)的稍大，各處的滲流深度基本一致，上表面孔結(jié)構(gòu)較均勻。

圖3 不同工藝參數(shù)制備的泡沫鋁樣品

3.2 不同參數(shù)對(duì)滲流鑄造法制備泡沫鋁的影響

本文作者對(duì)成形后的樣件進(jìn)行研究分析，討論以上三個(gè)參數(shù)對(duì)滲流鑄造法制備泡沫鋁的影響。

3.2.1 填料粒子尺寸及其與模具的預(yù)熱溫度

填料粒子越小，鋁液在滲流時(shí)與填料粒子的熱交換總面積就越大，同時(shí)會(huì)加大整體的熱量損失和溫度降低的速度，加之填料粒子間的空隙越小，鋁液在滲流通道中的流動(dòng)阻力會(huì)增大，流動(dòng)速度會(huì)降低，導(dǎo)致滲流十分困難。在相同的澆注溫度和預(yù)熱溫度下，填料粒子尺寸越大，鋁液的滲流長度越大。其原因在于填料粒子尺寸越大，填料粒子間的空隙就會(huì)加大，減小鋁液在滲流通道上的流動(dòng)阻力，加快其流動(dòng)速率，從而容易導(dǎo)致模具內(nèi)的底部有大量鋁液的滲漏。因此，在相同的鋁液澆注溫度、填料粒子尺寸及其與模具的預(yù)熱溫度和滲流壓力下，泡沫鋁金屬材料的滲流長度隨著填料粒子尺寸的增大而明顯增長。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，填料粒子尺寸為10～12目為宜。

預(yù)熱溫度的升高可明顯降低滲透過程中鋁液與粒子的熱交換所造成的熱損耗數(shù)值，所形成包覆性填料粒子的凝固殼層厚度減小，從而保證了鋁液流道不堵塞，鋁液具有良好的流動(dòng)性能，使得滲透深度加大。但預(yù)熱溫度過高會(huì)導(dǎo)致鋁液在鐵網(wǎng)底部滲漏;預(yù)熱溫度過低時(shí)，鋁液與填料粒子接觸后會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱交換現(xiàn)象，使包覆在填料粒子四周的鋁液快速形成凝固殼，并不斷增厚，阻斷了鋁液流道，從而封閉了填料粒子間隙中未凝固的鋁液，形成不連續(xù)體，最終滲透不進(jìn)去而導(dǎo)致充型失敗。為了保證真空吸鑄法滲流鑄造工藝的成功，在保證鋁液澆注時(shí)不產(chǎn)生飛濺的前提下，應(yīng)盡可能提高填料粒子的預(yù)熱溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，預(yù)熱溫度在480～500℃ 之間為宜。

3.2.2 鋁液澆注溫度

一般來說，鋁液澆注時(shí)溫度的升高是有利于滲流鑄造。鋁液在與填料粒子進(jìn)行熱交換過程中，在過熱消失前可一直向填料粒子層滲透［4］。通過提高鋁液的澆注溫度，可使其流動(dòng)性增大，滲流深度增加，有利于充型。但澆注溫度過高會(huì)使泡沫鋁有效長度縮小，這是因?yàn)楦邷厥固盍狭Ｗ訜Y(jié)熔合成一體，鋁液完全將填料粒子變?yōu)閱为?dú)的個(gè)體，使泡沫孔結(jié)構(gòu)不連通，孔隙率低。另外也容易導(dǎo)致成形模具內(nèi)的底部有鋁液滲漏;鋁液澆注溫度溫度太低，澆注時(shí)容易凝固，滲透深度降低，易產(chǎn)生滲流深度不均勻現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鋁液澆注溫度在700～750℃之間為宜。

3.2.3 真空度

要使鋁液滲流深度加大，不能單靠鋁液自身的靜壓或者很小的外壓滲入填料粒子層，而需要對(duì)模具進(jìn)行抽真空，這是為了使鋁液形成一個(gè)向下滲透的壓力，使其能成功的滲入填料粒子層。真空度主要影響鋁液的滲流速度。真空度太小，滲流前端的鋁液受到填料粒子的冷卻作用快速凝固，減少了滲流深度;真空度太大，則使填料粒子被局部壓實(shí)或破碎，反而堵塞了滲流通道或泡沫鋁成形件局部出現(xiàn)破碎粒子與金屬的混合體，致使?jié)B流效果變差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，真空度在－0.04～0.06 MPa區(qū)間內(nèi)為宜。

4 結(jié)語

1)用滲流鑄造法和以粗食鹽作為填料可成功地制得通孔泡沫鋁。

2)滲流鑄造法制備的泡沫鋁滲流深度及通孔均勻性主要受到填料粒子尺寸及其與模具的預(yù)熱溫度、鋁液澆注溫度和真空度三個(gè)工藝參數(shù)的影響，其中填料粒子與模具的預(yù)熱溫度和填料粒子尺寸對(duì)鋁液滲流深度影響較為明顯。隨著預(yù)熱溫度和填料粒子尺寸的增大，鋁液滲流深度顯著增加。同時(shí)要求實(shí)驗(yàn)裝備具備良好的密封性，以達(dá)到更高的真空度。

3)實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的真空吸鑄模具較小、鹽層不高，故成形的通孔泡沫鋁尺寸小，滲流深度較淺。滲流鑄造法可以通過改變填料粒子的大小來控制孔徑大小，成形后的鑄件用水將其內(nèi)部的填料溶解去除，即可得到通孔的泡沫鋁，缺點(diǎn)是泡沫鋁制品中的最大孔隙率不超過85%。

4)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，真空吸鑄滲流鑄造法制備泡沫鋁的工藝參數(shù)是:填料粒子尺寸為10～12目，粒子及模具預(yù)熱溫度480～500℃，鋁液澆注溫度700～750℃，真空度－0.04～0.06 MPa。

［1］張斌，左孝青，張帆．泡沫鋁的制備技術(shù)［J］．有色金屬加工，2008，37(6):22．

［2］趙萬祥，趙乃勤，郭新權(quán)．新型功能材料泡沫鋁的研究進(jìn)展［J］．金屬熱處理，2004，29(6):7－11．

［3］周永欣，趙西城，呂振林，等．泡沫鋁功能材料的研究發(fā)展動(dòng)態(tài)［J］．中國材料科技與設(shè)備，2006(6):9－11．

［4］Rabiei A．O’Neill A T［J］．Materials Science and Engineering A，2005，404:159．

［5］楊思一，張勇，邢自聰．泡沫鋁合金制備工藝研究［J］．材料科學(xué)與工藝，1997，5(2):96－100．