壓下率對(duì)泡沫鋁夾層板制備的影響

宋濱娜，祖國(guó)胤，姚廣春，羅洪杰，仲照陽(yáng)

(東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽(yáng) 110819)

壓下率對(duì)泡沫鋁夾層板制備的影響

宋濱娜，祖國(guó)胤，姚廣春，羅洪杰，仲照陽(yáng)

(東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽(yáng) 110819)

以空氣霧化的AlSi 12合金粉和TiH2粉末為原料，采用粉末包套軋制法成功制備出泡沫鋁夾層板.通過(guò)對(duì)包套軋制進(jìn)行了理論分析，結(jié)合SAYN－CG90數(shù)碼相機(jī)、掃描電鏡 (SEM)和顯微硬度儀等檢測(cè)方法，系統(tǒng)研究了不同壓下率對(duì)制備預(yù)制體的致密度和界面結(jié)合，以及泡沫鋁夾層板泡孔結(jié)構(gòu)的影響.結(jié)果表明:當(dāng)壓下率為70%的時(shí)候，可以獲得表面平直、完整，粉體均勻、致密的預(yù)制坯，并且實(shí)現(xiàn)面板與芯層的有效結(jié)合，最終獲得泡孔結(jié)構(gòu)完整和均勻的泡沫鋁三明治板.

包套軋制;發(fā)泡預(yù)制坯;致密度;壓下率;界面

泡沫鋁夾層板具有質(zhì)量輕、吸能效率高、比剛度較高等特點(diǎn)，在充分發(fā)揮泡沫材料自身特點(diǎn)的同時(shí)解決了強(qiáng)度低的問(wèn)題，因此在飛機(jī)制造、土木工程、機(jī)械工程、電力等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1～3］.根據(jù)面板與泡沫金屬連接方式的不同主要分為膠黏法和冶金法制備泡沫鋁夾層板［4］，由于膠黏工藝本質(zhì)上屬于一種物理連接，容易受到環(huán)境影響，因此在環(huán)境和剛度要求高的地方多不采用此方法制備的夾層板［5］.在冶金法制備泡沫鋁夾層板的工藝中，包覆軋制是一種常用的工藝路線，但復(fù)雜的工藝過(guò)程是此方法的不利因素［6］;近年來(lái)由張敏等［7］提出的粉末復(fù)合軋制法雖然簡(jiǎn)化了制備工藝流程，但是在預(yù)制坯軋制過(guò)程中粉末存在一定量的流失，成材率不理想，板材的厚度精度有待提高.為了解決以上問(wèn)題，本課題組在粉末復(fù)合軋制技術(shù)的基礎(chǔ)上改進(jìn)了工藝，采用包套軋制工藝制備出可發(fā)泡預(yù)制坯，顯著提高了預(yù)制坯質(zhì)量.

目前對(duì)包套軋制工藝制備泡沫鋁夾層板的參數(shù)研究還沒(méi)有報(bào)道，本文研究了不同軋制工藝對(duì)可發(fā)泡預(yù)制體的致密度，界面結(jié)合情況和發(fā)泡后形貌的影響，并通過(guò)比較實(shí)驗(yàn)來(lái)嘗試確定最佳的軋制工藝參數(shù).

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)所使用的基體材料是空氣霧化法制備的AlSi12合金粉末，發(fā)泡劑TiH2粉末，具體參數(shù)見(jiàn)表1.包套材料選擇長(zhǎng)為130 mm，壁厚為3 mm的AA1060異形管材.

表1 實(shí)驗(yàn)所采用的原料特性Table 1 Detailed characteristic of materials

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本研究采用的包套軋制－粉末冶金發(fā)泡工藝的流程見(jiàn)圖1，具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)［8］.

圖1 泡沫鋁夾層板制備工藝流程Fig.1 Process steps of aluminum foam sandwiches

為了研究包套軋制工藝對(duì)泡沫鋁夾層板制備的影響，試驗(yàn)設(shè)計(jì)軋制壓下率分別為50%、60%、70%、80%，在φ500 mm兩輥軋機(jī)上室溫下進(jìn)行軋制，道次為1，軋制速度為0.1 m/s;在前期的試驗(yàn)基礎(chǔ)上，試驗(yàn)選用優(yōu)化的發(fā)泡工藝，發(fā)泡工藝為:將預(yù)制坯放入6 kW的電爐中發(fā)泡，溫度為700℃，發(fā)泡時(shí)間是0.5～3 min.

1.3 檢測(cè)方法

使用線切割機(jī)將獲得的發(fā)泡預(yù)制坯沿軋制方向切割取樣;采用SSX－550掃描電鏡分析預(yù)制坯面板與芯層界面處的結(jié)合情況，在FM－700型顯微硬度儀上測(cè)定預(yù)制坯斷面的顯微硬度;采用SAYN－CG90數(shù)碼相機(jī)拍攝泡沫鋁夾層板的宏觀照片和發(fā)泡后的泡孔結(jié)構(gòu).

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 包套粉末軋制的理論分析

圖2為包套粉末軋制過(guò)程的示意圖.粉末軋制過(guò)程中，依據(jù)粉末所處的狀態(tài)不同，將軋制變形區(qū)分為兩個(gè)區(qū)域:Ⅰ區(qū)為粉末滑移區(qū)，在該區(qū)域中粉末在軋輥的作用下發(fā)生部分的拉伸壓縮變形，粉末間的氣體被排出，致密度提高，在摩擦力的作用下被咬入輥縫間;Ⅱ區(qū)是壓實(shí)區(qū)，由于軋輥在應(yīng)力變形后對(duì)粉末產(chǎn)生巨大的壓應(yīng)力作用，使粉末在此區(qū)域內(nèi)發(fā)生明顯的塑性變形，由松散狀態(tài)變?yōu)榫哂幸欢◤?qiáng)度的板材，其中α為咬入角，h為軋制后板材厚度，H為軋前厚度，D為軋輥的直徑［9～10］.

圖2 粉末軋制變形區(qū)的劃分Fig.2 Division of rolling deformation zoneⅠ—粉末滑移區(qū);Ⅱ—壓實(shí)區(qū)

進(jìn)一步對(duì)軋輥前后進(jìn)行分析，可以得到軋壓后，板材厚度h與其他因素的關(guān)系.由圖2可以知道:

在金屬粉末性質(zhì)和軋制條件一定的前提下，由軋制前后質(zhì)量相等原理，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)H截面進(jìn)入變形區(qū)的粉末質(zhì)量應(yīng)等于單位時(shí)間內(nèi)軋出的帶坯的質(zhì)量，可得下式:

式中:B為軋前寬度;b為軋后寬度;H為軋前厚度;h為軋后厚度;ρ1為軋制前粉末的松裝密度;ρ2為軋制后帶坯的密度;ν1為板材的進(jìn)料速度;ν2為板材的軋出速度.

考慮本實(shí)驗(yàn)的實(shí)際情況，軋制的進(jìn)出口速度很難直接測(cè)得，因此采用選用軋制前后的板材前后長(zhǎng)度變化衡量更為直接.

由公式(5)可知，軋后粉末的密度與粉末初始密度ρ2和K1·K2有關(guān).實(shí)驗(yàn)中包套材料的體積一定，保證初裝粉末的質(zhì)量一定，即可認(rèn)為粉末的初始密度恒定;在軋制過(guò)程中，K1·K2由軋制參數(shù)所決定，保證軋機(jī)其他參數(shù)不變，K1·K2的變化可以由壓下率衡量，因此軋制后粉末的密度主要與壓下率有關(guān).

2.2 預(yù)制坯表面狀況及致密度分析

為了考察不同壓下率下制備的預(yù)制坯情況，表2列出不同壓下率下軋制后的板型狀況.當(dāng)壓下率為50%～70%時(shí)面板比較平直，而當(dāng)壓下率達(dá)到80%的時(shí)候，由于壓下率過(guò)大面板表面容易出現(xiàn)沿板材縱向的裂紋.

表2 不同壓下率下板型情況Table 2 Plate profile under different reduction rates

粉末塑性加工的最大特點(diǎn)是通過(guò)塑性變形使粉末材料獲得較高致密度［11］，而粉末的致密度決定發(fā)泡的效果，因此可以借助考慮芯層粉體的顯微硬度來(lái)反映粉體的致密情況.

圖3為預(yù)制坯芯層橫斷面硬度測(cè)定點(diǎn)示意圖.在芯層斷面選取3條平行的測(cè)試點(diǎn).圖4顯示了不同壓下率下斷面的平均顯微硬度分布.其中圖4橫坐標(biāo)中“0”的位置為預(yù)制坯橫斷面中心，即圖3芯層斷面的中心位置.圖4為包套軋制在不同軋制壓下率下得到的預(yù)制坯橫斷面顯微硬度分布，從圖中可以看出顯微硬度值隨著壓下率的增加而升高.當(dāng)壓下率為50%時(shí)，芯層和邊部的顯微硬度差別較大，粉體整體的致密度不均勻，中心處明顯高于靠近面板兩端處;當(dāng)壓下率為60%時(shí)，隨著顯微硬度值的升高，致密度增加且整體的均勻性也有明顯的提高;當(dāng)壓下率在70% ～80%時(shí)，顯微硬度曲線基本在同一水平線上，粉體整體致密度相對(duì)均勻.當(dāng)壓下率超過(guò)70%時(shí)，隨著壓下率的增加，粉末的顯微硬度不再有明顯的提高，這是由于當(dāng)粉末的致密度達(dá)到一定，隨著壓下量的增加，粉末密度增加緩慢.

2.3 預(yù)制體界面結(jié)合狀態(tài)顯微分析

圖5為不同壓下率下預(yù)制坯與粉體界面處的顯微組織形態(tài).當(dāng)壓下率為50% ～60%時(shí)，圖5(a)和(b)可以明顯看出顆粒間有一定的孔隙，粉末與鋁板結(jié)合界面處有縫隙，這是由于顆粒與顆粒間有一定的縫隙，粉末的流動(dòng)性較好，在粉末體內(nèi)粉末顆粒之間含有一定氣體，軋制力過(guò)小，氣體沒(méi)有完全被排擠出來(lái)，因此形成缺陷.當(dāng)壓下率達(dá)到70%以上，圖5(c)和(d)可以看出界面平直整齊，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的裂紋或縫隙，表明鋁面板與粉體結(jié)合緊密.

2.4 泡沫鋁夾層板的形貌及分析

為了考慮不同壓下率下得到的預(yù)制坯對(duì)泡沫鋁夾層板發(fā)泡效果的影響，在優(yōu)化工藝下進(jìn)行了發(fā)泡實(shí)驗(yàn).圖6為不同壓下率制備的泡沫鋁夾層板的實(shí)物形貌.圖6(a)和(b)看出，夾層板的芯層沒(méi)有形成泡沫結(jié)構(gòu)，面板與芯層出現(xiàn)了脫離，甚至面板邊緣出現(xiàn)了“鼓包”如圖(a)，結(jié)合圖3和圖4分析可知，當(dāng)壓下率為50%和60%的時(shí)候，粉末的致密度不高，粉體與芯層結(jié)合不緊密，在發(fā)泡的過(guò)程中，芯體來(lái)不及發(fā)泡，氣體過(guò)早從縫隙中溢出，因此芯層未形成泡孔.當(dāng)壓下率為70%和80%的時(shí)候，由于粉體致密度提高，界面結(jié)合緊密，因此可以制備出泡孔均勻的泡沫鋁夾層板，如圖6(c)和(d).

3 結(jié)論

根據(jù)包套軋制的理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得以下結(jié)論:

(1)當(dāng)粉末初始密度一定時(shí)，粉體的致密度只與壓下率有關(guān)，隨著壓下率的升高，粉體的致密度逐漸增加，且整體均勻性保持一致.

(2)當(dāng)軋制壓下率為70%時(shí)，面板平直完整，粉體整體致密度均勻，通過(guò)結(jié)合形貌分析可知界面與芯層連接緊密.

(3)當(dāng)軋制壓下率為70%時(shí)，可以制備出泡孔均勻，面板平整的泡沫鋁夾層板.

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Effects of reduction rate on manufacture of aluminum foam sandwiches

SONG Bin-na，ZU Guo-yin，YAO Guang-chun，LUO Hong-jie，ZHONG Zhao-yang

(School of Materials＆Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，China)

Aluminum foam sandwiches were successfully prepared by the pack－rolling method with commercial AlSi12 alloy and TiH2powders as raw materials.The effects of reduction rates on macro － morphology of the precursors，interfacial bonding and the foam structure were systematically investigated by the theoretical analysis of pack－rolling and testing by using a SAYN －CG90 digital camera，scanning electronic microscopy(SEM)and micro hardness tester.The results show that when the reduction rate was 70%，the foamable sandwich with complete and uniform density of perform may be obtained and the effective bonding between the panel and core could be realized;ultimately complete and uniform pore structure of aluminum foam sandwich panels could be attained.

pack－rolling;foamable sandwich;density;reduction rate;interface

TG 146.21

A

1671-6620(2011)03-0198-05

2011-07-11.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (編號(hào):50704012)，沈陽(yáng)市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目 (F10－205－1－59).

宋濱娜 (1982—)，女，遼寧鞍山人，東北大學(xué)博士研究生，E－mail:xiaona218@yahoo.cn;姚廣春 (1947—)，男，遼寧沈陽(yáng)人，東北大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.