基于粉末冶金方法的泡沫鋁制備

羅小雷 李喜德 鄒浩然 張綽

摘 要

泡沫鋁的制得是通過(guò)熔體發(fā)泡法實(shí)現(xiàn)的，選用發(fā)泡劑為TiH2粉，TiH2粉加熱分解氫氣的速率將直接影響到泡沫鋁的發(fā)泡過(guò)程。熔體發(fā)泡法制備泡沫鋁的關(guān)鍵之處在于如何降低高溫下TiH2粉的分解釋放氫氣的速度。

關(guān)鍵詞

粉末冶金;泡沫鋁;TiH2粉

中圖分類號(hào)： TF124 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.061

Abstract

This paper reports a melt foaming method to prepare foamed aluminum. The foaming agent is TiH2 powder，and the heating rate of TiH2 powder to decompose hydrogen will directly affect the foaming process of aluminum foam.The key of melt foaming method to produce aluminum foam is how to reduce the rate of hydrogen release from the decomposition of TiH2 powder at high temperature.

Key Words

Powder metallurgy;Aluminum foam;TiH2 powder

0 前言

泡沫鋁的基本特性就是：剛度好、能夠吸收較強(qiáng)的沖擊、密度不大、消聲好等，在隔音裝置得到廣泛應(yīng)用，同樣熱導(dǎo)率還比較低，在航空絕熱材料中應(yīng)用效果優(yōu)異。此外，其電磁屏蔽性能也比一般材料高，且電阻很大，使用時(shí)能減少耗電，有節(jié)能的優(yōu)勢(shì)，還有很強(qiáng)的過(guò)濾能力，原材料來(lái)源廣泛，加工過(guò)程簡(jiǎn)單易得，還可對(duì)表面進(jìn)行拋光和涂裝處理。

在20世紀(jì)的九十年代，泡沫鋁在全球開始有較快的發(fā)展態(tài)勢(shì)。泡沫鋁是通過(guò)不同的造孔工藝在鋁或者鋁合金基體的內(nèi)部形成大量的孔隙所形成的，主要是兩種：開孔、閉孔泡沫鋁。二者之中應(yīng)用廣泛的為閉孔泡沫鋁，其內(nèi)部的孔隙彼此之間時(shí)獨(dú)立的，互不連通，承載方式則是通過(guò)孔隙之間的孔壁，從而使閉孔泡沫鋁擁有了很多的優(yōu)點(diǎn)。如今，閉孔泡沫鋁可以通過(guò)多種不同的工藝生產(chǎn)，當(dāng)中，最具有發(fā)展?jié)撃?，同時(shí)也被人們大量推廣的就是溶體發(fā)泡法，其最大的優(yōu)勢(shì)便是制造成本不高，而且制造設(shè)備比較簡(jiǎn)單，所以其商業(yè)用途比較凸顯。在保溫發(fā)泡工序之前，鋁熔體要增加增粘功能的其他物質(zhì)來(lái)保持其有一定的黏度。目前金屬鈣經(jīng)常作為容易發(fā)泡法的增粘劑，理由是金屬鈣本身就是高親氧元素，能夠在增加攪拌的過(guò)程使得氧滲透，而快速地讓鋁熔體的外表被氧化，通過(guò)這樣，形成的氧化物可以讓鋁熔體更加增粘。熔體發(fā)泡法的工藝為：先是在鍋溶體中增加濃度為1.5%～2.0%的金屬鈣，保持溫度為720℃，而且對(duì)鋁熔體予以攪拌，而后把經(jīng)由攪拌之后的鋁熔體倒入發(fā)泡坩堝里。發(fā)泡在保溫的情況下，在增粘鋁熔體中加入黏度是1.0到1.6%的TiH2發(fā)泡劑，在全面攪拌的基礎(chǔ)上讓發(fā)泡劑均勻混合，發(fā)泡劑在分解之后，生成的氫氣讓鍋溶體在坩堝內(nèi)發(fā)泡膨脹，最后快速冷卻，形成了閉孔泡沫鋁。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

攪拌器、燒杯、量筒、井式爐（5kW）（興化市駿輝電熱電器廠）、溫控箱、熱電偶、鐵坩堝、攪拌棒、數(shù)字天平（深圳華恒儀器有限公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)原料

TiH2粉、碳粉、鋁塊。

1.3 熔體發(fā)泡法工藝原理

熔體發(fā)泡法的基本工藝原理是，鋁熔體在黏度有所增加之后，有經(jīng)由分解形成氫氣功能的發(fā)泡劑氫化鈦粉末滲透其中，同時(shí)經(jīng)由對(duì)其連續(xù)的攪拌，讓發(fā)泡劑在鋁熔體中均勻分散。再經(jīng)由一定的溫度加熱之后，發(fā)泡劑被分解，釋放出相關(guān)的氣體。

1.4 熔體發(fā)泡法工藝流程

（a）熔化過(guò)程：熔化溫度、時(shí)間;

（b）增粘過(guò)程：增粘劑的增加量、增粘溫度、增粘攪拌速率、時(shí)間;

（c）發(fā)泡劑混合過(guò)程：發(fā)泡劑增加量、時(shí)間、發(fā)泡溫度、攪拌速度;

（d）保溫發(fā)泡過(guò)程：保溫溫度、時(shí)間;

（e）冷卻成形過(guò)程：冷卻方式。

1.5 泡沫鋁制備

1.5.1 前期處理

（a）鋁塊的切塊處理

將事先準(zhǔn)備好的大塊鋁進(jìn)行切塊，大小以適合放入坩堝中為宜。然后用弱堿溶液清洗小鋁塊的表面的雜質(zhì)，清洗完畢后再用去脂水溶液清洗，作用是去脂[9]，為接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)做好準(zhǔn)備。

（b）加熱熔化過(guò)程注意事項(xiàng)

首先，鋁塊在加熱熔化過(guò)程中，若不進(jìn)行防護(hù)措施，它會(huì)與鐵坩堝發(fā)生粘連，在泡沫鋁制成冷卻后，將無(wú)法倒出，所以為了防止粘連，需要在鐵坩堝的內(nèi)表面涂抹一層碳酸鋇的懸浮液，在加熱過(guò)程中，碳酸鋇的分解產(chǎn)物會(huì)出現(xiàn)在鋁熔體與鐵坩堝內(nèi)表面之間，從而防止粘連。其次，鋁塊在空氣中加熱熔化，鋁熔體會(huì)和氧氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)并且生成氧化鋁，從而對(duì)接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)造成影響，所以為了防止鋁被氧化，在井式爐中需要加入碳酸鈣和木炭的混合物，在加熱過(guò)程中，木炭在沒(méi)有受到完全燃燒的情況下會(huì)生成一氧化碳?xì)怏w，而碳酸鈣加熱會(huì)分解產(chǎn)生二氧化碳，碳和二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)同樣生成一氧化碳?xì)怏w，從而保證鋁塊在加熱熔化過(guò)程中不會(huì)被氧化生成三氧化二鋁，保證接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程順利進(jìn)行。

1.5.2 熔化過(guò)程

先將井式爐加熱到650～700℃，并保持溫度不變，持續(xù)10分鐘，而后放入到安裝了鋁基體的坩堝放入井式爐里，15分鐘后熔化結(jié)束。

1.5.3 增粘過(guò)程

鋁基體熔化后，在坩堝中投入一定的金屬鈣，以其充當(dāng)增粘劑，以1000r/min恒速攪拌，30秒后結(jié)束增粘過(guò)程。

1.5.4 發(fā)泡劑混合過(guò)程

增粘過(guò)程結(jié)束后，往坩堝中增加了一定量的TiH2粉末充當(dāng)發(fā)泡劑，爐體溫度大約是從700～750℃，以1000r/min的轉(zhuǎn)速來(lái)攪拌，攪拌持續(xù)一定的時(shí)間后，發(fā)泡劑、熔體全面混合，不再攪拌，結(jié)束此過(guò)程。

1.5.5 保溫發(fā)泡過(guò)程

由于只有有限的實(shí)驗(yàn)裝置，保溫發(fā)泡過(guò)程依然在井式爐內(nèi)持續(xù)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，溫度控制在650～700℃之間。

1.5.6 冷卻成形過(guò)程

冷卻方式不同，泡沫鋁試件的孔結(jié)構(gòu)也會(huì)隨之不同[11]。最有效的冷卻手段是讓熔體內(nèi)外都得到冷卻凝固，讓氣泡在熔體內(nèi)均勻分布。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，因?yàn)榻o出的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和條件受限，沒(méi)有辦法保持內(nèi)外都冷卻。本文采用的冷卻方式為空冷。

2 結(jié)果與分析

2.1 TiH2用量的影響

發(fā)泡劑TiH2的用量對(duì)最后生成的泡沫鋁非常重要，是影響泡沫鋁孔隙率最主要的、決定性的因素，孔隙率的變化與發(fā)泡劑TiH2加入量的詳細(xì)關(guān)系可以參考圖1。一般來(lái)說(shuō)，在相同的情況下，發(fā)泡劑加入的量越少，泡沫鋁的孔隙率就越小。發(fā)泡劑的量越多，生成的氣體量大，這就意味著制成的泡沫鋁的孔隙越多越大，即孔隙率大。

最好的發(fā)泡劑用不單單能夠制作高孔隙率、孔結(jié)構(gòu)比較均勻的泡沫鋁試樣，而且也能夠讓發(fā)泡劑得到更大程度的利用率，泡沫鋁的生產(chǎn)成本降低。發(fā)泡劑不同加入量與制備的泡沫鋁試樣的孔隙率的關(guān)系曲線可以參考圖1。

觀察上面的圖形，得出規(guī)律，發(fā)泡劑增加則孔隙率也增加。然而，如果發(fā)泡劑的濃度大于3%后，則孔隙率會(huì)放慢增加的速度。理由在于發(fā)泡時(shí)，發(fā)泡劑是在氣泡的作用下的驅(qū)動(dòng)力。如果少量增加，也不可能有生成很多氣體。伴隨發(fā)泡劑的加入，熔體內(nèi)的氫氣會(huì)逐步地增加，導(dǎo)致氣泡得以長(zhǎng)大，因此試樣的孔隙率和孔徑等指標(biāo)都會(huì)有所增加[10]。在此次實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)加入量大于3%，孔隙率、孔徑的增加不會(huì)太快，理由是攪拌速度維持不變，加入過(guò)多的發(fā)泡劑其混合均勻程度明顯有所減少，同時(shí)在一定溫度的作用下，H2在鋁熔體中只能進(jìn)行有限的溶解，當(dāng)飽和后分散所形成的大量氣體便溢出熔體直接滲透到大氣中，進(jìn)而導(dǎo)致孔隙率和孔徑等指標(biāo)增長(zhǎng)不會(huì)太快，而且也讓發(fā)泡劑的利用率有所下降。所以，為得到實(shí)驗(yàn)期望的泡沫鋁試樣，并全面分析發(fā)泡劑的利用率，在此次實(shí)驗(yàn)條件下，筆者最終提出發(fā)泡劑的增加是3%，圖2就是在這種條件下生成的最終樣品。

2.2 發(fā)泡劑TiH2分解速率對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響

TiH2粉在加熱到400℃以后必然會(huì)分解并且釋放出氫氣，且不同的溫度對(duì)應(yīng)的分解速率也不同。要想得到理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，必須要得到適當(dāng)?shù)陌l(fā)泡劑分解速率。發(fā)泡劑的分解速率太快，還沒(méi)來(lái)得及進(jìn)行攪拌，氫氣就完全逸散出去，實(shí)現(xiàn)不了理想的實(shí)驗(yàn)效果。氧化后的發(fā)泡劑分解太慢，則隨著熔體的溫度下降到發(fā)泡劑的分解溫度以下，則發(fā)泡劑不分解，遺留在熔體中成為雜質(zhì)。此處筆者假定溫度是400℃，450℃，500℃，550℃，600℃五個(gè)溫度擋來(lái)探究TiH2的分解速率，每個(gè)溫度擋加熱20分鐘。經(jīng)過(guò)探究，發(fā)泡劑TiH2的分解可以通過(guò)下面的圖形進(jìn)行了解，經(jīng)由和表格中的數(shù)據(jù)予以對(duì)比，我們便得到結(jié)論，在500℃時(shí)TiH2對(duì)應(yīng)的分解速率比較合適。

2.3 保溫發(fā)泡時(shí)間的影響

保溫發(fā)泡過(guò)程中，發(fā)泡劑受熱分解形成氣體，并且在熔體的內(nèi)部形成氣泡，并長(zhǎng)大而且合并的比較重要的環(huán)節(jié)。在保溫發(fā)泡溫度已經(jīng)明確的情況下，保溫時(shí)間是最重要的決定性指標(biāo)。圖4是在不同保溫時(shí)間下得到的泡沫鋁試樣的孔隙率和孔徑，觀察該圖，當(dāng)保溫時(shí)間小于或者是大于三分鐘，試樣的孔隙率和孔徑均較小。當(dāng)保溫時(shí)間為3min時(shí)，試樣的孔隙率和孔徑都處于比較理想的狀態(tài)。出現(xiàn)這一問(wèn)題的根本原因就是當(dāng)保溫時(shí)間不長(zhǎng)的時(shí)候，熔體中的氣泡并沒(méi)有完全長(zhǎng)大，所以試樣的孔隙率和孔徑等指標(biāo)都不可能太大，但是經(jīng)由長(zhǎng)期的保溫后，發(fā)泡熔體會(huì)出現(xiàn)收縮，也就是熔體內(nèi)氣泡出現(xiàn)了坍塌，導(dǎo)致孔洞產(chǎn)生受到了阻礙，這時(shí)試樣的孔隙率和孔徑也會(huì)有所下降。所以，如要得到理想的泡沫鋁試樣必須對(duì)保溫溫度進(jìn)行嚴(yán)格的控制，在發(fā)泡熔體發(fā)生收縮之前要讓保溫發(fā)泡過(guò)程終止，所以氣體在鋁熔體中分布比較均勻。

3 結(jié)論

1）在發(fā)泡劑的加入量是1.0%～3.0%時(shí)，泡沫鋁的孔隙率伴隨發(fā)泡劑增加而增大，在發(fā)泡劑的加入量大約是3%時(shí)，泡沫鋁的各方面性能都很優(yōu)異。

2）熔體發(fā)泡獲得的工藝條件為：發(fā)泡溫度700～720℃、發(fā)泡劑TiH2的加入量3%左右、攪拌時(shí)間3～5min、攪拌速度1000～1500r/min、保溫時(shí)間3～4min。合適的增加攪拌時(shí)間，大大地提升了泡沫鋁的發(fā)泡效率。

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