CN106735248A - 一种泡沫铝夹层板的真空发泡制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种泡沫铝夹层板的真空发泡制备方法，将芯部铝合金(材料A)在T1温度熔化保温、增粘，加入经预处理的发泡剂TiH2进行搅拌分散微发泡，获得含初始气孔的铝合金熔体，将发泡模具预热至T1温度，铝或铝合金板(材料B)预热至T2温度，通过材料A及材料B化学成分的调控，使T1‑T2＝10～20℃，将预热好的铝或铝合金板(材料B)垫入模具底部，并将含初始气孔的铝合金熔体(材料A)倒入模具中，随后在熔体表面盖一块预热好的铝或铝合金板(材料B)，最后盖上模具上盖板，进行真空发泡，发泡结束并冷却后，获得表面实体层与泡沫铝芯为冶金结合的泡沫铝夹层板，夹层板表面实体层厚度通过面板厚度进行控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种泡沫铝夹层板的真空发泡制备方法，更具体的涉及一种表面实体层与泡沫铝芯之间为冶金结合、表面实体层厚度可变的泡沫铝夹层板制备方法，属于多孔金属材料领域。
背景技术
泡沫铝夹层板是一种表面为铝或铝合金实体层，芯部为泡沫铝的夹层结构，与单纯的泡沫铝相比，具有更高的比强度和能量吸收能力，在建筑、机动车、飞机、船舶、装饰等领域有广泛的应用前景。
目前，泡沫铝夹层板的主流制备方法是粘结法及粉末冶金发泡法。粘结法采用有机胶将泡沫铝及铝(或铝合金)面板粘结在一起，获得泡沫铝夹层板；粉末冶金发泡法则是首先通过粉末冶金途径(混粉、压力加工)，获得可发泡先驱体，然后将可发泡先驱体与铝(或铝合金)面板进行复合轧制，最后通过加热发泡获得泡沫铝夹层板。粘结法的不足之处是面板与泡沫芯的结合强度低，且使用温度一般不超过200℃；粉末冶金发泡法虽然可得到面板与泡沫芯为冶金结合的高强度泡沫铝夹层板，但受粉末冶金方法本身的限制，在制品成本、产量及尺寸上存在明显的不足。
为获得面板与泡沫芯为冶金结合且表面实体层厚度可变的高强度夹层板，本专利提出了一种泡沫铝夹层板真空发泡制备方法，从熔体途径出发获得内含初始气孔的可发泡熔体，结合发泡剂TiH2的预处理、包覆铝或铝合金板及真空发泡等过程，可在添加少量发泡剂的情况下制备面板与泡沫芯之间为冶金结合、且表面实体层厚度可变的泡沫铝夹层板，由于真空发泡所用的发泡剂数量较少，一方面可降低熔体发泡的工艺成本，另一方面可提高发泡剂的分散性而对泡沫铝的孔结构均匀性产生有益的影响，克服了粉末冶金发泡法在制品成本、产量及尺寸上的不足，克服了粘结法泡沫铝夹层板在板-芯结合强度上的不足。
发明内容
本发明提供一种泡沫铝夹层板的真空发泡制备方法，具体步骤包括：
(1)芯部铝合金熔化保温：将芯部铝合金(材料A)置于高于其液相线温度20～30℃的温度T1下熔化，保温30～60分钟；
(2)芯部铝合金熔体增粘：按照钙的添加量为芯部铝合金(材料A)质量1～3％的比例，向步骤(1)获得的芯部铝合金(材料A)熔体中添加钙，以1000～2000rpm的搅拌速度搅拌10～15分钟，获得增粘的芯部铝合金熔体；
(3)芯部铝合金熔体的微发泡：向步骤(2)获得的增粘芯部铝合金(材料A)熔体中加入铝合金熔体质量0.01～0.03％的经预处理的发泡剂TiH2，以1000～3000rpm的搅拌速度搅拌分散微发泡90～225s，得到内含初始气孔的芯部铝合金熔体待用；
(4)模具及铝或铝合金板预热：将厚度为0.5～2mm的铝或铝合金板(材料B)预热至比其熔点或固相线温度低5～10℃的温度T2，模具预热至T1，预热好的铝或铝合金板(材料B)垫入模具下方，将步骤(3)获得的内含初始气孔的芯部铝合金(材料A)熔体倒入模具，在熔体表面盖一层铝或铝合金板(材料B)并盖上模具上盖板；
(5)真空发泡：将步骤(4)获得的内含初始气孔的芯部铝合金(材料A)熔体与铝或铝合金板(材料B)的模具送入真空罐中，抽真空度至2～10Pa，在温度T1条件下进行真空发泡10～20s，发泡体在真空环境下冷却5～8min，得到泡沫铝夹层板。
步骤(1)所述芯部铝合金(材料A)为铝与Si、Cu、Mg、Zn、Mn元素构成的二元或多元铝合金。
步骤(3)所述发泡剂TiH2颗粒的粒度为37～74μm；发泡剂TiH2的预处理方法为采用400℃×6h+(470～520)℃×1h的工艺在大气环境中进行氧化处理。
步骤(4)所述铝或铝合金板(材料B)为工业纯铝板或各类铝合金板，可市购得到。
所述温度T1>T2，T1-T2＝10～20℃。
本发明的获得的泡沫铝夹层板的表面为厚度0.5～2.0mm的实体层、芯部为平均孔径4.4～7.5mm、孔隙率75～90％的泡沫铝。
发明原理
1、发泡温度、预热温度及上下铝或铝合金板熔点或固相线温度的匹配原理
本发明制备泡沫铝夹层板需确定3个关键温度，真空发泡温度T1、上下铝或铝合金板预热温度T2、上下铝或铝合金板熔点或固相线温度T3，三者关系为T1>T3>T2，研究表明存在以下关系：
1)真空发泡温度、芯部铝合金熔化保温温度、模具预热温度均为T1
2)上下铝或铝合金板预热温度T2，T1-T2＝10～20℃
3)上下铝或铝合金板熔点或固相线温度T3，T3-T2＝5～10℃
模具与上下铝或铝合金板的预热温度不同，分开预热，且T1>T2。
温度匹配的出发点是芯部铝合金(材料A)的熔点或液相线温度，由此推出真空发泡温度T1，根据T1确定上下铝或铝合金板(材料B)预热温度T2及铝或铝合金板(材料B)的熔点或固相线温度，随后选定铝和铝合金板(材料B)，即：材料A的熔点或液相线温度→真空发泡温度T1→材料B的预热温度T2及其固相线(或熔点)温度T3→确定材料B。
2、真空发泡原理
在真空发泡过程中，初始气孔的状态、真空度和真空发泡时间都对孔结构产生重大的影响，这些参数的控制是夹层板泡沫铝芯孔结构控制的关键。
(1)初始气孔的控制原理
增粘的金属熔体中，微量发泡剂分解产生的气体在搅拌作用下获得的细微气孔称为初始气孔，初始气孔的大小和均匀性，是影响真空发泡泡沫铝孔结构的重要影响因素，同时，熔体中初始气孔的孔结构与TiH2含量、发泡温度以及搅拌时间相关，TiH2含量越高，气体越充足，因此初始气孔的孔隙率和平均孔径也越高；搅拌时间越长，初始气孔的孔隙率和平均孔径越高；随熔化及保温温度的升高，初始气孔的孔隙率和平均孔径均增加；TiH2含量、熔体温度、搅拌时间与初始气孔孔隙率之间的关系为：
式中，θ初：初始气孔孔隙率(35％～45％)
ω：TiH2含量(0.01～0.03％wt)
T：熔体温度(600～670℃)
t：搅拌时间(90～225s)
初始气孔孔隙率、平均孔径之间的关系为:
式中，φ初：初始气孔平均孔径(1.9～2.9mm)
θ初：泡沫铝孔隙率(35％～45％)
(2)泡沫铝芯孔结构控制原理
随着发泡真空度的提高、真空发泡时间的延长，泡沫铝的平均孔径和孔隙率都将增大，但真空发泡时间过长会使初始气孔过分长大、气孔合并严重出现大孔等缺陷。初始气孔孔隙率、真空度、真空发泡时间与泡沫铝孔隙率之间的关系为：
θ＝θ初+0.125P3+1.625P2-7.75P+0.0354t2 4-1.1167t2 3+13.165t2 2-69.708t2+194.37
式中，θ：泡沫铝孔隙率(75％～90％)
θ初：初始气孔孔隙率(35％～45％)
P：真空度(2～10Pa)
t2：真空发泡时间(10～20s)
泡沫铝孔隙率、平均孔径之间的关系为:
式中，φ：泡沫铝平均孔径(4.4～7.5mm)
θ：泡沫铝孔隙率(75％～90％)
本发明的有益效果：
从熔体途径出发获得内含初始气孔的可发泡熔体，结合预处理的发泡剂TiH2、包覆铝或铝合金板及真空发泡等过程，制备面板及泡沫芯之间为冶金结合界面且表面实体层厚度可变的泡沫铝夹层板，克服了粉末冶金发泡法在制品成本、产量及尺寸上的不足，在发泡的过程中，面板与泡沫芯结合，则面板与泡沫芯之间为冶金结合，克服了粘结法泡沫铝夹层板在板-芯结合强度上的不足，工艺过程可控，可实现工业化生产。
附图说明
图1为本发明实施例1真空发泡泡沫铝芯夹层板实物图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
本实施例所述一种泡沫铝夹层板的真空发泡制备方法，具体步骤包括：
(1)芯部铝合金熔化保温：将AlSi12合金于600℃熔化，保温30分钟；
(2)芯部铝合金熔体增粘：向步骤(1)获得的AlSi12合金熔体中添加AlSi12合金熔体质量1％的Ca，用1000rpm的搅拌速度搅拌15分钟，获得增粘的AlSi12合金熔体；
(3)芯部铝合金熔体微发泡：向步骤(2)获得的增粘AlSi12合金熔体中加入AlSi12合金熔体质量0.03％的经400℃×6h+470℃×1h在大气环境中预氧化处理的发泡剂TiH2，发泡剂TiH2颗粒的粒度范围为37～45μm，以3000rpm的搅拌速度搅拌分散微发泡90s，得到内含初始气孔的芯部铝合金熔体待用；
(4)模具及铝合金板预热：将厚度为0.5mm的AlMg4合金板预热至580℃，模具预热至600℃，模具下方垫入一块预热好的AlMg4合金板，将步骤(3)获得的芯部铝合金熔体倒入模具，在熔体表面盖一块AlMg4合金板并盖上模具上盖板；
(5)真空发泡：将步骤(4)获得的内含AlSi12合金熔体与AlMg4合金板的模具送入真空罐中，抽真空度至10Pa，在600℃真空发泡时间为20s，发泡体在真空环境下冷却5min后获得表面为厚度0.5mm的实体AlMg4合金层、芯部为平均孔径4.4mm、孔隙率75％的AlSi12合金泡沫夹层板，如图1所示为本实施例获得的泡沫夹层板的实物照片，图中可以看出发泡均匀。
实施例2
本实施例所述一种泡沫铝夹层板的真空发泡制备方法，具体步骤包括：
(1)芯部铝合金熔化保温：将ZL111合金于620℃熔化，保温50分钟；
(2)芯部铝合金熔体增粘：向步骤(1)获得的ZL111合金熔体中添加ZL111合金熔体质量2％的Ca，用1500rpm的搅拌速度搅拌12分钟，获得增粘的ZL111合金熔体；
(3)芯部铝合金熔体微发泡：向步骤(2)获得的增粘ZL111合金熔体中加入ZL111合金熔体质量0.02％的经400℃×6h+490℃×1h在大气环境中预氧化处理的发泡剂TiH2，发泡剂TiH2颗粒的粒度范围为45～50μm，以2000rpm的搅拌速度搅拌分散微发泡135s，得到内含初始气孔的芯部铝合金熔体待用；
(4)模具及铝合金板预热：将厚度为1.0mm的AlCa5.3合金板预热至610℃，模具预热至620℃，模具下方垫入一块预热好的AlCa5.3合金板，将步骤(3)获得的铝合金熔体倒入模具，在熔体表面盖一块AlCa5.3合金板并盖上模具上盖板；
(5)真空发泡：将步骤(4)获得的内含ZL111合金熔体与AlCa5.3合金板的模具送入真空罐中，抽真空度至8Pa，在620℃真空发泡时间为18s，发泡体在真空环境下冷却6min后获得表面为厚度1.0mm的实体AlCa5.3合金层、芯部为平均孔径5.2mm、孔隙率80％的ZL111合金泡沫夹层板。
实施例3
本实施例所述一种泡沫铝夹层板的真空发泡制备方法，具体步骤包括：
(1)芯部铝合金熔化保温：将AlSi3合金于670℃熔化，保温50分钟；
(2)芯部铝合金熔体增粘：向步骤(1)获得的AlSi3合金熔体中添加AlSi3合金熔体质量3％的Ca，用1800rpm的搅拌速度搅拌12分钟，获得增粘的AlSi3合金熔体；
(3)芯部铝合金熔体微发泡：向步骤(2)获得的增粘AlSi3合金熔体中加入AlSi3合金熔体质量0.01％、经400℃×6h+520℃×1h预氧化处理的发泡剂TiH2，发泡剂TiH2颗粒的粒度范围为50～57μm，以1000rpm的搅拌速度搅拌分散微发泡225s，得到内含初始气孔的芯部铝合金熔体待用；
(4)模具及铝板预热：将厚度为2mm的工业纯铝板预热至655℃，模具预热至670℃，模具下方垫入一块预热好的工业纯铝板，将步骤(3)获得的芯部铝合金熔体倒入模具，在熔体表面盖一块工业纯铝板并盖上模具上盖板；
(5)真空发泡：将步骤(4)获得的内含AlSi3熔体与工业纯铝板的模具送入真空罐中，抽真空度至2Pa，在670℃真空发泡时间为12s，发泡体在真空环境下冷却8min后获得表面为厚度2mm的实体纯铝层、芯部为平均孔径6.2mm、孔隙率85％的AlSi3合金泡沫夹层板。
实施例4
本实施例所述一种泡沫铝夹层板的真空发泡制备方法，具体步骤包括：
(1)芯部铝合金熔化保温：将AlMg10合金在640℃熔化，保温60分钟；
(2)芯部铝合金熔体增粘：向步骤(1)获得的AlMg10合金熔体中添加AlMg10合金熔体质量2.0％的Ca，用2000rpm的搅拌速度搅拌10分钟，获得增粘的AlMg10合金熔体；
(3)芯部铝合金熔体微发泡：向步骤(2)获得的增粘AlMg10合金熔体中加入与AlMg10合金熔体质量0.02％、经400℃×6h+510℃×1h在大气环境中预氧化处理的发泡剂TiH2，发泡剂TiH2颗粒的粒度范围为57～74μm，以2000rpm的搅拌速度搅拌分散微发泡180s，得到内含初始气孔的芯部铝合金熔体待用；
(4)模具及铝合金板预热：将厚度为1.5mm的AlSi1合金板预热至620℃，模具预热至640℃，模具下方垫入预热好的AlSi1合金板，将步骤(3)获得的铝合金熔体倒入模具，在熔体表面盖一层AlSi1合金板并盖上模具上盖板；
(5)真空发泡：将步骤(4)获得的内含AlMg10合金熔体与AlSi1合金板的模具送入真空罐中，抽真空度至6Pa，在640℃真空发泡时间为10s，发泡体在真空环境下冷却7min后获得表面为厚度1.5mm的实体AlSi1合金层、芯部为平均孔径7.5mm、孔隙率90％的AlMg10合金泡沫夹层板。
Claims (5)
1.一种泡沫铝夹层板的真空发泡制备方法，其特征在于，具体步骤包括：
(1)芯部铝合金熔化保温：将芯部铝合金置于高于其液相线温度20～30℃的温度T1下熔化，保温30～60分钟；
(2)芯部铝合金熔体增粘：按照钙的添加量为芯部铝合金质量1～3％的比例，向步骤(1)获得的芯部铝合金熔体中添加钙，以1000～2000rpm的搅拌速度搅拌10～15分钟，获得增粘的芯部铝合金熔体；
(3)芯部铝合金熔体的微发泡：向步骤(2)获得的增粘芯部铝合金熔体中加入铝合金熔体质量0.01～0.03％的经预处理的发泡剂TiH2，以1000～3000rpm的搅拌速度搅拌分散微发泡90～225s，得到内含初始气孔的芯部铝合金熔体待用；
(4)模具及铝或铝合金板预热：将厚度为0.5～2mm的铝或铝合金板预热至比其熔点或固相线温度低5～10℃的温度T2，模具预热至温度T1，预热好的铝或铝合金板垫入模具下方，将步骤(3)获得的内含初始气孔的芯部铝合金熔体倒入模具，在熔体表面盖一层铝或铝合金板并盖上模具上盖板；
(5)真空发泡：将步骤(4)获得的内含初始气孔的芯部铝合金熔体与铝或铝合金板的模具抽真空度至2～10Pa，在温度T1条件下进行真空发泡10～20s，发泡体在真空环境下冷却5～8min，得到泡沫铝夹层板。
2.根据权利要求1所述泡沫铝夹层板的真空发泡制备方法，其特征在于，步骤(1)所述芯部铝合金为铝与Si、Cu、Mg、Zn、Mn构成的二元或多元铝合金。
3.根据权利要求1所述泡沫铝夹层板的真空发泡制备方法，其特征在于，步骤(3)所述发泡剂TiH2颗粒的粒度为37～74μm；发泡剂TiH2的预处理方法为采用400℃×6h+(470～520)℃×1h的工艺在大气环境中进行氧化处理。
4.根据权利要求1所述泡沫铝夹层板的真空发泡制备方法，其特征在于，步骤(4)所述铝或铝合金板为工业纯铝板或铝合金板。
5.根据权利要求1所述泡沫铝夹层板的真空发泡制备方法，其特征在于，所述温度T1>T2，T1-T2＝10～20℃。
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