泡沫铝合金三明治结构结合界面及剪切性能的...

增加后铝板产生屈服，然后铝板产生塑性变形最终载
荷下降使得铝板在界面处发生断裂。
４．２泡沫铝夹芯板的剪切实验
泡沫铝夹芯板的剪切试样见图９（ａ），剪切实验发
图８ 剪切实验的载荷一位移曲线 Ｆｉｇ ８ Ｆｏｒｃｅ－ｄｉｓｔａｎｃｅ ｃｕｒｖｅ ｆｏｒ ｓｈｅａｒｉｎｇ ｔｅｓｔ（ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ）
图８（ａ）表明，沿界面直接撕开的载荷一位移曲线由 多峰状曲线和水平直线所组成，最初需要一个相对比 较大的力才能引起破坏，在初始剪切（剥离）阶段，载荷
互扩散，没有新相生成。剪切实验结果表明，预制坯的
界面剪切强度较低，能够直接在界面处剥离开或者将
一 板剥离开一半后将板拉断Ｉ而发泡后的泡沫铝夹芯板
的界面结合力很强，剪切时断裂发生在芯材中或者铝 面板上。
关键词：泡沫铝合金芯三明治；冶金结合；扩散机制；
剪切实验
中图分类号：ＴＧｌ４６．２
文献标识码：Ａ
文章编号：１００１－９７３１（２００８）０６－０９７９—０４
实验所得两种剪切结果的载荷一位移曲线如图８ （ａ）和（ｂ）所示．
曲线偏离直线表现出一定的塑性变形特征，载荷增加 到最大值后迅速下降，使接头快速剥离开一定位移．
这是由于粉末嵌入铝板的机械结合力不大，再者面板
为薄铝板，它表现出一定的刚性，所以接头一旦起裂，
裂纹就会沿着结合面迅速扩展，使其剥离一定的位移．
然后应力重新分布，继续剥离所需的载荷几乎保持恒
定，直至最后完全剥离开为止．从图８（ｂ）可看出，载
荷一位移曲线是由结合界面撕开和铝板断裂的两个组
成部分的剥离特征混合曲线所组成。当载荷增加到使
得结合界面撕开一半时，载荷的增加不能继续撕开剩
下的界面而是在界面处使得铝板发生拉伸断裂，后一
阶段的变形过程就是使得铝板产生弹性变形载荷继续
到将结合界面撕开为止，泡沫铝夹芯板Leabharlann Baidu制坯中的界 界面的结合力要大予铝板的抗拉强度，所以沿着铝板
面结合机制主要为粉末填充铝板的机械结合，这种由 断裂开，而不是沿着界面撕裂开。
粉末填充铝板的机械结合力要低于芯材粉末之间的结
图７ 预制坯的剪切试样
Ｆｉｇ ７ Ｓｐｅｃｉｍｅｎ ｆｏｒ ｓｈｅａｒｉｎｇ ｔｅｓｔｓ（ｐｅｒｃｕｒｓｏｒ）
２实 验
，
实验中所用的材料是ｌｍｍ厚的商业用的纯铝板 和雾化法生产的ＡＩ－Ｓｉ合金粉末，粉末颗粒直径大小
在１０５～１５０肛ｍ之间。合金粉末的成分列在表１中。 实验过程如下：（１）将Ａｌ—Ｓｉ合金粉末与少量的ＴｉＨ２ 发泡荆均匀的混合在一起；（２）对铝板的表面进行清 理，用高速转动的钢丝刷去除铝板表面的氧化皮以及 粗糙化，目的是使其露出新鲜的金属表面来和粉末复 合，（３）将发泡剂均匀的分布在基体粉末中后，两个铝
张敏等：泡沫铝合金三明治结构结合界面及剪切性能的研究
泡沫铝合金三明治结构结合界面及剪切性能的研究。
张敏１，陈长军１，姚广春２
（１．武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室材料与冶金学院，湖北武汉４３００８１； ２．东北大学材料与冶金学院，辽宁沈阳１１０００４）
摘要： 提出了一种新的泡沫铝舍金三明治结构的 制备工艺——直接将铝板／混合粉末／铝板通过一次大
万方数据
通讯作者：张 敏
９８０
助
能
ＬＹＭＰＵＳ ＧＸ７１）观察铝面板与芯材的界面，使用ＩＮ·
ＳＴＲＯＮ４２０６—００６型电子机械试验机进行界面的剪切
测试来检验冶金结合界面的性能，其中加载速率为０．５
ｒａｍ／ｒａｉｎ。
３界面结合结果及分析
３．１预制板界面结合结果及分析 在文献［１４３中已经介绍了对中间发泡过程进行控
万方数据
９８２
助需五曹才
料
２００８年第６期（３９）卷
种剪切结果如图９（ｃ），可见裂纹并没有沿着界面撕 当载荷增长试图撕开界面时并没有撕开界面而直接在
开，而是直接沿着铝板与芯体的连接处连同部分泡沫
铝板与芯材连接处断裂。
体断裂。说明铝板与芯材的界面结合非常紧密，所以
图９ 泡沫铝夹芯板的剪切试样
Ｆｉｇ ９ Ｓｐｅｃｉｍｅｎ ｆｏｒ ｓｈｅａｒｉｎｇ ｔｅｓｔｓ（ｆｏａｍ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｓａｎｄｗｉｃｈ）
１引言
泡沫金属这种多孔材料具有诸多优异的物理和力 学性能，如：具有轻质高比强度的特点；作为功能材料， 具备隔声（或吸声）、隔热（或散热）、阻燃、阻尼、冲击能 量吸收和电磁屏蔽等多种物理性能。泡沫金属作为结 构材料通常都要与传统的致密金属组成复合构件使 用，这样才能实现在一定载荷下的最佳力学性能［１＿３】。 带有泡沫金属芯和两金属面板的三明治结构通过黏结 剂连接的方法很容易获得［．］。但是如果需要纯金属冶 金结合的时候，这种传统的黏结技术就远远达不到要 求．德国早在１９９７年将泡沫铝三明治结构应用在汽 车上的构想就已经得到了证明，他们将传统的铝板或 钢板同预先制好的预发泡板轧制复合在一起，然后在 炉中发泡。发泡的预置材料可以通过热压、挤压以及 粉末轧制的方法制备［５￣。］。但在国内，泡沫铝三明治 结构的制备才刚刚起步，目前只有东南大学Ｃｏ，ｌｏ］和东 北大学先进材料制备技术工程中心进行过研究［１１￣１３］。 东南大学是通过在模具中先冷压再热压的方法进行制 备泡沫铝三明治结构，而本研究不但吸收了德国的先
制能够制备出孔隙均匀的泡沫铝夹芯板（图１），故对 工艺方面不多赘述。图２（ａ）、（ｂ）为预制体的铝面板／ 芯材界面处的金相照片。芯层粉末的特征是初晶硅沿 着轧制的方向呈条状分布在光亮的铝基体上。图２ （ａ）为低倍下界面的显微照片，图中箭头表示铝面板与 芯层致密粉末之间的界面，可看见预发泡芯层和致密 板之同清晰的界线Ｉ并没有元素的扩散现象发生．但 铝面板与芯材之间的界面不是平直的，而是犬牙交错 的，这种犬牙交错界面是由于中间铝硅合金粉末与铝 面板在轧制共同变形过程中粉末变形为片层状而嵌入 露出新鲜铝的铝板中而形成的．
图５发泡后Ａｌ、Ｓｉ在界面处的线分布
Ｆｉｇ ５ Ｌｉｎｓｃａｎ ｏｆ ＡＩ、Ｓｉ ａｆｔｅｒ ｆｏａｍｉｎｇ．
铝板与芯材粉末未发生反应，因此界面结合机制 较明显．图６（ｂ）为发泡过程中界面处的铝原子互相 比较简单，图６（ａ）为发泡前界面的形貌特征，界面比 扩散，铝硅合金发生共晶反应．图６（ｃ）为凝固后界面
力的作用下紧密接触结合在一起。
图３ 轧制过程的结合模型
Ｆｉｇ ３ Ｂｏｎｄｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｉｎ ｔｈｅ ｒｏｌｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ
３．２泡沫铝夹芯板的界面结合结果及分析 图４对应的是发泡试样的界面形貌特征，发泡过
程中铝硅熔体处于熔融状态，而面板的纯铝仍然处于 固态，它们之间的结合属于固液结合，铝硅合金在发生 共晶反应的同时界面两侧的铝和铝硅元素同时进行扩 散，进而无法清晰的观察到界面的存在．从图４可以 观察到典型的铝硅亚共晶显微结构，亮的富铝颗粒被 共晶相所包围．致密的面板在低倍显微镜下看不到其 显微结构，通过对比图２和４，可以看出发泡前面板与 芯层之间的界面在发泡后已经不明显了，并且明显看 出共晶相通过扩散长大进人面板并且与板材产生了结 合，这个结果与文献［１５］相似，这说明了泡沫芯和板材 之间形成了良好的冶金结合．图５是发泡后界面处的 Ａｌ、Ｓｉ线扫描照片，Ａｌ元素在界面处同样没有明显的 变化，而Ｓｉ元素在界面处除了共晶硅中的Ｓｉ含量有所 提高外，其它地方都没有明显的改变．这进一步说明 了界面两边的两种铝熔合在一起形成冶金结合，结合 机制属于扩散反应机制。
进技术，而且还具有自己的独特创新之处，可以成功的 制备出界面为冶金结合的泡沫铝芯三明治结构。
利用粉末轧制法的原理将粉末置于两金属面板之 间进行轧制的方法制备泡沫铝三明治的预制体，然后 在炉中发泡制备泡沫铝三明治。这种方法与德国制备 泡沫铝三明治的方法相比，节约了单独制备泡沫芯预 制体的工艺步骤并可直接达到面板与芯材的连接作 用；最终达到冶金结合；与东南大学制备三明治的方法 相比，克服了在模具中制备预制体的约束；本研究制备 出具有冶金结合界面的泡沫铝合金夹芯板，并且通过 剪切实验证明了其冶金结合界面的牢固性。
压下量复合轧制，然后在炉中直接发泡成最终产品的
制备工艺．实验成功的制备出铝面板的泡沫铝合金芯 的三明治板。讨论了铝面板泡沫铝夹芯板轧制过程中
以及发泡过程中界面的结合情况及界面结合机理。结
果表明，轧制过程中界面结合属于机械结合，结合机制
为薄膜理论；发泡过程中界面结合属于冶金结合，而铝
面板与粉末体结合发泡后，界面处则只发生Ａｌ原子的
图２预制坯的界面金相照片 Ｆｉｇ ２ Ａｌｕｍｉｎｕｍ ｐｌａｔｅ／ｆｏａｍ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｏｆ ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ
根据前面轧制后界面的形貌特点，提出如下模型： 在轧制前，对面板清刷使得面板的表面凸凹不平，增大 接触表面（图３（ａ））ｌ复合轧制后，粉末经过轧制变形
图４ 发泡后界面形貌 Ｆｉｇ ４ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ａｆｔｅｒ ｆｏａｍｉｎｇ
然后用柯达ＬＳ７４３０数码相机拍摄了预制体及预制体 发泡后三明治板的宏观照片。用光学显微镜（型号Ｏ一
·基金项目：国家高技术研究发展计划（８６３计划）资助项目（２００２ＡＡ３３４０６０）
收到初稿日期：２００７—１１—３０
收到修改稿日期：２００８—０２—２５
作者简介： （１９７８一）。女．讲师，博士，从事泡沫材料的研究．
万方数据
张敏等：泡沫铝合金三明治结构结合界面及剪切性能的研究 处的形貌特点，已经分不出明显的界面，说明界面处发 生了Ａｌ元素的互扩散，也就是说界面结合机理同样为
扩散结合机制。
Ｐｒｉｍａｒｙ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｉｌｌ
（ａ）轧制后
中
图６ 发泡过程中的结合模型
４剪切性能
Ｆｉｇ ６ Ｂｏｎｄｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｉｎ ｔｈｅ ｆｏａｍｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ 合力，所以在结合力相对小的情况下直接从结合脆弱 的界面处撕开，而不是由中间粉末处撕开，由此可以看
表１ ＡＩ－Ｓｉ合金粉末的成分
Ｔａｂｌｅ １ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ Ａ１一Ｓｉ ａｌｌｏｙ ｐｏｗｄｅｒ
成分 Ａｌ Ｚｎ Ｃａ Ｍｇ
含量（％，质量分数） ≥８２．８８
０．０１ ０．１０３
０．３
成分
Ｆｅ Ｓｉ Ｍｎ
含量（％，质量分数）
Ｏ．３ １２．５ Ｏ．０ｌ
使用电火花线切割机将获得的夹芯板切割取样，
现剪切破坏主要有两种形式，一种为图９（ｂ）所示，可 见裂纹沿着靠近界面处的泡沫体撕开，当铝板沿着界 面处泡沫体撕开不到一半时，铝板在此结合处的强度 不够，所以铝板在此处断裂。可见当载荷增加时并没 有沿着铝板与泡沫体的真正界面断开，而是沿着界面
和位移之间存在较好的线性关系；剥离到一定程度后， 处的泡沫体断开，说明发泡后界面结合非常好．另一
板叠在一起并在其中间放入含＜１％（质量分数）的 Ｔ．Ｈ：的Ａｌ－Ｓｉ混合粉末准备轧制。这两块板和粉末
以６０％以上的压下量进行轧制复合，制备出泡沫铝夹 芯板的预制坯。轧制使用的是自制的辊径为０５００ｍｍ
的轧机；（４）高温发泡实验是在电阻炉中进行的。在达 到发泡温度后，试样在炉中进行保温，然后冷却到室 温，获得了泡沫铝夹芯板。
图ｌ 泡沫铝夹芯板结构的宏观照片 Ｆｉｇ １ Ｍａｃｒｏｐｈｏｔｏｇｒａｐｈ ｏｆ ｆｏａｍ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｓａｎｄｗｉｃｈ
材
料
２００８年第６期（３９）卷
形成层状彼此结合．与此同时界面处板材被拉伸露出
新鲜金属表面使得接触面积增大，界面处粉末填充在
界面处的凸凹表面（图３（ｂ）），界面处的铝原子在轧制
实验所得的泡沫铝夹芯板的两种剪切结果的载
性变形最终载荷下降使得铝板在界面处发生断裂。这
荷一位移曲线如图１０（ａ）和（ｂ）所示。
两种变形特征均说明了发泡后冶金界面结合的强度很
高，已经不是板材和芯材的强度所能比拟的。
４结 论
主要得出以下３个结论： （１）实验成功的制备出了铝面板的泡沫铝夹芯 板； （２）轧制过程中界面结合属于机械结合｝发泡过 程中界面结合属于冶金结合，结合界面处只发生Ａｌ原 子的互扩散，没有新相生成，属于扩散结合机制， （３） 通过剪切（剥离）实验发现，预制坯的界面剪 切强度较低，能够直接在界面处剥离开或者将板剥离 开一半后将板拉断。而发泡后的泡沫铝夹芯板的界面 结合力很强，通过剪切实验只能将芯材剥离开或者是 在界面处铝板断开。
４．１预制坯的剪切实验
出中间粉末的致密化结合程度很高，另一种剪切结果
轧制预制坯的剪切试样见图７（ａ），对不同试样进 如图７（ｃ），可见裂纹也是沿着界面撕开，但当裂纹扩
行剪切实验后发现预制坯的剪切结果主要有两种情 展到结合界面一半的时候，裂纹停止扩展，而是在铝板
况。一种为图７（ｂ）所示，可见裂纹沿着界面撕开，直 处断裂。说明当裂纹扩展到结合界面一半的时候此时