粉末冶金法制备泡沫铝

粉末冶金法制备泡沫铝的工艺研究及其展望

摘要泡沫铝由于具有多种独特的性能，已备受研究者的关注。制备泡沫铝的方法很多，本文主要介绍了粉末冶金法制备泡沫铝的工艺，对影响工艺的因素进行了分析，提出了粉末冶金法需要改进的方面，以推动粉末冶金法制备泡沫铝的研究和应用。

关键字泡沫铝粉末冶金法影响因素

1 引言

泡沫铝作为一种新型的功能材料，以其独特的性能，具有广阔的应用前景[1,2]。泡沫铝由于轻质结构，吸声，隔音等性能，正大范围应用于汽车，航空，公路建设，建筑装饰等工业和国防科技领域[3]。目前制备泡沫铝的方法有熔体发泡发法、渗流铸造法、液态金属凝固法、熔模铸造法、粉末冶金法、固-气共晶凝固法、添加球料法等。其中，粉末冶金法是近年来国外研究比较集中的一种工艺[4]。

粉末冶金发泡法是由德国Fraunhofer材料研究所发明的一种生产方法，利用此方法制备出结构均匀的泡沫材料，可以加工成近成品尺寸的零件[5]，也可以制成三明治式的复合材料，中间为泡沫铝材料层，而两面为生长成一体的铝薄板。粉末冶金法在欧洲得到了广泛的研究，目前，制备较为成功的有德国FOAMINAL、奥地利的ALULIGHT和斯洛伐克的ALU FOAM三个品牌[6]。我国对粉末冶金法制备泡沫铝的研究还处于实验阶段，北京的有色金属研究总[7]、太原重型机械学院[8]、东南大学、东北大学[9]等单位对粉末冶金法进行了研究。

2 泡沫铝的粉末冶金法制备

2.1 制备原理

首先将铝粉和发泡剂（通常是TiH2）粉混合均匀，然后将其压制成致密的预制块，预制块中不能有残留的气孔和缺陷，否则会对产品质量造成很大的影响。将预制块放入炉中加热，加热至铝熔点附近，发泡剂受热开始分解生成气体，首先形成气孔，然后长大，使预制体膨胀，形成多孔的泡沫铝。图1为粉末冶金法制备泡沫铝的工艺流程图。

图1 粉末冶金法制备泡沫铝[10]

Fig.1 Preparation of aluminum foams by powder metallurgy

2.2 实验经验

德国J.Banhart[11]等将商用铝粉、铝硅合金粉、锌粉、铅粉和一小部分适当的发泡剂（金属氢化物）混合，在模具中压制成致密的，无孔隙的预制块，将其加热到金属或合金的熔点附近，预制块就会膨胀成多孔的闭孔材料。

东北大学的魏莉[8]等人将铝粉与氢化钛混合均匀后放入模具中压制成金属坯，在坩埚中放入熔盐进行保护，待熔盐熔化后，炉温升至所需温度，将金属坯放入熔融的熔盐中。开始计时，金属坯开始被加热，可观察到发泡情况，待发泡到一定时间后取出，迅速冷却，得到泡沫铝材料。

祖国胤[12]等人用铝硅合金（87.5wt%Al，12.5wt%Si）作为原料，铝硅合金粉末的平均尺寸低于0.15mm，用粒径低于20µm的氢化钛作为发泡剂，工业用200 mm×10 mm×1.8 mm的纯铝作为表面板材。将铝硅合金粉末和1.0wt%的氢化钛以及0.5wt%-2.0wt%的镁合金粉末放入到高能球磨机中搅拌10小时。表面的板材用钢刷处理成“砂面”，然后用丙酮处理后，干燥。在经处理过的面材上涂一层铝箔，然后压制混合均匀的混合物。轧制前驱体进行发泡的阻力炉为10千瓦的功率，发泡温度介于620℃和640℃，发泡时间为5-10分钟来制备具有三明治结构的泡沫铝材料。

2.3 粉末冶金法制备泡沫铝的影响因素

2.3.1 粉末的组成

粉末冶金法制备泡沫铝首先要考虑粉末的组成及配比，其中包括基体金属粉末，发泡剂和稳定剂等。

在基体粉末的选择上，考虑到铝硅合金具有高强度，低熔点和优良的发泡性，目前大多数研究以铝硅合金为泡沫铝的基体材料。为选取合适的铝硅合金，需分析含硅量和铝硅合金性能的关系。有文献[13]报道，随着硅含量的增加，Al-Si合金的抗拉强度和硬度也会随之增加，在硅含量在12%时，抗拉强度和硬度达到一个峰值，且延伸率也达到一个相对峰值。因此，从性能上看，Al-12wt%Si是良好的配比方案。

在发泡过程中气泡的稳定性相当重要，因此，就需要加入适当的稳定剂来增加气泡的稳定性。金属泡沫基础的稳定机理由Banhart等人提出的颗粒稳定机理，即加入与熔体有较好润湿性的陶瓷颗粒或者高反应性的元素，同铝合金表面的氧化物反应来稳定气泡[14]。

发泡剂的加入量，对泡沫的孔隙率很重要。左孝青等通过计算得出，TiH2的加入量为1.2%时，可产生足够的氢气使发泡体具有85%以上的孔隙率[15]。2.3.2 粉末颗粒粒度

基体铝粉末和发泡剂粉末的颗粒粒度大小，影响着二者之间的混合程度，以及泡沫铝材料的密度和泡孔分布的均匀性。东北大学的郭志强[16]等人通过实验，研究了粉末颗粒的粒度大小对粉末的混合程度及泡沫铝材料密度的影响，得出当基体铝粉末颗粒和发泡剂TiH2的颗粒粒度处于同一个粒度级别时，TiH2颗粒呈“点”状均匀分布在合金粉末中，当合金粒度d<74µm时，泡沫铝的密度达到最低，孔隙率达到最高，泡孔分布均匀，泡体发育完全，制得了较为理想的泡沫铝材料。

2.3.3 镁粉添加量

将镁粉加入到铝合金粉末和发泡剂粉末的混合粉中，进行压制，发泡，此时，镁粉主要起到稳定泡沫的作用，因此，研究镁粉的添加量也具有一定的意义。东北大学王磊[17]等人利用粉末冶金法制备不同Mg粉含量的纯铝闭孔泡沫铝材料，并对Mg粉添加量对泡沫铝发泡行为及泡沫稳定性的影响进行了研究。结果表明，Mg粉的添加导致前驱体膨胀率的显著增大和泡沫体泡孔结构的均匀化；添加的Mg粉会和空气中雾化的Al粉表面的Al2O3反应，生成同铝熔体具有良好润湿性的MgAl2O4相，打破原有铝粉的表面的氧化物结构，增加了熔体的表面粘度，提高了泡沫的稳定性；在工业纯铝粉含量（0.34±0.01%）和Mg粉添加

量为0.6%-1.0%的条件下，可以获得最佳的膨胀率和均匀的泡孔结构。

2.3.4 发泡剂的选用

发泡剂影响着泡沫铝的发泡效果，孔隙率和孔径的均匀性[18]，因此，选择合适的发泡剂非常重要。发泡剂的选择主要考虑发泡工艺，环境的影响，发泡剂的稳定性等，要求发泡迅速，发气量大，发泡工艺简单，发泡剂本身释放的气体无公害，发泡剂的稳定性要好。

在粉末冶金法制备泡沫铝的工艺中，通常选用TiH2作为发泡剂。由于TiH2在400~600℃时释放出发泡气体—氢气，这与铝的熔点（660℃）和AlSi7合金的熔点（577℃）比较接近[19]，并且TiH2相对于其他氢化物而言，作为发泡剂更加稳定。但由于TiH2的价格较为昂贵，对泡沫铝的规模化生产仍有阻碍。因此，有泡沫铝的研究者正在寻找可以代替TiH2的发泡剂。Nakamura等以廉价的CaCO3为发泡剂的主要材料，经过包覆处理的CaCO3作为发泡剂制备出小孔径的泡沫铝，对比用TiH2为发泡剂制备出的泡沫铝，发现其孔径更小，孔隙率也可达到85%[20]，如图2所示。

图2 用CaCO3和TiH2发泡剂制备的泡沫铝横截面

Fig.2 The cross-sectional images of foam aluminum

prepared with CaCO3 and TiH2

2.3.5 压制工艺

粉末的压制是粉末冶金法制备泡沫铝至关重要的一步，压坯的致密度直接影响了最终的发泡解果[3]。成型压力的选择决定了基体的致密度，也决定了孔的大