粉末冶金法制备泡沫铝材料

合集下载
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
料混合均匀后,直接压制成型·成型压力的选择决 定了坯的体积质量,也决定了发泡阶段孔的大小 和均匀程度[13 ]·图2 为铝粉的可压缩性曲线[14 ], 可以看出,压力在300 Mpa 以上时,体积质量达 到最大·图3 是不同压力下金属坯显微结构的照 片,图4 为不同压力下的发泡得到的泡沫铝剖面 照片·图3a ,图4a ,图4b 分别为150 Mpa 时的金 相显微照片和泡沫铝表面照片及试样剖面图,可
图3 不同压制压力条件下基体材料的显微结构 Fi g .3 Mi cr oPhot ogr aPh of matri x under di ff er ent Pr essur es (a )—150 Mpa (;b )—200 Mpa ;(c )—250 Mpa ;(d )—300 Mpa·
图4 不同压力条件下泡沫铝照片 Fi g .4 The mor Phol ogy Phot ogr aPhs of f oa mi ng al under di ff er ent Pr essur es
中图分类号:TB 34
文献标识码:A
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 ]·制备泡沫铝的方法 很多,如粉末冶金法、熔体发泡法、渗流铸造法、电 渡法、气泡法、喷溅沉积法、烧结法等等[3 ,4 ]·熔体 发泡法在国内外研究的比较多[5 ],粉末冶金法目
前正得到广泛的重视·粉末冶金法可以制成形状 复杂的零件,用这种泡沫铝零件来代替传统的铸
收稿日期:2003- 05- 28 基金项目:国家高技术研究发展计划项目(2002 AA334060 )·
作者简介:魏 莉(1966 - ),女,吉林长春人,东北大学博士研究生,沈阳工业学院副教授;姚广春(1947 - ),男,辽宁沈阳人,东北 大学教授,博士生导师·
1072
东北大学学报(自然科学版)
坯压力使得金属坯致密,可以得到孔结构均匀的泡沫铝材料;发泡温度是影响发泡的主要因素之
一,发泡温度控制在高于铝或铝合金熔点,同时保持熔体具有一定粘度的范围内,能够得到孔结构
均匀、高孔隙率的泡沫铝材料·实验结果表明:采用熔盐保护方式,在300 Mpa 的压力下,温度在 675 !680 C 时,可得到孔径均匀、孔隙率高的泡沫铝材料· 关 键 词:粉末冶金法;泡沫铝;制坯压力;发泡温度;体积质量;孔隙率;孔均匀
(a )—670 C ;(b )—675 C ;(c )—680 C ;(d )—685 C·
气泡中气体压力,是气泡长大的驱动力·气泡 长大的驱动力由氢化钛分解产生的氢气的分压 P 决定·根据气体状态方程式:PV = nRT ,在一定 的氢化钛含量和一定的发泡时间条件下,随着温 度的升高,P 增大,气泡生长的驱动力加强,同时 液体的粘度降低,气泡生长需克服的外界阻力减 小,因此在一定温度范围内(670 !680 C ),气泡 生长趋势强劲,泡沫铝的孔隙率增大,体积质量变 小·随着温度的升高(高于685 C ),P 不断地增 大,同时液体的粘度不断降低,气泡壁承受来自 P 的能力变弱,使得气泡壁被撑破,造成连通孔,如 图6d 所示,气泡在表面张力的作用下收缩,而引 起孔隙率降低,体积质量增大·因此发泡温度应控 制在675 !680 C 范围内,可得到孔隙率高、体积 质量低,孔径均匀的泡沫铝材料·
图5 发泡温度对泡沫铝体积质量、孔隙率的影响 Fi g .5 The eff ect of f oa mi ng t emPer at ur e on t he
comPact edness and Por osi t y of f oa m al
从图5 可以看出,随着温度的升高(在670 ! 680 C 温度段),泡沫铝的体积质量变小,孔隙率 增大·当温度超过680 C 以后,随着温度的升高, 孔隙率反而下降,体积质量增大·从图6 也可以看 出,温度较低时,气孔壁较厚,孔径较小,随着温度
参数 为:纯 铝 粉 在 熔 盐 保 护 条 件 下,压 制 压 力 为
300 Mpa ,温度在675 !680 C 之间·
参考文献:
[1 ] Davies G J ,Zhen S. Metallic f oa ms :t heir producti on , properties and applicati on[J ]. Material Science ,1983 ,18 (4 ):1899 .
态材料的粘度相当高,会抑制发泡·只有温度高于 660 C 时,氢化钛分解产生的氢气压力迫使熔融状 态的铝膨胀,从而在其内部形成无数的气孔·
图6 不同发泡温度下泡沫铝照片 Fi g .6 Mor Phol ogy of f oa m al at di ff er ence f oa mi ng t emPer at ur e
法或由于工艺上难以控制,或是生产成本高而限
制了其应用[10

·
Baidu Nhomakorabea
粉末冶金法是将铝粉或铝合金粉与一种发泡
剂粉末混合(通常是 Ti ~2 ),将这种混合物压制成 密实的金属基体,然后对其加热升温·当温度升至 铝粉或铝合金粉的熔点以上,氢化钛分解产生的
氢气在熔融状态的铝或铝合金内部形成无数的气
孔,冷却这种铝基体后,即可得到泡沫铝产品[11
以清楚地看到,当压制压力不足时,铝粉颗粒与颗
粒之间有聚集,但中间有连通的通道,氢气可以从
图2 压制压力与铝粉体积质量关系曲线 Fi g .2 Rel ati onshi P cur ves of Pr essur e and
comPact edness of Powder ed al
图3c ,图4c 显示了压力为250 Mpa 时的金 属坯的显微结构和发泡情况,随着压制压力的增 大,金属颗粒之间的间隙越来越小,氢气可以被留 住,所以剖面可以看到圆形孔;但毕竟压力不足, 氢气可以贯穿相邻两孔之间,因此剖面图显示有 大的连通孔洞存在,气孔不均匀·图3d ,图4d 显 示了压力为300 Mpa 时的金属坯显微结构和发 泡情况,可以看到,压制压力足够大时,坯致密,颗 粒之间孔隙较少,很少存在相互连通和通道,氢气 可以完全被留住,因此试样剖面为比较均匀的圆 形孔·
第24 卷第11 期
东 北 大 学 学 报( 自 然 科 学 版 )
Vol. 24 ,No .11
2 0 0 3 年 11 月
Jour nal of Nort heaster n uni versit y(Nat ural science )
Nov . 2 0 0 3
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
氩气保护,本文采用熔盐进行保护·将压制好的金 属坯放入熔融的熔盐中,隔绝了铝与空气的接触,
防止铝氧化,同时,即使有部分被氧化,熔盐也会
将其熔解掉[12

·
!"# 试验方法
将铝粉与氢化钛粉末混合均匀后,放入模具
中,将模具放入油压压力机中,施加不同的压力压
制成金属坯·用金相显微镜观察并拍摄金属坯的显 微结构·发泡试验装置如图1 ,在坩埚中放入熔盐, 待熔盐熔化后,炉温升至所需温度,将金属坯放入
(a )—泡沫铝表面;(b )—150 Mpa ;(c )—250 Mpa ;(d )—300 Mpa·
第11 期
魏 莉等:粉末冶金法制备泡沫铝材料
1073
2 .2 发泡温度对发泡的影响 发泡温度一方面影响氢化钛分解产生的氢气
的分压,一方面又影响熔融金属铝的粘度,这两方 面的相互作用决定了泡沫铝的体积质量与孔隙率· 图5 为温度对泡沫铝体积质量与孔隙率的影响·图 6 为不同温度的发泡情况·
文章编号:1005- 3026(2003 )11- 1071- 04
粉末冶金法制备泡沫铝材料
魏 莉,姚广春,张晓明,罗洪杰
(东北大学 材料与冶金学院,辽宁 沈阳 110004 )

要:研究了粉末冶金法制备泡沫铝材料的方法·讨论了发泡过程中的保护方式、制坯压
力、发泡温度等参数对泡沫铝体积质量、孔隙率、孔结构的影响,并对发泡机理进行了探讨·增大制
图1 发泡试验装置图
Fi g .1 Schemati c of exPeri ment al set-uP f or f oa mi ng t est s
1 —炉体;2 —热电偶;3 —钢筒;4 —石英玻璃观察孔; 5 —坩埚;6 —铝坯;7 —控温仪·
2 结果与讨论
2 .1 压制压力对泡沫铝发泡的影响 压制一般包括装模、压制、脱模等工序·将原
[2 ] 王祝堂· 泡沫铝材:生产工艺、组织性能及应用市场[J ]· 轻合金加工技术,1999 ,27(12 ):1 -5·
( Wang Z T. Al u mi nu m f oa ms : producti on processes , struct ure and properties ,applicati ons and mar ket[J ]. Light Alloy Machining Technology ,1999 ,27(12 ):1 -5 . ) [3 ] 左孝青,杨晓源,李成华· 多孔泡沫金属研究进展[J ]· 昆 明理工大学学报,1997 ,22(1 ):90 -93· (Zuo X ,Yang X Y,Li C ~. Develop ments of research wor k on f oa med metal[J ]. Journal of Kun ming Unioersit y of Science and Technology ,1997 ,22(1 ):90 -93 . ) [4 ] Banhart J . Manuf act ure ,characterizati on and applicati on of cell ular metals and metal f oa ms[J ]. Progress in Materials Science ,2001 ,46(2 ):559 -632 . [5 ] Yang C C,Nakae ~. Foa mi ng characteristics control duri ng producti on of al u mi nu m alloy f oa m[J ]. Journal of Alloys and Co mPounds ,2000 ,313(6 ):188 -191 . [6 ] Banhart J . A desi gn gui de metal f oa ms and porous metal struct ure[J ]. Case St udies ,2000 ,30(5 ):217 -219 .

·
本文作者采用粉末冶金方法对制备泡沫铝材料过
程中制坯压力与发泡温度对泡沫铝的体积质量及
孔隙率、孔结构等工艺参数进行了研究·
1 试验方法
!"! 保护方式 由于纯铝在高温下极易氧化,金属坯的表面
上会形成氧化膜,而这些氧化膜的熔点很高,因此
会出现金属坯不熔化而无法发泡的现象·为了阻 止铝的氧化,需要采取一定的保护措施,一般采用
的升高,孔壁变薄,孔径增大,但温度过高时,有连
通孔存在,孔径不均匀· 2 .3 发泡机理
试验结果表明,发泡温度有一最佳的范围,高
于或低于这个温度对所形成的泡沫铝材料均有不
良影响·铝的熔点为660 C ,若温度低于熔点温度, 氢化钛分解产生的氢气被压制在未熔融的金属铝
基体中不能够发泡;当温度在铝熔点附近,半熔状
铝零件,质量可减少30 % 以上,且抗震性也有较 大的提高·德国的 Fraunhof er 应用材料研究所在 这方面进行了深入的研究,并取得了突破性的成
就·已能够制备出三明治式复合泡沫铝材用于轿
车的顶盖板[6 ,7 ]·我国也有一些研究院所在这方
面进行了研究,并取得了一定的进展[8 ,9 ]·其他方
熔融的熔盐中,并开始计时·金属坯开始被加热,可 以通过石英玻璃观察孔观察到发泡情况·待发泡至 一定时间取出,迅速冷却,得到泡沫铝材料·剖开泡 沫铝,可以观察到其内部的结构,也可以通过扫描
仪观察其微观结构·泡沫铝的体积可用排水法测 得,体积质量及孔隙率可用下列公式计算:
! = m/V;" =(#0 -#)/#0 X100 % · 式中,! 为泡沫铝的体积质量;V 为泡沫铝的体
3结 论
用纯铝粉作原料,采用粉末冶金的方法制备泡 沫铝材料是可行的·制坯压力对泡沫铝的孔结构有 影响,增大压制压力使得金属坯致密,可以得到孔 结构均匀的泡沫铝材料;发泡温度也是影响发泡的
主要因素之一,发泡温度控制在高于铝或铝合金熔
点同时保持熔体具有一定粘度的范围内,能够得到
孔结构均匀、高孔隙率的泡沫铝材料·最后确定的
第24 卷
积;! 为泡沫铝的质量;! 为泡沫铝的孔隙率;"0 为实体铝的体积密度;" 为泡沫铝的体积密度·
这些通道中跑出来,因此得到的泡沫铝材料有椭 圆形的大而贯通的孔,泡沫铝表面有许多不规则 的椭圆形裂纹,这是造成孔隙不均匀的直接原因· 试样剖面图4b 显示,试样的中间有较大的椭圆形 孔,边缘有许多不规则的椭圆形的孔· 这说明压 制压力小,颗粒之间的体积质量不足且多孔,发泡 时氢气首先从表面逸出,而内部的气体随后从连 通的通道中跑出·
相关文档
最新文档