增強(qiáng)泡沫鋁復(fù)合材料制備工藝的研究

武建國，王錄才

（太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

泡沫鋁合金材料具有密度小、孔隙率高、比表面積大等特征，它在導(dǎo)電、導(dǎo)熱、吸音、吸能、減震及電磁屏蔽等方面具有良好的性能，在機(jī)械、建筑、能源、化工、冶金、交通、航空等領(lǐng)域都有廣泛的用途，但是單純的泡沫鋁合金材料由于其在抗沖擊，耐磨損方面性能較差，使其應(yīng)用范圍和前景受到很大的限制。利用ZrO2陶瓷球具有高密度、高硬度、高韌性、高耐磨損、無污染等的特性，在泡沫鋁中復(fù)合ZrO2陶瓷球不但可以充分吸收沖擊彈丸能量，而且在強(qiáng)度、耐磨性上都有了很大的提高。本文首先制備鹽粒子與ZrO2陶瓷球復(fù)合預(yù)制體，對復(fù)合泡沫鋁試樣的壓鑄滲流工藝進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析總結(jié)了滲流工藝參數(shù)澆注溫度、模具與填料體的預(yù)熱溫度、預(yù)熱升溫速度對滲流過程的影響規(guī)律，并對泡沫金屬純鋁、ZL102的滲流工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。制備了不同孔隙率、胞體尺寸、ZrO2陶瓷球含量的復(fù)合泡沫鋁材的試樣為后續(xù)性能研究奠定了基礎(chǔ)。

1 壓鑄滲流試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)條件

材料：ZrO2陶瓷球，純鋁，ZL102，直徑為 0.1mm～0.2mm、0.8mm～1.2mm 鹽粒子

設(shè)備：茂福爐，自制壓鑄滲流模具一套，熔化及澆注設(shè)備一套。

1.2 預(yù)制體制備工藝

ZrO2陶瓷球球具有高密度、高硬度、高韌性等特點(diǎn)，普通硬合金刀具無法加工，為獲得尺寸為φ30×50（mm）復(fù)合泡沫材料試樣，必須先將陶瓷球利用預(yù)制體固定在試樣尺寸范圍內(nèi)。預(yù)制體制備工藝流程如圖1，主要過程分為鹽粒和陶瓷球的準(zhǔn)備、模具的準(zhǔn)備、均勻混合、填充、燒結(jié)硬化和脫模，復(fù)合材料預(yù)制體試樣見圖2。

1.3 壓鑄滲流工藝原理

壓鑄滲流工藝原理如圖3。首先在模具底部填充一定高度的鹽粒子并緊實(shí)，再將制作好的復(fù)合材料預(yù)制體定位于其中心，將預(yù)制體周圍均勻填充鹽粒子緊實(shí)后澆入液態(tài)金屬，在壓頭壓力作用下，進(jìn)行滲流，獲得金屬-填料復(fù)合體，凝固冷卻后，將預(yù)制體周圍的金屬-鹽粒復(fù)合體加工掉，清理出鹽顆粒即可獲得復(fù)合陶瓷顆粒的泡沫鋁試樣。

圖2 陶瓷復(fù)合鹽粒子預(yù)制體示意圖

圖3 壓鑄滲流工藝圖

1.4 壓鑄滲流工藝流程

壓鑄滲流工藝流程如圖4所示：其過程主要有鹽粒子和芯子的準(zhǔn)備、芯子定位、造型、填料體和模具的預(yù)熱、熔煉、壓鑄、加工、清理。

2 試驗(yàn)方案與結(jié)果

試驗(yàn)方案和所得到的結(jié)果如表1所表示。實(shí)驗(yàn)分三組；1）預(yù)制體充填率為56%，鹽顆粒的直徑為0.8mm～1.2mm，澆鑄金屬為純鋁；2）預(yù)制體充填率為 67%，鹽顆粒的直徑為 0.1mm～0.2mm，澆鑄金屬為鋁硅。3）預(yù)制體充填率75%，鹽顆粒的直徑為0.8mm～1.2mm，澆鑄金屬為純鋁。 3 組試驗(yàn)預(yù)制體中陶瓷球與鹽粒體積比分別為 1∶5，2∶3。預(yù)制體周圍鹽粒與各預(yù)制體充填率相等。

表1 滲流實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果分析及參數(shù)優(yōu)化

通過實(shí)驗(yàn)可知，利用以上壓鑄滲流工藝可以成功制備陶瓷顆粒增強(qiáng)泡沫鋁復(fù)合材料試樣，所獲試樣如圖5。

影響滲流結(jié)果的主要因素為澆注溫度、填料及模具的預(yù)熱溫度、預(yù)熱升溫速度、預(yù)制體陶瓷顆體積分?jǐn)?shù)。

3.1 澆注溫度

圖6為金屬液滲入填料體的模型和溫度分布，該填料體預(yù)熱溫度為t0，鋁液和溫度低的顆粒一邊進(jìn)行熱交換，一邊前進(jìn)，逐漸降溫至 TE，其間行進(jìn)了ΔL，超過ΔL向前流動的鋁液隨著潛熱散失而逐漸凝固。同時，在LF之間存在溫度梯度，F(xiàn)面有熱流向右傳遞，使 F面生成的凝固殼再熔化，因此可以認(rèn)為從 F面向右側(cè)流入的鋁液生成固相的速度和向F面?zhèn)鬟f熱量使之再熔化的速度相等的位置，就是鋁液真正變成固體的位置。

如果鋁液從 F面向右以速度 V（m/s）前進(jìn)dt時間內(nèi)，在顆粒周圍形成的凝固相體積為V（m3），則

式中:Sm——鋁液的固相率，%；

A——F面的面積，m2；

K鹽?！w粒的孔隙率，%。因此把固相V再溶化所必須的熱量Q1為：

式中：ρ鋁——鋁液的密度，kg/m3

ρ鹽?！盍系拿芏?，kg/m3

H鋁——鋁液的凝固潛熱，J/kg

C鹽?！盍系谋葻幔琂/（kg×℃）

根據(jù)傅里葉定律，將圖模型簡化為一維導(dǎo)熱問題，在ΔL距離內(nèi)

取 Q1=Q2，得到

這就是金屬液過熱后，在凝固潛熱消失之前的滲流長度。從式（4）可看出，ΔL與過熱度成正比，與顆粒預(yù)熱溫度t0也成正比，該結(jié)論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相互吻合，見圖 7、圖 8。

圖8 ZL102鋁液滲流深度隨澆注溫度變化曲線

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得出圖7、8曲線，如圖所示，在預(yù)熱溫度和陶瓷球比例不變時，滲流深度開始隨澆注溫度增加而增加，但純鋁澆注溫度上升至820℃，鋁硅澆注溫度上升至為770℃后，滲流深度開始隨澆注溫度的升高而減低。分析其原因歸為：澆注溫度過高，金屬液容易從液模具底部泄露流失導(dǎo)致滲流不完全；澆注溫度過高也使與壓頭接觸的溶液無法及時凝固而向上翻起進(jìn)入壓頭與模具的縫隙中凝固，致使?jié)B流壓力急劇增大，延緩了滲流的進(jìn)行，使金屬液在沒有滲流完全時凝固，減小了滲流深度見圖9。

綜合分析純鋁的最佳澆注溫度為805℃～815℃，鋁硅合金的最佳澆注溫度為760℃～770℃，滲流完全金屬-填料復(fù)合體見圖10。

圖9 滲流不足示意圖

圖10 金屬復(fù)合填料體剖面

3.2 填料與模具的預(yù)熱

根據(jù)式4，填料與模具預(yù)熱溫度與滲流深度呈正比，但過高會造成鹽顆粒局部燒結(jié)增大滲流阻力，同時也會延緩金屬液凝固，相當(dāng)于提高澆注溫度，見圖8。如圖所示，澆注溫度同為770℃，預(yù)熱溫度由560℃提高到570℃時，金屬液發(fā)生泄露，滲流深度減小了5mm。澆注溫度過低則使金屬液與填料粒子產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱量交換，使包裹在粒子周圍的金屬液迅速形成凝固殼，并不斷加厚，在粒子間隙中未凝固的液體形成不連續(xù)體，從而阻斷了滲流通道。綜合分析優(yōu)化預(yù)熱溫度為；純鋁為600℃～610℃；鋁硅為560℃～570℃。

在預(yù)熱過程中，升溫速度過快會使填料體由于受熱不均勻而產(chǎn)生裂紋，致使?jié)B流后的金屬-填料復(fù)合體中出現(xiàn)金屬帶，減低了泡沫試樣的通孔度見圖11。綜合分析，填料體最好與模具隨爐一同升溫，或?qū)㈩A(yù)熱升溫速度控制在5℃/min～10℃/min，不可以直接放在溫度已至預(yù)熱溫度的爐中直接保溫。

圖11 金屬帶缺陷示意圖

4 結(jié) 論

1）采用預(yù)制陶瓷顆粒和鹽粒復(fù)合芯及加壓鑄滲流工藝成功制備了陶瓷球增強(qiáng)泡沫鋁復(fù)合材料，獲得了尺寸為φ30mm×50mm、孔隙率為56%～75%、陶瓷球尺寸為φ1mm，陶瓷球與鹽粒體積比例為 1∶5、2∶3 的試樣。

2）分析了各工藝參數(shù)對滲流結(jié)果的影響規(guī)律及機(jī)理，獲得試驗(yàn)條件下的最有參數(shù)為：澆注溫度：純鋁為805℃～815℃，鋁硅為760℃～770℃，預(yù)熱溫度：純鋁為600℃～610℃；鋁硅為560℃～570℃。

3）預(yù)熱升溫速度過高，在泡沫復(fù)合材料出現(xiàn)金屬帶，減低了泡沫復(fù)合材料的通孔度。

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