泡沫鋁復(fù)合材料負(fù)壓滲流工藝的研究及缺陷分析

武建國，王錄才，王 芳（太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

泡沫金屬是一種新型的多孔功能材料，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，在各個(gè)行業(yè)都有廣泛的用途。相關(guān)研究表明在單純泡沫鋁孔洞中分別滲入松香、環(huán)氧樹脂、環(huán)氧樹脂加填料等高阻尼材料，制備出泡沫鋁復(fù)合材料，與單純的泡沫鋁相比阻尼性能提高了許多。本文利用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，對復(fù)合ZrO2陶瓷球的泡沫鋁復(fù)合材料的制備負(fù)壓吸鑄工藝進(jìn)行了研究。通過正交實(shí)驗(yàn)分析了填料預(yù)熱溫度A、澆注溫度B、填料尺寸C及滲流負(fù)壓D對滲流過程的影響，獲得各因素對指標(biāo)（滲流深度）影響的主次關(guān)系。在實(shí)驗(yàn)室條件下，理論分析總結(jié)了各工藝參數(shù)對滲流過程的影響規(guī)律和選取原則，并對滲流泡沫復(fù)合試樣的常見缺陷及產(chǎn)生原因進(jìn)行了探討。試驗(yàn)結(jié)果為泡沫復(fù)合材料的性能研究奠定了基礎(chǔ)。

1 負(fù)壓滲流試驗(yàn)

1.1 滲流試驗(yàn)原理

復(fù)合ZrO2陶瓷球泡沫鋁滲流工藝原理如圖1。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（ZrO2陶瓷球+鹽粒子）預(yù)制體定位，周圍均勻填充鹽粒子后緊實(shí)并澆入液態(tài)金屬，在固體壓頭、充氣氣壓、負(fù)壓吸鑄作用下，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)ZrO2陶瓷顆粒的泡沫鋁試樣。

1.2 負(fù)壓滲流試驗(yàn)流程

圖1 復(fù)合泡沫材料滲流鑄造法充型方示圖

本文采用負(fù)壓吸鑄滲流工藝，其工藝流程如圖2。

圖2 負(fù)壓吸鑄滲流法工藝流程

2 正交試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

復(fù)合預(yù)制體孔隙率為40%，試驗(yàn)中選取填料預(yù)熱溫度A、澆注溫度B、滲流負(fù)壓C、ZrO2陶瓷球含量D典型參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)。正交試驗(yàn)因素水平如表1所示。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)4因素3水平的試驗(yàn)要求，不考慮因素的交互作用，本文采用L9（34）正交表，實(shí)驗(yàn)方案和結(jié)果如表2所示。表中考察指標(biāo)為滲流高度。試驗(yàn)中幾組數(shù)據(jù)滲流過程中鋁液發(fā)生泄漏，滲流高度是按復(fù)合填充體殘留金屬液能充滿的孔隙高度統(tǒng)計(jì)。由表2知，各因素對指標(biāo)的影響的主次關(guān)系為：A＞C＞B＞D，獲取試樣如圖3。

3 滲流工藝參數(shù)選擇

表2 正交試驗(yàn)方案和結(jié)果

3.1 鋁液溫度的選擇

圖4為金屬液滲入填料體的模型和溫度分布［2］，該填料體平均預(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(dòng)的鋁液隨著潛熱散失而逐漸凝固。同時(shí)，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。

圖3 復(fù)合泡沫鋁試樣

圖4 金屬液滲流模型和溫度分布

如果鋁液從 L面向右以速度 v（m/s）前進(jìn) dt時(shí)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——填充體的孔隙率，%。

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?！盍系拿芏龋琸g/m3；

H鋁——鋁液的凝固潛熱，J/kg；

C鹽?！盍系谋葻?，J/（kg·℃）。

根據(jù)傅里葉定律，將填充體簡化為一維導(dǎo)熱問題，在ΔL距離內(nèi)

取 Q1=Q2，得到

根據(jù)式（4），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)果一致，見表2。本次試驗(yàn)最佳澆注溫度為740℃～760℃。

3.2 填充體預(yù)熱溫度的選擇

根據(jù)表2，影響滲流結(jié)果的因素中，顆粒預(yù)熱溫度占據(jù)首位且在一定范圍內(nèi)與滲流高度成正比，本次試驗(yàn)最佳預(yù)熱溫度為480℃～500℃。指標(biāo)滲流高度由兩部分組成，其一為式（4）列出的鋁液過熱散失前的滲流高度，其二為滲流通道完全堵塞之前，鋁液的凝固潛熱仍可使鋁液滲流的高度（3）。兩部分滲流距離和為滲流總的高度，前者占主導(dǎo)地位，填料體預(yù)熱溫度的選擇可根據(jù)式（4）得出。將式（4）轉(zhuǎn)換得：

可得到填料體平均預(yù)熱溫度。本次實(shí)驗(yàn)測的其滲流速度為15.8 mm/s，將其代入上式，求得所需平均預(yù)熱溫度為492℃～508℃，比正交試驗(yàn)所得參數(shù)略高，原因?yàn)闆]有考慮金屬液過熱散失后的滲流，但可以作為預(yù)熱溫度的選取的依據(jù)。在保證填料體低部鹽粒子不小于的臨界預(yù)熱溫度以及平均溫度滿足上述值的前提下，采取在填料體高度方向上建立溫度梯度的方法，可以避免底座溫度過高而使真空室變形。具體方法為：不預(yù)熱模具底座及均流板，將加熱至指定溫度的模具與填料體在底座上靜置一定時(shí)間。此時(shí)填料近似一維導(dǎo)熱，利用能量守恒及傅立葉定律［4］求得建立溫度梯度時(shí)間t為：

式中為模具保溫出爐溫度，A為填料體截面積，L為總的滲流高度。試驗(yàn)得出模具保溫出爐溫度550℃，靜置導(dǎo)熱時(shí)間約為3min，上下溫差在62℃時(shí)，滲流效果良好。

3.3 滲流負(fù)壓的選擇

式中：u—— 滲流速度，m/s；

d—— 顆粒平均直徑，m；

v——鋁液黏滯系數(shù)，為鋁液動(dòng)力黏度與密度的比值。

將粒子直徑、鋁液的黏滯系數(shù)代入式6，獲得時(shí)REc=5×105，滲流速度接近于 1×103m/s。 顯然試驗(yàn)中鋁液的滲流速度＜＜1×103m/s，即鋁液滲流狀態(tài)為層流，可用達(dá)西定律［5］建立其滲流速度方程：

金屬液在多孔介質(zhì)中的滲流流動(dòng)狀態(tài)用臨界雷諾數(shù)Rec確定REc=5×105。為層流向紊流過度臨界值［4］。

式中λ為系數(shù)，取決于鄰近顆粒的影響，β為球形系數(shù)，影響滲流速度的因素有填料體（顆粒的形狀、緊實(shí)度、大?。B流金屬液（重度、動(dòng)力黏度）、壓力梯度有關(guān)。填料粒子、金屬液為本質(zhì)屬性，滲流速度與壓力梯度成正比，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。吸鑄負(fù)壓為0.05mPa時(shí)，由于金屬液的泄漏而引起滲流高度下降。本次試驗(yàn)中吸鑄負(fù)壓為0.04mPa時(shí)，滲流效果最好。

3.4 預(yù)制體陶瓷球含量

式中：A——F面的面積，m2；

K——填充體的孔隙率，%；

D——顆粒直徑，m；

η——鋁液動(dòng)力黏度kg/（m·s）；

λ——系數(shù)，取決于鄰近顆粒的影響；

v'——填充顆粒周圍鋁液滲流的局部平均動(dòng)速度；

β——球形系數(shù)。

球形陶瓷球β系數(shù)為1，而多角性形的鹽離子β系數(shù)在0.65～0.80，其平均值為0.73。預(yù)制體陶瓷球含量越高，其平均球形系數(shù)越大，滲流阻力越小，滲流速度加快。試驗(yàn)中含量0.04時(shí)，由于滲流阻力的急劇減小，金屬液發(fā)生少許泄漏，從而減弱了滲流效果。

用達(dá)西定律及司托克斯［5］對一個(gè)顆粒的層流阻力公式，推導(dǎo)得出滲流阻力公式：

4 試樣缺陷分析

在本次試驗(yàn)中，由于各滲流工藝參數(shù)的選取不當(dāng)，會產(chǎn)生各種不同的缺陷，常見的有如下三種。

4.1 滲流不足

由于鋁液滲流溫度低、復(fù)合填料體預(yù)熱平均溫度不足，滲流負(fù)壓過小，滲流阻力大的原因，造成鋁液未滲流到復(fù)合填料體底部即凝固，見圖5。

圖5 滲流不足缺陷示意圖

4.2 試樣塌陷

由于鋁液滲流溫度高、復(fù)合填料體預(yù)熱平均溫度過高，滲流負(fù)壓過大，滲流阻力過小的原因，造成鋁液滲流到復(fù)合填料體底部仍未凝固而發(fā)生泄露，致使試樣中金屬骨架強(qiáng)度不足，而出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象，見圖6。

圖6 試樣表面塌陷示意圖

4.3 孔洞

填料鹽離子強(qiáng)度不足，造成在緊實(shí)過程中，局部鹽粒被壓碎，金屬液無法滲流，生成集中孔洞，見圖7，同樣孔洞也會產(chǎn)生于試樣內(nèi)部，造成孔洞不均勻。

5 結(jié) 論

1）利用正交試驗(yàn)得出，工藝填料預(yù)熱溫度A、澆注溫度B、滲流負(fù)壓C、ZrO2陶瓷球含量D對滲流效果的影響主次為A＞C＞B＞D。

2）分析得出了澆注溫度、填料預(yù)熱溫度、滲流負(fù)壓與滲流高度的關(guān)系公式以及ZrO2陶瓷球含量對滲流高度的影響規(guī)律及關(guān)系公式。

3）由于滲流工藝參數(shù)選取不當(dāng)以及鹽粒子強(qiáng)度不足，復(fù)合泡沫鋁試樣會產(chǎn)生澆不足、表面塌陷、集中孔洞缺陷。

圖7 集中孔洞缺陷示意圖

［1］王芳，王錄才，牛雪.泡沫鋁合金的研究現(xiàn)狀［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2009（4）：51-54.

［2］武建國，王錄才.增強(qiáng)泡沫鋁復(fù)合材料制備工藝的研究［J］.鑄造設(shè)備與工藝.2010，（2）：24-27.

［3］張勇.泡沫鋁低壓滲流工藝及常見缺陷分析［J］.鑄造技術(shù)，2004（8）：596-599.

［4］楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)［M］.第3版.北京：高等教育出版社，1998：3-30，138-143.

［5］苑蓮菊，李振栓、武勝忠，等.工程滲流力學(xué)及應(yīng)用［M］.第1版.北京：中國建筑材料出版社，2001：1-14.