泡沫鋁夾芯板的粉末冶金制備工藝

劉 佳，祖國胤，盧日環(huán)，孫世亮

(東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110819)

泡沫鋁夾芯板的粉末冶金制備工藝

劉 佳，祖國胤，盧日環(huán)，孫世亮

(東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110819)

采用包套軋制法成功制備出了泡沫鋁夾芯板，該工藝使泡沫鋁夾芯板的面板與芯層達到了冶金結合.重點研究了發(fā)泡參數(shù)對泡孔生長的影響及泡孔的演變行為.結果表明:發(fā)泡溫度、冷卻速度與最終的發(fā)泡效果密切相關.發(fā)泡過程中，夾芯板芯層泡孔經(jīng)歷了氣泡的形核、長大和合并等過程.

泡沫鋁夾芯板;包套軋制;發(fā)泡參數(shù);泡孔演變

泡沫鋁夾芯板不僅具備泡沫鋁材料的特性，還克服了單純泡沫鋁強度較低等缺點，因而應用范圍大大拓展.泡沫鋁夾芯板質(zhì)量輕、比剛度及比強度高、能量吸收性能好，可在降低車輛的質(zhì)量、節(jié)能減排的同時提高駕駛的安全性.研究顯示，每送入軌道1kg有效質(zhì)量，發(fā)射費用就需要上萬美元，故泡沫鋁夾芯板相對密度小、強度高的特點在航空航天領域具有重大意義［1］.良好的吸聲性能、外觀美觀、易于加工等特性使泡沫鋁夾芯板在建筑領域也具有很大的應用潛力.綜上可見，未來泡沫鋁夾芯板可廣泛應用于汽車、航天、建筑、船舶、軍事等領域.目前，高性能泡沫鋁夾芯板的制備技術開發(fā)及應用制品設計越來越受到各國科研人員的重視，相信隨著對其研究的深入，其在國民經(jīng)濟和高技術領域中的重要地位將日益凸顯.

目前，泡沫鋁夾芯板主要采用膠黏法和包套軋制法制備.膠黏法具有工藝簡單、產(chǎn)品精度高等特點，但此法為物理連接方法，面板/芯層界面結合強度不高.近年來，祖國胤等提出采用復合軋制的技術路線制備發(fā)泡預制體，發(fā)泡后面板/芯層能夠實現(xiàn)界面冶金結合，使結合強度大大提高.但在復合軋制過程中存在粉末流失量大、成材率較低等問題.為了克服上述缺點，課題組在粉末復合軋制的基礎上開發(fā)出了包套軋制技術，顯著提高了泡沫鋁夾芯板的成品質(zhì)量.

泡沫鋁夾芯板兼具多孔材料及夾心結構特性，其泡孔結構對材料力學性能具有顯著影響，本文利用包套軋制法制備了泡沫鋁夾芯板，并對其泡孔結構的影響因素和演變規(guī)律進行了研究，以期為后續(xù)大規(guī)格泡沫鋁夾芯板的制備及汽車用應用制品開發(fā)提供參考.

1 實驗

本實驗的芯層材料采用空氣霧化法生產(chǎn)的鋁硅合金粉，面板材質(zhì)為3003鋁合金，成分如表1所示.發(fā)泡劑采用質(zhì)量分數(shù)為1.0%的氫化鈦粉末，氫化鈦粉末顆粒尺寸小于74 μm.

在包套軋制法制備發(fā)泡預制體的過程中，混料是關鍵性技術環(huán)節(jié)，混料球料比、混料時間、混料方式對粉末混合效果有很大影響.根據(jù)系統(tǒng)性的實驗探索，確定本實驗混料球料比為2.6∶1，混料時間為2 h.由于鋁管內(nèi)表面被大量的氧化膜及油脂覆蓋，會影響到界面的結合，實驗中先采用直徑為1 mm的鋼絲刷對鋁管內(nèi)表面進行機械處理，之后使用20 g/L的NaOH溶液對鋁管進行浸泡，以去除內(nèi)表面的氧化膜和油脂.包套軋制實驗在Φ500 mm二輥軋機上進行，軋制壓下率為60%～80%，軋制速度為0.1 m/s.將軋制后的樣品經(jīng)過線切割制得一定尺寸的發(fā)泡預制體，之后進行發(fā)泡實驗.實驗工藝流程圖如圖1所示.

表1 鋁硅合金和3003鋁合金的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Table 1 Chemical component(mass fraction)of Aluminum silicon alloy powder and 3003 Al alloy %

圖1 泡沫鋁夾芯板制備工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of aluminum foam sandwich panel

2 實驗結果分析

2.1 發(fā)泡參數(shù)對泡孔的影響

2.1.1 發(fā)泡時間對夾芯板發(fā)泡效果的影響

粉末冶金法制備泡沫鋁的過程中，發(fā)泡時間對于最終的發(fā)泡效果起到十分重要的作用.時間過長或過短都不利于制備泡孔均勻的夾心板，發(fā)泡時間過短時氫化鈦分解量太少，產(chǎn)生的氫氣量也就很少，并且此時芯層黏度過高，氣泡長大阻力大，不利于形成氣泡;時間過長雖然氫化鈦可以充分分解，產(chǎn)生大量氫氣，但此時芯層熔體的黏度大大降低，氣泡將繼續(xù)長大、運動，極易合并形成連通孔或是從面板裂紋處逸出.另外，發(fā)泡時間過長，面板就會熔化坍塌，最終得不到泡孔結構均勻、面板良好的泡沫鋁夾芯板.所以，最佳的發(fā)泡時間應該滿足發(fā)泡劑具有較好的釋氫量與分解速度，同時保持熔體有一定的黏度.研究發(fā)現(xiàn)，當發(fā)泡溫度為700℃時，發(fā)泡時間控制在40～60 s可達到較理想的發(fā)泡效果.圖2反映了在700℃發(fā)泡不同時間時泡沫鋁夾心板的泡孔結構演變過程.

由圖2可見，發(fā)泡時間在40～60 s時間段內(nèi)，泡孔結構較為完整均勻，并且隨著發(fā)泡時間的延長，泡孔均勻長大，面板平整，在達到最高膨脹率前未出現(xiàn)面板熔化現(xiàn)象，具有較好的發(fā)泡效果.

2.1.2 冷卻速度對夾芯板發(fā)泡效果的影響

對泡沫鋁夾芯板進行及時冷卻可以保證泡孔均勻、面板不出現(xiàn)熔化.理想的冷卻狀態(tài)應是發(fā)泡體內(nèi)外同時凝固，溫度梯度很小，使氣泡盡量保留在原位［2］.本研究中分析了模具內(nèi)冷卻、空冷及水冷對芯層凝固及冷卻能力的影響.包套軋制工藝制備泡沫鋁夾芯板過程中，當預制體達到預期的膨脹率后將發(fā)泡模具整體從發(fā)泡爐中取出，對發(fā)泡模具進行噴淋強冷，這種冷卻方式稱為模具內(nèi)冷卻.圖3為采用不同冷卻方式冷卻后的泡沫鋁夾芯板泡孔結構.

從冷卻速度來看，水冷冷卻速度最快，可使預制體迅速從熔融態(tài)凝固為固態(tài)，使泡沫結構保留下來.但根據(jù)相關文獻報道，對大尺寸樣品進行強制冷卻會使泡沫體內(nèi)部溫度梯度過大，出現(xiàn)不均勻的孔結構.本研究制備的均為小規(guī)格樣品，內(nèi)部溫度梯度較小.空冷的冷卻速度雖然不及水冷，但較模具冷卻要快.

圖3(a)為模具冷卻條件的夾心板泡孔結構，可以發(fā)現(xiàn)孔壁較薄，大尺寸連通孔較多.這是因為采用模具冷卻時冷卻速度較慢，造成芯層黏度的下降緩慢，泡孔結構不均勻，如果噴水強度不高還有可能造成面板熔化，破壞夾心板結構.圖3(b)為空冷條件下的夾心板結構，可見芯層沒有出現(xiàn)大尺寸的連通孔，泡孔結構較均勻.圖3(c)為水冷條件下的夾心板結構.可見對本工藝制得的小規(guī)格夾心板采用水冷方式冷卻時，雖然板材邊部孔徑稍小，中間泡孔稍大，但并不明顯，泡孔較均勻.從孔徑尺寸考慮，由于冷卻速度快，水冷式夾芯板孔徑尺寸較空冷時小.對小規(guī)格的夾心板樣品而言，采用空冷及水冷方式均可以獲得較好的發(fā)泡效果.

圖2 不同發(fā)泡時間的鋁基泡沫鋁夾心板泡孔結構演化和膨脹行為(發(fā)泡溫度700℃)Fig.2 Evolution of cell structures and expansion behavior of Al－based foams with foaming times (furnace temperature:700℃)(a)—30 s;(b)—40 s;(c)—50 s;(d)—60 s

圖3 不同冷卻方式下的泡孔形貌Fig.3 Cell structures with different type of cooling methods(a)—模具冷卻;(b)—空冷;(c)—水冷

2.2 泡孔的演變規(guī)律

關于用熔體發(fā)泡等制備方法制備泡沫鋁時泡孔演化的文獻很多［3～5］，而對粉末冶金法制備泡沫鋁夾芯板的泡孔結構演化的報道相對較少［6］.為了探究粉末冶金法制備夾芯板時其芯層泡孔結構的演化規(guī)律，對預制體發(fā)泡早期結構的變化進行了研究，進而探討了影響泡孔穩(wěn)定性的因素.圖4為發(fā)泡溫度700℃時預制體的早期泡孔結構演變圖.

發(fā)泡時間10 s時，芯層處于固態(tài)，氫化鈦釋放的氫氣壓力不足以使微孔長大，未形成明顯泡孔.預制體繼續(xù)加熱到16 s時，芯層軟化，發(fā)泡動力足夠，氫氣得以從氫化鈦中釋放并形成流動，匯集后形成小尺寸泡孔.泡孔形核應滿足公式(1)［3］.

式中:p為分解壓力(Pa)，從圖中可看出大部分微孔橫向擴展較縱向擴展傾向大，這是因為包套軋制過程中鋁合金粉末在軋制過程中受軋制力作用，沿軋向結合更緊密，導致芯層粉末形成各向異性.局部泡孔偏大的原因是在氣泡的形成初期，當兩個臨近的小尺寸泡孔擴展至一定距離內(nèi)后就會發(fā)生合并.另外，在混粉過程中局部氫化鈦的團聚會導致該區(qū)域發(fā)泡動力比其他區(qū)域更強，造成局部泡孔偏大.發(fā)泡時間為20 s時，芯層黏度下降、泡孔長大，且由于大量吸收熱量，已經(jīng)能夠形成液膜.在氣泡形核之后，氫化鈦分解產(chǎn)生的氣體向氣泡核擴散長大，氣泡分解方程可以用公式2表示［5］.由于本實驗工藝下制得的泡沫鋁為閉孔結構，泡孔可近似視為封閉體系，故引用理想氣體狀態(tài)方程分析氣體流動行為.

圖4 預制體發(fā)泡初期的泡孔結構Fig.4 Evolution process of cell structure of aluminum foam sandwich in different times(a)—10 s;(b)—16 s;(c)—20 s;(d)—26 s

根據(jù)公式(2)推導可得公式(3).從式中可知，氣體長大速率與氫化鈦分解速率成正比.氣泡長大時主要受兩個力的作用，一個是氫化鈦分解的氫氣提供給氣泡的長大驅動力，而在液相或固相狀態(tài)下，靜壓力和表面張力的作用使氣泡有縮小的趨勢，只有當驅動力大于阻力時氣泡才會長大.氣泡長大過程中受泡沫本身膨脹及重力作用和毛細作用力的影響，孔壁變薄，局部泡孔之間的作用力越來越強，使部分泡壁產(chǎn)生彎曲.在發(fā)泡26 s時，孔隙率明顯增加.此時，芯層黏度進一步減小，因表面張力而產(chǎn)生的附加壓力進一步減弱，泡孔各向異性逐漸消失，較上一階段大部分小泡孔消失，大泡孔則繼續(xù)長大.這是因為根據(jù)Laplace方程，小直徑的泡孔氣體壓力明顯要比大直徑的泡孔氣體壓力大，于是當兩種泡孔靠近時，氣泡會從小直徑的泡孔穿過液膜進入到大的泡孔中，從而造成小泡孔消失，大直徑泡孔更大.局部泡壁氫化鈦分布過多時，集中爆炸式的釋放氣體也會使泡壁破裂，泡孔合并.圖5為泡孔破裂時的SEM圖.

圖5 泡孔破裂的SEM圖Fig.5 SEM images of pore ruptures

隨著發(fā)泡時間的繼續(xù)延長，芯層完全熔化，夾心板表面面板達到其熔點造成局部熔化.此時，通過擴散或孔壁破裂導致逃散的氣體很多，同時又無法通過原位產(chǎn)生的氣體加以補充，芯層泡孔開始大范圍合并坍塌.降低表面張力、增大熔體黏度及加強氣泡表面的吸附作用是延緩氣泡破裂的有效手段.

3 結論

(1)開發(fā)了泡沫鋁夾芯板的包套軋制－粉末冶金發(fā)泡技術.在軋制預制體的粉末冶金發(fā)泡過程中，發(fā)泡時間、冷卻速度與最終的發(fā)泡效果密切相關.本研究得到的最佳發(fā)泡工藝參數(shù)為:700℃發(fā)泡40～60 s，冷卻方式為水冷.

(2)發(fā)泡過程中，夾芯板芯層泡孔的演化經(jīng)歷氣泡的形核、長大和合并等階段.發(fā)泡初期，泡孔更容易沿橫向擴展，形成類裂紋孔.隨著發(fā)泡時間的延長，芯層黏度降低，泡孔沿縱向長大，小孔徑泡孔內(nèi)氣體流到大孔徑泡孔中使泡孔合并.

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Preparation of aluminum foam sandwich panel by powder metallurgy technology

Liu Jia，Zu Guoyin，Lu Rihuan，Sun Shiliang

(School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，China)

Aluminum foam sandwich panels were successfully prepared by the powder－filled tube rolling process，this process provides a metallurgical combination between panels and core materials.Influence of the foaming parameters on foam structure and evolution of the foam structure were researched.The results showed that the foaming temperature and the cooling speed are closely related to the foaming result.During the foaming process，the bubble holes in the core layer go through a nucleation，growth and a coalescence procedure and etc.

aluminum foam sandwich panel;power filled tube rolling;foaming parameters;cell evolution

TF 125

A

1671-6620(2014)02-0152-05

2013-10-26.

國家自然科學基金項目 (U13332110);教育部中央高?；究蒲袠I(yè)務費項目 (N120502003);遼寧省百千萬人才工程資助項目 (2013921071).

劉佳 (1989—)，男，東北大學碩士研究生.

祖國胤 (1977—)，男，東北大學副教授，E－mail:zugy@smm.neu.edu.cn.