氫化鈦預(yù)氧化處理和發(fā)泡溫度對(duì)Al-7Si閉孔泡沫鋁泡孔結(jié)構(gòu)的影響

楊旭東，謝明睿, 鄒田春，縱榮榮

(1 中國民航大學(xué) 中歐航空工程師學(xué)院，天津 300300；2 中國民航大學(xué) 適航學(xué)院，天津 300300；3 天津金力研汽車工程技術(shù)有限公司，天津 300392)

泡沫鋁具有獨(dú)特的力學(xué)與功能特性[1-4]，被廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通、汽車制造、國防軍事等領(lǐng)域[5-7]。泡沫鋁既可通過合金化、復(fù)合化改性發(fā)揮高比強(qiáng)度、高比模量、導(dǎo)電導(dǎo)熱、電磁屏蔽等優(yōu)勢[8-12]，又可與薄壁管、金屬板等傳統(tǒng)致密金屬元件結(jié)合從而具備緩沖吸能、高阻尼等特點(diǎn)，因此具有廣泛的工程應(yīng)用[13-14]。其中，閉孔泡沫鋁由于泡孔間不連通，具有獨(dú)特壓縮吸能特性，是當(dāng)前輕量化材料的研究熱點(diǎn)之一。閉孔泡沫鋁制備方法主要有注氣法、熔體發(fā)泡法、粉末冶金發(fā)泡法等[15-19]。近年來，粉末冶金發(fā)泡法由于其可精確調(diào)整粉末成分和含量，材料利用率高，可直接成型復(fù)雜形狀產(chǎn)品等優(yōu)勢備受關(guān)注[20-22]。該制備工藝通過冷壓、熱壓、軋制等工藝將充分混合的基體粉末和發(fā)泡劑致密化為可發(fā)泡預(yù)制體，將預(yù)制體放入發(fā)泡爐中，一段時(shí)間后預(yù)制體呈熔融狀態(tài)，其內(nèi)部的發(fā)泡劑分解形成泡孔，冷卻后獲得泡沫鋁試樣。You等[23]采用常規(guī)粉末冶金發(fā)泡法成功制備了孔隙率為60%～80%的閉孔泡沫鋁，發(fā)現(xiàn)發(fā)泡劑含量或者發(fā)泡溫度過高會(huì)導(dǎo)致泡孔均勻程度降低，二者過低則導(dǎo)致膨脹率和孔隙率較低。Rack等[24]采用粉末冶金發(fā)泡法制備了Al-7Si和Al-6Si-4Cu泡沫鋁合金，發(fā)現(xiàn)Cu元素的加入改變了泡孔成核位點(diǎn)來源、分布和泡沫成核過程。Uzun[21]采用粉末冶金發(fā)泡法制備了SiC和CNTs增強(qiáng)鋁基復(fù)合泡沫，研究表明CNTs和SiC可顯著影響預(yù)制體發(fā)泡膨脹行為，兩者的加入可提高試樣的楊氏模量和平臺(tái)應(yīng)力。

制備工藝參數(shù)對(duì)泡沫鋁微觀組織、泡孔結(jié)構(gòu)和孔壁強(qiáng)度具有顯著影響，從而決定了閉孔泡沫鋁的力學(xué)性能和吸能特性。目前，關(guān)于粉末冶金發(fā)泡法制備工藝參數(shù)對(duì)泡沫鋁性能影響，研究主要集中于預(yù)制體原材料的選擇和處理以及發(fā)泡過程控制方式。Mukherjee等[25]研究了采用粉末冶金法制備的泡沫鋁試樣中微孔的產(chǎn)生機(jī)理和控制方式，發(fā)現(xiàn)選擇合適的基體合金，延長發(fā)泡時(shí)間可降低不規(guī)則微孔和裂紋的產(chǎn)生。Muduli等[26]研究了氫化鈦熱處理對(duì)閉孔泡沫鋁合金泡孔結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明氫化鈦在基體完全熔融后達(dá)到最大釋氣狀態(tài)可獲得良好泡孔結(jié)構(gòu)，此外，固態(tài)和半固態(tài)階段氫化鈦釋氣量對(duì)泡孔結(jié)構(gòu)有較大影響。Papantoniou等[19]探討了粉末冶金發(fā)泡工藝中粉末形貌、壓制壓力和發(fā)泡溫度對(duì)發(fā)泡效率、試樣泡孔結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)細(xì)鋁粉、高壓制壓力(700 MPa)和高發(fā)泡溫度(800 ℃)可獲得高發(fā)泡效率，試樣平臺(tái)階段處應(yīng)力波動(dòng)較小。Lehmhus等[27]采用粉末冶金發(fā)泡法制備了Al-7Si閉孔泡沫鋁合金，發(fā)現(xiàn)相比于微量合金元素添加量，冷卻速率對(duì)晶粒細(xì)化效果的影響更為顯著。然而，常規(guī)粉末冶金發(fā)泡工藝存在制備工藝復(fù)雜，發(fā)泡時(shí)間較長，對(duì)泡孔結(jié)構(gòu)控制程度低等問題。

針對(duì)傳統(tǒng)制備工藝存在的問題，本課題組改進(jìn)發(fā)泡工藝，使用高導(dǎo)熱發(fā)泡模具作為導(dǎo)熱部件制備閉孔泡沫鋁合金材料[28]。相比于常規(guī)半開放式發(fā)泡環(huán)境，發(fā)泡模具的引入使熱傳導(dǎo)面積大幅度增加，在保證受熱均勻的同時(shí)提高了導(dǎo)熱效率，縮短了發(fā)泡時(shí)間。由于模具側(cè)壁的約束作用，試樣膨脹方向固定，這有助于減少由于試樣橫向膨脹帶來的膨脹效率的損失。此外，模具導(dǎo)熱發(fā)泡對(duì)預(yù)制體致密度要求較低，預(yù)制體冷壓后可直接放入模具中發(fā)泡，大幅度精簡了制備工藝。在前期研究基礎(chǔ)上，本工作采用發(fā)泡模具的粉末冶金發(fā)泡法制備Al-7Si閉孔泡沫鋁，系統(tǒng)研究了氫化鈦預(yù)處理和發(fā)泡溫度對(duì)泡沫鋁膨脹率、孔隙率、孔徑等泡孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，探討了高導(dǎo)熱模具對(duì)泡沫鋁發(fā)泡行為的影響機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 原材料制備

實(shí)驗(yàn)采用粉末冶金快速發(fā)泡法制備閉孔泡沫鋁試樣，制備工藝流程圖如圖1所示，具體如下：使用管式電阻爐將平均粒徑為45 μm氫化鈦(純度99%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司)在空氣環(huán)境下以一定溫度和時(shí)間進(jìn)行預(yù)氧化處理，之后使用混料機(jī)將其與平均粒徑為75 μm純鋁粉(純度99%，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司)、平均粒徑為65 μm純硅粉(純度99%，天津市元立化工有限公司)充分混合。將混合粉末在500 MPa條件下單軸壓縮制備可發(fā)泡預(yù)制體，隨后將發(fā)泡預(yù)制體放入在設(shè)定溫度下預(yù)熱的模具中加熱一定時(shí)間，最后將模具與試樣一同拿出，快速水冷后得到泡沫鋁試樣。其中，模具由主體和底座兩部分組成，模具主體與底座可通過旋轉(zhuǎn)進(jìn)行組合與分離。預(yù)制體在組合后的模具中發(fā)泡，發(fā)泡過程結(jié)束，模具冷卻后分離便于取出樣品。鋁粉和硅粉SEM形貌如圖2所示，可見多數(shù)鋁粉顆粒呈骨狀，少數(shù)呈紡錘狀和球形，硅粉表面呈多棱角方塊狀。

圖1 粉末冶金快速發(fā)泡法制備工藝流程示意圖Fig.1 Process flow diagram of powder metallurgy rapid foaming method

圖2 鋁粉(a)與硅粉(b)SEM圖片F(xiàn)ig.2 SEM micrographs of Al powders (a) and Si powders (b)

1.2 表征方法

氫化鈦熱重-差熱數(shù)據(jù)采用STA 449F3熱重-差熱分析儀測得。將40～60 mg粉末放入充滿氬氣環(huán)境的氧化鋁加蓋坩堝中并從40 ℃升溫至800 ℃，加熱速率為10 ℃/min以測量熱重-差熱數(shù)據(jù)。氫化鈦顆粒粒徑、Al-7Si泡沫泡孔面積等數(shù)據(jù)采用ImageJ v1.49測量，等效直徑、圓度、面孔隙率分別通過公式(1)～(3)得出。其中，dn,fcs分別為第n個(gè)等效泡孔直徑和圓度；An,Pn分別為該泡孔截面積和周長；ps為面孔隙率；A為截面面積。當(dāng)fcs取值為1時(shí)，泡孔呈圓形。使用軟件ImageJ 1.52a對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理并得到相關(guān)泡孔結(jié)構(gòu)參數(shù)。由于圖片清晰度存在測量誤差，因此泡孔孔徑小于500 μm不在考慮范圍內(nèi)。泡沫鋁試樣微觀組織形貌采用掃描電子顯微鏡(SEM，Hitachi S-3400 N)觀察和表征。

(1)

(2)

(3)

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)氧化處理對(duì)Al-Si泡沫的影響

圖3為不同預(yù)處理?xiàng)l件下氫化鈦粉末SEM圖，其中右上角插入圖為粉末宏觀形貌。由宏觀粉末可知，隨著預(yù)氧化處理溫度的升高，氫化鈦粉末由最初的灰色轉(zhuǎn)變?yōu)樯钏{(lán)色(450 ℃，1 h)、藍(lán)色(500 ℃，1 h)、藍(lán)綠色(550 ℃，1 h)，這是由于隨著溫度的升高氫化鈦表面預(yù)氧化程度逐步提高，生成的含鈦氧化物種類逐漸增加[29-31]。由圖3(a)可以看出，未氧化處理的氫化鈦粉末顆粒較為平坦，粉末顆粒棱角分明，粒徑范圍從幾百納米到幾十微米均有分布。由圖3(b)～(d)可以看出，粉末粒徑隨預(yù)氧化溫度的提高而降低，細(xì)小顆粒數(shù)量大幅度增加，更多小顆粒附著于大顆粒表面。

圖3 不同預(yù)氧化處理?xiàng)l件下氫化鈦粉末SEM圖(a)未處理；(b)450 ℃，1 h；(c)500 ℃，1 h；(d)550 ℃，1 hFig.3 SEM images of TiH2 powders with different pre-oxidation treatment conditions(a)untreated;(b)450 ℃, 1 h;(c)500 ℃, 1 h;(d)550 ℃, 1 h

圖4(a),(b)分別為不同預(yù)氧化處理?xiàng)l件下制備的氫化鈦在氬氣環(huán)境中測得的熱重和差熱曲線。其灰色區(qū)域(見圖4(b))為根據(jù)文獻(xiàn)[26]得出的Al-7Si基體合金熔融溫度區(qū)間。由圖4可知，隨著預(yù)氧化溫度的升高和時(shí)間的延長，氫化鈦開始分解溫度(onset decomposition temperature of TiH2，Tonset)、最大分解速率溫度(peak hydrogen release temperature，TPHRT)均隨之提高。這是由于氫化鈦表面的含鈦氧化層在加熱過程中逐步增厚，阻礙氫化鈦分解，減少熔融過程中鈦與鋁、硅等元素反應(yīng)，降低氫化鈦分解速率[25,31]。預(yù)氧化處理促使氫化鈦表面游離氫耗散的同時(shí)，生成的氧化層可降低剩余游離氫的耗散，縮短氫化鈦釋氫區(qū)間[32]。由圖4(a)可以看出發(fā)泡溫度相比于發(fā)泡時(shí)間對(duì)氫化鈦Tonset,TPHRT以及發(fā)泡階段分解速率的影響更為明顯。由圖4(b)可知，450 ℃預(yù)處理溫度下氫化鈦TPHRT位于Al-7Si熔融范圍且僅有單一吸熱峰，500 ℃預(yù)處理溫度下氫化鈦高于Al-7Si熔點(diǎn)且具有兩個(gè)吸熱峰。由于高預(yù)處理溫度下大量氫化鈦小顆粒附著于大顆粒表面，在氫化鈦分解過程中小顆粒吸熱降低大顆粒分解速率，提高大顆粒分解溫度，使得氫化鈦小顆粒與大顆粒分解不同步形成多個(gè)吸熱峰。一般認(rèn)為，獲得良好泡孔結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵在于基體熔融狀態(tài)下氫化鈦以最大速率進(jìn)行分解[26]。相比于多個(gè)吸熱峰，單個(gè)吸熱峰所需熔融區(qū)間更小，適用的合金范圍更廣。當(dāng)溫度達(dá)到TPHRT時(shí)，具有單個(gè)吸熱峰的氫化鈦對(duì)氫氣利用率最高，有助于試樣獲得較高膨脹率。此外，具有次吸熱峰占比的氫化鈦會(huì)導(dǎo)致釋氣速率波動(dòng)較大，易形成分布不均的泡孔。對(duì)比可知，在450 ℃, 90 min條件下預(yù)氧化處理的氫化鈦相比于其他預(yù)處理氫化鈦具有更高的吸熱峰值和更低的消耗率。

圖4 不同預(yù)氧化處理?xiàng)l件下氫化鈦TG曲線(a)和DSC曲線(b)Fig.4 TG curves (a) and DSC curves (b) for TiH2 with different pre-oxidation treatment conditions

進(jìn)一步對(duì)比預(yù)處理對(duì)試樣泡孔結(jié)構(gòu)影響如圖5所示。已有研究表明[19,26,33]，截面長度≥25 mm的試樣可以作為膨脹率、泡孔結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能的研究對(duì)象。本課題組經(jīng)過前期的探索[28]，確定發(fā)泡模具內(nèi)徑尺寸為38 mm時(shí)制備的試樣泡孔形狀和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，所獲得的樣品滿足實(shí)驗(yàn)測試和分析的需求。由圖5(a)可知，使用未預(yù)氧化處理的氫化鈦?zhàn)鳛榘l(fā)泡劑制備的泡沫鋁膨脹率較低，泡孔相互連通且多為裂紋狀連通孔。這是由于未預(yù)處理的氫化鈦Tonset與基體熔點(diǎn)相差過大，氣泡垂直膨脹阻力過大導(dǎo)致其橫向擴(kuò)展合并。由圖5(b)～(e)可見，經(jīng)過預(yù)氧化處理后泡沫鋁膨脹率大幅度提高，泡孔個(gè)數(shù)增多且無裂紋狀泡孔。隨著預(yù)處理溫度的提高，試樣膨脹率逐步降低。氫化鈦預(yù)處理溫度為500 ℃的試樣中部出現(xiàn)巨大孔，這是因?yàn)闅浠佋陬A(yù)處理過程中分解過多，導(dǎo)致有效發(fā)泡劑含量降低，釋氣驅(qū)動(dòng)力下降。此外，多個(gè)吸熱峰使得發(fā)泡穩(wěn)定性降低，泡孔不均勻程度增加。綜上所述，450 ℃, 90 min氫化鈦在匹配基體熔點(diǎn)的同時(shí)最大程度保留其釋氫能力，作為發(fā)泡劑可與Al-7Si基體有效匹配。此外，此種預(yù)處理方式可最大限度地降低生成的氧化物含量，減少氧化物顆粒對(duì)泡沫金屬脆性的影響。因此，確定450 ℃, 90 min為氫化鈦預(yù)處理方式，進(jìn)一步研究發(fā)泡溫度對(duì)泡沫鋁泡孔結(jié)構(gòu)的影響。

圖5 發(fā)泡溫度為720 ℃，發(fā)泡時(shí)間為130 s，不同預(yù)處理的氫化鈦發(fā)泡制備試樣泡孔結(jié)構(gòu)(a)未處理；(b)450 ℃，90 min；(c)450 ℃，180 min；(d)500 ℃，90 min；(e)500 ℃，180 minFig.5 Cell structure of the sample prepared by TiH2 foaming with different pretreatment processes at the foaming temperature of 720 ℃ for the foaming time of 130 s (a)untreated;(b)450 ℃, 90 min;(c)450 ℃, 180 min;(d)500 ℃, 90 min;(e)500 ℃, 180 min

2.2 發(fā)泡溫度對(duì)Al-Si泡沫泡孔結(jié)構(gòu)的影響

圖6為發(fā)泡溫度(foaming temperature，TF)對(duì)泡沫鋁膨脹率、泡孔數(shù)、孔隙率和平均孔徑的影響。一般認(rèn)為，泡沫膨脹過程可分為四個(gè)階段：氣泡成核、合并、長大和失效。成核階段持續(xù)時(shí)間較長，氣泡數(shù)量急劇增加，膨脹率保持不變；合并階段氣泡開始合并，氣泡數(shù)量減少，試樣膨脹率緩慢提高；長大階段氣泡體積快速增加，試樣先快速膨脹后逐步放緩；失效階段由于溫度降低，試樣固化收縮導(dǎo)致體積減小，泡沫逐步定型。泡沫鋁膨脹率取決于氣泡合并和長大階段，泡孔結(jié)構(gòu)取決于氣泡成核和失效階段[33-34]。由圖6(a)可知，隨著發(fā)泡溫度的提高，試樣膨脹率逐步提高。發(fā)泡溫度為740 ℃時(shí)膨脹率較高但穩(wěn)定性較低，這是因?yàn)檩^高溫度導(dǎo)致泡孔合并速率加快，易形成低圓度大孔導(dǎo)致膨脹率在較大范圍內(nèi)波動(dòng)。圖6(b)表明，泡孔個(gè)數(shù)先大幅度增加而后小幅度下降。發(fā)泡溫度升高有利于提高釋氣過程中熔體液相占比，使得熔融金屬基體可容納更多氣泡，泡孔數(shù)量隨溫度的升高大幅度增加[31]。此外，相比于發(fā)泡溫度為700 ℃和720 ℃，發(fā)泡溫度為680 ℃的泡沫鋁泡孔數(shù)量隨溫度升高誤差更大，這是由于溫度較低時(shí)泡沫上部低圓度大泡孔由較多低孔徑泡孔合并而成，受環(huán)境影響合并泡孔個(gè)數(shù)浮動(dòng)明顯。溫度較高時(shí)由于氣泡合并形成的大尺寸低圓度泡孔數(shù)量減少，使得泡孔分布更為集中。由圖6(c)可知，泡沫鋁孔隙率先小幅度增加后趨于平穩(wěn)。圖6(d)表明，發(fā)泡溫度對(duì)泡孔平均孔徑影響較小。結(jié)合圖6(a),(b)可知，粉末冶金快速發(fā)泡法可以在一定溫度范圍內(nèi)保證孔隙率和泡孔孔徑的穩(wěn)定，對(duì)泡孔結(jié)構(gòu)的控制較為優(yōu)異。

圖6 發(fā)泡溫度對(duì)泡孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響 (a)膨脹率；(b)泡孔個(gè)數(shù)；(c)面孔隙率；(d)平均孔徑Fig.6 Effect of TF on cell structure parameters (a)expansion rate;(b)cell number;(c)surface porosity;(d)average pore size

由于發(fā)泡溫度為680 ℃的泡沫鋁膨脹率低、泡孔個(gè)數(shù)較少，因此以700,720 ℃和740 ℃發(fā)泡溫度獲得試樣為例研究發(fā)泡溫度對(duì)泡沫鋁泡孔結(jié)構(gòu)的影響，泡孔形貌及孔徑分布如圖7所示。由圖7可知，泡沫鋁上部存在低圓度泡孔區(qū)域(白色虛線方框處)。這是由于上部與空氣接觸導(dǎo)熱性降低，冷卻過程中試樣上部保持較高溫度，泡孔仍處于快速合并狀態(tài)。隨著發(fā)泡溫度的提高，低圓度裂紋狀泡孔區(qū)域逐步增加，一方面是因?yàn)闇囟壬呒铀倥菘缀喜?，另一方面重力排液現(xiàn)象隨溫度的升高而加劇，上部重力排液現(xiàn)象和氣泡的膨脹加劇導(dǎo)致熔體向下移動(dòng)促進(jìn)低圓度泡孔區(qū)域的擴(kuò)張。由圖7還可以看出，泡沫鋁孔徑分布隨發(fā)泡溫度的升高而擴(kuò)大。發(fā)泡溫度為700 ℃時(shí)泡孔孔徑集中于1～2.5 mm，大部分泡孔圓度集中于0.7～1，泡孔分布呈對(duì)數(shù)正態(tài)分布。圖中黑色虛線方框處對(duì)應(yīng)圖7(a)試樣上部裂紋狀低圓度缺陷(圖7(a)箭頭處)。發(fā)泡溫度為720 ℃時(shí)泡孔孔徑集中于2～5 mm，圓度集中于0.6～1，泡孔分布為正態(tài)分布。一般認(rèn)為，泡孔呈正態(tài)分布時(shí)試樣泡孔結(jié)構(gòu)較優(yōu)[26]。由于試樣膨脹率較高，受低冷卻速率影響體積占比降低，有助于減少參與快速合并過程的氣泡數(shù)量，降低裂紋狀低圓度泡孔的形成，使得孔徑分布整體趨于高斯分布。由圖7(c)可知，低圓度大等效孔徑區(qū)域占比接近80%，試樣底部重力排液現(xiàn)象嚴(yán)重，等效孔徑、圓度分布較為分散。由于溫度升高導(dǎo)致泡孔受基體流動(dòng)作用易變形，試樣整體缺陷較多，裂紋狀泡孔較為明顯。綜上所述，發(fā)泡溫度為720 ℃，發(fā)泡時(shí)間為160 s時(shí)，試樣具有較高膨脹率的同時(shí)，相比于發(fā)泡溫度為740 ℃試樣泡孔結(jié)構(gòu)良好且穩(wěn)定。此發(fā)泡條件下試樣孔隙率為78.1%，孔徑為(2.29±0.8) mm。相比于文獻(xiàn)報(bào)道[21,27,35]，本工作制備的泡沫鋁材料無需熱壓、熱擠壓等步驟，所需發(fā)泡時(shí)間更短，泡孔圓度較高。

圖7 發(fā)泡時(shí)間為160 s時(shí)泡沫鋁截面形貌以及對(duì)應(yīng)孔徑分布和圓度關(guān)于等效直徑的函數(shù)(a)TF=700 ℃；(b)TF=720 ℃；(c)TF=740 ℃Fig.7 Cross-sectional morphologies of the foams after the foaming time of 160 s with the corresponding cell size distribution and circularity as a function of equivalent diameter (a)TF=700 ℃;(b)TF=720 ℃;(c)TF=740 ℃

針對(duì)本工作采用的粉末冶金快速發(fā)泡法，發(fā)泡模具的使用對(duì)泡沫鋁膨脹率和泡孔結(jié)構(gòu)具有重要的影響，其作用機(jī)理如圖8所示。由圖8(a)可知，傳統(tǒng)粉末冶金發(fā)泡法中，預(yù)制體由底部平臺(tái)加熱，氫化鈦分解，氣泡成核、合并后向四周膨脹。在最后的冷卻過程中，泡沫鋁在空氣氛圍內(nèi)散熱較為緩慢，內(nèi)部泡孔由于溫度較高仍處于氣泡合并狀態(tài)。泡沫鋁需要較長冷卻時(shí)間，形成的泡孔結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)中部大孔周圍小孔結(jié)構(gòu)。圖8(b)為采用發(fā)泡模具進(jìn)行發(fā)泡的過程?？梢钥闯觯A(yù)制體由底部和模具側(cè)壁導(dǎo)熱，增加的導(dǎo)熱面積，加速了氫化鈦分解和氣泡成核長大過程。在側(cè)壁的約束下，預(yù)制體膨脹方向由向四周膨脹轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛏吓蛎?。在冷卻過程中，快速噴射到模具側(cè)壁的冷水經(jīng)由側(cè)壁上部向下流向模具底部，在高導(dǎo)熱發(fā)泡模具的作用下試樣底部和側(cè)部快速冷卻。由于導(dǎo)熱速率較高，泡沫鋁內(nèi)部泡孔合并速率降低，試樣邊緣與中心泡孔孔徑差異減小。相比于傳統(tǒng)發(fā)泡方式，使用高導(dǎo)熱模具發(fā)泡可減少由于空氣冷卻造成的泡孔結(jié)構(gòu)變化，提高泡孔均勻程度。

圖8 發(fā)泡模具對(duì)泡沫鋁膨脹行為和泡孔結(jié)構(gòu)的影響(a)傳統(tǒng)粉末冶金發(fā)泡法；(b)粉末冶金快速發(fā)泡法Fig.8 Effect of foaming mold on expansion behavior and cell structure of aluminum foam(a)traditional powder metallurgy foaming method;(b)powder metallurgy rapid foaming method

3 結(jié)論

(1)粉末冶金快速發(fā)泡法可成功制備膨脹率高，孔徑分布均勻的泡沫鋁材料。氫化鈦預(yù)氧化處理可有效降低粒徑，有助于在鋁基體熔融狀態(tài)下穩(wěn)定釋氣速率，制備均勻孔徑閉孔泡沫鋁。預(yù)氧化溫度的提高和時(shí)間的延長可提高氫化鈦的Tonset和TPHRT。提高氫化鈦的預(yù)處理溫度相比于延長預(yù)處理時(shí)間對(duì)Tonset和TPHRT的提高作用更加明顯，但預(yù)處理溫度過高或時(shí)間過長會(huì)使得氫化鈦分解過程中形成次吸熱峰，造成氫的損失和驅(qū)動(dòng)力降低，制備的試樣膨脹率低。450 ℃, 90 min氫化鈦更適合作為粉末冶金快速發(fā)泡法制備泡沫鋁的發(fā)泡劑。

(2)發(fā)泡溫度的升高有助于大幅度提高泡沫鋁膨脹率和泡孔個(gè)數(shù)，改善泡孔分布均勻程度，但會(huì)擴(kuò)大低圓度裂紋狀泡孔分布區(qū)域。溫度過高則導(dǎo)致泡孔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，底部重力排液現(xiàn)象加劇，試樣缺陷增加。發(fā)泡溫度為720 ℃時(shí)泡沫鋁膨脹率最高，泡孔結(jié)構(gòu)較優(yōu)。

(3)發(fā)泡模具的使用有助于提高氫化鈦?zhàn)畲蠓纸馑俾蕼囟扰c金屬熔體熔融溫度的匹配程度，減少預(yù)置裂紋和裂紋狀泡孔的生成。在冷卻過程中，模具的高導(dǎo)熱性促進(jìn)試樣整體冷卻，減小試樣邊緣與中心泡孔孔徑差異。此外，發(fā)泡過程中模具約束預(yù)制體膨脹方向，有助于獲得具有穩(wěn)定泡孔結(jié)構(gòu)的高膨脹率泡沫鋁材料。