泡沫铝及其连接件的制备工艺与组织性能研究

摘要

泡沫铝是一种结构与功能一体化的新型工程材料，它同时具有泡沫材料和金属材料的结构特性和优异性能。由于它具有相对密度低、质量轻、消声和吸能等优点，在国防军工、交通运输和航空航天等领域已得到了广泛应用。然而，由于生产技术的不稳定，国内还没有看到大规模生产泡沫铝的相关报道。熔体发泡法制备泡沫铝是目前最适合大规模生产的制备方法，但由于铝熔体的温度较高(660℃)，会使发泡剂TiH2过快分解，导致泡沫铝的结构不均匀。
　　本文首先研究了化学镀包覆对TiH2粉体性能的影响;然后研究了TiH2的添加量对泡沫铝材料性能的影响，其中包括孔隙率、压缩性能和阻尼性能，并探讨了各种性能的产生机制;最后以Al-Si基合金为钎料，泡沫铝为基体，纯铝板或钢板为面板，采用钎焊的方法制备了泡沫铝连接件，并利用SEM对焊接层的组织和界面结构进行了观察和分析，利用EDS测定了元素的扩散及分布情况，结合扩散原理分析了元素的扩散情况。此外，还对钎焊接头试样进行剪切实验。主要研究结果如下:
　　(1)化学镀处理提高了TiH2粉体的开始释氢温度:释氢反应开始温度由480℃提高至550℃，提高了约70℃;
　　(2)随着发泡剂含量的增加，泡沫铝的孔隙率不断提高，阻尼性能出现先升高后降低的现象。根据泡沫铝的压缩应力应变曲线的变化，得到其特征为:弹性变形阶段是从开始变形到变形量为0.5％左右为止;塑性变形阶段从变形量为0.5％到50～60％为止，它是一个平台区，是材料压缩强度的体现也是泡沫铝的吸能过程;接下来是致密化阶段;
　　(3)在泡沫铝/铝板连接件中:Si元素在焊接层附近呈现阶梯状分布;生成的Al和Si的固溶体对焊接层具有强化作用;最佳的焊接工艺为:焊接温度630℃，焊接时间10min，去应力退火温度400℃，去应力退火时间30min;
　　(4)在泡沫铝/钢板板连接件中:焊接接头组织与焊接时间密切相关:当焊接时间为5min时，钎料未完全熔化，焊接接头不紧密，剪切强度较低;当焊接时间为10min时，接头组织形成Al、Fe固溶体并形成少量Fe/Al金属间化合物，接头性能良好，剪切强度最高达6.26MPa;随着焊接时间的继续增加，接头组织会形成大量Fe/Al金属间化合物，使接头性能减弱，剪切强度降低。

目录

声明

摘要

1 文献综述

1．1 泡沫材料概论

1．2 泡沫金属材料的制备方法

1．2．1 基于气相发泡的泡沫金属制备方法

1．2．2 基于水溶液电沉积的泡沫金属制备方法

1．2．3 基于液态处理的泡沫金属制备方法

1．2．4 基于固态处理的泡沫金属制备方法

1．3 泡沫铝连接件的制备方法

1．3．1 泡沫铝与板材的连接

1．3．2 泡沫铝连接件预制体的直接成型

1．3．3 泡沫铝连接件的钎焊连接

1．4 熔体发泡法制备泡沫铝以及泡沫铝连接材料的制备

1．4．1 熔体发泡法制备泡沫铝的制备工艺

1．4．2 泡沫铝用发泡剂

1．4．3 焊接法制备泡沫铝连接材料

1．5 泡沫铝的应用

1．5．1 泡沫铝作为结构材料的应用

1．5．2 泡沫铝作为功能材料的应用

1．6 研究意义与内容

1．6．1 研究意义

1．6．2 研究内容

2 实验过程与方法

2．1 研究路线

2．2 实验原料

2．3 材料的制备方法

2．3．1 化学镀方法

2．3．2 泡沫铝制备

2．3．3 泡沫铝连接

2．4 材料的表征方法

2．4．1 扫描电子显微分析

2．4．2 能谱分析

2．4．3 X射线衍射分析

2．4．4 差热和热重分析

2．4．5 粒度分析

2．5 材料的性能测试

2．5．1 孔隙率测试

2．5．2 剪切性能测试

2．5．3 压缩性能测试

2．5．4 阻尼性能测试

3 泡沫铝用发泡剂的制备及机理分析

3．1 引言

3．2 发泡剂的预处理研究

3．3 实验结果分析

3．3．1 镀镍前后Ni／TiH2复合粉体物相分析

3．3．2 Ni／TiH2复合粉体形貌分析

3．4 Ni／TiH2复合粉体释氢性能

3．5 Ni／TiH2复合粉末的包覆层的作用机理

3．6 小结

4 泡沫铝的制备与性能

4．1 引言

4．2 制备工艺优化

4．3 发泡剂的量对孔隙率的影响

4．4 发泡剂的加入量对压缩性能的影响

4．4．1 压缩性能测试

4．4．2 压缩变形过程分析

4．5 发泡剂的量对阻尼性能的影响

4．5．1 实验描述

4．5．2 阻尼性能比较

4．6 小结

5 泡沫铝连接件的制备与组织研究

5．1 引言

5．2 焊接铝板的泡沫铝连接件的制备

5．2．1 焊接界面成分组织分析

5．2．2 元素扩散分析

5．2．3 力学性能分析

5．3 胶粘粘结法的高温失效

5．4 焊接钢板的泡沫铝连接件制备

5．4．1 焊接组织分析

5．4．2 Fe／Al金属间化合物生长的热力学分析

5．4．3 接头剪切性能分析

5．5 小结

6 结论

参考文献

攻读硕士学位期间主要的研究成果

致谢