小孔径球形孔泡沫铝的制备及泡沫铝焊接热问题研究

摘要

闭孔泡沫铝作为超轻多孔金属的发展重点，在航天、兵器等高技术领域和民用领域展示出了重要的应用前景。高技术需求使下述研究内容成为发展前沿，它们包括：1．中等孔隙率小孔径球形孔泡沫铝的制备及性能；2．泡沫铝焊接的热问题；3．塑性加工制备多孔钢及其压缩吸能性能。 采用Ca增黏、TiH2发泡的熔体发泡制备闭孔泡沫铝工艺难以制备高技术需求下的中等孔隙率小孔径球形孔泡沫铝，于是发展了CaCO3增黏发泡制备小孔径球形孔泡沫铝的技术。本文研究了三种CaCO3的热分解特性，增黏特性，制备泡沫铝的孔结构特征以及CaCO3的颗粒粒径和制备工艺参数对泡沫铝制备的影响，确定了CaCO3在增黏发泡制备小孔径球形孔泡沫铝的工艺参数，成功制备目标样品。结果表明：CaCO3的粒径小于50μm，是制备小孔径球形孔泡沫铝的必要条件；揭示了成功制备小孔径球形孔泡沫铝的三个因素为优良的铝熔体增黏特性，铝熔体中存在及生成的多种固相颗粒成为气孔非均匀形核核心，CaCO3释气量小；在这基础上获得了CaCO3作为增黏发泡剂制备中等孔隙率目标需求的小孔径球形孔泡沫锅的工艺参数：CaCO3增黏剂含量0．5～1．0％，CaCO3发泡剂含量1．0～1．5％，增黏时间3～5min，发泡时间2～4min，保温温度670～680℃，保温时间5～6min。 研究了新型增枯发泡剂CaCO3制备的小孔径球形孔泡沫铝及铝合金的在静态压缩和冲击载荷下的压缩、吸能性能。结果表明，吸收相同压缩和冲击能量时，小孔径球形孔泡沫铝合金的应变比泡沫纯铝小；在相同压缩和冲击条件下，小孔径球形孔泡沫铝合金更适合做压缩和冲击缓冲材料。 针对目前实验室成功发展的泡沫铝钎焊技术中存在的热问题，研究了不同温度下，钎料元素在泡沫铝中的扩散行为，并分析了钎焊过程中的热力学，同时探讨了作为钎焊母材泡沫铝的导热性能。结果表明：随钎焊温度T的升高，Zn-Al-Cu基钎料的扩散距离X显著增大，线性拟合的关系式为：X=0．129T-48．4（X：单位μm；T：单位℃）；孔隙率为81％～90％时，泡沫铝的等效导热系数λ*与孔隙率Ps的关系近似为：λ*=164．6-174．4Ps。 采用塑性加工的方法制备球形孔多孔钢，研究了其压缩、吸能性能，结果表明：在大变形的范围内，采用塑性加工制备的球形孔多孔钢较泡沫铝更适合做能量吸收材料。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 泡沫铝的熔体发泡法

1.2.1 氢化钛熔体发泡工艺

1.2.2 混合稀土氢化物REHx熔体发泡工艺

1.2.3 碳酸钙熔体发泡工艺

1.3 泡沫铝的典型性能

1.3.1 力学及能量吸收性能

1.3.2 其他性能

1.4 泡沫铝及其合金的应用

1.4.1 汽车领域

1.4.2 航空、航天领域

1.4.3 其他领域

1.5 本文研究内容的国内外现存问题

1.6 本文的目标牵引和主要研究内容

1.6.1 目标牵引

1.6.2 研究内容

参考文献

第二章 碳酸钙增黏发泡制备小孔径球形孔泡沫铝

2.1 CaCO3增黏发泡剂的选择

2.1.1 CaCO3的选择

2.1.2 CaCO3透射电镜图

2.2 CaCO3释气行为及热分解特性

2.2.1 CaCO3热分解实验装置

2.2.2 CaCO3热分解特性

2.3 CaCO3在铝及合金熔体中的增黏

2.3.1 黏度测量装置

2.3.2 CaCO3在铝及合金熔体中的增黏特性

2.4 CaCO3增黏发泡制备小孔径球形孔泡沫铝

2.4.1 CaCO3发泡剂含量的影响

2.4.2 增黏时间的影响

2.4.3 发泡时间的影响

2.4.4 发泡温度的影响

2.4.5 保温时间的影响

2.4.6 小孔径球形孔泡沫铝的制备

2.5 本章小结

参考文献

第三章 小孔径球形孔泡沫铝压缩和冲击性能

3.1 小孔径球形孔泡沫铝的压缩性能

3.1.1 泡沫铝压缩s-e曲线的一般形态

3.1.2 实验样品的制备

3.1.3 压缩试样的加工

3.1.4 静态压缩实验方法

3.1.5 结果与讨论

3.2 小孔径球形孔泡沫铝的冲击实验

3.2.1 落锤冲击实验方法

3.2.2 结果与讨论

3.3 本章小结

参考文献

第四章 泡沫铝钎焊的热问题研究

4.1 泡沫铝的焊接方法

4.1.1 激光焊

4.1.2 超声波焊

4.1.3 扩散焊

4.1.4 钎焊

4.1.5 泡沫铝焊接的发展方向

4.2 泡沫铝焊接中钎料元素的热扩散行为

4.2.1 Al-Zn二元系相图

4.2.2 实验方法

4.2.3 结果与讨论

4.3 钎焊过程的热力学分析

4.4 泡沫铝的导热性能

4.4.1 实验方法

4.4.2 泡沫铝的等效导热系数与孔隙率的关系

4.4.3 泡沫铝气泡的形状系数φ形状

4.5 本章小结

参考文献

第五章 塑性加工球形孔多孔钢的压缩性能

5.1 实验方法

5.1.1 球形孔多孔钢的制备

5.1.2 孔隙率的计算

5.1.3 静态压缩实验方法

5.2 结果与讨论

5.2.1 球形孔多孔钢压缩应力-应变曲线

5.2.2 单层半球板两种叠加方式的比较

5.2.3 球形孔多孔钢和多孔铝的压缩曲线比较

5.2.4 吸能能力和吸能效率

5.3 本章小结

参考文献

第六章 全文总结

致谢

硕士阶段成果