泡沫铝的粉末冶金发泡工艺及机理研究

摘要

泡沫铝具有轻质、高比刚度、吸能能力强及优良的电磁屏蔽和阻尼等优点，是一种具有结构功能一体化特点的新型复合材料，在汽车制造、航空航天、军事国防、建筑交通等领域有着广阔的应用前景。在泡沫铝的主要制备方法中，粉末冶金法由于具有生产近净成形零件及泡沫铝夹芯板的优点，成为了近年来国内外科研机构关注的热点。目前，国内外有关粉末冶金法泡沫铝制备工艺的研究尚不系统，特别对其发泡机理的研究更鲜有报道。 本论文在国家自然科学基金项目“基于同步辐射-CT技术的泡沫铝粉末冶金发泡机理的研究”(U1332110)资助下，开展了泡沫铝粉末冶金制备工艺、泡沫结构演化、力学性能等研究。论文以空气雾化铝粉和发泡剂氢化钛作为基本原料，以镁粉作为金属添加剂，通过粉料均匀混合→单轴向冷压或包套轧制→粉末冶金发泡的工艺流程，制备了铝基泡沫铝及铝硅基泡沫铝夹芯板材料，对制备工艺及缺陷控制进行了系统的研究。采用北京同步辐射装置的Micro-CT对发泡初期的泡孔演化进行了图像重建，结合理论分析探讨了粉末冶金发泡机理。论文获得了以下有价值的结果: (1).采用1Cr18Ni9Ti材质不锈钢作为铝基泡沫铝发泡模具，可以实现前驱体的快速加热。导热方式为热传导与热辐射的联合作用。发泡时间由常规炉内加热时的15min缩短至模具内发泡时的2min，膨胀率可达到500％。 (2).本文通过大量实验，总结出的可获得泡孔结构均匀、膨胀率较理想的高质量泡沫铝材料的制备工艺参数为:发泡剂氢化钛首先经过500℃保温1h的预处理;混合粉末中氢化钛的添加量为1.0wt.％，镁粉的添加量为1.0wt.％,余量为铝粉;在模具充分润滑的条件下，采用单轴向冷压400MPa的压制力可以获得密实的铝基前驱体;发泡前将铝基前驱体预热到200℃，发泡温度为770℃，发泡时间为120s。 (3).泡沫铝准静态压缩变形分为三个阶段:线弹性区、平台区、致密化区。表观密度是影响泡沫铝压缩力学性能的主要因素，压缩强度与压实强度都随着表观密度的增加而增加。 (4).发泡过程中泡孔经历形核、长大、合并和破裂的过程。发泡初期，泡孔形状并不规则，泡孔会在60s左右集中长大合并，泡孔在发泡初期更容易沿横向扩展，形成类裂纹孔。随着发泡时间的延长，铝熔体粘度降低，泡孔沿纵向生长，形状逐渐过渡到近圆形与多边形。 (5).应用Micro-CT实现了对包套轧制-粉末冶金法泡沫铝夹芯板内部泡孔微结构的图像重建，获得了发泡初期夹芯板横截面与纵截面的二维断层及3D重建图像。通过分析发泡初期夹芯板横截面与纵截面泡孔分布及孔隙率大小情况，发现发泡初期泡孔的演化经历了形核、长大与合并三个阶段。孔隙率的变化包含两个增加幅度较大的阶段，分别是泡孔形成到长大阶段和泡孔大面积合并阶段。

目录

声明

摘要

1．1引言

1．2泡沫铝材料的性能

1．2．1泡沫铝材料的结构特点

1．2．2泡沫铝材料的主要性能

1．3泡沫铝的主要发泡工艺

1．4泡沫铝材料的应用

1．4．1在汽车工业中的应用

1．4．2在轨道交通中的应用

1．4．3在航空航天领域中的应用

1．4．4在建筑领域中的应用

1．4．5在其他领域中的应用

1．5泡沫铝力学性能研究现状

1．6 Micro-CT技术介绍

1．7本文研究目的与内容

2．1．1混合粉末

2．1．2压制润滑剂

2．1．3脱模剂

2．2实验设备

2．2．1混料设备

2．2．2冷压设备

2．2．3轧制设备

2．2．4压制模具

2．2．5线切割装置

2．2．6发泡设备

2．3实验工艺流程

2．3．1铝基泡沫铝材料制备的工艺流程

2．3．2泡沫铝夹芯板材料制备的工艺流程

2．4铝基前驱体制备

2．4．1混料

2．4．2单轴向冷压

2．5夹芯板前驱体制备

2．5．1铝管内壁处理

2．5．2包套轧制

2．6发泡实验

2．7泡沫铝准静态压缩实验

2．8分析表征仪器

2．8．1宏观形貌分析

2．8．2微观形貌分析

2．8．3显微硬度分析

2．9力学性能测试设备

2．10 Micro-CT测试装置

第3章粉末冶金法泡沫铝制备工艺的研究

3．1预制体快速加热工艺的研究

3．1．1加热方式的选择

3．1．2发泡模具的设计

3．1．3热传递实验

3．2单轴向冷压对发泡行为的影响

3．2．1粉末压制过程分析

3．2．2压制力对泡沫铝发泡行为的影响

3．3泡沫铝发泡行为的影响因素

3．3．1发泡剂氢化钛对泡沫铝发泡行为的影响

3．3．2发泡参数对泡沫铝发泡行为的影响

3．3．3 Mg粉添加量对泡沫铝发泡行为的影响

3．3．4泡沫铝材料表征

3．3．5泡沫铝制备过程中存在的缺陷分析

3．4粉末冶金法铝基泡沫铝准静态压缩性能

3．4．1实验方法

3．4．2压缩性能

第4章粉末冶金法泡沫铝泡孔演化机理的研究

4．1引言

4．2铝基闭孔泡沫铝泡孔演化

4．3铝硅基泡沫铝夹芯板泡孔演化

4．4 Micro-CT分析

4．4．1图像处理

4．4．2实验样品

4．4．3图像分析

第5章结论

参考文献

致谢

作者简介

攻读硕士学位期间发表的论文