包套轧制--粉末冶金法制备泡沫铝夹心板材料的研究

摘要

泡沫铝夹心板具有质轻、比强度及比刚度高等特点，克服了泡沫铝裸板强度偏低、表面处理及难于连接等问题，在汽车制造、航空、航天、轨道交通等领域具有广阔的应用前景，是多孔泡沫金属应用制品开发与理论研究的热点方向。目前，泡沫铝夹心板主要采用胶粘和热压-粉末冶金发泡工艺，制品板/芯结合强度低，耐高温能力差，生产效率低。因此，开发出一种高效率、短流程的泡沫铝夹心板制备新技术具有重要的应用价值及理论意义。　　在国家自然科学基金项目(No.50704012)和沈阳市科技计划项目（F10-205-1-59）的资助下，本文开展了泡沫铝夹心板制备新技术的开发与理论研究工作。为提高粉末利用率，改善板型质量，提出了包套轧制-粉末冶金法制备泡沫铝夹心板的工艺路线。系统研究了主要工艺参数对发泡效果的影响，探讨了轧制压下率、发泡温度、发泡时间与泡沫铝夹心板芯层泡沫结构间的关系。分析了面板/芯层粉末的结合机制，确定了优化的制备工艺条件。通过对发泡剂TiH2进行的表面处理明显改善了泡沫结构的均匀性与稳定性，并对泡沫结构的演化过程及稳定化机理进行了深入分析，测试了夹心板的主要力学性能，并从泡沫结构与面板/芯层结合状态角度探讨了夹心板组织对力学性能的影响，论文取得了以下有价值的结果:　　1.采用包套轧制的方法可显著提高粉末利用率，轧制后混合粉末基本无流失，粉末利用率接近100％，并且包套轧制过程中芯层粉末沿轧件宽度的变形行为趋于一致，使预制坯在保证芯层粉末获得极高致密度，同时粉末整体的均匀性也明显改善;综合考虑粉末致密度与板/芯结合效果轧制压下率应控制在60％～70％为宜。　　2.利用自制钢制模具可实现预制坯的快速受限发泡，发泡时间由以往自由发泡工艺的8～10min缩短至1～2min，降低了破孔及连通孔的形成几率。受限发泡保证了泡沫铝夹心板具有良好的厚度精度。本研究中理想的发泡工艺为:发泡温度为700℃，发泡时间60s～70s。　　3.对发泡剂TiH2进行表面改性处理可调整其分解释氢过程，使发泡剂的释氢峰值温度与释氢量符合发泡工艺要求，本研究中发泡剂的最佳热处理工艺为500℃保温60min。　　4.在铝硅合金中添加一定含量的镁，能够提高合金的常温力学性能和改善加工性能，通过Mg颗粒的添加，增加了熔体的黏度，从而减小普拉特奥边界与泡壁之间的压差而使泡孔稳定性提高。本研究中理想的Mg添加量为1.0wt.％左右，能够使熔体粘度增强，显著提高泡沫铝泡孔的稳定性。　　5.泡沫铝夹心板进行三点弯曲测试数据显示，本研究制备的泡沫铝夹心板的最大载荷为0.86kN～0.96kN，明显高于胶粘泡沫铝夹心板0.47kN～0.87kN的弯曲承载水平，夹心板破坏后面板与芯层间界面仍保持完整，未出现界面分离与面板褶皱。由载荷-位移曲线可知本研究制备的泡沫铝夹心板具有良好的能量吸收能力。　　6.本研究制备的泡沫铝夹心板具有较好的冲击性能，最大冲击载荷为0.73kN～1.24kN，增加面板厚度与泡沫铝芯层厚度均有助于提高夹心板的冲击强度。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 泡沫铝夹心板的结构特点及其应用

1．2．1 泡沫铝夹心板(AFS)的特点

1．2．2 泡沫铝夹心板的应用

1．3 泡沫铝夹心板的制备方法

1．3．1 胶粘法

1．3．2 钎焊法

1．3．3 激光束焊接法

1．3．4 表面热喷涂法

1．3．5 压制法

1．3．6 轧制复合法

1．4 泡沫铝夹心板研究进展

1．5 泡沫铝夹心板制备工艺存在的主要问题

1．6 选题意义及研究内容

第2章 实验原理与方法

2．1 实验原料

2．1．1 铝管

2．1．2 铝硅合金粉

2．1．3 发泡剂

2．2 实验设备

2．3 实验工艺流程

2．3．1 混料

2．3．2 铝管表面处理

2．3．3 灌粉与预压制

2．3．4 轧制复合

2．3．5 发泡

2．4 实验测试方法

2．4．1 密度的测定

2．4．2 光学金相显微镜分析

2．4．3 SEM分析

2．4．4 冲击性能测试

2．4．5 三点抗弯测试

2．4．6 力学实验后的界面观察

第3章 包套轧制法制备泡沫铝夹心板工艺的研究

3．1 引言

3．2 包套轧制粉末冶金法的特点

3．3 包套轧制法制备泡沫铝夹心板主要工艺参数的研究

3．3．1 轧制压下率对发泡效果的影响

3．3．2 混料工艺及粒度选择对发泡效果的影响

3．3．3 发泡温度及保温时间对发泡效果的影响

3．3．4 氢化钛的氧化处理对发泡效果的影响

3．4 泡沫铝夹心板泡孔的演化与泡沫结构的稳定

3．4．1 泡沫铝泡孔形成与演化机理

3．4．2 泡沫铝泡孔稳定性因素

3．5 面板／芯层界面结合机制与面板平整性控制

3．5．1 发泡预制坯面板／芯层界面结合机制

3．5．2 发泡后面板／芯层的界面结合机制

3．5．3 面板的平整性控制

3．6 泡沫铝夹心板的冷却

3．7 本章小结

第4章 泡沫铝夹心板的力学性能测试

4．1 引言

4．2 三点抗弯实验结果与分析

4．2．1 泡沫铝夹心板三点抗弯断裂模式

4．2．2 载荷-位移曲线分析

4．2．3 断口分析

4．3 泡沫铝夹心板冲击实验结果与分析

4．3．1 泡沫铝夹心板冲击断裂模式

4．3．2 载荷-位移曲线分析

4．4 本章小结

第5章 结论

参考文献

致谢