采用新型发泡剂二次泡沫化制备泡沫铝及铝合金的方法

摘要

本发明属于泡沫金属的制备领域，公开了一种采用新型发泡剂二次泡沫化制备泡沫铝及铝合金的方法，步骤为：1.将铝或者铝合金加热至熔化，并在660～720℃保温30min，加入占铝液质量分数0.5～3.0％的碳酸钙粉末，以400～600rpm转速搅拌5～15min；2.加入占铝液质量分数0.5～4.0％碳酸钙粉末，以转速700～1200rpm搅拌时间3～7min后迅速冷却形成孔隙率低于65％的球形孔泡沫铝或者合金坯料；3.将上述球形孔泡沫铝合金坯料在300～570℃范围内保温10～15min；4.将上述球形孔泡沫铝合金坯料放于模具中在810～950℃范围内使坯料中碳酸钙二次热分解产生二次泡沫化，快速冷却获得泡沫及铝及铝合金异型件制品。

说明书

技术领域

本发明涉及一种闭孔泡沫铝及泡沫铝合金的制备方法，尤其一种采用新型发泡剂通过二次泡沫化制备泡沫铝及泡沫铝合金的方法。

背景技术

泡沫铝及铝合金是一种含有大量均匀闭合孔隙的新型铝基金属材料，由于其独特的物理结构，具有轻质(ρ＜1)，高比强度和比刚度，同时又具备隔声、隔热、阻燃、阻尼、冲击能量吸收和电磁屏蔽等多种特性，实现了结构材料的轻质多功能化，因而具有广泛的应用前景。由于在航天航空等高技术领域，泡沫铝及合金异型件作为超轻材料已成为国际材料研究的前沿热点，熔体发泡方法很难制备异型件，粉末冶金制备泡沫铝异型件则存在成本高、工艺不稳定的缺点。传统泡沫铝采用氢化钛作为发泡剂，其优点是工艺成熟，产气量大，340℃即开始分解，400℃以上分解明显，在铝熔体(660℃)中气泡形成迅速，但其在高温下极不稳定，因此氢化钛发泡剂在使用前需进行物理研磨，加热氧化，凝胶包裹，金属包裹等人工钝化处理，其处理技术要求高，工艺参数较难掌握，进一步增加了生产成本，特别是用于制备二次泡沫化铝及铝合金坯料时，燃烧及分解严重难以控制，很难有保证足量的氢化钛存留在坯料中导致二次泡沫化失败，因此考虑采用碳酸盐作为发泡剂来制备泡沫铝及铝合金有重要应用前景。

发明内容

针对现有泡沫铝及铝合金的特点，本发明公开了一种采用新型发泡剂二次泡沫化制备泡沫铝及铝合金的方法。

第一步：将铝或者铝合金加热至熔化，并在660～720℃保温30min，加入占铝或者铝合金液质量分数0.5～3.0％的碳酸钙粉末，以400～600rpm转速搅拌5～15min；

第二步：加入占铝或者铝合金液质量分数0.5～4.0％碳酸钙粉末，转速700～1200rpm，搅拌时间3～7min停止后在40s内迅速冷却形成孔隙率介于30～65％的球形孔泡沫铝或者合金坯料；

第三步：将上述球形孔泡沫铝合金坯料在300～570℃范围内保温10～15min：

第四步：将上述球形孔泡沫铝合金坯料放于模具中在810～950℃范围内使坯料中碳酸钙二次热分解产生二次泡沫化，30s内通过水冷却至室温冷却获得泡沫铝及铝合金异型件制品。所述的泡沫铝或铝合金可以是纯铝，铝铜合金、铝硅合金、铝镁、铝锌合金中的一种。

本发明的有益效果为：

1.本发明采用碳酸钙作为发泡剂的方法制备泡沫铝及铝合金异型件，碳酸钙反应分解温区较高，在泡沫铝制备坯料过程中只会分解极少一部分，更多的碳酸钙会通过400～600rpm搅拌5～15min和700～1200rpm搅拌3～7min两步骤均匀分布在泡沫铝及铝合金坯料中以便于二次泡沫化。

2.本发明采用碳酸钙作为发泡剂的方法制备泡沫铝及铝合金异型件，熔体中存在及生成多种固相颗粒如Al₂O₃，Al₄C₃等成为泡沫非均匀形核核心，悬浮在熔体中提高了熔体的黏度，增强了泡沫的稳定性，使大量微小泡沫得以形成球形孔泡沫铝或铝合金坯料。

在制备过程中CaCO₃与铝熔体主要发生如下反应：

CaCO₃[s]＝CaO[s]+CO₂[g]

6Al[l]+3CO₂[g]＝Al₂O₃[s]+Al₄C₃[s]

8Al[l]+3CO₂[g]＝2Al₂O₃[s]+Al₄C₃[s]

3.本发明采用碳酸盐作为发泡剂的方法制备泡沫铝及铝合金异型件碳酸钙发泡剂价格更为低廉，制备、存储方便有利于工业化生产。

4.本发明采用碳酸钙作为发泡剂的方法制备泡沫铝及铝合金异型件，碳酸钙分解产生CO₂相对比较安全，而原来采用的氢化钛发泡剂产生氢气则容易爆燃。

5.本发明采用碳酸钙作为发泡剂的方法制备泡沫铝及铝合金异型件，碳酸钙热稳定性好，830～1000℃以上才可能完全分解，这与泡沫铝及合金的二次泡沫化温度更为匹配。在此温度下，二次泡沫化过程中CaCO₃充分分解、产生的充型驱动力最大，有利于异型件的形成。相对于传统发泡剂TiH₂，CaCO₃发泡剂在用量没有大幅增加的情况下也能得到孔隙率相近且均匀无缺陷的球形孔泡沫铝或铝合金坯料，由于坯料中含有大量仍未分解的CaCO₃，在二次泡沫化过程中CaCO₃再次分解产生二次发泡的驱动力，形成异型件。

7.本发明采用碳酸钙作为发泡剂的方法制备泡沫铝及铝合金异型件，制备的坯料在为300～570℃温度下保温可使泡沫铝及合金坯料升温更快以达到二次泡沫化温度，使坯料在二次泡沫化过程中保持更高的固相率(＞74％)以防止碳酸钙分解产生气体逃逸。

附图说明

图1为采用碳酸钙作发泡剂通过二次泡沫化方法制备泡沫铝硅合金异型件的截面图。

图2为采用碳酸钙作为发泡剂，孔隙率为61％的球形孔泡沫铝合金坯料，由图可见未分解的碳酸钙均匀分布在泡沫铝合金坯料中。

图3为发泡剂碳酸钙及氢化钛升温热分解释气特性曲线，由图可见碳酸钙发泡剂出气量远低于氢化钛发泡剂出气量。

具体实施方式

本发明公开了一种采用新型发泡剂二次泡沫化制备泡沫铝及铝合金的方法。

第一步：将铝或者铝合金加热至熔化，并在660～720℃保温30min，保温温度可以是660℃、680℃或者720℃；加入占铝或者铝合金液质量分数0.5～3.0％的碳酸钙粉末，可以是0.5％、1.8％或者3.0％；以400～600rpm转速搅拌5～15min，可以是400rpm、500rpm或者600rpm，搅拌时间可以是5min、12min或者15min；

第二步：加入占铝或者铝合金液质量分数0.5～4.0％碳酸钙粉末，可以为0.5％、2.1％或者4.0％；转速700～1200rpm，转速为700rpm、950rpm或者1200rpm；搅拌时间3～7min，可以是3min、5min或者7min；停止后在40s内迅速冷却形成孔隙率介于30～65％的球形孔泡沫铝或者合金坯料；

第三步：将上述球形孔泡沫铝合金坯料在300～570℃范围内保温10～15min，保温温度可以是300℃、410℃或者570℃，保温时间可以是10min、11min或者15min；

第四步：将上述球形孔泡沫铝合金坯料放于模具中在810～950℃范围内使坯料中碳酸钙二次热分解产生二次泡沫化，温度可以为810℃、870℃、950℃；30s内通过水冷却至室温冷却获得泡沫铝及铝合金异型件制品。所述的泡沫铝或铝合金可以是纯铝，铝铜合金、铝硅合金、铝镁、铝锌合金中的一种。

实施例1一种泡沫铝异型件的制备

第一步：将铝加热至熔化，并在660～720℃保温30min，加入占铝液质量分数0.5～3.0％的碳酸钙粉末，以400～600r/min转速搅拌5～15min；

第二步：加入占铝液质量分数0.5～4.0％的碳酸钙粉末，转速700～1200r/min，搅拌时间3.0～7.0min停止后在40s内通过水冷却至室温形成孔隙率低于65％的球形孔泡沫铝坯料；

第三步：将上述球形孔泡沫铝坯料在300～570℃范围内保温10～15min；

第四步：将上述球形孔泡沫铝坯料放于模具中在810～950℃范围内使坯料中碳酸钙二次热分解产生二次泡沫化，在30s内通过水冷却至室温获得泡沫铝异型件制品。

实施例2一种泡沫铝硅合金异型件的制备

第一步：将铝硅合金加热至熔化，并在660～720℃保温30min，加入占铝硅合金液质量分数0.5～3.0％的碳酸钙粉末，以400～600r/min转速搅拌5～15min；

第二步：加入占铝硅合金液质量分数0.5～4.0％碳酸钙粉末，转速700～1200r/min，搅拌时间3.0～7.0min停止后在40s内通过水冷却至室温形成孔隙率低于65％的球形孔泡沫铝硅合金坯料；

第三步：将上述球形孔泡沫铝硅合金坯料在300～570℃范围内保温10～15min；

第四步：将上述球形孔泡沫铝硅合金坯料放于模具中使坯料中在810～950℃范围内碳酸钙二次热分解产生二次泡沫化，在30s内通过水冷却至室温获得泡沫铝硅合金异型件制品。

实施例3一种泡沫铝铜合金异型件的制备

第一步：将铝铜合金加热至熔化，并在660～720℃保温30min，加入占铝铜合金液质量分数1.0～4.0％的碳酸钙粉末，以400～600r/min转速搅拌5～15min；

第二步：加入占铝铜合金液质量分数0.5～4.0％碳酸钙粉末，转速700～1200r/min，搅拌时间3.0～7.0min停止后在40s内通过水冷却至室温形成孔隙率为30％的球形孔泡沫铝铜合金坯料；

第三步：将上述球形孔泡沫铝铜合金坯料在300～570℃范围内保温10～15min；

第四步：将上述球形孔泡沫铝铜合金坯料放于模具中在760～950℃范围内使坯料中碳酸钙二次热分解产生二次泡沫化，在30s内通过水冷却至室温获得泡沫铝铜合金异型件制品。

实施例4一种泡沫铝镁合金异型件的制备

第一步：将铝镁合金加热至熔化，并在660～720℃保温30min，加入占铝镁合金液质量分数0.5～3.0％的碳酸钙粉末，以400～600r/min转速搅拌5～15min；

第二步：加入占铝镁合金液质量分数0.5～4.0％碳酸钙粉末，转速700～1200r/min，搅拌时间3.0～7.0min停止后在40s内通过水冷却至室温形成孔隙率为45％的球形孔泡沫铝镁合金坯料；

第三步：将上述球形孔泡沫铝镁合金坯料在300～570℃范围内保温10～15min；

第四步：将上述球形孔泡沫铝镁合金坯料放于模具中使坯料中在810～950℃范围内碳酸钙二次热分解产生二次泡沫化，在30s内通过水冷却至室温获得泡沫铝镁合金异型件制品。

实施例5一种泡沫铝锌合金异型件的制备

第一步：将铝锌合金加热至熔化，并在660～720℃保温30min，加入占铝锌合金液质量分数0.5～3.0％的碳酸钙粉末，以400～600r/min转速搅拌5～15min；

第二步：加入占铝锌合金液质量分数0.5～4.0％碳酸钙粉末，转速700～1200r/min，搅拌时间3.0～7.0min停止后在40s内通过水冷却至室温形成孔隙率为65％的球形孔泡沫铝锌合金坯料；

第三步：将上述球形孔泡沫铝锌合金坯料在300～570℃范围内保温10～15min；

第四步：将上述球形孔泡沫铝锌合金坯料放于模具中使坯料中在810～950℃范围内碳酸钙二次热分解产生二次泡沫化，在30s内通过水冷却至室温获得泡沫铝锌合金异型件制品。