熔體發(fā)泡法制備泡沫鋁材料的研究.pdf

1、泡沫鋁是由金屬相和氣孔組成的復(fù)合材料，它把連續(xù)相鋁的金屬特點(diǎn)(如強(qiáng)度大，耐高溫等)和分散相氣孔的特性(如阻尼，隔熱，隔聲，消音，減震，屏蔽等)有機(jī)結(jié)合在一起，可廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、建筑機(jī)械、冶金化工、電子通訊和航天航空等多個(gè)領(lǐng)域，進(jìn)而成為當(dāng)今世界材料科學(xué)高技術(shù)領(lǐng)域的重要研究、開(kāi)發(fā)內(nèi)容之一。我國(guó)在國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目和國(guó)家“863”高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目中將泡沫鋁材料作為一項(xiàng)重要的課題加以研究。目前我國(guó)對(duì)泡沫鋁的研究還基本處于實(shí)驗(yàn)室階段，無(wú)法

2、滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全對(duì)泡沫鋁材料的迫切需要。 本文系統(tǒng)地進(jìn)行了熔體發(fā)泡法制備閉孔泡沫鋁材料的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和工程化試驗(yàn)研究，形成并確立了具有指導(dǎo)意義的熔體泡沫化理論和可工業(yè)化的工藝技術(shù)。 在實(shí)驗(yàn)室研究中首次采用向熔體中加入鎂、硅合金元素和固相顆粒與加入鈣進(jìn)行對(duì)比研究，提出了加入鈣的增粘機(jī)理是金屬間化合物起主要作用。鋁熔體中加入金屬Ca并攪拌均勻之后，主要由于生成金屬間化合物CaAl4和CaAl2而導(dǎo)致鋁熔體粘度增加。金屬間

3、化合物與鋁液間界面張力較小，并因處在半熔化狀態(tài)而能被鋁液部分潤(rùn)濕和包裹。金屬間化合物還能起到聚集鋁液，使氣泡壁不易發(fā)生破裂的作用。所以，鋁熔體中加入金屬Ca不但具有增粘作用，而且增加了氣泡存在的穩(wěn)定性。 再者對(duì)發(fā)泡劑TiH2分解動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了詳細(xì)的研究，結(jié)果表明分解反應(yīng)的控制環(huán)節(jié)可分為結(jié)晶化學(xué)反應(yīng)控制和內(nèi)擴(kuò)散控制兩個(gè)階段。在較低溫度時(shí)(620℃以下)TiH2分解反應(yīng)主要由結(jié)晶化學(xué)反應(yīng)控制；在較高溫度時(shí)(650℃以上)TiH2分解反

4、應(yīng)主要由內(nèi)擴(kuò)散控制。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)確定了熔體轉(zhuǎn)移發(fā)泡法的工藝參數(shù)，并據(jù)此進(jìn)行了工程化試驗(yàn)，確立了閉孔泡沫鋁產(chǎn)業(yè)化完整的工藝條件，成功地制造出可商業(yè)化銷售的泡沫鋁板材(1800mm×800mm×Xmm)。 對(duì)鋁熔體中氣泡的形成研究表明，鋁液中氣泡的產(chǎn)生屬于異質(zhì)形核，熔體中固相質(zhì)點(diǎn)的沉降速度很小(如TiH2顆粒的沉降速度為1.8×10-9mm/s)，能夠懸浮于熔體之中并被強(qiáng)力攪拌所驅(qū)散，鋁熔體中固相質(zhì)點(diǎn)的懸浮性使其成為氣泡

5、形核能夠捕捉到的形核劑；鋁熔體中固相質(zhì)點(diǎn)附著于生成的氣泡之上屬自發(fā)過(guò)程，鋁熔體中固相質(zhì)點(diǎn)因具有附著性而成為氣泡的穩(wěn)定劑。 對(duì)鋁熔體中氣泡的演化研究表明，氣泡的長(zhǎng)大速率dr/dt與發(fā)泡劑分解速率dn/dt之間存在函數(shù)關(guān)系，氣泡半徑隨著氣泡內(nèi)氫氣量的增加而增大，即發(fā)泡劑分解產(chǎn)生的氫氣壓力是氣泡長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力。保溫發(fā)泡階段是氣泡的主要生長(zhǎng)期，這時(shí)作為形核劑或粘附在氣泡之上的TiH2向氣泡內(nèi)部釋放氣體，從而使氣泡進(jìn)一步長(zhǎng)大。 對(duì)氣

6、泡存在狀態(tài)研究表明，重力排液造成氣泡間合并和無(wú)泡層的形成，減緩排液作用的有效途徑是增加熔體粘度。發(fā)泡過(guò)程中氫化鈦釋放氫氣過(guò)多或冷卻過(guò)程中條件控制不當(dāng)是形成大的空腔或裂紋的主要因素。工程化試驗(yàn)中通過(guò)調(diào)整工藝條件和采用順序凝固措施，消除了泡沫體內(nèi)部出現(xiàn)的空腔和大裂紋；同時(shí)，通過(guò)提高熔體粘度，適當(dāng)降低攪拌溫度、槽車預(yù)熱溫度，達(dá)到了降低無(wú)泡層厚度的目的。 在綜合理論分析和試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了由熔化爐、保溫爐、攪拌爐、發(fā)泡爐、冷卻室、