專利名稱：一種制備具有梯度孔結(jié)構(gòu)閉孔泡沫鋁及鋁合金制品的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及泡沫鋁及鋁合金的制備方法，尤其涉及一種閉孔泡沫鋁及鋁合金孔結(jié)構(gòu)梯度形成技術(shù)的制備方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)以孔隙結(jié)構(gòu)為特征的閉孔泡沫鋁及鋁合金實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)材料輕質(zhì)、多功能化，在航天以及其他高技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用正成為科學(xué)和工程研究的熱點，其沖擊能量吸收能力更為解決現(xiàn)有高技術(shù)難題提供了創(chuàng)新性的解決途徑。
針對高技術(shù)工程領(lǐng)域?qū)_擊能量吸收特性的需求，通過調(diào)制孔結(jié)構(gòu)實現(xiàn)泡沫鋁及鋁合金的沖擊能量吸收性能的調(diào)節(jié)成為此領(lǐng)域的關(guān)鍵難題。具有孔隙率高低變化的泡沫鋁及鋁合金沖擊能量吸收器在較小能量沖擊條件下高孔隙率部分產(chǎn)生塑性變形吸收能量，實現(xiàn)低應(yīng)力沖擊波的隔離，而較低孔隙率部分在較大能量沖擊條件下變形實現(xiàn)大沖擊能量的吸收，從而保證被保護物體在大、小沖擊能量下沖擊應(yīng)力波的隔離。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種具有孔結(jié)構(gòu)梯度的、具有優(yōu)異沖擊能量吸收特性的泡沫鋁及鋁合金的制備方法。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案為一種制備具有梯度孔結(jié)構(gòu)閉孔泡沫鋁及鋁合金制品的方法，將金屬鋁或鋁合金熔化并保溫至680℃～780℃，向鋁熔體中加入占其總質(zhì)量0.5％～5％的增黏劑Ca，攪拌混勻反應(yīng)時間2～20分鐘，使熔體黏度穩(wěn)定；向上步保溫條件下增黏后的鋁熔體中加入占其總質(zhì)量0.5％～4％的氫化鈦，以800轉(zhuǎn)/分鐘～1200轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速攪拌使氫化鈦在熔體內(nèi)充分分散混勻；分散攪拌過程結(jié)束5～90秒以后，向長大過程中的熔體泡沫進行噴水、噴霧或風(fēng)冷方式進行冷卻直至凝固，獲得具有孔隙率梯度的泡沫鋁及泡沫鋁合金的輕質(zhì)能量吸收器。氫化鈦為顆粒度為150目至300目之間、處理溫度150℃～350℃、處理時間為2小時～12小時的高溫氧化預(yù)處理氫化鈦。在承受沖擊方向具有孔隙率梯度或針對應(yīng)力的高低分布實現(xiàn)泡沫鋁內(nèi)部孔隙率的高低分布，孔隙率梯度變化范圍在0.02～0.2/cm。噴水強度為0.05L/(s×m2)～1.2L/(s×m2)。噴霧強度為0.01L/(s×m2)～0.05L/(s×m2)。采用風(fēng)冷方式進行冷卻時，空冷風(fēng)速小于12m/s。
氫化鈦分解產(chǎn)生氣體是鋁及鋁合金熔體泡沫化的驅(qū)動力，通過對氫化鈦進行氧化處理可調(diào)節(jié)氫氣分解特性(見圖1)，進而可調(diào)節(jié)鋁及鋁合金熔體泡沫化長大的演變過程，決定了熔體內(nèi)部球形孔向多變形孔演變的過程以及泡沫熔體孔隙率的變化過程。
泡沫熔體的多孔泡沫結(jié)構(gòu)造成其較低的熱傳導(dǎo)能力，在熔體泡沫受冷過程中，外部熔體泡沫受到較強的冷卻作用而凝固，從而保留了最初均勻的孔隙結(jié)構(gòu)，而泡沫熔體的低熱傳導(dǎo)特性使得其更內(nèi)部的泡沫仍保持為液態(tài)，發(fā)泡劑的持續(xù)分解促使內(nèi)部泡沫熔體中孔進一步生長演變，在凝固后得到固態(tài)孔洞大小和孔隙率要大于外側(cè)先凝固部分的孔隙率和孔徑，從而在泡沫長大和凝固發(fā)展過程相互耦合作用下形成具有梯度孔隙率和孔結(jié)構(gòu)的泡沫鋁及鋁合金(見圖2)。
本發(fā)明獲得如下技術(shù)效果1、本發(fā)明通過對氫化鈦發(fā)泡劑的氧化處理，實現(xiàn)了對熔體泡沫孔結(jié)構(gòu)演變、孔隙率變化速度以及孔洞長大速度的控制，在泡沫熔體尚處于長大階段，對其進行多種形式和強度的冷卻，在孔隙進一步生長和冷卻凝固作用的耦合下，實現(xiàn)對具有孔隙率梯度泡沫鋁及鋁合金的制備；這是傳統(tǒng)熔體發(fā)泡法的發(fā)展，以往傳統(tǒng)熔體發(fā)泡法實現(xiàn)了孔隙率的一致性控制，而本發(fā)明在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了孔隙率梯度的控制，具有工藝過程簡單、工藝可靠的特點；2、本發(fā)明中氫化鈦的氧化溫度(＜350℃)和時間(2小時)要低于現(xiàn)有研究成果，可靠的實現(xiàn)了氫氣的緩釋和分解量/時間曲線特征的確定，和現(xiàn)有技術(shù)相比具有提高效率降低能耗的優(yōu)點；3、具有孔隙率梯度的閉孔泡沫鋁及鋁合金沖擊能量吸收器，在較小能量沖擊條件下高孔隙率部分產(chǎn)生塑性變形吸收能量，實現(xiàn)低應(yīng)力沖擊波的隔離，而較低孔隙率部分在較大能量沖擊條件下變形實現(xiàn)大沖擊能量的吸收，從而保證被保護物體在大、小沖擊應(yīng)能量下沖擊應(yīng)力波的隔離和吸能特性的穩(wěn)定，這是現(xiàn)有傳統(tǒng)沖擊能量吸收器以及具有均勻孔隙結(jié)構(gòu)的泡沫鋁及鋁合金不具有的特性。
四

圖1氫化鈦加熱氧化處理后的分解釋氫曲線；圖2具有孔隙率、孔結(jié)構(gòu)梯度泡沫鋁及鋁合金剖面圖；圖3具有孔隙率、孔結(jié)構(gòu)梯度的泡沫鋁及鋁合金孔結(jié)構(gòu)圖；
圖4具有層狀孔隙率梯度的三明治結(jié)構(gòu)，順箭頭方向孔隙率由中心向外圍遞減。
五具體實施例方式
實施例1一種發(fā)泡法制備具有梯度孔結(jié)構(gòu)閉孔泡沫金屬的方法，包括以下步驟第一步將鋁及鋁合金放入鋼模中加熱至熔化，加入相當(dāng)于鋁合金加入量(重量百分比)的0.5％～5％的鈣作為增黏劑，攪拌反應(yīng)時間2～20分鐘，攪拌速度可以是300～600rpm；再加入相當(dāng)于鋁及鋁合金重量的0.5％～5％的經(jīng)過加熱氧化處理的氫化鈦，以800～5000rpm的速度攪拌20～100秒，使氫化鈦在熔體內(nèi)均勻分散，然后提出攪拌器；其中，鋁合金可以使鑄造鋁硅系合金，如ZL101，ZL102，ZL111系列合金，也可以使鑄造鋁銅系合金，如ZL201，ZL202，ZL205系列合金，也可以使主要含銅或者主要含硅的變形鋁合金，加入氫化鈦以后的攪拌速度為3000rpm，2000rpm，1600rpm，1200rpm，1000rpm，相應(yīng)的攪拌時間為30s，45s，60s，80s，90s；其中氫化鈦可以在350℃，300℃，280℃，260℃加熱處理0.5小時、1小時、1.5小時、2小時；對于較大的孔隙率梯度分布(0.2/cm)選擇將發(fā)泡劑進行低溫短時間處理，例如260℃加熱處理0.5小時，此時釋氫速度快冷卻過程中內(nèi)側(cè)熔體泡沫長大速度快，冷卻過程中內(nèi)側(cè)泡沫有較大的生長，從而形成高孔隙率梯度；與此相反，對于較小的孔隙率梯度分布(0.05/cm)，選擇將發(fā)泡劑經(jīng)高溫長時間處理，例如350℃加熱處理2小時。
第二步分散后將泡沫熔體保溫，然后將正在長大的泡沫熔體放入冷卻裝置，在不同的冷卻強度下對鋼模底部進行冷卻，冷卻方式可以為噴水冷卻、噴霧冷卻、風(fēng)冷，冷卻后形成底部到頂部孔隙率梯度升高的閉孔泡沫鋁及鋁合金；其中保溫時間可為10秒、15秒、20秒，噴水冷卻強度可為0.05L/(s×m2)、0.1L/(s×m2)、0.2L/(s×m2)、0.4L/(s×m2)、0.6L/(s×m2)、0.8L/(s×m2)、1.0L/(s×m2)、1.2L/(s×m2)，噴霧強度可為0.01L/(s×m2)、0.02L/(s×m2)、0.03L/(s×m2)、0.04L/(s×m2)、0.05L/(s×m2)，空冷風(fēng)速可為4、6、8、10、12m/s，例如，在分散后保溫15秒后，采用較強的冷卻強度1.0L/(s×m2)可獲得較小的平均孔隙率(＜70％)并獲得較低的孔隙率梯度(0.05/cm)；亦可減小冷卻強度0.4L/(s×m2)，以獲得較高的孔隙率梯度(0.2/cm)。
其中孔隙率為泡沫鋁及鋁合金中孔隙所占的體積比，即孔隙率＝孔洞體積/泡沫鋁及鋁合金制品體積孔隙率梯度為泡沫鋁及鋁合金內(nèi)單位長度下孔隙率的變化，即孔隙率梯度＝Δ孔隙率/長度實施例2一種發(fā)泡法制備具有梯度孔結(jié)構(gòu)閉孔泡沫金屬的方法，包括以下步驟第一步將鋁及鋁合金放入鋼模中加熱至熔化，加入相當(dāng)于鋁合金加入量(重量百分比)的0.5％～5％的鈣作為增黏劑，攪拌反應(yīng)時間2～20分鐘，攪拌速度可以是300～600rpm；再加入相當(dāng)于鋁及鋁合金重量的0.5％～5％的經(jīng)過加熱氧化處理的氫化鈦，以800～5000rpm的速度攪拌20～100秒，使氫化鈦在熔體內(nèi)均勻分散，然后提出攪拌器；其中，鋁合金可以使鑄造鋁硅系合金，如ZL101，ZL102，ZL111系列合金，也可以使鑄造鋁銅系合金，如ZL201，ZL202，ZL205系列合金，也可以使主要含銅或者主要含硅的變形鋁合金，加入氫化鈦以后的攪拌速度為3000rpm，2000rpm，1600rpm，1200rpm，1000rpm，相應(yīng)的攪拌時間為30s，45s，60s，80s，90s；其中氫化鈦可以在350℃，300℃，280℃，260℃加熱處理0.5小時、1小時、1.5小時、2小時；第二步分散后將泡沫熔體保溫，然后將正在長大的泡沫熔體放入冷卻裝置，在不同的冷卻強度下對鋼模四周進行冷卻，冷卻方式可以為噴水冷卻、噴霧冷卻、風(fēng)冷，冷卻后形成四周到芯部孔隙率梯度升高的閉孔泡沫鋁及鋁合金；其中保溫時間可為10秒、15秒、20秒，噴水冷卻強度可為0.05L/(s×m2)、0.1L/(s×m2)、0.2L/(s×m2)、0.4L/(s×m2)、0.6L/(s×m2)、0.8L/(s×m2)、1.0L/(s×m2)、1.2L/(s×m2)，噴霧強度可為0.01L/(s×m2)、0.02L/(s×m2)、0.03L/(s×m2)、0.04L/(s×m2)、0.05L/(s×m2)，空冷風(fēng)速可為4、6、8、10、12m/s。
實施例3將具有層狀孔隙率分布梯度的泡沫鋁塊體作為輕質(zhì)沖擊能量吸收器，其中孔隙率高的部分面對沖擊方向，實現(xiàn)對沖擊能量的平穩(wěn)吸收；
實施例4將具有同芯孔隙率分布梯度的泡沫鋁柱體作為輕質(zhì)柱狀結(jié)構(gòu)件，在受彎矩載荷時，孔隙率低的周邊部分應(yīng)對高應(yīng)力分布區(qū)，芯部高孔隙率部分應(yīng)對低應(yīng)力分布區(qū)，實現(xiàn)彎矩載荷下材料性能和受載的匹配，實現(xiàn)最大輕質(zhì)化(圖4)。
權(quán)利要求
1.一種制備具有梯度孔結(jié)構(gòu)閉孔泡沫鋁及鋁合金制品的方法，其特征在于制備步驟為a.將金屬鋁或鋁合金熔化并保溫至680℃～780℃，向鋁熔體中加入占其總質(zhì)量0.5％～5％的增黏劑Ca，攪拌混勻反應(yīng)時間2～20分鐘，使熔體黏度穩(wěn)定；b.向上步保溫條件下增黏后的鋁熔體中加入占其總質(zhì)量0.5％～4％的氫化鈦，以800轉(zhuǎn)/分鐘～1200轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速攪拌使氫化鈦在熔體內(nèi)充分分散混勻；c.分散攪拌過程結(jié)束5～90秒以后，向長大過程中的熔體泡沫進行噴水、噴霧或風(fēng)冷方式進行冷卻直至凝固，獲得具有孔隙率梯度的泡沫鋁及泡沫鋁合金的輕質(zhì)能量吸收器。
2.如權(quán)利要求1所述的一種制備具有梯度孔結(jié)構(gòu)閉孔泡沫鋁及鋁合金制品的方法，其特征在于所述氫化鈦為顆粒度為150目至300目之間、處理溫度150℃～350℃、處理時間為2小時～12小時的高溫氧化預(yù)處理氫化鈦。
3.如權(quán)利要求1所述的一種制備具有梯度孔結(jié)構(gòu)閉孔泡沫鋁及鋁合金制品的方法，其特征在于在承受沖擊方向具有孔隙率梯度或針對應(yīng)力的高低分布實現(xiàn)泡沫鋁內(nèi)部孔隙率的高低分布，孔隙率梯度變化范圍在0.02～0.2/cm。
4.如權(quán)利要求1所述的一種制備具有梯度孔結(jié)構(gòu)閉孔泡沫鋁及鋁合金制品的方法，其特征在于所述噴水強度為0.05L/(s×m2)～1.2L/(s×m2)。
5.如權(quán)利要求1所述的一種制備具有梯度孔結(jié)構(gòu)閉孔泡沫鋁及鋁合金制品的方法，其特征在于所述噴霧強度為0.01L/(s×m2)～0.05L/(s×m2)。
6.如權(quán)利要求1所述的一種制備具有梯度孔結(jié)構(gòu)閉孔泡沫鋁及鋁合金制品的方法，其特征在于所述風(fēng)冷方式進行冷卻時，空冷風(fēng)速小于12m/s。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有孔結(jié)構(gòu)梯度的、具有優(yōu)異沖擊能量吸收特性的泡沫鋁及鋁合金的制備方法，制備步驟為將金屬鋁或鋁合金熔化并保溫至680℃～780℃，向鋁熔體中加入占其總質(zhì)量0.5％～5％的增黏劑Ca，攪拌混勻反應(yīng)時間2～20分鐘，使熔體黏度穩(wěn)定；向上步保溫條件下增黏后的鋁熔體中加入占其總質(zhì)量0.5％～4％的氫化鈦，以800轉(zhuǎn)/分鐘～1200轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速攪拌使氫化鈦在熔體內(nèi)充分分散混勻；分散攪拌過程結(jié)束5～90秒以后，向長大過程中的熔體泡沫進行噴水、噴霧或風(fēng)冷方式進行冷卻直至凝固，獲得具有孔隙率梯度的泡沫鋁及泡沫鋁合金的輕質(zhì)能量吸收器。
文檔編號B22D27/00GK101086043SQ200710025129
公開日2007年12月12日 申請日期2007年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月13日
發(fā)明者何思淵, 何德坪, 戴戈, 王輝, 王權(quán), 蔣宗仁 申請人:東南大學(xué)