本發(fā)明涉及一種泡沫鋁夾層板的制備方法，屬于多孔金屬材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

泡沫鋁夾層板是一種表面為鋁或鋁合金實心層，芯部為泡沫鋁的夾層結(jié)構(gòu)，與單純的泡沫鋁相比，具有更高的比強(qiáng)度和能量吸收能力，在建筑、機(jī)動車、飛機(jī)、船舶、裝飾等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

目前，泡沫鋁夾層板的主流制備方法是粘結(jié)法、粉末冶金發(fā)泡法和。粘結(jié)法采用有機(jī)膠將泡沫鋁及鋁（或鋁合金）面板粘結(jié)在一起，獲得泡沫鋁夾層板；粉末冶金發(fā)泡法則是首先通過粉末冶金途徑（混粉、壓力加工），獲得可發(fā)泡先驅(qū)體，然后將可發(fā)泡先驅(qū)體與鋁（或鋁合金）面板進(jìn)行復(fù)合軋制，最后通過加熱發(fā)泡獲得泡沫鋁夾層板。粘結(jié)法的不足之處是面板與泡沫芯的結(jié)合強(qiáng)度低，且使用溫度一般不超過200℃；粉末冶金發(fā)泡法雖然可得到面板與泡沫芯為冶金結(jié)合的高強(qiáng)度泡沫鋁夾層板，但受粉末冶金方法本身的限制，在制品成本、產(chǎn)量及尺寸上存在明顯的不足。

為獲得面板與泡沫芯為冶金結(jié)合且表面層厚度可控的高強(qiáng)度夾層板，本專利提出了一種泡沫鋁夾層板制備方法，從熔體途徑出發(fā)獲得內(nèi)含發(fā)泡劑的可發(fā)泡先驅(qū)體，結(jié)合TiH₂的預(yù)處理、包覆鋁或鋁合金板及保溫發(fā)泡等過程，制備面板及泡沫芯之間為冶金結(jié)合界面且表面厚度可控的泡沫鋁夾層板，克服了粉末冶金發(fā)泡法在制品成本、產(chǎn)量及尺寸上的不足，克服了粘結(jié)法泡沫鋁夾層板在板-芯結(jié)合強(qiáng)度上的不足。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

將鋁合金（材料A）在T1溫度熔化保溫、增粘，向增粘的芯部鋁合金熔體中加入經(jīng)預(yù)氧化處理的發(fā)泡劑TiH₂進(jìn)行攪拌分散；將發(fā)泡模具預(yù)熱至T1溫度，鋁或鋁合金板（材料B）預(yù)熱至比其固相線溫度低10~15℃的T2溫度；將一塊預(yù)熱好的鋁或鋁合金板墊入模具底部，并將含TiH₂的增粘的芯部鋁合金熔體倒入模具中，隨后在熔體表面蓋一塊預(yù)熱好的鋁或鋁合金板，最后蓋上模具上蓋板；控制模具的溫度為T1進(jìn)行保溫發(fā)泡，發(fā)泡過程中，芯部鋁合金熔體發(fā)泡成為夾層板的泡沫鋁芯，面板熔化并形成夾層板的上下實體表面層；發(fā)泡過程結(jié)束并冷卻后，獲得表面層與泡沫鋁芯為冶金結(jié)合的泡沫鋁夾層板，夾層板表面層厚度通過面板厚度進(jìn)行控制。具體步驟包括：

（1）鋁合金熔體熔化保溫：將鋁合金（材料A）在高于其液相線溫度20~30℃的溫度T1下熔化后保溫30~60分鐘得到芯部鋁合金熔體；

（2）鋁合金熔體增粘：在步驟（1）獲得的芯部鋁合金熔體中加入增粘劑金屬Ca，以1000~2000rpm的攪拌速度攪拌10~15分鐘，獲得增粘的鋁合金熔體；其中，Ca的加入量為鋁合金熔體質(zhì)量的1~3%wt；

（3）加入發(fā)泡劑：在步驟（2）得到的增粘的鋁合金熔體中加入經(jīng)預(yù)氧化處理的發(fā)泡劑TiH₂，以1000~3000rpm的攪拌速度攪拌40~100s，得到可發(fā)泡熔體；

（4）模具及鋁板預(yù)熱：將厚度為1~2mm的鋁或鋁合金板（材料B）預(yù)熱至比其液相線溫度T3低10~15℃的溫度T2，模具預(yù)熱至溫度T1，預(yù)熱好的鋁或鋁合金板墊入模具下方將步驟（3）得到的可發(fā)泡熔體倒入模具，在熔體表面蓋一層鋁或鋁合金板并蓋上模具上蓋板；

（5）保溫發(fā)泡：將步驟（4）獲得的內(nèi)含熔體與鋁或鋁合金板的模具在溫度T1下保溫發(fā)泡5~7分鐘，發(fā)泡體空冷后獲得泡沫鋁夾層板。

本發(fā)明步驟（1）中所述鋁合金為鋁與Si、Cu、Mg、Zn、Mn元素構(gòu)成的二元或多元鋁合金；步驟（4）中所述鋁或鋁合金板為工業(yè)純鋁板或各類鋁合金板。

本發(fā)明所述發(fā)泡劑TiH₂顆粒的粒度范圍為37~74μm；發(fā)泡劑TiH₂的預(yù)處理方法為采用400℃6h+（470~520）℃1h的工藝在大氣環(huán)境中進(jìn)行氧化處理。

本發(fā)明所述溫度T1>T3>T2，T1-T2=10~20℃。

本發(fā)明所述方法制備得到的泡沫鋁夾層板，表面為厚度1.0~2.0mm的實心層、芯部為平均孔徑3~6mm、孔隙率75~90%的泡沫鋁夾層板。

發(fā)明原理：

1、發(fā)泡溫度、預(yù)熱溫度及上下鋁或鋁合金板液相線溫度的匹配原理

制備泡沫鋁夾層板需確定3個關(guān)鍵溫度，發(fā)泡溫度T1、上下鋁或鋁合金板預(yù)熱溫度T2、上下鋁或鋁合金板液相線溫度T3，三者關(guān)系為T1>T3>T2，實驗研究結(jié)果表明存在以下關(guān)系：

（1）發(fā)泡溫度、芯部鋁合金熔化保溫溫度、模具預(yù)熱溫度均為T1

（2）上下鋁或鋁合金板預(yù)熱溫度T2，T1-T2=10~20℃

（3）上下鋁或鋁合金板液相線溫度T3，T3-T2=10~15℃

模具與上下鋁或鋁合金板的預(yù)熱溫度不同，分開預(yù)熱，且T1>T2；上下鋁或鋁合金板在預(yù)熱（預(yù)熱溫度T2）時為固態(tài)，而在發(fā)泡時為液態(tài)（發(fā)泡溫度T1）。

溫度匹配的出發(fā)點是芯部鋁合金(材料A）的液相線溫度，由此推出保溫發(fā)泡溫度T1，根據(jù)T1確定上下鋁或鋁合金板（材料B）預(yù)熱溫度及液相線溫度T2，隨后選定鋁和鋁合金板（材料B）即：材料A的液相線溫度→保溫發(fā)泡溫度T1→（材料B）預(yù)熱溫度及液相線溫度→確定材料B。

2、泡沫鋁的孔隙率控制規(guī)律

發(fā)泡溫度、發(fā)泡時間與孔隙率之間的關(guān)系為：

式中，：泡沫鋁板的孔隙率（%，0<<100%）

t：發(fā)泡時間（min）

T₂：發(fā)泡溫度（600~670℃）

3、發(fā)泡劑預(yù)處理與發(fā)泡工藝的關(guān)系

對發(fā)泡劑TiH₂進(jìn)行表面氧化處理，可在其表面原位生成氧化層，在高溫鋁熔體內(nèi)分散時有一段低分解平臺區(qū)（圖2中的Ⅰ區(qū)），在該時段內(nèi)TiH₂不分解或少量分解，有利于發(fā)泡劑的均勻分散，并可使其在發(fā)泡過程中能夠保持足夠的活性（圖2中的Ⅱ、Ⅲ區(qū)），獲得足夠的產(chǎn)氣量以實現(xiàn)有效的泡沫化過程。

攪拌分散時間（即圖2中Ⅰ區(qū)的時間段）與發(fā)泡溫度、發(fā)泡劑預(yù)處理工藝之間的相互關(guān)系為：

式中，S：TiH₂在溫度的攪拌分散時間（s，>0）

T₁：TiH₂氧化處理的最高溫度（470~520℃）

T₂：發(fā)泡溫度（600~670℃）

本發(fā)明的有益效果：從熔體途徑出發(fā)獲得內(nèi)含發(fā)泡劑的可發(fā)泡先驅(qū)體，結(jié)合TiH₂的預(yù)處理、包覆鋁或鋁合金板及保溫發(fā)泡等過程，制備面板及泡沫芯之間為冶金結(jié)合界面且表面厚度可控的泡沫鋁夾層板，克服了粉末冶金發(fā)泡法在制品成本、產(chǎn)量及尺寸上的不足，克服了粘結(jié)法泡沫鋁夾層板在板-芯結(jié)合強(qiáng)度上的不足，工藝過程簡單、可控，可實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為泡沫鋁夾層板制備工藝流程圖；

圖2為氧化預(yù)處理TiH₂在發(fā)泡溫度的等溫分解曲線示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于所述內(nèi)容。

實施例1

（1）合金熔化保溫：將AlSi12合金于600℃熔化，保溫30分鐘；

（2）增粘 ：向步驟（1）獲得的AlSi12合金熔體中添加與AlSi12合金熔體質(zhì)量百分比為1.5%wt的Ca，用1000rpm的攪拌速度攪拌15分鐘，獲得增粘的AlSi12合金熔體；

（3）加入發(fā)泡劑：向步驟（2）獲得的增粘AlSi12合金熔體中加入與AlSi12合金熔體質(zhì)量百分比為1.0%wt、經(jīng)400℃6h+470℃1h預(yù)氧化處理的發(fā)泡劑TiH₂，發(fā)泡劑TiH₂顆粒的粒度范圍為37~74μm，發(fā)泡劑攪拌分散的攪拌速度為3000rpm、攪拌時間為70s，得到可發(fā)泡的熔體；

（4）模具及鋁板預(yù)熱：將厚度為1mm的AlSi9合金板預(yù)熱至590℃，模具預(yù)熱至600℃，模具下方墊入預(yù)熱好的AlSi9合金板，將步驟3獲得的含TiH₂的增粘鋁合金熔體倒入模具，在熔體表面蓋一層AlSi9合金板并蓋上模具上蓋板；

（5）保溫發(fā)泡：將步驟4含有熔體和AlSi9合金板的模具溫度保持在 600℃保溫發(fā)泡7分鐘，發(fā)泡體空冷后獲得表面為厚度1mm的實心AlSi9合金層、芯部為平均孔徑3mm、孔隙率75%的AlSi12合金泡沫夾層板。

實施例2

（1）鋁合金熔體熔化保溫：將ZL111合金于620℃熔化，保溫50分鐘；

（2）增粘：向步驟（1）獲得的ZL111合金熔體中添加與ZL111合金熔體質(zhì)量百分比為2%wt的Ca，用1500rpm的攪拌速度攪拌12分鐘，獲得增粘的ZL111合金熔體；

（3）加入發(fā)泡劑：向步驟（2）獲得的增粘ZL111合金熔體中加入與ZL111合金熔體質(zhì)量百分比為1.5%wt、經(jīng)400℃6h+490℃1h預(yù)氧化處理的發(fā)泡劑TiH₂，發(fā)泡劑TiH₂顆粒的粒度范圍為37~74μm，發(fā)泡劑攪拌分散的攪拌速度為2000rpm，攪拌時間為40s，得到可發(fā)泡的鋁合金熔體待用；

（4）模具及鋁板預(yù)熱：將厚度為1mm的AlSi7合金板預(yù)熱至600℃，模具預(yù)熱至620℃，模具下方墊入預(yù)熱好的AlSi7合金板，將步驟（3）獲得的含TiH₂的增粘鋁合金熔體倒入模具，在熔體表面蓋一層AlSi7合金板并蓋上模具上蓋板；

（5）保溫發(fā)泡：將步驟（4）獲得的含有熔體及AlSi7合金板的模具溫度保持在620℃進(jìn)行保溫發(fā)泡6分鐘，發(fā)泡體空冷后獲得表面為厚度1m的實心AlSi7合金層、芯部為平均孔徑4mm、孔隙率80%的ZL111合金泡沫夾層板。

實施例3

（1）鋁合金熔體熔化保溫：將7075合金于670℃熔化，保溫50分鐘；

（2）增粘：向步驟（1）獲得的7075合金熔體中添加與7075合金熔體質(zhì)量百分比為3%wt的Ca，用1800rpm的攪拌速度攪拌12分鐘，獲得增粘的7075合金熔體；

（3）加入發(fā)泡劑：向步驟（2）獲得的增粘7075合金熔體中加入與7075合金熔體質(zhì)量百分比為2%wt、經(jīng)400℃6h+520℃1h預(yù)氧化處理的發(fā)泡劑TiH₂，發(fā)泡劑TiH₂顆粒的粒度范圍為37~74μm，發(fā)泡劑攪拌分散的攪拌速度為1000rpm，攪拌時間為100s，得到可發(fā)泡的鋁合金熔體待用；

（4）模具及鋁板預(yù)熱：將厚度為2mm的純鋁板預(yù)熱至650℃，模具預(yù)熱至670℃，模具下方墊入預(yù)熱好的純鋁板，將步驟（3）獲得的含TiH₂的增粘鋁合金熔體倒入模具，在熔體表面蓋一層純鋁板并蓋上模具上蓋板；

（5）保溫發(fā)泡：將步驟（4）獲得的含有熔體及純鋁板的模具溫度保持在670℃進(jìn)行保溫發(fā)泡5分鐘，發(fā)泡體空冷后獲得表面為厚度2mm的實心純鋁層、芯部為平均孔徑5mm、孔隙率85%的7075合金泡沫夾層板。

實施例4

（1）鋁合金熔體熔化保溫：將AlMg10合金在640℃熔化，保溫60分鐘；

（2）鋁合金熔體增粘：向步驟（1）獲得的AlMg10合金熔體中添加與AlMg10合金熔體質(zhì)量百分比為2.0%wt的Ca，用2000rpm的攪拌速度攪拌10分鐘，獲得增粘的AlMg10合金熔體；

（3）加入發(fā)泡劑：向步驟（2）獲得的增粘AlMg10合金熔體中加入與AlMg10合金熔體質(zhì)量百分比為1.7%wt、經(jīng)400℃6h+510℃1h預(yù)氧化處理的發(fā)泡劑TiH₂，發(fā)泡劑攪拌分散的攪拌速度為2000rpm，攪拌時間為45s；

（4）模具及鋁板預(yù)熱：將厚度為1.5mm的AlSi4合金板預(yù)熱至620℃，模具預(yù)熱至640℃，模具下方墊入預(yù)熱好的AlSi4合金板，將步驟（3）獲得的含TiH₂的增粘鋁合金熔體倒入模具，在熔體表面蓋一層AlSi4合金板并蓋上模具上蓋板；

（5）保溫發(fā)泡：將步驟（4）獲得的含有熔體及AlSi4合金板的模具溫度保持在640℃進(jìn)行保溫發(fā)泡7分鐘，發(fā)泡體空冷后獲得表面為厚度1.5mm的實心AlSi4合金層、芯部為平均孔徑6mm、孔隙率90%的AlMg10合金泡沫夾層板。