一種多孔泡沫金屬復合材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于冶金材料技術領域，尤其涉及一種高強-高彈-高韌多孔泡沫金屬復合材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]密實金屬(包括鋼材和鋁材)是應用最廣的金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空航天和交通運輸領域，改進結(jié)構(gòu)和使用輕量化材料是降低運營成本，提高燃油效率的最佳方法，泡沫鋁的密度僅為純鋁的1/5~1/10，使用泡沫鋁直接制造航空航天和交通運輸工具的零部件，是十分有效的減重、節(jié)能、降成本手段。傳統(tǒng)的泡沫金屬，如泡沫鋁都是由金屬鋁基、陶瓷顆粒和氣孔組成的復合材料，陶瓷顆粒使泡沫體具有脆性，泡沫體的機械性能、耐蝕性能往往不能滿足輕型結(jié)構(gòu)件的使用要求。作為結(jié)構(gòu)材料使用時，現(xiàn)有的泡沫金屬無法滿足工程對材料性能的要求。在現(xiàn)代工業(yè)、現(xiàn)代國防和現(xiàn)代科技領域，現(xiàn)有的泡沫金屬材料，在材料性能方面，特別是對于要求具有高強度、高韌性、高彈性的場合，已有的泡沫金屬無法滿足用戶對產(chǎn)品性能的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明就是針對現(xiàn)有技術存在的問題，提出一種高強-高彈-高韌泡沫金屬復合材料及其制備方法。
[0004]上述目的是通過下述方案實現(xiàn)的:
一種多孔泡沫金屬復合材料，其特征在于，所述復合材料包括增強體以及在所述增強體外澆注形成的泡沫金屬。
[0005]根據(jù)上述的復合材料，其特征在于，所述增強體為網(wǎng)狀或立體結(jié)構(gòu)，所述泡沫金屬為泡沫鋁。
[0006]根據(jù)上述的復合材料，其特征在于，所述增強體為由金屬或合金絲或非金屬絲編織形成的網(wǎng)狀或立體結(jié)構(gòu)。
[0007]根據(jù)上述的復合材料，其特征在于，所述金屬或合金絲為直絲或帶棘刺的單根絲或彈簧型絲或多根直絲組成的單股絲。
[0008]根據(jù)上述的復合材料，其特征在于，所述金屬或合金絲為鋁絲、鋁合金絲、低碳鋼絲、中碳鋼絲、高碳鋼絲、合金鋼絲、不銹鋼絲、4J29合金絲、4J36合金絲、高彈鈹青銅絲、白銅合金絲、黃銅合金絲之一，非金屬絲包括為碳纖維材料。
[0009]一種制備上述復合材料的方法，其特征在于，所述方法包括:將增強體置于鑄模中，將增強體和鑄模預熱，將泡沫金屬液澆入鑄模中，冷卻，脫除鑄模得到復合材料。
[0010]本發(fā)明的有益效果:采用本發(fā)明所制備的由網(wǎng)狀骨架-胞壁和泡沫孔洞組成的高強-高彈-高韌泡沫金屬復合材料，既具有密實金屬的高強度、高彈性、高韌性等優(yōu)點，又具有泡沫金屬鋁的輕質(zhì)、高比強度、高耐熱性能等優(yōu)點，在制備此泡沫金屬復合材料時，可以不添加碳化硅、氧化鋁和金屬鈣等異質(zhì)、不潤濕材料，泡沫金屬基體可以是純金屬的固溶體，合金的強度、耐蝕性由于普通泡沫金屬?？朔鹘y(tǒng)泡沫金屬強度、韌性、彈性和耐蝕性不足的弊端，綜合了密實金屬的高強度、高彈性、高韌性的優(yōu)勢，又結(jié)合了泡沫金屬的低密度、尚耐蝕、尚比強度的優(yōu)點。
【附圖說明】
[0011 ] 圖1-圖4為單根增強絲示意圖；
圖5-圖9為單股增強絲示意圖；
圖10為為由橫向單根絲或者單股絲與縱向單根絲或者單股絲編織而成的單張增強金屬絲網(wǎng)；
圖11為由單張增強網(wǎng)編織-拼接連成的輕質(zhì)-高強-高彈金屬絲增強體；
圖12為單張增強網(wǎng)澆鑄泡沫金屬板工裝組裝示意圖；
圖13為單張增強網(wǎng)澆鑄的泡沫金屬板示意圖；
圖14為由增強網(wǎng)拼接連成的輕質(zhì)-高強-高彈金屬絲增強體澆鑄泡沫金屬板工裝組裝示意圖；
圖15為由網(wǎng)狀骨架-胞壁和泡沫孔洞組成的高強-高彈-高韌泡沫金屬復合材料示意圖。
【具體實施方式】
[0012]本發(fā)明的由網(wǎng)狀骨架-胞壁和泡沫孔洞組成的高強-高彈-高韌泡沫金屬復合材料及其制備方法，是通過下述方案實現(xiàn)的:高強-高彈-高韌泡沫金屬復合材料是由單根高強、高彈、高韌的金屬絲或者由單根金屬絲組成的單股絲為單元，編織成單張的增強金屬絲網(wǎng)，由單張增強網(wǎng)編織-拼接連成的輕質(zhì)-高強-高彈金屬絲增強體。以單根增強絲、或者單股增強絲、或者單張增強金屬絲網(wǎng)、或者由單張增強網(wǎng)編織-拼接連成的輕質(zhì)-高強-高彈金屬絲增強體為支撐體，以泡沫鋁為填料，將泡沫鋁填料澆入支撐體中、冷卻，得到高強-高彈-高韌泡沫金屬復合材料，該復合材料由泡沫鋁的網(wǎng)狀骨架-胞壁、氣泡-泡沫孔洞、金屬基增強體組成。
[0013]復合材料的增強絲可以為金屬絲，也可以為非金屬絲，常見的金屬絲包括:鋁絲、鋁合金絲、低碳鋼絲、中碳鋼絲、高碳鋼絲、合金鋼絲、不銹鋼絲、4J29合金絲、4J36合金絲、高彈鈹青銅絲、白銅合金絲、黃銅合金絲等，非金屬絲包括有機絲和無機絲、以及碳纖維材料等。
[0014]單根或者單股增強用高強高彈金屬或者合金絲見圖1-圖9，圖1到圖4為單根增強用高強高彈金屬或者合金絲，其中:1a為直絲，Ib為帶棘刺的單根絲，Ic為折線型絲，Id為彈簧型絲，所有的絲斷面可以是圓形、三角形、四邊形、五邊形等，可以是實心也可以是空心絲。圖5到圖9為由單根絲組合而成的單股絲，其中:le為兩根單絲組成的單股絲，If為三根單絲組成的單股絲，Ig為四根單絲組成的單股絲，Ih為五根單絲組成的單股絲，Ii為六根單絲組成的單股絲等等，單股絲中的每根絲可以是直絲、折絲、彈簧型絲，可以帶棘刺或者不帶棘刺，斷面可以是圓形、三角形、四邊形、五邊形等，可以是實心也可以是空心絲。
[0015]增強體由橫向單根絲或者單股絲與縱向單根絲或者單股絲編織而成的單張增強金屬絲網(wǎng)，見圖10。圖10中，2為單張增強金屬絲網(wǎng)，2a為橫向增強用高強高彈單根絲或者單股絲，2b為縱向增強用單根絲或者單股絲，2c為橫向增強絲與縱向增強絲之間的捆扎節(jié)點(或者焊接節(jié)點)。
[0016]增強網(wǎng)由單張增強網(wǎng)編織-拼接連成的輕質(zhì)-高強-高彈金屬絲增強體，作為高強-高彈-高韌泡沫金屬復合材料的骨架支撐材料，見圖11。圖11中，3為金屬絲增強體。
[0017]泡沫體填充物可以為熔體發(fā)泡法制備的泡沫鋁，也可以為吹氣法制備的泡沫鋁，也可以是粉末冶金法制備的泡沫鋁。泡沫合金基體可以是純鋁，如1070、1050、1100等，可以是合金，如 2519、2424、3003、3004、5183、5454、6061、6063、7050、7055、8090 等。制備泡沫體時，可以添加增粘劑，如金屬鈣、碳化硅、氧化鋁等，也可以不添加增粘劑。添加增粘劑時，泡沫體的孔隙率較高，但泡沫體脆性較大。
[0018]該復合材料由泡沫鋁的網(wǎng)狀金屬骨架-胞壁、氣泡-泡沫孔洞、金屬基增強體組成。
[0019]圖12為單張增強網(wǎng)澆鑄泡沫金屬板工裝組裝示意圖，圖中，4a為鑄模，4b為由雙根金屬絲增強的單張增強網(wǎng)，4c為起連接-固定-增強作用的棘刺，4d為鑄模內(nèi)固定增強網(wǎng)的支撐，4e為泡沫金屬液澆入口。澆注前，先將由雙根金屬絲增強的單張增強網(wǎng)4b裝入鑄模4a中，將鑄模和增強網(wǎng)預熱到400°C左右(預熱溫度因合金不同而不同)，從泡沫金屬液澆入口 4e中將泡沫金屬液壓入鑄模中，冷卻，脫除鑄模4a，即得到單張增強網(wǎng)澆鑄的泡沫金屬板，單張增強網(wǎng)澆鑄的泡沫金屬板示意圖見圖13。
[0020]圖14為由增強網(wǎng)拼接連成的輕質(zhì)-高強-高彈金屬絲增強體澆鑄泡沫金屬塊體工裝組裝示意圖，圖中，3為由輕質(zhì)-高強-高彈金屬絲編織成的增強體，6為鑄模，6a為澆口。澆注前，首先將由增強網(wǎng)拼接成的增強體3安裝入鑄模6中，將鑄模和增強體預熱到420°C左右(預熱溫度因合金不同而不同)，從泡沫金屬液澆入口 6a中將泡沫金屬液澆入鑄模6中，冷卻，脫除鑄模6，即得到由增強網(wǎng)拼接連成的輕質(zhì)-高強-高彈金屬絲增強體澆鑄泡沫金屬塊體，由網(wǎng)狀骨架-胞壁和泡沫孔洞組成的高強-高彈-高韌泡沫金屬塊體復合材料見圖15。圖中，7a為增強體，7b為增強泡沫體塊體。
[0021]實施例1:
以純鋁1070鋁絲為增強體，以純鋁1070合金為泡沫體，制備單張增強網(wǎng)增強型泡沫鋁板材，制備過程如下:以直徑為1.5mm的1070鋁絲為基材，編織單張增強網(wǎng)，將增強網(wǎng)安裝于鑄模中，將鑄模預熱到390-410°C，備用。以99.95%的電解鋁為原料，將電解鋁錠放入坩禍爐中，加熱到740-760°C，待鋁錠完全熔化，將鋁液溫度調(diào)整到665-670°C，加入6%的氧化鋁攪拌、增粘，待鋁液溫度降低到661-664°C，加入1.2%的TiH2，攪拌、發(fā)泡，待泡沫體體積迅速膨脹，將泡沫體澆注入鑄模中，冷卻，打開鑄模，即可得到以純鋁1070鋁絲為增強體，以純鋁1070合金為泡沫體，單張增強網(wǎng)增強型1070合金泡沫鋁板材。
[0022]實施例2:
以純鋁1100鋁絲為增強體，以純鋁1070合金為泡沫體，制備單張增強網(wǎng)增強型泡沫鋁板材，制備過程如下:以直徑為1.6mm的1100鋁絲為基材，編織單張增強網(wǎng)，將增強網(wǎng)安裝于鑄模中，將鑄模預熱到390-410°C，備用。以99.95%的電解鋁為原料，將電解鋁錠放入坩禍爐中，加熱到740-760°C，待鋁錠完全熔化，將鋁液溫度調(diào)整到665-670°C，加入6%的氧化鋁攪拌、增粘，