基于粉末冶金方法的泡沫铝制备

罗小雷 李喜德 邹浩然 张绰

摘 要

泡沫铝的制得是通过熔体发泡法实现的，选用发泡剂为TiH2粉，TiH2粉加热分解氢气的速率将直接影响到泡沫铝的发泡过程。熔体发泡法制备泡沫铝的关键之处在于如何降低高温下TiH2粉的分解释放氢气的速度。

关键词

粉末冶金;泡沫铝;TiH2粉

中图分类号： TF124                     文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.061

Abstract

This paper reports a melt foaming method to prepare foamed aluminum. The foaming agent is TiH2 powder，and the heating rate of TiH2 powder to decompose hydrogen will directly affect the foaming process of aluminum foam.The key of melt foaming method to produce aluminum foam is how to reduce the rate of hydrogen release from the decomposition of TiH2 powder at high temperature.

Key Words

Powder metallurgy;Aluminum foam;TiH2 powder

0 前言

泡沫铝的基本特性就是：刚度好、能够吸收较强的冲击、密度不大、消声好等，在隔音装置得到广泛应用，同样热导率还比较低，在航空绝热材料中应用效果优异。此外，其电磁屏蔽性能也比一般材料高，且电阻很大，使用时能减少耗电，有节能的优势，还有很强的过滤能力，原材料来源广泛，加工过程简单易得，还可对表面进行抛光和涂装处理。

在20世纪的九十年代，泡沫铝在全球开始有较快的发展态势。泡沫铝是通过不同的造孔工艺在铝或者铝合金基体的内部形成大量的孔隙所形成的，主要是两种：开孔、闭孔泡沫铝。二者之中应用广泛的为闭孔泡沫铝，其内部的孔隙彼此之间时独立的，互不连通，承载方式则是通过孔隙之间的孔壁，从而使闭孔泡沫铝拥有了很多的优点。如今，闭孔泡沫铝可以通过多种不同的工艺生产，当中，最具有发展潜能，同时也被人们大量推广的就是溶体发泡法，其最大的优势便是制造成本不高，而且制造设备比较简单，所以其商业用途比较凸显。在保温发泡工序之前，铝熔体要增加增粘功能的其他物质来保持其有一定的黏度。目前金属钙经常作为容易发泡法的增粘剂，理由是金属钙本身就是高亲氧元素，能够在增加搅拌的过程使得氧渗透，而快速地让铝熔体的外表被氧化，通过这样，形成的氧化物可以让铝熔体更加增粘。熔体发泡法的工艺为：先是在锅溶体中增加浓度为1.5%～2.0%的金属钙，保持温度为720℃，而且对铝熔体予以搅拌，而后把经由搅拌之后的铝熔体倒入发泡坩埚里。发泡在保温的情况下，在增粘铝熔体中加入黏度是1.0到1.6%的TiH2发泡剂，在全面搅拌的基础上让发泡剂均匀混合，发泡剂在分解之后，生成的氢气让锅溶体在坩埚内发泡膨胀，最后快速冷却，形成了闭孔泡沫铝。

1 实验部分

1.1 实验设备

搅拌器、烧杯、量筒、井式炉（5kW）（兴化市骏辉电热电器厂）、温控箱、热电偶、铁坩埚、搅拌棒、数字天平（深圳华恒仪器有限公司）。

1.2 实验原料

TiH2粉、碳粉、铝块。

1.3 熔体发泡法工艺原理

熔体发泡法的基本工艺原理是，铝熔体在黏度有所增加之后，有经由分解形成氢气功能的发泡剂氢化钛粉末渗透其中，同时经由对其连续的搅拌，让发泡剂在铝熔体中均匀分散。再经由一定的温度加热之后，发泡剂被分解，释放出相关的气体。

1.4 熔体发泡法工艺流程

（a）熔化过程：熔化温度、时间;

（b）增粘过程：增粘剂的增加量、增粘温度、增粘搅拌速率、时间;

（c）发泡剂混合过程：发泡剂增加量、时间、发泡温度、搅拌速度;

（d）保温发泡过程：保温温度、时间;

（e）冷却成形过程：冷却方式。

1.5 泡沫鋁制备

1.5.1 前期处理

（a）铝块的切块处理

将事先准备好的大块铝进行切块，大小以适合放入坩埚中为宜。然后用弱碱溶液清洗小铝块的表面的杂质，清洗完毕后再用去脂水溶液清洗，作用是去脂[9]，为接下来的实验做好准备。

（b）加热熔化过程注意事项

首先，铝块在加热熔化过程中，若不进行防护措施，它会与铁坩埚发生粘连，在泡沫铝制成冷却后，将无法倒出，所以为了防止粘连，需要在铁坩埚的内表面涂抹一层碳酸钡的悬浮液，在加热过程中，碳酸钡的分解产物会出现在铝熔体与铁坩埚内表面之间，从而防止粘连。其次，铝块在空气中加热熔化，铝熔体会和氧气进行化学反应并且生成氧化铝，从而对接下来的实验造成影响，所以为了防止铝被氧化，在井式炉中需要加入碳酸钙和木炭的混合物，在加热过程中，木炭在没有受到完全燃烧的情况下会生成一氧化碳气体，而碳酸钙加热会分解产生二氧化碳，碳和二氧化碳发生化学反应同样生成一氧化碳气体，从而保证铝块在加热熔化过程中不会被氧化生成三氧化二铝，保证接下来的实验过程顺利进行。

1.5.2 熔化过程

先将井式炉加热到650～700℃，并保持温度不变，持续10分钟，而后放入到安装了铝基体的坩埚放入井式炉里，15分钟后熔化结束。

1.5.3 增粘过程

铝基体熔化后，在坩埚中投入一定的金属钙，以其充当增粘剂，以1000r/min恒速搅拌，30秒后结束增粘过程。

1.5.4 发泡剂混合过程

增粘过程结束后，往坩埚中增加了一定量的TiH2粉末充当发泡剂，炉体温度大约是从700～750℃，以1000r/min的转速来搅拌，搅拌持续一定的时间后，发泡剂、熔体全面混合，不再搅拌，结束此过程。

1.5.5 保温发泡过程

由于只有有限的实验装置，保温发泡过程依然在井式炉内持续。实验时，温度控制在650～700℃之间。

1.5.6 冷却成形过程

冷却方式不同，泡沫铝试件的孔结构也会随之不同[11]。最有效的冷却手段是让熔体内外都得到冷却凝固，让气泡在熔体内均匀分布。在实验过程中，因为给出的实验设备和条件受限，没有辦法保持内外都冷却。本文采用的冷却方式为空冷。

2 结果与分析

2.1 TiH2用量的影响

发泡剂TiH2的用量对最后生成的泡沫铝非常重要，是影响泡沫铝孔隙率最主要的、决定性的因素，孔隙率的变化与发泡剂TiH2加入量的详细关系可以参考图1。一般来说，在相同的情况下，发泡剂加入的量越少，泡沫铝的孔隙率就越小。发泡剂的量越多，生成的气体量大，这就意味着制成的泡沫铝的孔隙越多越大，即孔隙率大。

最好的发泡剂用不单单能够制作高孔隙率、孔结构比较均匀的泡沫铝试样，而且也能够让发泡剂得到更大程度的利用率，泡沫铝的生产成本降低。发泡剂不同加入量与制备的泡沫铝试样的孔隙率的关系曲线可以参考图1。

观察上面的图形，得出规律，发泡剂增加则孔隙率也增加。然而，如果发泡剂的浓度大于3%后，则孔隙率会放慢增加的速度。理由在于发泡时，发泡剂是在气泡的作用下的驱动力。如果少量增加，也不可能有生成很多气体。伴随发泡剂的加入，熔体内的氢气会逐步地增加，导致气泡得以长大，因此试样的孔隙率和孔径等指标都会有所增加[10]。在此次实验条件下，当加入量大于3%，孔隙率、孔径的增加不会太快，理由是搅拌速度维持不变，加入过多的发泡剂其混合均匀程度明显有所减少，同时在一定温度的作用下，H2在铝熔体中只能进行有限的溶解，当饱和后分散所形成的大量气体便溢出熔体直接渗透到大气中，进而导致孔隙率和孔径等指标增长不会太快，而且也让发泡剂的利用率有所下降。所以，为得到实验期望的泡沫铝试样，并全面分析发泡剂的利用率，在此次实验条件下，笔者最终提出发泡剂的增加是3%，图2就是在这种条件下生成的最终样品。

2.2 发泡剂TiH2分解速率对实验的影响

TiH2粉在加热到400℃以后必然会分解并且释放出氢气，且不同的温度对应的分解速率也不同。要想得到理想的实验结果，必须要得到适当的发泡剂分解速率。发泡剂的分解速率太快，还没来得及进行搅拌，氢气就完全逸散出去，实现不了理想的实验效果。氧化后的发泡剂分解太慢，则随着熔体的温度下降到发泡剂的分解温度以下，则发泡剂不分解，遗留在熔体中成为杂质。此处笔者假定温度是400℃，450℃，500℃，550℃，600℃五个温度挡来探究TiH2的分解速率，每个温度挡加热20分钟。经过探究，发泡剂TiH2的分解可以通过下面的图形进行了解，经由和表格中的数据予以对比，我们便得到结论，在500℃时TiH2对应的分解速率比较合适。

2.3 保温发泡时间的影响

保温发泡过程中，发泡剂受热分解形成气体，并且在熔体的内部形成气泡，并长大而且合并的比较重要的环节。在保温发泡温度已经明确的情况下，保温时间是最重要的决定性指标。图4是在不同保温时间下得到的泡沫铝试样的孔隙率和孔径，观察该图，当保温时间小于或者是大于三分钟，试样的孔隙率和孔径均较小。当保温时间为3min时，试样的孔隙率和孔径都处于比较理想的状态。出现这一问题的根本原因就是当保温时间不长的时候，熔体中的气泡并没有完全长大，所以试样的孔隙率和孔径等指标都不可能太大，但是经由长期的保温后，发泡熔体会出现收缩，也就是熔体内气泡出现了坍塌，导致孔洞产生受到了阻碍，这时试样的孔隙率和孔径也会有所下降。所以，如要得到理想的泡沫铝试样必须对保温温度进行严格的控制，在发泡熔体发生收缩之前要让保温发泡过程终止，所以气体在铝熔体中分布比较均匀。

3 结论

1）在发泡剂的加入量是1.0%～3.0%时，泡沫铝的孔隙率伴随发泡剂增加而增大，在发泡剂的加入量大约是3%时，泡沫铝的各方面性能都很优异。

2）熔体发泡获得的工艺条件为：发泡温度700～720℃、发泡剂TiH2的加入量3%左右、搅拌时间3～5min、搅拌速度1000～1500r/min、保温时间3～4min。合适的增加搅拌时间，大大地提升了泡沫铝的发泡效率。

参考文献

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