本發(fā)明涉及一種泡沫鋁夾層板的真空發(fā)泡制備方法，更具體的涉及一種表面實體層與泡沫鋁芯之間為冶金結(jié)合、表面實體層厚度可變的泡沫鋁夾層板制備方法，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體層，芯部為泡沫鋁的夾層結(jié)構(gòu)，與單純的泡沫鋁相比，具有更高的比強度和能量吸收能力，在建筑、機動車、飛機、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)法及粉末冶金發(fā)泡法。粘結(jié)法采用有機膠將泡沫鋁及鋁(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)合且表面實體層厚度可變的高強度夾層板，本專利提出了一種泡沫鋁夾層板真空發(fā)泡制備方法，從熔體途徑出發(fā)獲得內(nèi)含初始?xì)饪椎目砂l(fā)泡熔體，結(jié)合發(fā)泡劑TiH₂的預(yù)處理、包覆鋁或鋁合金板及真空發(fā)泡等過程，可在添加少量發(fā)泡劑的情況下制備面板與泡沫芯之間為冶金結(jié)合、且表面實體層厚度可變的泡沫鋁夾層板，由于真空發(fā)泡所用的發(fā)泡劑數(shù)量較少，一方面可降低熔體發(fā)泡的工藝成本，另一方面可提高發(fā)泡劑的分散性而對泡沫鋁的孔結(jié)構(gòu)均勻性產(chǎn)生有益的影響，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)合強度上的不足。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種泡沫鋁夾層板的真空發(fā)泡制備方法，具體步驟包括：

(1)芯部鋁合金熔化保溫：將芯部鋁合金(材料A)置于高于其液相線溫度20～30℃的溫度T1下熔化，保溫30～60分鐘；

(2)芯部鋁合金熔體增粘：按照鈣的添加量為芯部鋁合金(材料A)質(zhì)量1～3％的比例，向步驟(1)獲得的芯部鋁合金(材料A)熔體中添加鈣，以1000～2000rpm的攪拌速度攪拌10～15分鐘，獲得增粘的芯部鋁合金熔體；

(3)芯部鋁合金熔體的微發(fā)泡：向步驟(2)獲得的增粘芯部鋁合金(材料A)熔體中加入鋁合金熔體質(zhì)量0.01～0.03％的經(jīng)預(yù)處理的發(fā)泡劑TiH₂，以1000～3000rpm的攪拌速度攪拌分散微發(fā)泡90～225s，得到內(nèi)含初始?xì)饪椎男静夸X合金熔體待用；

(4)模具及鋁或鋁合金板預(yù)熱：將厚度為0.5～2mm的鋁或鋁合金板(材料B)預(yù)熱至比其熔點或固相線溫度低5～10℃的溫度T2，模具預(yù)熱至T1，預(yù)熱好的鋁或鋁合金板(材料B)墊入模具下方，將步驟(3)獲得的內(nèi)含初始?xì)饪椎男静夸X合金(材料A)熔體倒入模具，在熔體表面蓋一層鋁或鋁合金板(材料B)并蓋上模具上蓋板；

(5)真空發(fā)泡：將步驟(4)獲得的內(nèi)含初始?xì)饪椎男静夸X合金(材料A)熔體與鋁或鋁合金板(材料B)的模具送入真空罐中，抽真空度至2～10Pa，在溫度T1條件下進(jìn)行真空發(fā)泡10～20s，發(fā)泡體在真空環(huán)境下冷卻5～8min，得到泡沫鋁夾層板。

步驟(1)所述芯部鋁合金(材料A)為鋁與Si、Cu、Mg、Zn、Mn元素構(gòu)成的二元或多元鋁合金。

步驟(3)所述發(fā)泡劑TiH₂顆粒的粒度為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。

步驟(4)所述鋁或鋁合金板(材料B)為工業(yè)純鋁板或各類鋁合金板，可市購得到。

所述溫度T1>T2，T1-T2＝10～20℃。

本發(fā)明的獲得的泡沫鋁夾層板的表面為厚度0.5～2.0mm的實體層、芯部為平均孔徑4.4～7.5mm、孔隙率75～90％的泡沫鋁。

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熔點或固相線溫度的匹配原理

本發(fā)明制備泡沫鋁夾層板需確定3個關(guān)鍵溫度，真空發(fā)泡溫度T1、上下鋁或鋁合金板預(yù)熱溫度T2、上下鋁或鋁合金板熔點或固相線溫度T3，三者關(guān)系為T1>T3>T2，研究表明存在以下關(guān)系：

1)真空發(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)上下鋁或鋁合金板熔點或固相線溫度T3，T3-T2＝5～10℃

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。

溫度匹配的出發(fā)點是芯部鋁合金(材料A)的熔點或液相線溫度，由此推出真空發(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T2及鋁或鋁合金板(材料B)的熔點或固相線溫度，隨后選定鋁和鋁合金板(材料B)，即：材料A的熔點或液相線溫度→真空發(fā)泡溫度T1→材料B的預(yù)熱溫度T2及其固相線(或熔點)溫度T3→確定材料B。

2、真空發(fā)泡原理

在真空發(fā)泡過程中，初始?xì)饪椎臓顟B(tài)、真空度和真空發(fā)泡時間都對孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大的影響，這些參數(shù)的控制是夾層板泡沫鋁芯孔結(jié)構(gòu)控制的關(guān)鍵。

(1)初始?xì)饪椎目刂圃?/p>

增粘的金屬熔體中，微量發(fā)泡劑分解產(chǎn)生的氣體在攪拌作用下獲得的細(xì)微氣孔稱為初始?xì)饪?，初始?xì)饪椎拇笮『途鶆蛐?，是影響真空發(fā)泡泡沫鋁孔結(jié)構(gòu)的重要影響因素，同時，熔體中初始?xì)饪椎目捉Y(jié)構(gòu)與TiH₂含量、發(fā)泡溫度以及攪拌時間相關(guān)，TiH₂含量越高，氣體越充足，因此初始?xì)饪椎目紫堵屎推骄讖揭苍礁?；攪拌時間越長，初始?xì)饪椎目紫堵屎推骄讖皆礁?；隨熔化及保溫溫度的升高，初始?xì)饪椎目紫堵屎推骄讖骄黾?；TiH₂含量、熔體溫度、攪拌時間與初始?xì)饪卓紫堵手g的關(guān)系為：

式中，θ_初：初始?xì)饪卓紫堵?35％～45％)

ω：TiH₂含量(0.01～0.03％wt)

T：熔體溫度(600～670℃)

t：攪拌時間(90～225s)

初始?xì)饪卓紫堵?、平均孔徑之間的關(guān)系為:

式中，φ_初：初始?xì)饪灼骄讖?1.9～2.9mm)

θ_初：泡沫鋁孔隙率(35％～45％)

(2)泡沫鋁芯孔結(jié)構(gòu)控制原理

隨著發(fā)泡真空度的提高、真空發(fā)泡時間的延長，泡沫鋁的平均孔徑和孔隙率都將增大，但真空發(fā)泡時間過長會使初始?xì)饪走^分長大、氣孔合并嚴(yán)重出現(xiàn)大孔等缺陷。初始?xì)饪卓紫堵省⒄婵斩?、真空發(fā)泡時間與泡沫鋁孔隙率之間的關(guān)系為：

θ＝θ_初+0.125P³+1.625P²-7.75P+0.0354t₂⁴-1.1167t₂³+13.165t₂²-69.708t₂+194.37

式中，θ：泡沫鋁孔隙率(75％～90％)

θ_初：初始?xì)饪卓紫堵?35％～45％)

P：真空度(2～10Pa)

t₂：真空發(fā)泡時間(10～20s)

泡沫鋁孔隙率、平均孔徑之間的關(guān)系為:

式中，φ：泡沫鋁平均孔徑(4.4～7.5mm)

θ：泡沫鋁孔隙率(75％～90％)

本發(fā)明的有益效果：

從熔體途徑出發(fā)獲得內(nèi)含初始?xì)饪椎目砂l(fā)泡熔體，結(jié)合預(yù)處理的發(fā)泡劑TiH₂、包覆鋁或鋁合金板及真空發(fā)泡等過程，制備面板及泡沫芯之間為冶金結(jié)合界面且表面實體層厚度可變的泡沫鋁夾層板，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，在發(fā)泡的過程中，面板與泡沫芯結(jié)合，則面板與泡沫芯之間為冶金結(jié)合，克服了粘結(jié)法泡沫鋁夾層板在板-芯結(jié)合強度上的不足，工藝過程可控，可實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例1真空發(fā)泡泡沫鋁芯夾層板實物圖。

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

本實施例所述一種泡沫鋁夾層板的真空發(fā)泡制備方法，具體步驟包括：

(1)芯部鋁合金熔化保溫：將AlSi12合金于600℃熔化，保溫30分鐘；

(2)芯部鋁合金熔體增粘：向步驟(1)獲得的AlSi12合金熔體中添加AlSi12合金熔體質(zhì)量1％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)芯部鋁合金熔體微發(fā)泡：向步驟(2)獲得的增粘AlSi12合金熔體中加入AlSi12合金熔體質(zhì)量0.03％的經(jīng)400℃×6h+470℃×1h在大氣環(huán)境中預(yù)氧化處理的發(fā)泡劑TiH₂，發(fā)泡劑TiH₂顆粒的粒度范圍為37～45μm，以3000rpm的攪拌速度攪拌分散微發(fā)泡90s，得到內(nèi)含初始?xì)饪椎男静夸X合金熔體待用；

(4)模具及鋁合金板預(yù)熱：將厚度為0.5mm的AlMg4合金板預(yù)熱至580℃，模具預(yù)熱至600℃，模具下方墊入一塊預(yù)熱好的AlMg4合金板，將步驟(3)獲得的芯部鋁合金熔體倒入模具，在熔體表面蓋一塊AlMg4合金板并蓋上模具上蓋板；

(5)真空發(fā)泡：將步驟(4)獲得的內(nèi)含AlSi12合金熔體與AlMg4合金板的模具送入真空罐中，抽真空度至10Pa，在600℃真空發(fā)泡時間為20s，發(fā)泡體在真空環(huán)境下冷卻5min后獲得表面為厚度0.5mm的實體AlMg4合金層、芯部為平均孔徑4.4mm、孔隙率75％的AlSi12合金泡沫夾層板，如圖1所示為本實施例獲得的泡沫夾層板的實物照片，圖中可以看出發(fā)泡均勻。

實施例2

本實施例所述一種泡沫鋁夾層板的真空發(fā)泡制備方法，具體步驟包括：

(1)芯部鋁合金熔化保溫：將ZL111合金于620℃熔化，保溫50分鐘；

(2)芯部鋁合金熔體增粘：向步驟(1)獲得的ZL111合金熔體中添加ZL111合金熔體質(zhì)量2％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)芯部鋁合金熔體微發(fā)泡：向步驟(2)獲得的增粘ZL111合金熔體中加入ZL111合金熔體質(zhì)量0.02％的經(jīng)400℃×6h+490℃×1h在大氣環(huán)境中預(yù)氧化處理的發(fā)泡劑TiH₂，發(fā)泡劑TiH₂顆粒的粒度范圍為45～50μm，以2000rpm的攪拌速度攪拌分散微發(fā)泡135s，得到內(nèi)含初始?xì)饪椎男静夸X合金熔體待用；

(4)模具及鋁合金板預(yù)熱：將厚度為1.0mm的AlCa5.3合金板預(yù)熱至610℃，模具預(yù)熱至620℃，模具下方墊入一塊預(yù)熱好的AlCa5.3合金板，將步驟(3)獲得的鋁合金熔體倒入模具，在熔體表面蓋一塊AlCa5.3合金板并蓋上模具上蓋板；

(5)真空發(fā)泡：將步驟(4)獲得的內(nèi)含ZL111合金熔體與AlCa5.3合金板的模具送入真空罐中，抽真空度至8Pa，在620℃真空發(fā)泡時間為18s，發(fā)泡體在真空環(huán)境下冷卻6min后獲得表面為厚度1.0mm的實體AlCa5.3合金層、芯部為平均孔徑5.2mm、孔隙率80％的ZL111合金泡沫夾層板。

實施例3

本實施例所述一種泡沫鋁夾層板的真空發(fā)泡制備方法，具體步驟包括：

(1)芯部鋁合金熔化保溫：將AlSi3合金于670℃熔化，保溫50分鐘；

(2)芯部鋁合金熔體增粘：向步驟(1)獲得的AlSi3合金熔體中添加AlSi3合金熔體質(zhì)量3％的Ca，用1800rpm的攪拌速度攪拌12分鐘，獲得增粘的AlSi3合金熔體；

(3)芯部鋁合金熔體微發(fā)泡：向步驟(2)獲得的增粘AlSi3合金熔體中加入AlSi3合金熔體質(zhì)量0.01％、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50～57μm，以1000rpm的攪拌速度攪拌分散微發(fā)泡225s，得到內(nèi)含初始?xì)饪椎男静夸X合金熔體待用；

(4)模具及鋁板預(yù)熱：將厚度為2mm的工業(yè)純鋁板預(yù)熱至655℃，模具預(yù)熱至670℃，模具下方墊入一塊預(yù)熱好的工業(yè)純鋁板，將步驟(3)獲得的芯部鋁合金熔體倒入模具，在熔體表面蓋一塊工業(yè)純鋁板并蓋上模具上蓋板；

(5)真空發(fā)泡：將步驟(4)獲得的內(nèi)含AlSi3熔體與工業(yè)純鋁板的模具送入真空罐中，抽真空度至2Pa，在670℃真空發(fā)泡時間為12s，發(fā)泡體在真空環(huán)境下冷卻8min后獲得表面為厚度2mm的實體純鋁層、芯部為平均孔徑6.2mm、孔隙率85％的AlSi3合金泡沫夾層板。

實施例4

本實施例所述一種泡沫鋁夾層板的真空發(fā)泡制備方法，具體步驟包括：

(1)芯部鋁合金熔化保溫：將AlMg10合金在640℃熔化，保溫60分鐘；

(2)芯部鋁合金熔體增粘：向步驟(1)獲得的AlMg10合金熔體中添加AlMg10合金熔體質(zhì)量2.0％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)芯部鋁合金熔體微發(fā)泡：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0.02％、經(jīng)400℃×6h+510℃×1h在大氣環(huán)境中預(yù)氧化處理的發(fā)泡劑TiH₂，發(fā)泡劑TiH₂顆粒的粒度范圍為57～74μm，以2000rpm的攪拌速度攪拌分散微發(fā)泡180s，得到內(nèi)含初始?xì)饪椎男静夸X合金熔體待用；

(4)模具及鋁合金板預(yù)熱：將厚度為1.5mm的AlSi1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AlSi1合金板，將步驟(3)獲得的鋁合金熔體倒入模具，在熔體表面蓋一層AlSi1合金板并蓋上模具上蓋板；

(5)真空發(fā)泡：將步驟(4)獲得的內(nèi)含AlMg10合金熔體與AlSi1合金板的模具送入真空罐中，抽真空度至6Pa，在640℃真空發(fā)泡時間為10s，發(fā)泡體在真空環(huán)境下冷卻7min后獲得表面為厚度1.5mm的實體AlSi1合金層、芯部為平均孔徑7.5mm、孔隙率90％的AlMg10合金泡沫夾層板。