粉末冶金方法下的泡沫鋁制備研究

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摘要：泡沫鋁的制得是通過熔體發(fā)泡法實(shí)現(xiàn)的，選用發(fā)泡劑為TiH2粉，TiH2粉加熱分解氫氣的速率將直接影響到泡沫鋁的發(fā)泡過程。熔體發(fā)泡法制備泡沫鋁的關(guān)鍵之處在于如何降低高溫下TiH2粉的分解釋放氫氣的速度。

關(guān)鍵詞：粉末冶金；泡沫鋁；TiH2粉

前言

泡沫鋁的基本特性就是：剛度好、能夠吸收較強(qiáng)的沖擊、密度不大、消聲好等，在隔音裝置得到廣泛應(yīng)用，同樣熱導(dǎo)率還比較低，在航空絕熱材料中應(yīng)用效果優(yōu)異。此外，其電磁屏蔽性能也比一般材料高，且電阻很大，使用時(shí)能減少耗電，有節(jié)能的優(yōu)勢(shì)，還有很強(qiáng)的過濾能力，原材料來源廣泛，加工過程簡(jiǎn)單易得，還可對(duì)表面進(jìn)行拋光和涂裝處理。在20世紀(jì)的九十年代，泡沫鋁在全球開始有較快的發(fā)展態(tài)勢(shì)。泡沫鋁是通過不同的造孔工藝在鋁或者鋁合金基體的內(nèi)部形成大量的孔隙所形成的，主要是兩種：開孔、閉孔泡沫鋁。二者之中應(yīng)用廣泛的為閉孔泡沫鋁，其內(nèi)部的孔隙彼此之間時(shí)獨(dú)立的，互不連通，承載方式則是通過孔隙之間的孔壁，從而使閉孔泡沫鋁擁有了很多的優(yōu)點(diǎn)。如今，閉孔泡沫鋁可以通過多種不同的工藝生產(chǎn)，當(dāng)中，最具有發(fā)展?jié)撃?，同時(shí)也被人們大量推廣的就是溶體發(fā)泡法，其最大的優(yōu)勢(shì)便是制造成本不高，而且制造設(shè)備比較簡(jiǎn)單，所以其商業(yè)用途比較凸顯。在保溫發(fā)泡工序之前，鋁熔體要增加增粘功能的其他物質(zhì)來保持其有一定的黏度。目前金屬鈣經(jīng)常作為容易發(fā)泡法的增粘劑，理由是金屬鈣本身就是高親氧元素，能夠在增加攪拌的過程使得氧滲透，而快速地讓鋁熔體的外表被氧化，通過這樣，形成的氧化物可以讓鋁熔體更加增粘。熔體發(fā)泡法的工藝為：先是在鍋溶體中增加濃度為1.5％~2.0％的金屬鈣，保持溫度為720℃，而且對(duì)鋁熔體予以攪拌，而后把經(jīng)由攪拌之后的鋁熔體倒入發(fā)泡坩堝里。發(fā)泡在保溫的情況下，在增粘鋁熔體中加入黏度是1.0到1.6％的TiH2發(fā)泡劑，在全面攪拌的基礎(chǔ)上讓發(fā)泡劑均勻混合，發(fā)泡劑在分解之后，生成的氫氣讓鍋溶體在坩堝內(nèi)發(fā)泡膨脹，最后快速冷卻，形成了閉孔泡沫鋁。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備

攪拌器、燒杯、量筒、井式爐（5kW）（興化市駿輝電熱電器廠）、溫控箱、熱電偶、鐵坩堝、攪拌棒、數(shù)字天平（深圳華恒儀器有限公司）。

1.2實(shí)驗(yàn)原料

TiH2粉、碳粉、鋁塊。

1.3熔體發(fā)泡法工藝原理

熔體發(fā)泡法的基本工藝原理是，鋁熔體在黏度有所增加之后，有經(jīng)由分解形成氫氣功能的發(fā)泡劑氫化鈦粉末滲透其中，同時(shí)經(jīng)由對(duì)其連續(xù)的攪拌，讓發(fā)泡劑在鋁熔體中均勻分散。再經(jīng)由一定的溫度加熱之后，發(fā)泡劑被分解，釋放出相關(guān)的氣體。

1.4熔體發(fā)泡法工藝流程

（a）熔化過程：熔化溫度、時(shí)間；（b）增粘過程：增粘劑的增加量、增粘溫度、增粘攪拌速率、時(shí)間；（c）發(fā)泡劑混合過程：發(fā)泡劑增加量、時(shí)間、發(fā)泡溫度、攪拌速度；（d）保溫發(fā)泡過程：保溫溫度、時(shí)間；（e）冷卻成形過程：冷卻方式。

1.5泡沫鋁制備

1.5.1前期處理（a）鋁塊的切塊處理將事先準(zhǔn)備好的大塊鋁進(jìn)行切塊，大小以適合放入坩堝中為宜。然后用弱堿溶液清洗小鋁塊的表面的雜質(zhì)，清洗完畢后再用去脂水溶液清洗，作用是去脂[9]，為接下來的實(shí)驗(yàn)做好準(zhǔn)備。（b）加熱熔化過程注意事項(xiàng)首先，鋁塊在加熱熔化過程中，若不進(jìn)行防護(hù)措施，它會(huì)與鐵坩堝發(fā)生粘連，在泡沫鋁制成冷卻后，將無法倒出，所以為了防止粘連，需要在鐵坩堝的內(nèi)表面涂抹一層碳酸鋇的懸浮液，在加熱過程中，碳酸鋇的分解產(chǎn)物會(huì)出現(xiàn)在鋁熔體與鐵坩堝內(nèi)表面之間，從而防止粘連。其次，鋁塊在空氣中加熱熔化，鋁熔體會(huì)和氧氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)并且生成氧化鋁，從而對(duì)接下來的實(shí)驗(yàn)造成影響，所以為了防止鋁被氧化，在井式爐中需要加入碳酸鈣和木炭的混合物，在加熱過程中，木炭在沒有受到完全燃燒的情況下會(huì)生成一氧化碳?xì)怏w，而碳酸鈣加熱會(huì)分解產(chǎn)生二氧化碳，碳和二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)同樣生成一氧化碳?xì)怏w，從而保證鋁塊在加熱熔化過程中不會(huì)被氧化生成三氧化二鋁，保證接下來的實(shí)驗(yàn)過程順利進(jìn)行。

1.5.2熔化過程先將井式爐加熱到650~700℃，并保持溫度不變，持續(xù)10分鐘，而后放入到安裝了鋁基體的坩堝放入井式爐里，15分鐘后熔化結(jié)束。

1.5.3增粘過程鋁基體熔化后，在坩堝中投入一定的金屬鈣，以其充當(dāng)增粘劑，以1000r/min恒速攪拌，30秒后結(jié)束增粘過程。

1.5.4發(fā)泡劑混合過程增粘過程結(jié)束后，往坩堝中增加了一定量的TiH2粉末充當(dāng)發(fā)泡劑，爐體溫度大約是從700~750℃，以1000r/min的轉(zhuǎn)速來攪拌，攪拌持續(xù)一定的時(shí)間后，發(fā)泡劑、熔體全面混合，不再攪拌，結(jié)束此過程。

1.5.5保溫發(fā)泡過程由于只有有限的實(shí)驗(yàn)裝置，保溫發(fā)泡過程依然在井式爐內(nèi)持續(xù)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，溫度控制在650~700℃之間。

1.5.6冷卻成形過程冷卻方式不同，泡沫鋁試件的孔結(jié)構(gòu)也會(huì)隨之不同[11]。最有效的冷卻手段是讓熔體內(nèi)外都得到冷卻凝固，讓氣泡在熔體內(nèi)均勻分布。在實(shí)驗(yàn)過程中，因?yàn)榻o出的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和條件受限，沒有辦法保持內(nèi)外都冷卻。本文采用的冷卻方式為空冷。

2結(jié)果與分析

2.1TiH2用量的影響

發(fā)泡劑TiH2的用量對(duì)最后生成的泡沫鋁非常重要，是影響泡沫鋁孔隙率最主要的、決定性的因素，孔隙率的變化與發(fā)泡劑TiH2加入量的詳細(xì)關(guān)系可以參考圖1。一般來說，在相同的情況下，發(fā)泡劑加入的量越少，泡沫鋁的孔隙率就越小。發(fā)泡劑的量越多，生成的氣體量大，這就意味著制成的泡沫鋁的孔隙越多越大，即孔隙率大。最好的發(fā)泡劑用不單單能夠制作高孔隙率、孔結(jié)構(gòu)比較均勻的泡沫鋁試樣，而且也能夠讓發(fā)泡劑得到更大程度的利用率，泡沫鋁的生產(chǎn)成本降低。發(fā)泡劑不同加入量與制備的泡沫鋁試樣的孔隙率的關(guān)系曲線可以參考圖1。觀察上面的圖形，得出規(guī)律，發(fā)泡劑增加則孔隙率也增加。然而，如果發(fā)泡劑的濃度大于3%后，則孔隙率會(huì)放慢增加的速度。理由在于發(fā)泡時(shí)，發(fā)泡劑是在氣泡的作用下的驅(qū)動(dòng)力。如果少量增加，也不可能有生成很多氣體。伴隨發(fā)泡劑的加入，熔體內(nèi)的氫氣會(huì)逐步地增加，導(dǎo)致氣泡得以長大，因此試樣的孔隙率和孔徑等指標(biāo)都會(huì)有所增加[10]。在此次實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)加入量大于3%，孔隙率、孔徑的增加不會(huì)太快，理由是攪拌速度維持不變，加入過多的發(fā)泡劑其混合均勻程度明顯有所減少，同時(shí)在一定溫度的作用下，H2在鋁熔體中只能進(jìn)行有限的溶解，當(dāng)飽和后分散所形成的大量氣體便溢出熔體直接滲透到大氣中，進(jìn)而導(dǎo)致孔隙率和孔徑等指標(biāo)增長不會(huì)太快，而且也讓發(fā)泡劑的利用率有所下降。所以，為得到實(shí)驗(yàn)期望的泡沫鋁試樣，并全面分析發(fā)泡劑的利用率，在此次實(shí)驗(yàn)條件下，筆者最終提出發(fā)泡劑的增加是3%，圖2就是在這種條件下生成的最終樣品。

2.2發(fā)泡劑TiH2分解速率對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響

TiH2粉在加熱到400℃以后必然會(huì)分解并且釋放出氫氣，且不同的溫度對(duì)應(yīng)的分解速率也不同。要想得到理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，必須要得到適當(dāng)?shù)陌l(fā)泡劑分解速率。發(fā)泡劑的分解速率太快，還沒來得及進(jìn)行攪拌，氫氣就完全逸散出去，實(shí)現(xiàn)不了理想的實(shí)驗(yàn)效果。氧化后的發(fā)泡劑分解太慢，則隨著熔體的溫度下降到發(fā)泡劑的分解溫度以下，則發(fā)泡劑不分解，遺留在熔體中成為雜質(zhì)。此處筆者假定溫度是400℃，450℃，500℃，550℃，600℃五個(gè)溫度擋來探究TiH2的分解速率，每個(gè)溫度擋加熱20分鐘。經(jīng)過探究，發(fā)泡劑TiH2的分解可以通過下面的圖形進(jìn)行了解，經(jīng)由和表格中的數(shù)據(jù)予以對(duì)比，我們便得到結(jié)論，在500℃時(shí)TiH2對(duì)應(yīng)的分解速率比較合適。

2.3保溫發(fā)泡時(shí)間的影響

保溫發(fā)泡過程中，發(fā)泡劑受熱分解形成氣體，并且在熔體的內(nèi)部形成氣泡，并長大而且合并的比較重要的環(huán)節(jié)。在保溫發(fā)泡溫度已經(jīng)明確的情況下，保溫時(shí)間是最重要的決定性指標(biāo)。圖4是在不同保溫時(shí)間下得到的泡沫鋁試樣的孔隙率和孔徑，觀察該圖，當(dāng)保溫時(shí)間小于或者是大于三分鐘，試樣的孔隙率和孔徑均較小。當(dāng)保溫時(shí)間為3min時(shí)，試樣的孔隙率和孔徑都處于比較理想的狀態(tài)。出現(xiàn)這一問題的根本原因就是當(dāng)保溫時(shí)間不長的時(shí)候，熔體中的氣泡并沒有完全長大，所以試樣的孔隙率和孔徑等指標(biāo)都不可能太大，但是經(jīng)由長期的保溫后，發(fā)泡熔體會(huì)出現(xiàn)收縮，也就是熔體內(nèi)氣泡出現(xiàn)了坍塌，導(dǎo)致孔洞產(chǎn)生受到了阻礙，這時(shí)試樣的孔隙率和孔徑也會(huì)有所下降。所以，如要得到理想的泡沫鋁試樣必須對(duì)保溫溫度進(jìn)行嚴(yán)格的控制，在發(fā)泡熔體發(fā)生收縮之前要讓保溫發(fā)泡過程終止，所以氣體在鋁熔體中分布比較均勻。

3結(jié)論

1）在發(fā)泡劑的加入量是1.0%~3.0%時(shí)，泡沫鋁的孔隙率伴隨發(fā)泡劑增加而增大，在發(fā)泡劑的加入量大約是3%時(shí)，泡沫鋁的各方面性能都很優(yōu)異。2）熔體發(fā)泡獲得的工藝條件為：發(fā)泡溫度700~720℃、發(fā)泡劑TiH2的加入量3%左右、攪拌時(shí)間3~5min、攪拌速度1000~1500r/min、保溫時(shí)間3~4min。合適的增加攪拌時(shí)間，大大地提升了泡沫鋁的發(fā)泡效率。

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作者：羅小雷 李喜德 鄒浩然 張綽 單位：武漢輕工大學(xué)