一种制备泡沫铝的粉末冶金扩散法及由此制得的泡沫铝和三明治泡沫铝板
技术领域
本发明属于有色金属技术领域，具体涉及一种制备泡沫铝的粉末冶金扩散法及由此制得的泡沫铝和三明治泡沫铝板。
背景技术
闭孔泡沫铝具有密度低，比强度高、比刚度高，能量吸收能力好等优异的力学性能，和减振性能好、消声效果好、电磁屏蔽性能高的功能性，是近20年发展起来的一种结构新颖、应用范围广的多功能新型材料。常用的制备方法包括吹气法、熔体发泡法、和粉末冶金法。其中吹气法和熔体发泡法通常只能获得板状泡沫铝件，难以制备异型件。而粉末冶金法因能制备异型泡沫铝、泡沫铝芯三明治板等复合结构，可以满足交通、航天航空和军工等领域的需求，已经成为当前制备泡沫铝研究的热点方向。
其中粉末冶金法是将金属粉末或合金粉末和发泡剂、增稠剂、稳定剂等混粉后压实，制得发泡前躯体，然后再加热至液态或半固态使发泡剂发泡。相对于吹气法和熔体发泡法，粉末冶金法具有所制得泡沫铝的孔隙结构均匀、工艺稳定性好和产品性能较高等优点，而且能直接制备复杂形状和复合结构的泡沫铝件，实现冶金结合。利用粉末冶金法可以制备出结构均匀的泡沫铝材料，该泡沫铝材料可以进一步加工成近成品尺寸的零件；或者，也可以利用粉末冶金法直接制备出泡沫铝芯三明治板等复合结构，该复合结构的中间层为泡沫铝材料层，而两面为与中间层生长成一体的铝薄板。后续可以用常规方法进行加工、焊接、弯曲和折叠等。
当采用粉末冶金法生产三明治结构泡沫铝时，需要芯部熔化发泡的同时，表面维持形状，因此，芯部的发泡前躯体的熔点需要低于表层，通常向芯材铝中添加一些金属元素，可使合金熔点的固相线从660℃最低降至524℃。但是随着合金元素的增加，粉体的压实性和塑性显著下降。若直接采用合金粉末直接压实，发泡前躯体的密实度降低显著，缺陷增加明显，而造成泡沫材料的质量下降。而直接采用纯金属粉混合后制备发泡前躯体虽然可以使材料的塑性韧性提高，但是合金元素之间没有充分混合没有形成合金，熔点没有降低达到合金的熔点，且熔化不均匀。不利于后续发泡过程。
发明内容
本发明的目的是提供一种纯粉末冶金扩散法制备泡沫铝的方法，将铝粉、硅粉、铜粉混合后，取代传统的铝合金粉末，以提高材料的压实性，再和发泡剂和增稠剂混合，经过冷压、热轧(或热挤压)再设计扩散退火，使得材料中铝、硅、铜变为合金相的同时消除裂纹孔洞等缺陷。之后再进行加热发泡制备泡沫铝，或和纯金属板材复合热轧后再进行发泡制备三明治泡沫铝板。
本发明提供了一种制备泡沫铝的粉末冶金扩散法，所述方法包括如下步骤：
(1)将原料粉与发泡剂和增稠剂进行混合，得到待冷压粉体；
(2)对所述待冷压粉体进行冷压，得到冷压预制体；
(3)对所述冷压预制体进行热压或热轧处理，得到压制体；
(4)对所述压制体进行扩散退火，得到发泡前驱体；
(5)对所述发泡前驱体进行发泡，得到泡沫铝。
在步骤(1)中，将原料粉与发泡剂和增稠剂一起进行混合。在一些优选的实施方式中，所述发泡剂按照重量份为TiH2(氢化钛)粉0.5-1.5份。在另外优选或进一步优选的一些实施方式中，所述增稠剂按照重量份例如可以为MnO2粉 0.5-2份。其中，原料粉的粉体目数为150-500目，混粉过程为手工混粉或球磨混粉，混粉时间为15-60min。在冷压步骤中，冷压的压强为200-500MPa，热轧或热挤压的温度为450-500℃。在扩散退火步骤中，扩散退火的温度为450-500℃，扩散退火的时间为24-72h。在发泡步骤中，发泡的温度为560-760℃，发泡的时间为5min-25min。在步骤(4)和步骤(5)之间还进行表面打磨和/或复合轧制的步骤，从而在进行发泡后制得三明治泡沫铝板。
对于原材料其中可选的铝粉按重量份是80-85份或83-88份。硅粉按重量份是4-6份或5-8份。铜粉按重量份是1-8份或2-6份。可选的所述发泡剂按照重量份为TiH2粉0.2-1.3份或0.5-1份。可选的增稠剂按照重量份为MnO2粉0.6-1.8 份或0.7-1.6份。
在制备工艺中，原料粉的粉体目数可选为150目、200目、300目、400目、 500目，混粉时间可选为15min、20min、30min、40min、50min、60min。冷压的压强为200Mpa、300Mpa、400MPa、500MPa，热轧或热挤压的温度为450℃、 460℃、470℃、480℃、490℃、500℃。扩散退火的温度为450℃、460℃、470℃、 480℃、490℃、500℃，扩散退火的时间为24h、36h、48h、60h、72h。在发泡步骤中，发泡的温度为560℃、600℃、640℃、700℃、760℃，发泡的时间为5min、10min、15min、20min、25min。
本发明还提供了根据本发明的所述的粉末冶金扩散法制备得到的泡沫铝。
本发明还提供了根据本发明的所述的粉末冶金扩散法制备得到的三明治泡沫铝板。
本发明的优势在于利用纯金属粉末的优异的成形性完成冷压和挤压，获得更高品质的发泡前躯体，且泡沫材料成分精确可调可控。
本发明的优势还在于通过增加扩散退火步骤使材料中铝、硅、铜变为合金相，同时消除裂纹孔洞等缺陷，获得更高品质的发泡前躯体，且泡沫材料成分精确可控可调。通过本发明的原料配比及工艺流程所制备的泡沫铝的孔隙率，孔径尺寸为0.6-3mm。
泡沫铝作为一种多孔材料，孔结构在某种程度上直接决定了其力学性能的优劣。现有技术中利用合金粉末或者一些金属粉末来制备发泡前驱体具有裂纹、孔洞等缺陷，而最终制得的泡沫铝材料在孔径大小方面不一致，极易形成大的通孔、裂纹等孔结构缺陷。并且传统工艺中通常在进行热压或热轧之后(不进行扩散退火步骤)直接进行发泡步骤，而此时金属粉末未充分转变为合金相，在发泡过程中未能产生发泡现象，得到的产品不发泡，而且边界处出现大量孔洞。
附图说明
图1是本发明制备泡沫铝材或三明治泡沫铝板的工艺流程图；
图2是本发明的扩散退火后得到的发泡前躯体的扫描电镜照片和能谱点扫、面扫图；
图3是本发明的制备的泡沫铝的切开截面图。
具体实施方式
实施例1：
按照图1的制备泡沫铝材的工艺流程图进行泡沫铝材的制备，其中冷压后采用热轧方式进行。
其中原材料为发泡剂TiH2(300目)0.8重量份、增稠剂MnO2(300目)1.2 重量份、纯Al粉(300目)87重量份、纯Si粉(400目)6重量份和纯Cu粉(300 目)5重量份，以上原料粉均为市场购买，纯度高于99％。
混粉过程采用球磨混粉30min，冷压压力为400MPa，冷压后，发泡前躯体经过475℃预热30min后，进行热轧，热轧初始厚度为15.1±0.1mm，终了厚度为 2.8±0.1mm。进行扩散退火步骤，扩散退火温度为475℃，退火时间为48h。发泡工艺的温度为640℃，发泡时间为20min。
实施例1的发泡前躯体经过475℃扩散退火48h后的扫描电镜照片和能谱点扫、面扫图如图2所示。扫描电镜照片中存在较亮的析出相为富Cu相、TiH2和 MnO2，较暗析出相为Si球。点1为基体成分，Cu和Si的成分基本均匀，接近 475℃的固熔度，点2为富Cu相的成分，Al:Cu约为2:1，表明扩散退火过程中 Cu球已经和Al反应，形成Al2Cu相。基体扩散均匀，析出相已全部变为相图富铝端的析出相，表明扩散退火已经完成。
实施例1制备的发泡前驱体没有裂纹、孔洞等缺陷，而最终制得的泡沫铝材料在孔径较为均匀，没有大的通孔、裂纹等孔结构的缺陷。实施例1制备的泡沫铝如图3所示，发泡孔隙率为75％，孔径尺寸均匀，孔径尺寸为0.7-1.5mm。
实施例2：
按照与实施例1基本相同的方式进行，不同之处在于，其中原材料为发泡剂TiH2(300目)0.6重量份、增稠剂MnO2(300目)0.6重量份、纯Al粉(300 目)88.8重量份、纯Si粉(400目)8重量份和纯Cu粉(300目)2重量份，以上原料粉均为市场购买，纯度高于99％。
实施例2制备的发泡前驱体没有裂纹、孔洞等缺陷，而最终制得的泡沫铝材料在孔径较为均匀，发泡孔隙率65％，孔径尺寸为0.6-1.4mm，没有大的通孔、裂纹等孔结构的缺陷。
实施例3：
按照与实施例1基本相同的方式进行，不同之处在于，其中原材料为发泡剂 TiH2(300目)1.4重量份、增稠剂MnO2(300目)1.8重量份、纯Al粉(300 目)85.8重量份、纯Si粉(400目)4重量份和纯Cu粉(300目)7重量份，以上原料粉均为市场购买，纯度高于99％。
实施例3制备的发泡前驱体没有裂纹、孔洞等缺陷，而最终制得的泡沫铝材料在孔径较为均匀，发泡孔隙率82％，孔径尺寸为0.9-2.0mm，没有大的通孔、裂纹等孔结构的缺陷。
实施例4：
按照与实施例1基本相同的方式进行，不同之处在于，其中原材料为发泡剂 TiH2(300目)0.8重量份、增稠剂MnO2(300目)1.2重量份、纯Al粉(300 目)87重量份、纯Si粉(400目)6重量份，以上原料粉均为市场购买，纯度高于99％,发泡工艺为700℃/15min。
实施例4制备的发泡前驱体没有裂纹、孔洞等缺陷，而最终制得的泡沫铝材料在孔径较为均匀，发泡孔隙率80％，孔径尺寸为1.2-2.8mm，没有大的通孔、裂纹等孔结构的缺陷。
实施例5
按照与实施例1基本相同的方式进行，不同之处在于，冷压后采用热挤压的方式进行。
热挤压的挤压温度为470℃，热挤压初始厚度为50mm，终了厚度为5mm，挤压比10:1。
实施例5制备的发泡前驱体没有裂纹、孔洞等缺陷，而最终制得的泡沫铝材料在孔径较为均匀，发泡孔隙率80％，孔径尺寸为1.0-1.8mm，没有大的通孔、裂纹等孔结构的缺陷。
实施例6
按照图1的制备三明治泡沫铝板的工艺流程图进行三明治泡沫铝板的制备，其中冷压后采用热轧方式进行。
其中原材料为发泡剂TiH2(300目)0.8重量份、增稠剂MnO2(300目)1.2 重量份、纯Al粉(300目)87重量份、纯Si粉(400目)6重量份和纯Cu粉(300 目)5重量份，以上原料粉均为市场购买，纯度高于99％。
混粉过程采用球磨混粉30min，冷压压力为400MPa，冷压后，发泡前躯体经过475℃预热30min后，进行热轧，热轧初始厚度为15.1±0.1mm，终了厚度为 2.8±0.1mm。进行扩散退火步骤，扩散退火温度为475℃，退火时间为48h。然后进行表面打磨和复合轧制。发泡工艺的温度为640℃，发泡时间为20min。
对比例1：
按照图1的发明制备泡沫铝的工艺流程图进行泡沫铝的制备。其中原料改变为发泡剂TiH2(300目)0.8重量份、增稠剂MnO2(300目)1.2重量份、87Al-6Si-5Cu 合金粉末98重量份。
混粉采用球磨混粉30min，冷压压力为400MPa，冷压不密实，厚度方向出现横向裂纹，发泡前躯体经过475℃预热30min后，进行热轧，热轧出现裂边。
对比例2：
按照图1的发明制备泡沫铝的工艺流程图进行泡沫铝的制备，但是取消其中扩散退火的步骤。
其中原材料为发泡剂TiH2(300目)0.8重量份、增稠剂MnO2(300目)1.2 重量份、纯Al粉(300目)87重量份、纯Si粉(400目)6重量份和纯Cu粉(300 目)5重量份，均为市场购买，纯度高于99％。
混粉采用球磨混粉30min，冷压压下力为400MPa，冷压后，发泡前躯体经过 475℃预热30min后，热轧，热轧初始厚度为14.7±0.1mm，终了厚度为3.2±0.3mm。
发泡工艺的温度为560-760℃，发泡的时间为5min-25min，泡沫铝不发泡，边界处出现大量孔洞。
综上所示，直接采用合金粉末直接压实，发泡前躯体的密实度降低显著，缺陷增加明显，造成加工性差。而直接采用纯金属粉混合而不进行退火扩散步骤制备发泡前躯体虽然可以使材料的塑性韧性提高，但是金属元素之间没有充分混合，没有充分形成合金，熔点没有降低到合金的熔点，且熔化不均匀。根据本发明的工艺，经过将纯Al粉、Si粉、Cu粉、发泡剂和增稠剂混合后，进行冷压、热轧 (或热挤压)，再经过扩散退火的过程，可提高泡沫铝的质量。
对比例3：
按照图1的制备泡沫铝材的工艺流程图进行泡沫铝材的制备。
其中原材料为发泡剂TiH2(300目)0.4重量份、镁粉(300目)5重量份、硅粉(400目)6重量份和铝粉(300目)88.6重量份，以上原料粉均为市场购买。
按照实施例1的制备方法进行制备。
对比例3的原料在压实过程中氧化严重。
对比例4：
按照图1的制备泡沫铝材的工艺流程图进行泡沫铝材的制备。
其中原材料为发泡剂TiH2(300目)0.8重量份、锌粉(300目)5重量份、镍元素1重量份和铝粉(300目)100重量份，以上原料粉均为市场购买。
按照实施例1的制备方法进行制备。
对比例4的泡沫铝材料发泡效果不理想。
对比例5：
按照图1的制备泡沫铝材的工艺流程图进行泡沫铝材的制备。
其中原材料为发泡剂TiH2(300目)0.8重量份和铝粉(300目)99.2重量份，以上原料粉均为市场购买。
按照实施例1的制备方法进行制备。
对比例5的原料经过冷压和扩散退火后制备的发泡前驱体密实度较低，缺陷增加，品质较差。热压或热轧泡沫铝容易开裂。最终制得的泡沫铝材料边界处不发泡，孔径少而不均匀，有较大的通孔。
对比例6：
按照图1的制备泡沫铝材的工艺流程图进行泡沫铝材的制备。
其中原材料为发泡剂TiH2(300目)0.8重量份、增稠剂MnO2(300目)1.2 重量份、纯Al粉(300目)93重量份和纯Cu粉(300目)5重量份重量份，以上原料粉均为市场购买。
按照实施例1的制备方法进行制备。
对比例6的泡沫铝材料发泡效果不理想。
对比例7：
按照图1的制备泡沫铝材的工艺流程图进行泡沫铝材的制备。
其中原材料为发泡剂TiH2(300目)0.8重量份增稠剂MnO2(300目)1.2 重量份、纯Al粉(300目)80重量份、纯Si粉(400目)12重量份和纯Cu粉 (300目)10重量份，以上原料粉均为市场购买。
按照实施例1的制备方法进行制备。
对比例7的原料经过冷压和扩散退火后制备的发泡前驱体密实度较低，缺陷增加，品质较差。热压或热轧泡沫铝容易开裂。最终制得的泡沫铝材料边界处不发泡，孔径少而不均匀，有较大的通孔。
最后说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细说明，本领域普通技术人员应当理解：其依然可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使技术方案的本质脱离本发明各实施例的技术方案的精神和范围。
