泡沫鋁粉末冶金制備工藝研究

陳學(xué)文

（1.廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510520，2.廣州市金屬學(xué)會，廣東 廣州 510520）

在傳統(tǒng)金屬材料中如果存在孔隙或孔洞，一般被認(rèn)為是結(jié)構(gòu)缺陷，會對材料的性能產(chǎn)生不良影響，然而，如果材料中孔隙或空洞呈密集、規(guī)律性分布，且數(shù)量增加到一定程度，該材料就會因孔隙或孔洞的存在，而表現(xiàn)出一些傳統(tǒng)材料難以具備的特殊功能，我們一般稱這種材料為多孔材料或泡沫材料。泡沫鋁是鋁基金屬材料在發(fā)泡劑釋放出的大量氣泡作用下形成的一種新型多孔材料。由于發(fā)泡劑產(chǎn)生的氣泡在連續(xù)的鋁基金屬相中均勻分布，使泡沫鋁材料兼具了連續(xù)相鋁基金屬特點和分散相氣孔的特性，在材料特性上表現(xiàn)出高孔隙率、低密度的結(jié)構(gòu)特點，以及良好的減振、隔音、抗沖擊、吸能劑電磁屏蔽等功能特性，成為集結(jié)構(gòu)與功能于一體的新型復(fù)合材料，在建筑、交通、國防、航運、航天等眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，也吸引了眾多的學(xué)者對泡沫鋁的制備工藝及性能改良措施等開展了廣泛的研究。

經(jīng)過多年的研究發(fā)展，也形成了多種泡沫鋁的制備方法，這些方法概括起來有以下幾類：一是從泡沫鋁材料中孔隙的形成機理上分，主要有滲流鑄造法、熔模鑄造法、電沉積法、燒結(jié)法、共晶凝固法和腐蝕造孔法等；從泡沫鋁發(fā)泡處理中鋁基的狀態(tài)上分，主要有粉末冶金法、熔體發(fā)泡法、注氣發(fā)泡法等。其中由于粉末冶金法制備泡沫鋁的工藝流程相比較短，且具有近凈成形、制備的泡沫鋁質(zhì)量高、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢特點，而成為一種最具開發(fā)潛力的泡沫鋁型材制備工藝方法。為此，本文基于粉末冶金法，在對泡沫鋁粉末冶金制備工藝進行分析的基礎(chǔ)上，在泡沫鋁發(fā)泡試驗中采用工藝參數(shù)控制方法，研究了發(fā)泡劑、發(fā)泡溫度、發(fā)泡時間及添加劑等因素對泡沫鋁發(fā)泡行為及其材料性能的影響。

1 泡沫鋁粉末冶金工藝技術(shù)概述

泡沫鋁的概念最早是由美國學(xué)者B.SOSNICK等人提出的，當(dāng)時是想利用元素(比如鋁或鋁合金材料與汞)之間沸點的差異性，通過增減壓制壓力的方式，使其中沸點較低的元素汽化，從而形成內(nèi)部具有密集孔洞的金屬、非金屬混合物或合金。這一構(gòu)想后來被美國專利局批準(zhǔn)為發(fā)明專利，泡沫鋁也成為一種新興的合金材料逐漸受到關(guān)注和重視。

泡沫鋁粉末冶金制備工藝，是將粉末冶金法利用到制造泡沫鋁的一項工藝技術(shù)，具體工藝流程為：將鋁基粉末或鋁合金粉末與發(fā)泡劑（一般選用TiH2和CaCO3）均勻混合后，在空壓機上采用預(yù)制磨具壓制成致密的坯體，后對其進行加熱燒結(jié)，當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到鋁基粉末或鋁合金粉末的熔點以上時，混合其中的TiH2和CaCO3會分解產(chǎn)生氫氣和二氧化碳，氫氣或二氧化碳在熔融狀態(tài)的鋁或鋁合金內(nèi)部膨脹，從而形成無數(shù)致密的氣孔，經(jīng)冷卻凝固后，則得到泡沫鋁型材。該方法能夠通過控制鋁或鋁合金粉末與發(fā)泡劑的混合比例，以及控制發(fā)泡溫度、發(fā)泡時間、添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)等工藝參數(shù)，來調(diào)節(jié)泡沫鋁中氣泡的大小及分布狀態(tài)，改變泡沫鋁型材的組成及結(jié)構(gòu)特征，進而改變其機械和物理性能。采用粉末冶金發(fā)泡法制備的泡沫鋁材料質(zhì)量高、性能穩(wěn)定，且生產(chǎn)工藝相對簡單，可以在預(yù)先設(shè)計的模具中近凈成形，只需少量切削加工或無需切削就能得到預(yù)期的制品，材料利用率很高，且在復(fù)雜結(jié)構(gòu)或特殊性能產(chǎn)品的生產(chǎn)上有著獨特的優(yōu)勢，便于實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。泡沫鋁粉末冶金法制備工藝技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 泡沫鋁粉末冶金制備工藝流程圖

2 試驗材料及方法

2.1 試驗材料

本試驗以純鋁粉末作為泡沫鋁基體，以TiH2粉末作為發(fā)泡劑，并加入Si、Mg等粉末作為添加劑，以提高泡沫鋁膨脹率和孔隙結(jié)構(gòu)。表1為各種粉末的純度、粒度等參數(shù)情況。

表1 粉末冶金泡沫鋁所用材料的物理特性一覽表

2.2 主要試驗設(shè)備

本試驗中使用的主要設(shè)備、設(shè)備型號及設(shè)備用途如表2所示。

表2 粉末冶金法制備泡沫鋁使用的主要設(shè)備及用途一覽表

2.3 試驗方法

按照圖1所示的泡沫鋁粉末冶金制備工藝流程，確定試驗步驟如下：

（1）稱重：根據(jù)預(yù)制摸具型腔的容積大小，計算Al粉、Si粉、Mg粉及發(fā)泡劑TiH2粉的配比用量，并按計算結(jié)果稱重配置合金粉末。

（2）混料：將合金粉末裝入清潔、干燥的混料桶中，并在其中放入陶瓷球，將混料桶放在滾動式球磨機上混料2h，使合金粉末混合均勻。

（2）擠壓：將混合均勻的合金粉末置于預(yù)制摸具中，后將摸具置于立式液壓機上進行壓實處理，擠壓到位后保壓1min，則得到可發(fā)泡的預(yù)制件。

（3）發(fā)泡：先將預(yù)制的發(fā)泡摸具放置于管式電阻爐內(nèi)，溫度設(shè)置為680℃，預(yù)熱15分鐘，使摸具溫度與爐內(nèi)溫度相等時，再將可發(fā)泡的預(yù)制件放入模具內(nèi)，按預(yù)先確定的發(fā)泡溫度加熱發(fā)泡。

（4）冷凝：確定發(fā)泡時間，并實時觀察發(fā)泡進度，待發(fā)泡完全后，取出磨具，在室溫條件下進行冷卻，待其凝固后則得到粉末冶金泡沫鋁成品。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 發(fā)泡劑TiH2預(yù)處理對泡沫鋁性能的影響

發(fā)泡劑的性能特征對粉末冶金泡沫鋁孔隙結(jié)構(gòu)和物理、機械性能有著至關(guān)重要的影響，一般認(rèn)為發(fā)泡劑的分解溫度和基體金屬的熔點越接近，經(jīng)其發(fā)泡形成制品的孔隙結(jié)構(gòu)缺陷越少，物理、機械性能越優(yōu)越。目前，TiH2是使用較為廣泛的發(fā)泡劑之一，其分解曲線如圖2所示。

圖2 發(fā)泡劑TiH2的熱分解曲線

從圖2可知，當(dāng)溫度達(dá)到640℃左右其釋放出H2的量迅速達(dá)到峰值，溫度繼續(xù)升高后，分解量快速下降，而鋁的熔點為660℃，TiH2達(dá)到分解峰值時的溫度與鋁的熔點較為接近，符合理想發(fā)泡劑的要求。

然而，從圖2也可以看出，當(dāng)溫度達(dá)到400℃左右時，TiH2就開始緩慢分解而釋放出H2，這就表明溫度還未達(dá)到鋁基熔點，鋁粉還處在半熔融態(tài)的情況下，發(fā)泡進程就已緩慢開始，而此時鋁基的粘度要比液態(tài)情況下高出很多，導(dǎo)致在鋁基內(nèi)部形成分布不均勻甚至開裂的孔隙結(jié)構(gòu)缺陷，對泡沫鋁的性能產(chǎn)生消極影響。

為了解決發(fā)泡劑TiH2在達(dá)到分解量峰值前的緩慢分解對發(fā)泡工藝帶來的不利影響問題，需要對TiH2進行預(yù)處理，也稱為TiH2緩釋處理技術(shù)。目前應(yīng)用較為廣泛的緩釋技術(shù)主要有化學(xué)包覆、物理包覆和氧化改性等，其中氧化改性是在空氣中對TiH2通過加熱，使其表面形成一層致密的Al2O3氧化物保護膜，從而達(dá)到抑制早期分解，達(dá)到減緩H2釋放的作用。

試驗過程中，稱取一定量的TiH2粉末，其粉末顆粒形貌及外觀形態(tài)如圖3（a）所示，將其分為四等份，依次平鋪于四個鐵匣內(nèi)，并將四個鐵匣分別置于預(yù)設(shè)溫度為450℃、480℃、500℃、520℃的管式電阻爐內(nèi)氧化處理2h，后將預(yù)熱處理后的四份TiH2分別用于同樣預(yù)制件的發(fā)泡處理，并觀察所得到的發(fā)泡鋁孔隙結(jié)構(gòu)情況，發(fā)現(xiàn)經(jīng)480℃預(yù)熱處理的TiH2發(fā)泡效果最好，經(jīng)其發(fā)泡處理得到的發(fā)泡鋁孔隙率和孔隙結(jié)構(gòu)最佳。如圖3（b）所示為經(jīng)480℃氧化處理2h后的TiH2粉末顆粒形貌及外觀形態(tài)。

圖3 經(jīng)480℃熱處理前后的TiH2粉末顆粒形貌及外觀

3.2 發(fā)泡溫度對泡沫鋁性能的影響

從圖2的發(fā)泡劑TiH2的熱分解曲線能夠看出，雖然TiH2的分解峰值為640℃，與鋁的熔點660℃較為接近，這也是選擇其作為發(fā)泡劑的原因之一。但是，當(dāng)發(fā)泡溫度達(dá)到600℃時，TiH2就已開始大量分解，等溫度達(dá)到660℃時，其分解量已顯著下降并接近尾聲，導(dǎo)致泡沫鋁孔結(jié)構(gòu)發(fā)展未達(dá)到最佳狀態(tài)發(fā)泡進程就已結(jié)束，可見，發(fā)泡溫度對發(fā)泡鋁制品的孔結(jié)構(gòu)有著至關(guān)重要的影響。

在試驗過程中，當(dāng)設(shè)置制備發(fā)泡鋁的發(fā)泡溫度低于660℃時，作為基體材料的鋁粉還沒有達(dá)到完全熔化狀態(tài)，發(fā)泡劑TiH2就已分解完畢，會導(dǎo)致制備的泡沫鋁孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)展不充分、孔隙率達(dá)不到最佳狀態(tài)，如圖4（a）為發(fā)泡溫度低于660℃時所得的發(fā)泡鋁制品微觀形貌。但當(dāng)發(fā)泡溫度設(shè)置的過高，比如設(shè)置為800℃以上時，發(fā)泡劑TiH2會迅速分解，產(chǎn)生H2的還未等基體材料鋁粉完全熔化，就會大量逃逸，會導(dǎo)致制備的泡沫鋁孔隙結(jié)構(gòu)不均勻，甚至形成超大孔徑的孔隙結(jié)構(gòu)，達(dá)不到預(yù)期的物理、機械性能，如圖4（b）為發(fā)泡溫度高于800℃時所得的發(fā)泡鋁制品微觀形貌。而當(dāng)設(shè)置發(fā)泡溫度為750℃左右時，發(fā)泡劑TiH2分解進程和基材鋁粉的熔化進程能夠達(dá)到較好的同步，制備的泡沫鋁的孔隙結(jié)構(gòu)比較均勻，如圖4（c）為發(fā)泡溫度在750℃左右時所得的發(fā)泡鋁制品微觀形貌。由此可知，要想得到孔隙結(jié)構(gòu)分布較為均勻的泡沫鋁制品，最佳的發(fā)泡溫度為700℃～750℃。

圖4 不同發(fā)泡溫度情況下所得泡沫鋁制品的微觀形貌

3.3 發(fā)泡時間對泡沫鋁性能的影響

試驗證明，泡沫鋁粉末冶金制備過程中的發(fā)泡時間對其孔隙結(jié)構(gòu)和物理、機械性能也會產(chǎn)生影響，如果發(fā)泡事件過短，發(fā)泡劑TiH2還未及完全分解，發(fā)泡進程已結(jié)束，結(jié)果導(dǎo)致所得泡沫鋁孔隙結(jié)構(gòu)分布不均、孔隙率低；如果發(fā)泡時間太長，會使發(fā)泡劑TiH2分解出的氣體體積過度膨脹，使原本大小均等、分布均勻的孔隙破裂、合并，最終導(dǎo)致孔隙大小不一、分布不均，影響其物理、機械性能。經(jīng)多次試驗和數(shù)據(jù)分析，可以得到如圖5所示的不同發(fā)泡時間所得泡沫鋁制品孔結(jié)構(gòu)演化圖，從演化圖能夠看出，發(fā)泡時間在120s左右，在內(nèi)徑為52.5mm的預(yù)制模具內(nèi)，預(yù)處理480℃，發(fā)泡溫度750℃的條件下，獲得相對較均勻的泡孔結(jié)構(gòu)的發(fā)泡時間為120 s，孔結(jié)構(gòu)如圖5（c）所示，此時泡孔多為形狀相似的多邊形結(jié)構(gòu)，膨脹率最大，經(jīng)快速冷卻后獲得孔結(jié)構(gòu)和孔隙率最佳。

圖5 不同發(fā)泡時間所得泡沫鋁制品孔結(jié)構(gòu)演化圖

圖6 不同Mg含量的泡沫鋁泡孔結(jié)構(gòu)微觀形貌圖

3.4 添加劑對泡沫鋁性能的影響

大量的試驗證明，在泡沫鋁制備過程中，加入適量的添加劑，能夠有效降低泡沫鋁坯體達(dá)到熔融態(tài)的溫度，保證發(fā)泡劑分解量達(dá)到峰值時合金粉末正好處于完全熔融狀態(tài)，從而得到發(fā)泡效果更好的泡沫鋁制品。

目前，應(yīng)用較為廣泛的添加劑主要有Si和Mg元素，當(dāng)在純鋁粉末中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)在6%～7%之間的Si粉末后，所得Al-Si合金粉末在發(fā)泡劑作用下，發(fā)泡溫度為750℃進行發(fā)泡處理，能夠得到高膨脹率的泡沫鋁。然而，Al-Si合金粉末制得泡沫鋁得孔結(jié)構(gòu)質(zhì)量并不理想。

最新得研究表明，在二元Al-Si合金粉末的基礎(chǔ)上，添加Mg能有效改善泡沫鋁的孔結(jié)構(gòu)質(zhì)量。這是由于鋁粉經(jīng)預(yù)處理或在空氣中發(fā)生氧化而在其表面形成一層致密的Al2O3保護膜，這層氧化膜的存在會降低鋁熔體的潤滑性能和鋁固相的燒結(jié)能力，導(dǎo)致在發(fā)泡過程中難以形成穩(wěn)定的孔結(jié)構(gòu)。而添加的Mg元素能夠和Al2O3保護膜發(fā)生如下的化學(xué)反應(yīng)：

反應(yīng)生成的MgAl2O4相能夠均勻地分布于泡孔壁和布拉德邊界上，使鋁熔體的潤滑性能顯著提高，從而大幅減弱鋁熔體因重力、毛細(xì)管壁現(xiàn)象和泡孔壁熔體流動等因素對泡孔結(jié)構(gòu)的破壞作用，達(dá)到改善泡沫穩(wěn)定性的目的。

為了得到最佳的Mg元素添加質(zhì)量比，本試驗分別稱取0.2%、0.6%、1.0%、1.4%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Mg粉作為發(fā)泡添加劑，設(shè)置發(fā)泡溫度為750℃，發(fā)泡時間為120s，分別對Al-Si（7%）基合金粉末進行發(fā)泡處理，得到如圖6所示的不同Mg含量的泡沫鋁泡孔結(jié)構(gòu)微觀形貌圖，從圖中可以看出，Mg粉的最佳添加量為1.0wt.%。

4 結(jié)語

本文在對泡沫鋁粉末冶金制備工藝技術(shù)進行分析的基礎(chǔ)上，采用工藝參數(shù)控制方法開展泡沫鋁制備試驗，并通過對試驗結(jié)果進行分析，討論了泡沫鋁發(fā)泡過程中發(fā)泡劑預(yù)處理方法、發(fā)泡溫度、發(fā)泡時間、添加劑組分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)等因素對發(fā)泡效果及泡沫鋁性能的影響機理，并得到了如下結(jié)論：

（1）對發(fā)泡劑TiH2經(jīng)480℃預(yù)氧化處理，能夠明顯改善其發(fā)泡效果，經(jīng)其發(fā)泡處理得到的發(fā)泡鋁孔隙率和孔隙結(jié)構(gòu)最佳。

（2）當(dāng)發(fā)泡溫度為700℃～750℃時，能夠得到孔隙結(jié)構(gòu)分布相對較為均勻的泡沫鋁制品。

（3）當(dāng)發(fā)泡時間為120 s左右時，所得泡沫鋁制品泡孔多為形狀相似的多邊形結(jié)構(gòu)，膨脹率最大，經(jīng)快速冷卻后獲得孔結(jié)構(gòu)和孔隙率最佳。

（3）在鋁基體粉末的基礎(chǔ)上添加6wt.%～7wt.%的Si粉添加劑，能夠顯著降低發(fā)泡基體的熔點，使基體熔點與發(fā)泡劑TiH2達(dá)到分解峰值時的溫度更為接近，更有利于充分發(fā)泡，從而有效提高發(fā)泡效率。在此基礎(chǔ)上，添加1.0wt.%Mg粉添加劑，能夠有效提高鋁熔體的潤滑性能，改善泡沫穩(wěn)定性，從而提高泡沫鋁制品質(zhì)量。