基于粉末冶金方法的泡沫鋁制備

羅小雷 李喜德 鄒浩然 張綽

摘 要

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

關鍵詞

粉末冶金;泡沫鋁;TiH2粉

中圖分類號： TF124 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： 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

泡沫鋁的基本特性就是：剛度好、能夠吸收較強的沖擊、密度不大、消聲好等，在隔音裝置得到廣泛應用，同樣熱導率還比較低，在航空絕熱材料中應用效果優異。此外，其電磁屏蔽性能也比一般材料高，且電阻很大，使用時能減少耗電，有節能的優勢，還有很強的過濾能力，原材料來源廣泛，加工過程簡單易得，還可對表面進行拋光和涂裝處理。

在20世紀的九十年代，泡沫鋁在全球開始有較快的發展態勢。泡沫鋁是通過不同的造孔工藝在鋁或者鋁合金基體的內部形成大量的孔隙所形成的，主要是兩種：開孔、閉孔泡沫鋁。二者之中應用廣泛的為閉孔泡沫鋁，其內部的孔隙彼此之間時獨立的，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點。如今，閉孔泡沫鋁可以通過多種不同的工藝生產，當中，最具有發展潛能，同時也被人們大量推廣的就是溶體發泡法，其最大的優勢便是制造成本不高，而且制造設備比較簡單，所以其商業用途比較凸顯。在保溫發泡工序之前，鋁熔體要增加增粘功能的其他物質來保持其有一定的黏度。目前金屬鈣經常作為容易發泡法的增粘劑，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℃，而且對鋁熔體予以攪拌，而后把經由攪拌之后的鋁熔體倒入發泡坩堝里。發泡在保溫的情況下，在增粘鋁熔體中加入黏度是1.0到1.6%的TiH2發泡劑，在全面攪拌的基礎上讓發泡劑均勻混合，發泡劑在分解之后，生成的氫氣讓鍋溶體在坩堝內發泡膨脹，最后快速冷卻，形成了閉孔泡沫鋁。

1 實驗部分

1.1 實驗設備

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、數字天平（深圳華恒儀器有限公司）。

1.2 實驗原料

TiH2粉、碳粉、鋁塊。

1.3 熔體發泡法工藝原理

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

1.4 熔體發泡法工藝流程

（a）熔化過程：熔化溫度、時間;

（b）增粘過程：增粘劑的增加量、增粘溫度、增粘攪拌速率、時間;

（c）發泡劑混合過程：發泡劑增加量、時間、發泡溫度、攪拌速度;

（d）保溫發泡過程：保溫溫度、時間;

（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

將事先準備好的大塊鋁進行切塊，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，清洗完畢后再用去脂水溶液清洗，作用是去脂[9]，為接下來的實驗做好準備。

（b）加熱熔化過程注意事項

首先，鋁塊在加熱熔化過程中，若不進行防護措施，它會與鐵坩堝發生粘連，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，碳酸鋇的分解產物會出現在鋁熔體與鐵坩堝內表面之間，從而防止粘連。其次，鋁塊在空氣中加熱熔化，鋁熔體會和氧氣進行化學反應并且生成氧化鋁，從而對接下來的實驗造成影響，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生成一氧化碳氣體，而碳酸鈣加熱會分解產生二氧化碳，碳和二氧化碳發生化學反應同樣生成一氧化碳氣體，從而保證鋁塊在加熱熔化過程中不會被氧化生成三氧化二鋁，保證接下來的實驗過程順利進行。

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，以其充當增粘劑，以1000r/min恒速攪拌，30秒后結束增粘過程。

1.5.4 發泡劑混合過程

增粘過程結束后，往坩堝中增加了一定量的TiH2粉末充當發泡劑，爐體溫度大約是從700～750℃，以1000r/min的轉速來攪拌，攪拌持續一定的時間后，發泡劑、熔體全面混合，不再攪拌，結束此過程。

1.5.5 保溫發泡過程

由于只有有限的實驗裝置，保溫發泡過程依然在井式爐內持續。實驗時，溫度控制在650～700℃之間。

1.5.6 冷卻成形過程

冷卻方式不同，泡沫鋁試件的孔結構也會隨之不同[11]。最有效的冷卻手段是讓熔體內外都得到冷卻凝固，讓氣泡在熔體內均勻分布。在實驗過程中，因為給出的實驗設備和條件受限，沒有辦法保持內外都冷卻。本文采用的冷卻方式為空冷。

2 結果與分析

2.1 TiH2用量的影響

發泡劑TiH2的用量對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，孔隙率的變化與發泡劑TiH2加入量的詳細關系可以參考圖1。一般來說，在相同的情況下，發泡劑加入的量越少，泡沫鋁的孔隙率就越小。發泡劑的量越多，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。

最好的發泡劑用不單單能夠制作高孔隙率、孔結構比較均勻的泡沫鋁試樣，而且也能夠讓發泡劑得到更大程度的利用率，泡沫鋁的生產成本降低。發泡劑不同加入量與制備的泡沫鋁試樣的孔隙率的關系曲線可以參考圖1。

觀察上面的圖形，得出規律，發泡劑增加則孔隙率也增加。然而，如果發泡劑的濃度大于3%后，則孔隙率會放慢增加的速度。理由在于發泡時，發泡劑是在氣泡的作用下的驅動力。如果少量增加，也不可能有生成很多氣體。伴隨發泡劑的加入，熔體內的氫氣會逐步地增加，導致氣泡得以長大，因此試樣的孔隙率和孔徑等指標都會有所增加[10]。在此次實驗條件下，當加入量大于3%，孔隙率、孔徑的增加不會太快，理由是攪拌速度維持不變，加入過多的發泡劑其混合均勻程度明顯有所減少，同時在一定溫度的作用下，H2在鋁熔體中只能進行有限的溶解，當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，進而導致孔隙率和孔徑等指標增長不會太快，而且也讓發泡劑的利用率有所下降。所以，為得到實驗期望的泡沫鋁試樣，并全面分析發泡劑的利用率，在此次實驗條件下，筆者最終提出發泡劑的增加是3%，圖2就是在這種條件下生成的最終樣品。

2.2 發泡劑TiH2分解速率對實驗的影響

TiH2粉在加熱到400℃以后必然會分解并且釋放出氫氣，且不同的溫度對應的分解速率也不同。要想得到理想的實驗結果，必須要得到適當的發泡劑分解速率。發泡劑的分解速率太快，還沒來得及進行攪拌，氫氣就完全逸散出去，實現不了理想的實驗效果。氧化后的發泡劑分解太慢，則隨著熔體的溫度下降到發泡劑的分解溫度以下，則發泡劑不分解，遺留在熔體中成為雜質。此處筆者假定溫度是400℃，450℃，500℃，550℃，600℃五個溫度擋來探究TiH2的分解速率，每個溫度擋加熱20分鐘。經過探究，發泡劑TiH2的分解可以通過下面的圖形進行了解，經由和表格中的數據予以對比，我們便得到結論，在500℃時TiH2對應的分解速率比較合適。

2.3 保溫發泡時間的影響

保溫發泡過程中，發泡劑受熱分解形成氣體，并且在熔體的內部形成氣泡，并長大而且合并的比較重要的環節。在保溫發泡溫度已經明確的情況下，保溫時間是最重要的決定性指標。圖4是在不同保溫時間下得到的泡沫鋁試樣的孔隙率和孔徑，觀察該圖，當保溫時間小于或者是大于三分鐘，試樣的孔隙率和孔徑均較小。當保溫時間為3min時，試樣的孔隙率和孔徑都處于比較理想的狀態。出現這一問題的根本原因就是當保溫時間不長的時候，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都不可能太大，但是經由長期的保溫后，發泡熔體會出現收縮，也就是熔體內氣泡出現了坍塌，導致孔洞產生受到了阻礙，這時試樣的孔隙率和孔徑也會有所下降。所以，如要得到理想的泡沫鋁試樣必須對保溫溫度進行嚴格的控制，在發泡熔體發生收縮之前要讓保溫發泡過程終止，所以氣體在鋁熔體中分布比較均勻。

3 結論

1）在發泡劑的加入量是1.0%～3.0%時，泡沫鋁的孔隙率伴隨發泡劑增加而增大，在發泡劑的加入量大約是3%時，泡沫鋁的各方面性能都很優異。

2）熔體發泡獲得的工藝條件為：發泡溫度700～720℃、發泡劑TiH2的加入量3%左右、攪拌時間3～5min、攪拌速度1000～1500r/min、保溫時間3～4min。合適的增加攪拌時間，大大地提升了泡沫鋁的發泡效率。

參考文獻

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