熔體發(fā)泡法制備泡沫鋁材料的研究.pdf

1、泡沫鋁是由金屬相和氣孔組成的復合材料，它把連續(xù)相鋁的金屬特點(如強度大，耐高溫等)和分散相氣孔的特性(如阻尼，隔熱，隔聲，消音，減震，屏蔽等)有機結合在一起，可廣泛應用于交通運輸、建筑機械、冶金化工、電子通訊和航天航空等多個領域，進而成為當今世界材料科學高技術領域的重要研究、開發(fā)內容之一。我國在國家科技攻關項目和國家“863”高技術研究發(fā)展計劃項目中將泡沫鋁材料作為一項重要的課題加以研究。目前我國對泡沫鋁的研究還基本處于實驗室階段，無法

2、滿足國民經濟和國家安全對泡沫鋁材料的迫切需要。 本文系統(tǒng)地進行了熔體發(fā)泡法制備閉孔泡沫鋁材料的實驗室試驗和工程化試驗研究，形成并確立了具有指導意義的熔體泡沫化理論和可工業(yè)化的工藝技術。 在實驗室研究中首次采用向熔體中加入鎂、硅合金元素和固相顆粒與加入鈣進行對比研究，提出了加入鈣的增粘機理是金屬間化合物起主要作用。鋁熔體中加入金屬Ca并攪拌均勻之后，主要由于生成金屬間化合物CaAl4和CaAl2而導致鋁熔體粘度增加。金屬間

3、化合物與鋁液間界面張力較小，并因處在半熔化狀態(tài)而能被鋁液部分潤濕和包裹。金屬間化合物還能起到聚集鋁液，使氣泡壁不易發(fā)生破裂的作用。所以，鋁熔體中加入金屬Ca不但具有增粘作用，而且增加了氣泡存在的穩(wěn)定性。 再者對發(fā)泡劑TiH2分解動力學進行了詳細的研究，結果表明分解反應的控制環(huán)節(jié)可分為結晶化學反應控制和內擴散控制兩個階段。在較低溫度時(620℃以下)TiH2分解反應主要由結晶化學反應控制；在較高溫度時(650℃以上)TiH2分解反

4、應主要由內擴散控制。 通過實驗室試驗確定了熔體轉移發(fā)泡法的工藝參數，并據此進行了工程化試驗，確立了閉孔泡沫鋁產業(yè)化完整的工藝條件，成功地制造出可商業(yè)化銷售的泡沫鋁板材(1800mm×800mm×Xmm)。 對鋁熔體中氣泡的形成研究表明，鋁液中氣泡的產生屬于異質形核，熔體中固相質點的沉降速度很小(如TiH2顆粒的沉降速度為1.8×10-9mm/s)，能夠懸浮于熔體之中并被強力攪拌所驅散，鋁熔體中固相質點的懸浮性使其成為氣泡

5、形核能夠捕捉到的形核劑；鋁熔體中固相質點附著于生成的氣泡之上屬自發(fā)過程，鋁熔體中固相質點因具有附著性而成為氣泡的穩(wěn)定劑。 對鋁熔體中氣泡的演化研究表明，氣泡的長大速率dr/dt與發(fā)泡劑分解速率dn/dt之間存在函數關系，氣泡半徑隨著氣泡內氫氣量的增加而增大，即發(fā)泡劑分解產生的氫氣壓力是氣泡長大的驅動力。保溫發(fā)泡階段是氣泡的主要生長期，這時作為形核劑或粘附在氣泡之上的TiH2向氣泡內部釋放氣體，從而使氣泡進一步長大。 對氣

6、泡存在狀態(tài)研究表明，重力排液造成氣泡間合并和無泡層的形成，減緩排液作用的有效途徑是增加熔體粘度。發(fā)泡過程中氫化鈦釋放氫氣過多或冷卻過程中條件控制不當是形成大的空腔或裂紋的主要因素。工程化試驗中通過調整工藝條件和采用順序凝固措施，消除了泡沫體內部出現的空腔和大裂紋；同時，通過提高熔體粘度，適當降低攪拌溫度、槽車預熱溫度，達到了降低無泡層厚度的目的。 在綜合理論分析和試驗研究的基礎上，設計了由熔化爐、保溫爐、攪拌爐、發(fā)泡爐、冷卻室、