一種鋅蒸發發泡製備泡沫鋁/鋁合金的方法與流程
2023-12-02 23:17:01 1
本發明屬於多孔金屬材料領域，特別是泡沫鋁/鋁合金的熔體發泡製備工藝方法。
技術背景
泡沫鋁/鋁合金具有輕質、高比強度、高比剛度、能量吸收、吸音減噪、阻尼減振等特性，在航天航空、艦艇、汽車、高層建築、噪音控制等高技術及民用領域有巨大的市場潛力。
目前，公知的熔體發泡法製備泡沫鋁/鋁合金，採用的是TiH2作為發泡劑，通過TiH2的分解產生氣體使鋁熔體發泡而獲得。該方法存在：(1)由於TiH2的開始分解溫度(450℃)低於鋁/鋁合金的熔點，因而使TiH2在攪拌分散時過早過快分解而使其分散困難，通常TiH2的攪拌分散時間不能超過100s，是泡沫鋁/鋁合金結構均勻性控制困難的原因所在；(2)另外，TiH2的價格較貴，是導致泡沫鋁/鋁合金生產成本高的原因之一。因而，提高泡沫鋁/鋁合金的結構均勻性及孔結構的可控性、採用非TiH2發泡劑發泡，是改善泡沫鋁/鋁合金製備工藝、促進泡沫鋁/鋁合金的工業應用的重要途徑。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種鎂蒸發發泡製備泡沫鋁/鋁合金的方法，它所製備的泡沫鋁/鋁合金具有孔結構均勻、低成本、可實現工業生產的特點。
實現本發明上述目的所採用的技術方案如下：
(1)含鋅的鋁/鋁合金熔體製備：在鋁或鋁合金原料中加入其重量0.5～3％的鋅，再加熱到鋁或鋁合金熔點以上20～100℃熔化，保溫，得到含鋅的鋁/鋁合金熔體；
(2)含鋅的鋁/鋁合金熔體增粘：在含鋅的鋁/鋁合金熔體中添加其重量2～3％的鈣，攪拌，使含鋅的鋁/鋁合金熔體的粘度提高到1.8～2.5mPas；
(3)鋅蒸發發泡：對增粘後的含鋅鋁/鋁合金熔體減壓，使氣壓減小到低於鋅蒸汽壓500～1000Pa，將熔體中的鋅蒸發成氣體使鋁/鋁合金熔體發泡，鋁/鋁合金熔體泡沫冷卻凝固後，得到孔隙率60～90％，平均孔徑1～4mm泡沫鋁/鋁合金。
本發明的具體技術方案還包括：在製備含鋅的鋁/鋁合金熔體步驟中，熔化後應保溫30min；在含鋅的鋁/鋁合金熔體增粘步驟中，攪拌增粘時間為8～20分鐘；在鋅蒸發發泡步驟中，蒸發發泡時間為5～20min。
鋁或鋁合金原料採用工業純鋁或鋁合金，鋅蒸發發泡是在減壓倉中進行。
發明原理：
(1)鋅蒸發發泡原理
常壓下，鋅熔點為419.6℃，其沸點低(911℃)、蒸發熱低(-27.62kcal/mol)，是一種易蒸發的金屬。
鋅的蒸汽壓p(Pa)與溫度T(K)的相互關係為：
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當溫度為600℃時，鋅的蒸汽壓為1564Pa(0.01564atm)；當溫度為800℃時，鋅的蒸汽壓為30178Pa(0.3018atm)。
在含鋅鋁/鋁合金熔體的溫度範圍(600～800℃)內，將氣壓降低到鋅的蒸汽壓以下500～1000Pa，可使鋅從含鋅鋁/鋁合金熔體中蒸發產生鋅蒸氣，從而提供鋁/鋁合金熔體發泡的氣源。
(2)泡沫鋁/鋁合金孔結構均勻性控制原理：
含鋅的鋁/鋁合金熔體中添加鈣並攪拌，通過鈣的氧化在熔體中生成CaO、CaAl2O4等氧化物而使鋁/鋁合金熔體粘度提高，鋅蒸發產生的鋅蒸氣才能在鋁/鋁合金熔體中存留，形成穩定的熔體泡沫，並通過凝固使熔體泡沫結構保留下來形成泡沫鋁/鋁合金。
另外，鋁-鋅是液態互溶體系，液態鋅和液態鋁可在原子水平上形成均一液相，因此鋅氣源的分布是均勻的，為均勻泡沫結構的獲得提供了保證。
本發明的有益效果是：利用鋅易蒸發、鋁-鋅熔體中鋅均勻分布的特性，用鋅蒸氣為發泡氣源使鋁/鋁合金熔體發泡製備泡沫鋁/鋁合金，解決公知熔體發泡技術中TiH2發泡劑高成本、TiH2發泡劑分散困難以及泡沫鋁/鋁合金結構均勻性控制問題。
附圖說明
圖1為本發明工藝流程圖。
具體實施方式
實施例一：
採用工業純鋁及鋅為原料，其中工業純鋁的含量為99.5％，鋅的含量為0.5％；配料後的工業純鋁及鋅加熱到700℃熔化、保溫30min.得到含鋅的鋁熔體；在含鋅的鋁熔體中添加2％的鈣，攪拌10分鐘，使含鋅的鋁熔體粘度提高到1.9mPas；將增粘後的熔體置入減壓倉中，抽氣使減壓倉內的氣壓減小到0.07499atm(0.07999atm～0.005atm)，含鋅鋁熔體中的鋅蒸發成氣體使鋁熔體發泡，鋅蒸發發泡時間7min.，鋁熔體泡沫冷卻凝固後得到孔隙率70％，平均孔徑1.8mm的泡沫鋁。
實施例二：
採用Al-Si12合金及鋅為原料，其中Al-Si12合金的含量為99％，鋅的含量為1％；配料後的Al-Si12合金及鋅加熱到650℃熔化、保溫30min.得到含鋅的Al-Si12合金熔體；在含鋅的Al-Si12合金熔體中添加2.5％的鈣，攪拌12分鐘，使含鋅的Al-Si12合金熔體粘度提高到2.1mPas；將增粘後含鋅的Al-Si12合金熔體置入減壓倉中，抽氣使減壓倉內的氣壓減小到0.02997atm(0.03697atm-0.007atm)，含鋅的Al-Si12合金熔體中的鋅蒸發成氣體使Al-Si12熔體發泡，鋅蒸發發泡時間9min.，鋁熔體泡沫冷卻凝固後得到孔隙率78％，平均孔徑2.5mm的泡沫鋁。
實施例三：
採用2024鋁合金及鋅為原料，其中2024鋁合金的含量97％，鋅的含量為3％；配料後的2024鋁合金及鋅加熱到680℃熔化、保溫30min.得到含鋅的2024鋁合金熔體；在含鋅的2024鋁合金熔體中添加3％的鈣，攪拌15分鐘，使含鋅的2024鋁合金熔體粘度提高到2.4mPas；將增粘後含鋅的2024鋁合金熔體置入減壓倉中，抽氣使減壓倉內的氣壓減小到0.04931atm(0.05931atm-0.01atm)，含鋅的2024鋁合金熔體中的鋅蒸發成氣體使2024鋁合金熔體發泡，鋅蒸發發泡時間15min.，鋁熔體泡沫冷卻凝固後得到孔隙率88％，平均孔徑3.2mm的泡沫鋁。