泡沫鋁夾芯複合結構的製備方法與流程

2023-07-17 18:32:21

本發明涉及多孔泡沫金屬複合功能材料技術領域，特別是涉及泡沫鋁夾芯複合結構的製備方法。

背景技術：

泡沫鋁夾芯複合結構是一種集結構和功能為一體的輕質材料，具有良好的吸能、減震、緩衝、隔音吸聲、隔熱、電磁屏蔽等優良的力學和物理性能，可以滿足系統減重、結構承載和功能一體化、微振動抑制等要求，適應未來航空航天、汽車製造、軌道交通等領域對功能材料的需求。傳統方法製備的泡沫鋁夾芯複合結構，芯層與面板的結合性能不夠高，結合強度不夠一致，且緻密度分布不夠均勻，亟需提出新的製備方法。

技術實現要素：

基於此，有必要提供一種泡沫鋁夾芯複合結構的製備方法，解決目前的泡沫鋁夾芯複合結構芯層與面板結合性能不高，結合強度不一致，緻密度分布不均勻的問題。

一種泡沫鋁夾芯複合結構的製備方法，包括以下步驟：提供預軋制複合坯，所述預軋制複合坯包括金屬盒體，以及盛裝在所述金屬盒體內的芯層粉末；對所述預軋制複合坯進行軋制處理，得到發泡預製坯，所述軋制處理的步驟依次包括：冷軋複合，熱處理，以及熱軋複合；以及將所述發泡預製坯進行發泡處理。

在其中一個實施例中，所述軋制處理具體包括以下步驟：對所述預軋制複合坯進行冷軋複合；對冷軋複合後的所述預軋制複合坯進行熱處理；以及對熱處理後的所述預軋制複合坯進行熱軋複合，所述熱軋複合與所述冷軋複合的軋制壓力、軋制速度和軋制壓下率相同。

在其中一個實施例中，所述軋制處理具體包括以下步驟：對所述預軋制複合坯進行軋制壓力為1200-1800kn，軋制速度為0.03-0.09m/s，軋制壓下率為40-50％的冷軋複合；對冷軋複合後的所述預軋制複合坯進行處理溫度為300-500℃，處理時間為10-20min的熱處理；以及對熱處理後的所述預軋制複合坯進行軋制壓力為1200-1800kn，軋制速度為0.03-0.09m/s，軋制壓下率為40-50％的熱軋複合。

在其中一個實施例中，所述軋制處理具體包括以下步驟：對所述預軋制複合坯進行軋制壓力為1500kn，軋制速度為0.06m/s，軋制壓下率為45％的冷軋複合；對冷軋複合後的所述預軋制複合坯進行處理溫度為400℃，處理時間為15min的熱處理；以及對熱處理後的所述預軋制複合坯進行軋制壓力為1500kn，軋制速度為0.06m/s，軋制壓下率為45％的熱軋複合。

在其中一個實施例中，所述預軋制複合坯的製備方法包括以下步驟：提供經過預處理的金屬板；對所述經過預處理的金屬板進行折邊；將兩塊所述金屬板的折邊焊接，並預留一開口製成具開口的金屬盒體；以及將芯層粉末裝入所述具開口的金屬盒體中，並封閉所述開口，製成所述預軋制複合坯。

在其中一個實施例中，所述金屬板為鋼板，所述鋼板的預處理步驟包括：對所述鋼板依次進行鹼洗、鋁液浸泡和打磨，其中，所述鋁液浸泡的鋁液溫度為680-750℃，所述鋁液浸泡的時間為5-15s。

在其中一個實施例中，所述開口位於所述金屬盒體的焊接處的角部，焊接時，在所述折邊的邊緣處的角部留有不焊接區域，所述不焊接區域形成所述金屬盒體的開口。

在其中一個實施例中，所述發泡處理具體包括以下步驟：將所述發泡預製坯置於發泡模具中；將所述發泡模具連同所述發泡預製坯放入熱處理爐預熱；以及將經過預熱的所述發泡模具連同所述發泡預製坯放入發泡爐發泡。

在其中一個實施例中，所述發泡處理具體包括以下步驟：將所述發泡預製坯置於內腔高度可調的發泡模具中；將所述發泡模具連同所述發泡預製坯放入350-450℃的熱處理爐中預熱10-20min；以及將經過預熱的所述發泡模具連同所述發泡預製坯放入680-720℃的發泡爐發泡3-5min。

在其中一個實施例中，所述發泡模具包括凹形板、側壁和底板，凹形板和側壁以及底板圍設成內腔，通過調節凹形板的高度調節所述內腔的高度，所述發泡預製坯的尺寸與所述發泡模具的所述內腔的長寬均有負公差。

上述泡沫鋁夾芯複合結構的製備方法，通過對預軋制複合坯進行冷軋複合、熱處理與熱扎複合的結合軋制，既增強了軋制複合後芯層粉末與金屬板邊緣處的結合強度，又解決了芯層粉末緻密度分布不均勻且與金屬面板的結合強度不一致的問題，同時提高了發泡後芯層與面板的結合強度及結合均勻性。

附圖說明

圖1為本發明實施例泡沫鋁夾芯複合結構製備方法的流程圖；

圖2為本發明實施例泡沫鋁夾芯複合結構製備方法的具開口的金屬盒體的結構圖；

圖3為本發明實施例泡沫鋁夾芯複合結構製備方法所用發泡模具的結構圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例對本發明的泡沫鋁夾芯複合結構的製備方法進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。

請參閱圖1，本發明提供一種泡沫鋁夾芯複合結構的製備方法，包括：

s100，提供預軋制複合坯，預軋制複合坯包括金屬盒體，以及盛裝在金屬盒體內的芯層粉末；

s200，對預軋制複合坯進行軋制處理，得到發泡預製坯，所述軋制處理的步驟依次包括：冷軋複合，熱處理，以及熱軋複合；以及

s300，將發泡預製坯進行發泡處理。

在步驟s100中，芯層粉末由鋁粉和其它金屬粉末按照所需的芯層成分組成進行配料。芯層粉末的粒度優選為100目至200目。優選的，芯層粉末選用鋁粉、矽粉、almg50合金粉，按照芯層成分為almg4si8和almg6si10分別進行配料，並加入發泡劑。優選的，發泡劑選用氫化鈦粉末，氫化鈦粉末的添加量優選為0.6-1.0wt.％。發泡劑的粒度優選為100目至500目。芯層粉末配置好後，置於混料裝置上混合。優選的，混料裝置為三維混料機，可以提高芯層粉末的混合效率，使芯層粉末在更短的時間內混合的更均勻。

步驟s100中，進一步包括製備預軋制複合坯。優選的，預軋制複合坯的製備具體包括以下步驟：

s121，提供經過預處理的金屬板；

s122，對經過預處理的金屬板進行折邊；

s123，將兩塊金屬板的折邊焊接，並預留一開口製成具開口的金屬盒體；以及

s124，將芯層粉末裝入具開口的金屬盒體中，並封閉開口，製成預軋制複合坯。

請參見圖2。優選的，採用上述方法將材質相同的第一金屬板111和第二金屬板112焊合為金屬盒體盛裝芯層粉末，可有效降低軋制複合過程中芯層粉末的流失量。

步驟s121中，金屬板的材質優選為鋼板或鋁板，金屬板的厚度優選為1.0-1.5mm。金屬板的預處理步驟包括：對鋼板或鋁板依次進行鹼洗，鹼洗優選為用5-11％的氫氧化鈉溶液浸泡10-20min。在鹼洗後可進一步將金屬板用清水衝洗乾淨並烘乾。步驟s121可進一步包括先用丙酮或無水乙醇溶液清洗金屬板的步驟。金屬板的預處理步驟還可進一步包括打磨，打磨優選為：用鋼絲刷打磨金屬板的待焊接面，打磨至待焊接面具有足夠的粗糙度，以便在軋制過程中芯層粉末與金屬板更容易結合。

對鋼板的鹼洗步驟，優選的還包括氫氧化鈉浸泡後再用高溫鋁液浸泡，浸泡後快速取出並水冷。鋁液的溫度優選為680-750℃，鋁液浸泡的時間優選為5-15s。採用鋁液浸泡，進一步加強了對鋼板的侵蝕，鋼板的侵蝕程度得到提高，從而有利於芯層粉末與鋼板的結合，使發泡後芯層與鋼板的結合更牢固且緻密度分布更均勻。

步驟s122具體的包括，對經過預處理的金屬板進行折邊，使金屬板的邊緣彎折，形成折邊，從而使金屬板形成凹形，第一金屬板111和第二金屬板112分別形成第一折邊131和第二折邊132。

更為具體地，可將金屬板的四邊進行折邊處理。優選的，折邊與金屬板的夾角為鈍角，這種設計更易於將金屬盒體的邊緣處軋制平整，減少了後續軋制複合過程中邊緣應力的影響，提高了芯層粉末與金屬板邊緣處的結合強度，進而增強了芯層粉末與金屬板結合的緻密度的均勻性。

具體的，步驟s123包括，將第一金屬板111和第二金屬板112通過第一折邊131和第二折邊132焊接，並預留一開口製成具開口120和空腔的金屬盒體。

開口120優選的位於金屬盒體的角部。進一步的，開口120的長度為10-15mm，金屬盒體內空腔的厚度為8.0-15mm。優選的，焊接時分別在第一折邊131和第二折邊132的邊緣處的角部預留不焊接區域，使不焊接區域形成金屬盒體的開口120。通過預留不焊接區域形成開口，簡化發泡預製坯的製備流程；將不焊接區域設置在折邊邊緣處的角部，可進一步簡化焊接流程及後續的封口操作，並提高第一折邊131和第二折邊132的結合強度。

在步驟s200中，軋制處理具體包括以下步驟：

s210，對預軋制複合坯進行冷軋複合；

s220，對冷軋複合後的預軋制複合坯進行熱處理；以及

s230，對熱處理後的預軋制複合坯進行熱軋複合，熱軋複合與冷軋複合的軋制壓力、軋制速度和軋制壓下率相同，可以增強冷軋複合和熱軋複合的結合效果，使發泡預製坯的芯層粉末與金屬板的結合更均勻。

冷軋複合以實現金屬板與芯層粉末的初步結合；再經過熱處理，能夠有效降低複合板的硬度，增強複合板的韌性，可以防止預軋制複合坯在後續熱軋複合和發泡過程中受熱產生較大變形；保溫後再進行熱軋複合，使複合板受到熱和力的同時作用，形成緻密度較高的預發泡複合板，提高了最終製得的泡沫鋁夾芯複合結構的成品率。

更為具體地，對預軋制複合坯進行軋制壓力為1200-1800kn，軋制速度為0.03-0.09m/s，軋制壓下率為40-50％的冷軋複合；對冷軋複合後的預軋制複合坯進行處理溫度為300-500℃，處理時間為10-20min的熱處理；以及對熱處理後的預軋制複合坯進行軋制壓力為1200-1800kn，軋制速度為0.03-0.09m/s，軋制壓下率為40-50％的熱軋複合。

當軋制壓力為1200-1800kn，軋制速度為0.03-0.09m/s，壓下率為40-50％，熱處理溫度對應為300-500℃，處理時間為10-20min時，能夠使芯層粉末與金屬板的結合強度達到更優的水平，同時增強金屬板的韌性，增強發泡完成後泡沫鋁芯層孔隙的均勻度。

優選的，將預軋制複合坯在冷軋機上用1500kn的軋制壓力，以0.06m/s的軋制速度進行冷軋複合，當軋制壓下率達到45％時停止冷軋，使芯層粉末與金屬板的結合強度更均勻；對冷軋處理後的預軋制複合坯進行處理溫度為400℃，處理時間為15min的熱處理，可使芯層粉末的金屬粉末原子與金屬板焊接面處的原子同時進行進一步擴散，使各金屬原子的混合更均勻，便於後續進行熱軋複合；對經過熱處理後的預軋制複合坯進行軋制壓力為1500kn，軋制速度為0.06m/s，軋制壓下率為45％的複合軋制，可進一步增厚擴散層，增強界面結合力，獲得較高的芯層粉末緻密度。

另外，泡沫鋁夾芯複合結構的製備方法還可進一步包括：對預軋制複合坯進行熱軋複合後，按照發泡模具的尺寸要求對其進行切割，製得發泡預製坯。優選的，發泡預製坯的尺寸與發泡模具矩形內腔的長寬均有負公差。優選的，負公差為0.8mm。按照0.8mm的負公差切割，可以方便在發泡模具中取放該發泡預製坯，同時提高最終製得的泡沫鋁夾芯複合結構的高度的精確性。

步驟s300具體包括以下步驟：

s310，將發泡預製坯置於發泡模具中；

s320，將發泡模具連同發泡預製坯放入熱處理爐預熱；以及

s330，將經過預熱的發泡模具連同發泡預製坯放入發泡爐發泡。

其中，對發泡模具連同發泡預製坯的預熱處理，可進一步提高芯層粉末與金屬板的結合強度並提高結合均勻性。

具體地，發泡處理包括以下步驟：將發泡預製坯置於內腔高度可調的發泡模具中；將發泡模具連同發泡預製坯放入350-450℃的熱處理爐中預熱10-20min；以及將經過預熱的發泡模具連同發泡預製坯放入680-720℃的發泡爐發泡3-5min。

步驟s310中，還可包括，根據預設的發泡溫度及發泡時間計算膨脹率，放入發泡預製坯後，根據膨脹率調節發泡模具的內腔上表面的高度。

請參閱圖3，圖3為步驟s310中所用發泡模具的結構示意圖。該發泡模具包括：底板210、側壁220、螺母230、螺栓240以及凹形板250。螺栓240自下而上依次穿過底板210和凹形板250，螺母230緊固底板210和凹形板250，使發泡模具形成封閉的結構。底板210、側壁220與凹形板250圍設形成內腔260，內腔260用來盛放發泡預製坯。內腔260的高度為5-30mm。

傳統的發泡模具通過在底面插入板來調節高度，而本發明實施例所用發泡模具則是通過四組螺母230與凹形板250搭配，通過將螺母230緊固在凹形板250和底板210上，可以精確控制發泡高度。本發明所用發泡模具為完全封閉的發泡模具，可以確保發泡預製坯在整個發泡過程中被完全包裹，防止發泡過程中芯層熔化溢出對發泡高度造成影響。以精確控制發泡高度，進而提高發泡後芯層的孔隙的均勻性及與金屬板的結合強度的一致性。

在步驟s310和步驟s320中，熱處理爐和發泡爐的溫度場優選為均勻分布，確保了發泡後芯層與面板結合的均勻性。當熱處理爐溫度為350-450℃，預熱時間為10-20min時，能夠有效提高發泡後所得泡沫鋁芯層的孔隙結構的均勻性。配合680-720℃的發泡溫度，3-5min的發泡時間，可以進一步提高發泡後芯層與面板之間的結合強度。

另外，泡沫鋁夾芯複合結構的製備方法還可進一步包括：發泡完成後從發泡爐中取出裝有發泡預製坯的發泡模具，優選的，對其進行整體水冷，充分冷卻後，卸下底板210從發泡模具內整體取出泡沫鋁夾芯複合結構。

實施例1

選用粒度200目的al粉，粒度200目的si粉和粒度200目的almg50合金粉，按芯層成分組成為almg4si8進行配料396g，發泡劑為粒度500目的tih2粉末，tih2粉末添加量為1.0wt.％，即4g，將稱量好的各種粉末裝入容量為5l的三維混料機中，設定電機頻率為40hz，混料時間1h。採用q235a薄鋼板作為包覆面板，厚度為1.0mm，長120mm，寬80mm，通過丙酮清洗後置於8％的氫氧化鈉溶液浸泡15min，取出用清水衝淨並烘乾。對面板四邊按照8mm的寬度進行折邊處理。隨後採用鋼絲刷對面板的待焊接面進行機械打磨，或鋁液浸泡10s並快速水冷後再打磨，將打磨好的兩塊面板通過打磨麵的折邊進行焊合，並在其中一邊的折邊的角部邊緣處不做焊接處理。通過預留的開口將混合均勻的粉末灌入，並封閉開口。填充完成後的預軋制複合坯在φ400-380×350mm冷軋機上1500kn軋制壓力、0.06m/s軋制速度下進行初軋制複合後，再在400℃保溫15min後，相同軋制壓力及速度條件下熱軋，最終形成緻密度較高的預發泡複合板；對預發泡複合板，採用線切割方式對邊角進行切割，並按照發泡模具的內腔尺寸100.8mm×60.8mm將剩下大塊複合板切割成尺寸為100mm×60mm的發泡預製坯；發泡預製坯置於高度可控發泡模具中，根據計算所得膨脹率將發泡模具內腔上表面的高度調節為15mm，再將其放置於400℃熱處理爐中預熱15min後取出，並放入溫度場分布均勻的5kw箱式電阻發泡爐中，在720℃進行發泡3min，發泡完將模具從爐中整體取出水冷，最後從發泡模具內取出已獲得充分膨脹，具有均勻芯層泡孔結構的泡沫鋁夾芯複合結構。

實施例2

選用粒度100目的al粉，粒度200目的si粉和粒度200目的almg50合金粉，按芯層成分組成為almg6si10進行配料397.6g，發泡劑為粒度500目的tih2粉末，tih2粉末添加量為0.6wt.％，即2.4g。將稱量好的各種粉末裝入容量為5l的三維混料機中，設定電機頻率為40hz，混料時間1h。採用1100系純鋁板作為包覆面板，厚1.5mm，長120mm，寬80mm，經過無水乙醇清洗後置於8％氫氧化鈉溶液浸泡15min，取出用清水衝淨並烘乾。對面板四邊按照8mm的寬度進行折邊處理，隨後採用鋼絲刷對面板的待焊接進行機械打磨。將打磨好的兩塊面板通過打磨麵的折邊進行焊合，並在其中一邊的折邊的角部邊緣處不做焊接處理，通過預留的開口將混合均勻的粉末灌入，並封閉開口。填充完成後的預軋制複合坯在φ400-380×350mm冷軋機上1500kn軋制壓力、0.06m/s軋制速度下進行初軋制複合後，再將複合坯在400℃保溫15min後，相同軋制壓力及速度條件下熱軋，最終形成緻密度較高的預發泡複合板；對預發泡複合板，採用線切割方式對邊角進行切割，並按照發泡模具的內腔尺寸100.8mm×60.8mm將剩下的大塊複合板切割成尺寸為100mm×60mm的發泡預製坯；發泡預製坯置於高度可控的發泡模具中，根據計算所得膨脹率，將發泡模具內腔上表面高度調節為15mm，再將其放置於400℃熱處理爐中預熱15min後取出放入溫度場分布均勻的5kw箱式電阻發泡爐中，在680℃進行發泡5min，發泡完模具從爐中整體取出水冷，最後從發泡模具內取出已獲得充分膨脹，具有均勻芯層泡孔結構的泡沫鋁夾芯複合結構。

以上所述實施例的各技術特徵可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特徵所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特徵的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的範圍。

以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對本發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。