一种泡沫铝合金的制造方法与流程

本发明涉及一种泡沫铝合金的制造方法，属于多孔金属材料领域。

背景技术：

泡沫铝是一类材料-结构一体化的新型金属多孔材料。泡沫铝具有低比重、高比刚度、抗冲击、振动阻尼性能好以及电磁屏蔽等优异的综合性能，因此在汽车、轨道列车、建筑、电子和国防军工领域具有广阔的应用前景，可满足各领域对材料提出的轻量化和多功能化的迫切需求。

泡沫铝的制备方法有：吹气法、熔体发泡法和粉末冶金预制体发泡法等。其中，粉末冶金预制体发泡法是将铝粉和氢化钛粉混合并压制紧实制成预制体，然后加热发泡制成泡沫铝，工艺灵活，在制备复杂形状泡沫铝及其复合构件方面具有明显优势。但是，目前研发的粉末冶金泡沫铝的机械性能一般较低，具体表现为弹性模量不高、强度较低、韧性差，不能很好地满足应用需求。究其原因在于，粉末冶金泡沫铝的孔型不好、气孔不均匀、存在异常大孔、孔壁缺陷多等。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种泡沫铝合金的制造方法，以改善现有方法制备的泡沫铝合金孔型差、孔径不均匀、孔壁缺陷多等问题，提高泡沫铝的强度、韧性和弹性模量；同时提高发泡膨胀率，降低发泡温度，减少能源消耗。

合金化是金属材料强韧化的主要技术途径，本发明设想通过合金化来改善泡沫铝的机械性能。一方面，合金元素通过形成析出相、沉淀相或细化基体晶粒而改善泡沫铝孔壁的微观组织，从而提高泡沫铝的机械性能；另一方面，更加值得期待的是，合金化可以降低铝的熔点，调控基材熔化与发泡剂(tih2)分解放气的温度匹配性，这将为控制泡沫铝的孔型、消除孔壁缺陷、进一步提高泡沫铝的机械性能提供更大的空间。

一种泡沫铝合金的制造方法，包括如下步骤：

(1)在发泡剂颗粒表面包覆一层金属层制成复合颗粒；

(2)将所述复合颗粒与铝粉均匀混合制成混合粉末，其中发泡剂颗粒的质量分数为0.6wt％～2wt％；

(3)将混合粉末进行热压致密化，获得可发泡的预制件；

(4)将可发泡的预制件放入已预先加热和保温的加热炉中加热发泡，使预制件充分膨胀，获得泡沫铝合金。

步骤(1)中，所述的发泡剂颗粒为tih2颗粒，平均粒径为10～30μm；所述的金属层由cu、mg、zn和ag元素中的任意一种或几种组成，所述金属层的平均厚度为5～15μm；包覆的方法是化学镀或机械研磨；发泡剂颗粒被金属层完全包覆，没有裸露。

步骤(2)中，采用混料机对复合颗粒和铝粉进行混合，混料时间为8～24小时；铝粉的粒度为20～100μm；发泡剂颗粒占混合粉末质量分数的0.6％～2％，金属层元素占混合粉末质量分数的5％～21％，优选为6％～20％。

步骤(3)中，将混合粉末装入钢模具中置于热压机中进行热压致密化，热压温度根据合金成分来确定，一般比al和金属层元素的共晶反应温度高10℃～50℃，热压压力为40～60mpa；热压后去除钢模具获得可发泡的预制件，预制件由铝基体、发泡剂颗粒及它周围的预合金层组成，预合金层由包覆在发泡剂颗粒周围的金属层与铝基体进行反应形成；所述预制件的相对密度不低于98％。

步骤(4)中，加热发泡的温度比金属层元素与铝形成的铝合金的液相线低0℃～50℃，加热发泡时间为5～10分钟。

在步骤(4)之后，还包括步骤(5)：对得到的泡沫铝合金进行固溶时效处理。固溶时效工艺条件依据合金成分而定，固溶温度为450℃～560℃，固溶时间为1～3小时。采用自然时效或人工时效，人工时效温度为100℃～180℃，自然时效或人工时效时间为8～96小时。

发明原理：本发明的泡沫铝合金的制造方法是基于粉末冶金技术提出的。现有的粉末冶金法制备泡沫铝合金的过程是：采用预合金化的铝合金粉末(或铝粉和合金元素的混合粉末)与发泡剂颗粒混合，经压制和烧结获得可发泡的预制件，然后二次加热发泡得到泡沫铝合金。本发明与现有技术的主要区别在于，本发明在发泡剂颗粒表面包覆一层金属层制成复合颗粒(而不是添加在铝基材中)，包覆的金属层由铝合金常用的合金元素组成，包括cu、mg、zn、ag元素的其中一种或几种，这些合金元素可以降低铝的熔点。在混合粉末热压致密化过程中，合金元素与铝基体发生互扩散，通过固溶析出机制在发泡剂颗粒周围更大的范围内形成αal固溶体+析出相组织的预合金层。在二次加热发泡时，随着预制件的温度逐渐升高，发泡剂颗粒周围的预合金层与铝基体进一步熔合形成成分均匀的铝合金熔体，同时，预制件充分发泡膨胀，然后冷却凝固得到泡沫铝合金。发明原理的示意图见附图1。

本发明的有益效果：

(1)采用本发明的泡沫铝合金的制造方法，可以起到改善泡沫铝的孔型、提高气孔得孔径均匀性的有益效果。众所周知，tih2热分解释氢的温度范围较宽，分布在400℃～700℃之间，而铝的熔点为660℃，tih2快速放气和铝基体熔化的温度匹配性不好。当预制件被加热至tih2分解温度时，tih2分解放出h2，此时铝基体尚未熔化，在气体的膨胀压力作用下tih2周围的铝基体撕裂形成微裂纹，随后气体在微裂纹中不断聚集，构成了裂纹状初始气孔，形核的初始气孔的尺寸不均匀、形状不规则。随着温度继续升高和铝基体的进一步熔化，初始气孔快速生长，形成了具有不规则孔型的气孔，具体表现为孔的球形度差、孔径尺寸分布范围很宽、存在尺寸大于平均孔径数倍的异常大孔等特征，相应的泡沫铝材料的机械性能差、不同位置的性能差异大。采用本发明的制造方法，将合金元素包覆在tih2颗粒表面，通过选取恰当的热压温度，使得包覆的金属层与铝基体发生反应，在tih2颗粒周围形成初步合金化的预合金层。在二次加热发泡过程中，当温度到达预合金层的共晶温度(远远低于铝的熔点)以上时预合金层首先熔化，形成包围tih2颗粒的液相层，液相层将tih2颗粒与未熔化的铝基体相互隔离，避免了气体膨胀造成的基体撕裂，而且此时形核的初始气孔更加接近球形、尺寸更加均匀，以此为基础进一步膨胀获得的泡沫铝的孔型更好、气孔尺寸更加均匀、孔径分布范围窄。

(2)采用本发明的泡沫铝合金的制造方法，可以起到减少孔壁缺陷的有益效果。粉末冶金泡沫铝的孔壁往往存在裂纹、孔洞等缺陷。在发泡过程中，孔壁处于固-液混合状态，在孔内气体的持续膨胀下孔壁受到持续的拉力。本发明将拟添加的合金元素以金属层的形式包覆在tih2颗粒表面，可以在发泡初期气孔形核阶段形成大量共晶液相，可以有效阻止孔壁拉伸破裂形成缺陷。采用现有的技术，合金元素均匀分布在基体中，发泡过程中气孔周围的液相较少，无法实现减少或消除孔壁缺陷的技术效果。

(3)本发明的制造技术，起到了明显改善泡沫铝的孔型、提高气孔均匀性(减少大孔)、减少孔壁缺陷的作用，因此可以提高泡沫铝的强度、韧性和弹性模量等性能。这也是现有技术无法实现的技术效果。

(4)通过调整tih2颗粒的包覆金属层的成分和厚度可以灵活地控制泡沫铝合金的合金元素种类和含量，达到调控tih2放气和基体熔化的温度匹配性的作用，还可以调控泡沫铝合金的机械性能，采用本发明的方法可以在较宽的范围内设计泡沫铝合金的性能。

(5)采用本发明的方法制造的泡沫铝合金由于其孔壁缺陷率低、基材连续性好，具有较大的热处理强化潜力，与现有技术相比具有明显的进步性。

(6)采用本发明的制造方法，在发泡初期tih2颗粒周围形成的共晶液相可以有效抑制后期分解的氢气逃逸析出预制件，可以减少氢气的损失，起到提高泡沫铝膨胀率的作用。

(7)采用本发明的方法制造泡沫铝合金，可以降低泡沫铝发泡温度，减少能源消耗。

总之，采用本发明方法制造的泡沫铝合金的孔型好、孔径均匀、孔壁缺陷少，因此泡沫铝的强度、韧性和弹性模量较高，而且还具有较大的热处理强化潜力；其次，由于合金元素种类和含量可以通过调整金属包覆层的厚度和成分来灵活控制，为泡沫铝的性能设计提供了较大空间；此外，本发明的方法还可以提高发泡膨胀率，降低发泡温度，减少能源消耗。

附图说明

图1为本发明原理的示意图。

图2为泡沫铝合金的典型孔形貌图。

主要附图标记说明：

1发泡剂颗粒2金属层

3铝基体4预合金层

5液相层6球形气孔

7铝合金基体

具体实施方式

下面结合附图和实施例对被本发明做进一步说明。

本发明泡沫铝合金的制造方法，首先在发泡剂颗粒表面包覆一层金属层(由cu/mg/zn/ag元素中的一种或几种组成)，然后与铝粉混合后热压获得可发泡的预制件，之后加热发泡得到泡沫铝合金。发泡剂颗粒表面包覆的金属层在热压时与铝基体反应形成包围发泡剂颗粒的预合金层；在发泡过程中预合金层首先熔化并包围发泡剂分解放出的气体，促进形成球形气孔。

如图1所示，为本发明原理的示意图，本发明泡沫铝合金的制造方法包括四个关键工序。

①复合颗粒制备，在发泡剂颗粒1表面包覆一层金属层2制成复合颗粒，金属层2由cu、mg、zn、ag元素的其中一种或几种组成。

②预制件制备，将复合颗粒与铝粉均匀混合并热压致密化制成可发泡的预制件，使得金属层2与铝基体3反应形成预合金层4。

③发泡的初期阶段，当加热温度超过预合金层4的熔点时预合金层4熔化，形成包围发泡剂颗粒1的液相层5，使得发泡剂颗粒1随后分解放出的气体被液相层5完全包裹起来形成球形气孔6。

④发泡的快速膨胀阶段，随着温度进一步升高，球形气孔6快速生长，预制件快速膨胀直至完成发泡，与此同时，铝基体3全部熔化并与液相层5完全熔合形成成分均匀的铝合金基体7，冷却凝固后获得泡沫铝合金。

本发明泡沫铝合金的制造方法，其具体的工艺流程包括如下步骤：

(1)首先，在发泡剂颗粒(tih2)表面包覆一层金属层，制成复合颗粒，使得tih2颗粒被金属层完整包覆、无裸露；金属层由cu、mg、zn、ag元素中的任意一种或几种组成；包覆的方法是化学镀或机械研磨；

(2)将上述复合颗粒与铝粉按照配比配料，然后在混料机上混合制成混合粉末，使得发泡剂颗粒占据混合粉末的质量分数为0.6％～2％；混料时长为8～24小时；

(3)将上述混合粉末装入钢模具中置于热压机中热压致密化，热压温度根据所选择合金成分来确定，应比al和金属层元素的共晶反应温度高10℃～50℃；热压后去除钢模具获得可发泡的预制件，预制件的相对密度不低于98％；

(4)将上述预制件放入预先加热并保温的加热炉中加热发泡，使得预制件充分发泡膨胀，之后冷却获得泡沫铝合金；其中，加热发泡的温度比所述泡沫铝铝合金的液相线低0℃～50℃，加热发泡时间为5～10分钟；

(5)对泡沫铝合金进行固溶时效强化，固溶时效条件依据合金成分而定，固溶温度为450℃～560℃，固溶时间为1～3小时。采用自然时效或人工时效，人工时效温度为100℃～180℃，时效时间为8～96小时。

实施例1

制备合金成分为al-6mg的泡沫铝合金的工艺过程如下：

(1)使用平均粒径为30μm的tih2粉末，采用机械研磨的方法在粉末表面包覆一层mg金属层制成tih2+mg复合颗粒，包覆后粉末的总重量增加3倍，相当于mg金属层的平均厚度在13～15μm之间；

(2)称取150目的纯铝粉(纯度为99.7％)920g，tih2+mg复合颗粒80g，使得tih2、mg和al的质量分数分别为2.0wt％、6.0wt％和92wt％，全部装入混料罐中，在混料机上混合8小时，制成混合粉末；

(3)将混合粉末装入钢模具并置于热压机中，先将热压机升温至470℃，保温30分钟后加压压制，压力为50mpa，热压后去除钢模具得到可发泡的预制件；

(4)将预制件放入预先加热至620℃的箱式电阻炉中，加热8分钟后从炉中取出，得到成分为al-6mg的泡沫铝合金；

(5)对泡沫铝合金进行热处理，工艺为540℃固溶2小时、150℃时效8小时。

实施例2

制备合金成分为al-6cu的泡沫铝合金的工艺过程如下：

(1)使用平均粒径为30μm的tih2粉末，采用化学镀的方法在粉末表面包覆一层cu金属层制成tih2+cu复合颗粒，包覆后粉末的总重量增加6倍，相当于cu金属层的平均厚度在6～8μm之间；

(2)称取150目的纯铝粉(纯度为99.7％)930g，tih2+cu复合颗粒70g，使得tih2、cu和al的质量分数分别为1.0wt％、6.0wt％和93wt％，全部装入混料罐中，在混料机上混合8小时，制成混合粉末；

(3)将混合粉末装入钢模具并置于热压机中，先将热压机升温至560℃，保温30分钟后加压压制，压力为50mpa，热压后去除钢模具得到可发泡的预制件；

(4)将预制件放入预先加热至645℃的箱式电阻炉中，加热5分钟后从炉中取出，得到成分为al-6cu的泡沫铝合金；

(5)对泡沫铝合金进行热处理，工艺为525℃固溶2小时、160℃时效14小时。

实施例3

制备合金成分为al-20zn的泡沫铝合金的工艺过程如下：

(1)使用平均粒径为15μm的tih2粉末，采用化学镀的方法在粉末表面包覆一层zn金属层制成tih2+zn复合颗粒，包覆后粉末的总重量增加10倍，相当于zn金属层的平均厚度在6～7μm之间；

(2)称取150目的纯铝粉(纯度为99.7％)780g，tih2+zn复合颗粒220g，使得tih2、zn和al的质量分数分别为2wt％、20wt％和78wt％，全部装入混料罐中，在混料机上混合24小时，制成混合粉末；

(3)将混合粉末装入钢模具并置于热压机中，先将热压机升温至420℃，保温30分钟后加压压制，压力为50mpa，热压后去除钢模具得到可发泡的预制件；

(4)将预制件放入预先加热至625℃的箱式电阻炉中，加热7分钟后从炉中取出，得到成分为al-20zn的泡沫铝合金；

(5)对泡沫铝合金进行热处理，工艺为450℃固溶2小时。

实施例4

制备合金成分为al-4.4cu-1.5mg的泡沫铝合金的工艺过程如下：

(1)使用平均粒径为20μm的tih2粉末，采用机械研磨的方法在粉末表面包覆一层cu和mg的混合金属层(cu与mg的重量比为4.4:1.5)制成tih2+cumg复合颗粒，包覆后粉末的总重量增加6倍，相当于cumg金属层的平均厚度在8～10μm之间；

(2)称取150目的纯铝粉(纯度为99.7％)930g，tih2+cumg复合颗粒70g，使得tih2、cu、mg和al的质量分数分别为1.0wt％、4.4wt％、1.5wt％和93.1wt％，全部装入混料罐中，在混料机上混合16小时，制成混合粉末；

(3)将混合粉末装入钢模具并置于热压机中，先将热压机升温至530℃，保温30分钟后加压压制，压力为50mpa，热压后去除钢模具得到可发泡的预制件；

(4)将预制件放入预先加热至620℃的箱式电阻炉中，加热8分钟后从炉中取出，得到成分为al-4.4cu-1.5mg的泡沫铝合金；

(5)对泡沫铝合金进行热处理，工艺为510℃固溶2小时、自然时效96小时。

实施例5

制备合金成分为al-5.6zn-2.5mg-1.6cu的泡沫铝合金的工艺过程如下：

(1)使用平均粒径为20μm的tih2粉末，采用机械研磨的方法在粉末表面包覆一层zn、cu和mg的混合金属层(zn、mg、cu之间的重量比为5.6:2.5:1.6)制成tih2+znmgcu复合颗粒，包覆后粉末的总重量增加6.5倍，相当于znmgcu金属层的平均厚度在8～10μm之间；

(2)称取150目的纯铝粉(纯度为99.7％)888g，tih2+znmgcu复合颗粒112g，使得tih2、zn、mg、cu和al的质量分数分别为1.5wt％、5.6wt％、2.5wt％、1.6wt％和88.8wt％，全部装入混料罐中，在混料机上混合24小时，制成混合粉末；

(3)将混合粉末装入钢模具并置于热压机中，先将热压机升温至500℃，保温30分钟后加压压制，压力为50mpa，热压后去除钢模具得到可发泡的预制件；

(4)将预制件放入预先加热至610℃的箱式电阻炉中，加热10分钟后从炉中取出，得到成分为al-5.6zn-2.5mg-1.6cu的泡沫铝合金；

(5)对泡沫铝合金进行热处理，工艺为465℃固溶2小时、165℃时效8小时。

实施例6

制备合金成分为al-20ag的泡沫铝合金的工艺过程如下：

(1)使用平均粒径为10μm的tih2粉末，采用化学镀的方法在粉末表面包覆一层ag金属层制成tih2+ag复合颗粒，包覆后粉末的总重量增加34倍，相当于ag金属层的平均厚度在5～6μm之间；

(2)称取150目的纯铝粉(纯度为99.7％)791g，tih2+ag复合颗粒209g，使得tih2、ag和al的质量分数分别为0.6wt％、20.3wt％和79.1％，全部装入混料罐中，在混料机上混合16小时，制成混合粉末；

(3)将混合粉末装入钢模具并置于热压机中，先将热压机升温至580℃，保温30分钟后加压压制，压力为50mpa，热压后去除钢模具得到可发泡的预制件；

(4)将预制件放入预先加热至640℃的箱式电阻炉中，加热5分钟后从炉中取出，得到成分为al-20ag的泡沫铝合金；

(5)对泡沫铝合金进行热处理，工艺为540℃固溶2小时、120℃时效24小时。

实施例1-6获得的泡沫铝合金的典型的孔形貌如图2所示，可以看到本发明方法制造的泡沫铝的膨胀率较高；泡沫铝合金的成分均匀；泡沫铝合金的气孔的形状为球形或近球形，气孔的孔径尺寸均匀，孔壁缺陷少；具有良好的热处理强化能力；同时加热发泡的温度较低，具有节能的效果。

采用本发明的方法制造的泡沫铝合金的孔型好、孔径均匀、孔壁缺陷少，因此泡沫铝的强度、韧性和弹性模量较高，而且还具有较大的热处理强化潜力；其次，由于合金元素种类和含量可以通过调整金属包覆层的厚度和成分来灵活控制，为泡沫铝的性能设计提供了较大空间；此外，本发明的方法还可以提高发泡膨胀率，降低发泡温度，减少能源消耗。