單永華 張永玉
河北國(guó)華定洲發(fā)電有限責(zé)任公司,河北 保定 073000
超輕泡沫鋁合金的發(fā)展及應(yīng)用
單永華 張永玉
河北國(guó)華定洲發(fā)電有限責(zé)任公司,河北 保定 073000
介紹了超輕泡沫鋁合金的性能特點(diǎn)以及制備工藝中最為常用的滲流鑄造法、熔體發(fā)泡法及粉末冶金發(fā)泡法的基本原理、工藝流程。對(duì)泡沫鋁合金的多功能復(fù)合特性即力學(xué)與能量吸收、減噪吸聲、電磁屏蔽等性能以及相關(guān)因素對(duì)這些性能的影響進(jìn)行了論述。由于其具有的結(jié)構(gòu)與功能相結(jié)合的復(fù)合特性,泡沫鋁合金已在汽車、航空航天工業(yè)、噪聲及電磁屏蔽等領(lǐng)域獲得應(yīng)用,分析了其在高技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用前景及目前研究中存在的相關(guān)問題。
泡沫鋁合金;制備;性能;應(yīng)用
泡沫金屬是一種在金屬基體內(nèi)含大量胞孔的新型金屬材料,由于其作為結(jié)構(gòu)材料具有輕質(zhì)和高比剛度的特點(diǎn),作為功能材料具有阻尼減振、消聲降噪、吸收沖擊能量、耐熱防火、流體分離以及屏蔽電磁波的功能,因而在航空航天、艦艇、陸地運(yùn)輸工具,高速芯片等高技術(shù)領(lǐng)域及一般工業(yè)領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景,使泡沫材料成為當(dāng)今材料發(fā)展的前沿?zé)狳c(diǎn)[1~3]。
目前研究及應(yīng)用最多的泡沫金屬是泡沫鋁及其合金。結(jié)構(gòu)特征為[4]:高孔隙率P=52%~92%;較大孔徑d=0.5~6mm;可分為通孔和閉孔兩大類,孔形狀為球形、類球形、多邊形及不同孔結(jié)構(gòu)(不同孔徑、不同孔隙率P);低的比重,通?!?g/cm3;大的比表面積。性能特點(diǎn)為:高比強(qiáng)度、比剛度[5];高能量吸收性能[6];優(yōu)異的吸聲降噪性能[7];隔熱及散熱性能[8];優(yōu)良的電磁屏蔽性能[9,10]。
泡沫鋁根據(jù)其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)可分為通孔泡沫鋁和閉孔泡沫鋁兩大類,可用很多方法來制造,如滲流鑄造法,熔模鑄造法,熔體發(fā)泡法,粉末冶金發(fā)泡法,熔體吹氣法等。其中,目前應(yīng)用較廣的是通孔泡沫鋁多采用滲流鑄造法,閉孔泡沫鋁多采用熔體發(fā)泡法與粉末冶金法與制備。
2.1 滲流鑄造法
滲流鑄造制備通孔多孔鋁合金的基本原理為在壓力驅(qū)動(dòng)下熔體在多孔介質(zhì)間滲流和凝固,在凝固后除去多孔介質(zhì)而形成多孔鋁合金。滲流鑄造法又分為上壓滲流鑄造法(圖1a)和負(fù)壓滲流鑄造法(圖1b)。這種泡沫鋁制備工藝孔徑參數(shù)可控,通孔率高、比表面積大、 成本低,適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
滲流鑄造原理如圖1a所示,一般的滲流鑄造法以食鹽(NaCl)粒子作為填料,把處理好的食鹽裝入模具中,在電爐中升溫預(yù)熱到一定溫度。取出后把鋁合金液澆入模內(nèi)、加壓,迫使金屬液進(jìn)入粒子空隙中去。凝固后脫去工裝,按照預(yù)定形狀進(jìn)行切削加工,溶去食鹽粒子,獲得泡沫鋁[11],如圖2所示。
圖1 滲流鑄造原理示意圖
圖2 通孔泡沫鋁合金
采用滲流鑄造法生產(chǎn)泡沫鋁合金鑄件關(guān)鍵是合理選擇和搭配粒子的預(yù)熱溫度、鋁液澆注溫度和充型壓力這3個(gè)工藝參數(shù),其中對(duì)粒子預(yù)熱溫度的控制尤為重要[11]。
粒子預(yù)熱溫度要根據(jù)粒子的尺寸和形狀、金屬材質(zhì)、鑄件結(jié)構(gòu)和尺寸以及金屬液和金屬型的熱交換強(qiáng)度通過試驗(yàn)加以確定。在保證充型時(shí)不產(chǎn)生金屬液飛濺泄漏和泡沫組織結(jié)構(gòu)均勻的前提下,應(yīng)盡量提高粒子的預(yù)熱溫度。當(dāng)粒子預(yù)熱溫度控制在某一臨界值以上時(shí),充型壓力可以在較大范圍內(nèi)調(diào)整,壓力變化對(duì)鑄件長(zhǎng)度并無太大影響。金屬液的澆注溫度對(duì)充型長(zhǎng)度有較大影響,粒子小,則澆注溫度應(yīng)適當(dāng)提高,但澆注溫度過高,將導(dǎo)致泡沫組織不均勻甚至泄漏失敗。
2.2 熔體發(fā)泡法
在泡沫鋁的眾多制備方法中,熔體發(fā)泡法比較適合于規(guī)?;a(chǎn)大規(guī)格泡沫鋁材,這種工藝對(duì)設(shè)備要求簡(jiǎn)單,而且產(chǎn)品孔隙可控,成本低廉,可實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。
將工業(yè)純鋁加入不銹鋼坩堝中,在700℃加熱至完全熔化。向鋁熔體中加入一定量的增粘劑鈣粉,攪拌數(shù)分鐘,使熔體的表觀粘度增加。再向鋁熔體中加入一定量的發(fā)泡劑,一般為TiH2,在一定攪拌速度下再攪拌數(shù)十秒,使發(fā)泡劑在熔體中分布均勻后保溫?cái)?shù)分鐘,使發(fā)泡劑充分分解釋放出H2,在H2的壓力下鋁熔體體積膨脹形成泡沫熔體。取出坩堝,按預(yù)定方式冷卻,使泡沫熔體凝固[12,13],得到如圖3所示閉孔泡沫鋁合金。
圖3 閉孔泡沫鋁合金
在熔體發(fā)泡法制備泡沫鋁的過程中有多種因素影響孔的結(jié)構(gòu),增粘劑加入量,發(fā)泡劑加入量,發(fā)泡攪拌時(shí)間,保溫時(shí)間是其中四個(gè)最關(guān)鍵因素。增粘劑鈣的加入可以使鋁熔體黏度增大,使發(fā)泡劑釋放的氣體穩(wěn)定存在于熔體中。增粘劑加入量過小或過大,都會(huì)使發(fā)泡劑釋放的氣體在攪拌過程中難以分布均勻,造成局部大的氣孔存在。發(fā)泡劑加入量增加,氣體分解量相應(yīng)增加,氣體量充足,鋁熔體長(zhǎng)大充分,則孔徑、孔隙率增加。但孔徑、孔隙率也不會(huì)無限制的增加,它們的大小還與熔體的黏度有關(guān)。攪拌過程是孔結(jié)構(gòu)均勻泡沫鋁的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。發(fā)泡劑加入鋁熔體后攪拌的作用是使發(fā)泡劑在鋁熔體中分布均勻,因此,攪拌時(shí)間主要影響泡沫鋁中孔洞的分布均勻性。孔徑隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而變大 ,孔隙率隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)發(fā)泡時(shí)間過短,制得的泡沫鋁材料密度較大,孔隙率較小[14]。
2.3 粉末冶金發(fā)泡法
粉末冶金法是將鋁粉或鋁合金粉與一種發(fā)泡劑粉末混合(通常是TiH2),將這種混合物壓制成密實(shí)的金屬基體,然后對(duì)其加熱升溫。當(dāng)溫度升至鋁粉或鋁合金粉的熔點(diǎn)以上,氫化鈦分解產(chǎn)生的氫氣在熔融狀態(tài)的鋁或鋁合金內(nèi)部形成無數(shù)的氣孔,冷卻這種鋁基體后,即可得到泡沫鋁產(chǎn)品[12,16]。
制坯壓力、發(fā)泡劑加入量、發(fā)泡溫度、發(fā)泡時(shí)間是影響泡沫鋁的質(zhì)量及孔隙率、孔結(jié)構(gòu)的重要工藝參數(shù)。將均勻混合的粉末致密化,必須保證發(fā)泡劑完全嵌入鋁基體,且不存在殘余通孔。因此,壓制時(shí)要選擇合適的壓力:壓力過高會(huì)由于彈性后效產(chǎn)生分層和裂紋,過低制得的預(yù)制體達(dá)不到所需的致密度。發(fā)泡劑是預(yù)制體發(fā)泡的核心,一般采用TiH2。由于泡沫鋁的密度(孔隙率)隨TiH2量的增加而降低(增大),單從密度和孔隙率兩方面考慮,增加發(fā)泡劑量似乎是有利的。但是TiH2過多,氫氣的分壓增大,使得液泡的液體薄膜脹破,而導(dǎo)致泡沫鋁孔隙結(jié)構(gòu)不均勻;過少,則使孔隙率降低,成型性較差。因而需綜合考慮孔隙率、孔隙均勻性和TiH2有效利用率等因素,確定TiH2的最佳添加范圍[17]。發(fā)泡溫度一方面影響氫化鈦的分解速率以及產(chǎn)生的氫氣的分壓,一方面又影響熔融金屬鋁的黏度,這兩方面的相互作用決定了泡沫鋁的體積質(zhì)量與孔隙率。
3.1 泡沫鋁合金的力學(xué)及能量吸收性能
通常泡沫鋁合金的孔隙率大于50%,因而其具有超輕的特性,同時(shí)具有高的比剛度比強(qiáng)度。典型的泡沫鋁合金的應(yīng)力(σ)-應(yīng)變(ε)關(guān)系線可以分為線性變形、屈服平臺(tái)和致密化3個(gè)階段[18]。圖 4所示為以2mm/min的速度對(duì)孔隙率為87.9%的胞狀泡沫鋁合金施壓時(shí)得到的σ-ε關(guān)系線[5,6]。圖10中的 σ、εs和 σD、εD分別表示進(jìn)入屈服平臺(tái)階段和進(jìn)入致密化階段時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變,點(diǎn)(εs,)和點(diǎn)(εD,σD)分別稱為屈服點(diǎn)和致密化點(diǎn)。
1 ) 線性變形階段:在 σ-ε 曲線上,從原點(diǎn)開始有一段呈直線關(guān)系,然后以曲線狀向水平方向過渡至屈服點(diǎn)(σs*,εs),一般εs<9%,在此階段中胞壁承受了所施的壓力。
2 ) 屈服平臺(tái)階段:當(dāng) ε≥εs時(shí),隨著應(yīng)變的增加,應(yīng)力的增大非常緩慢,σ-ε曲線呈現(xiàn)一個(gè)屈服平臺(tái),在此階段氣泡氣孔被壓縮變小。
3 ) 致密化階段:當(dāng)ε≥εD時(shí),胞狀鋁合金的部分胞壁相互接觸,壓縮曲線進(jìn)入致密化階段,應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而快速增大。
圖4 孔隙率為87.9%的胞狀鋁合金壓縮σ-ε關(guān)系曲線
當(dāng)泡沫鋁合金受壓變形時(shí),將吸收外界的機(jī)械能。通常用吸能本領(lǐng)C或Cm(單位單位質(zhì)量所吸收的能量)和吸能效率e表征泡沫金屬的吸能特性[4,6]。
式中:σ為壓縮應(yīng)力;ε為應(yīng)變;m為質(zhì)量;εmax為所考察的最大應(yīng)變;σmax為位移,δmax時(shí)的最大應(yīng)力。
可以看出,吸能本領(lǐng)等于應(yīng)力-應(yīng)變曲線下至壓實(shí)處所包含的面積,即圖5陰影部分,而吸能效率則等于真實(shí)材料與理想材料(其壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線為水平直線)壓縮到相同應(yīng)變時(shí)兩者吸能本領(lǐng)的比值,即圖12中陰影部分面積與矩形面積之比。
圖5 能量吸收和能量吸收效率[19]
在線性階段,泡沫鋁合金所吸收的能量較少,而在平臺(tái)階段,由于骨架的屈服、斷裂,泡沫鋁合金可以在應(yīng)力變化不大的范圍內(nèi)產(chǎn)生很大的應(yīng)變,從而吸收大量的能量。因此泡沫鋁合金的吸能能力取決于其應(yīng)力應(yīng)變曲線的形狀,而后者與孔隙率密切相關(guān)。研究表明,隨密度的增加即孔隙率的降低,平臺(tái)應(yīng)力大幅增加,因而吸能能力增加。
3.2 泡沫鋁合金的減噪吸聲性能
目前廣泛采用的吸聲材料,主要有無機(jī)纖維、高分子多孔材料和粉末燒結(jié)體,如玻璃棉、聚氨酯泡沫、陶瓷等。但這些材料具有諸如強(qiáng)度低、易老化、易吸濕吸潮、易燃等缺點(diǎn),而泡沫鋁用作吸聲材料時(shí)的優(yōu)點(diǎn)很多,主要是:(1)泡沫鋁是由金屬鋁骨架和氣泡構(gòu)成的泡沫體,為剛性結(jié)構(gòu),能制成各種形式的吸聲板;(2)泡沫鋁不吸濕且容易清洗,吸聲性能不會(huì)下降;(3)泡沫鋁不會(huì)因受震動(dòng)或風(fēng)壓等的作用而發(fā)生折損和塵化;(4)能承受近780℃的高溫,在此高溫下,不會(huì)著火和釋放毒氣。
泡沫鋁合金對(duì)聲波衰減的本質(zhì)是聲波在具有大量孔隙界面的多孔介質(zhì)中的衰減。聲波在泡沫鋁界面處一部分被反射、一部分透射進(jìn)入泡沫鋁。如果泡沫鋁的表面不是閉合的,反射波就會(huì)發(fā)生破壞性的削弱。泡沫鋁材料尤其是開孔泡沫鋁,當(dāng)聲音透射進(jìn)入泡沫鋁時(shí),可以在材料內(nèi)部發(fā)生散射、干涉和漫反射,使內(nèi)部骨架振動(dòng)。聲波在開孔泡沫鋁內(nèi)部,每秒都會(huì)許多次壓迫空氣通過孔道。當(dāng)氣流通過孔道時(shí),空氣與孔壁發(fā)生摩擦,而且會(huì)形成湍流。因此聲能部分轉(zhuǎn)化為熱能并且通過熱傳遞消耗掉,從而起到吸聲的作用[20]。泡沫鋁的吸聲性能主要取決于孔隙特征,通孔吸聲性能好于閉孔??紫堵试酱?、孔徑越小,吸聲性能越好。閉孔泡沫鋁切片擠壓處理后,就會(huì)出現(xiàn)足夠數(shù)量的裂紋和其他的孔壁缺陷。這樣,閉孔泡沫鋁也能具備較好的吸聲性能。
3.3 泡沫鋁合金的電磁屏蔽性能
隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展,電磁波引起的電磁干擾與電磁兼容問題日益嚴(yán)重,研制高效的電磁屏蔽材料,防止電磁波輻射污染以保護(hù)環(huán)境和人體健康,防止電磁波泄漏以保障信息安全,已經(jīng)成為當(dāng)前國(guó)際上迫切需要解決的問題。泡沫金屬不僅質(zhì)量輕、屏蔽效能高,還有良好的散熱性,能滿足精密儀器和設(shè)備的屏蔽需要。目前已有對(duì)泡沫鋁及其合金的電磁屏蔽性能的報(bào)道[9,10]。
根據(jù)Schelkuniff 電磁屏蔽理論,材料的屏蔽效能包括反射損耗、吸收損耗和多重反射損耗三部分,用公式表示為[21]:
式中:A為電磁波在介質(zhì)中傳輸時(shí)衰減的吸收損耗;R為電磁波在介質(zhì)兩個(gè)界面處的反射損耗; B為電磁波在介質(zhì)中的多次反射損耗。
吸收損耗、反射損耗和多次反射損耗可分別表示為:
式中:μr為材料相對(duì)于銅的磁導(dǎo)率;σr為材料相對(duì)于銅的電導(dǎo)率;f為電磁波的頻率( Hz);t為材料厚度(mm);δ為趨膚深度,且δ= ( f πσμ )-1/2。
對(duì)泡沫鋁而言,一般當(dāng) A > 10dB 時(shí),孔壁內(nèi)的多次反射損耗可以忽略不計(jì),此時(shí)泡沫鋁的電磁屏蔽效能主要取決于反射損耗和吸收損耗。由公式(8)、(9)可知,低頻時(shí)材料的屏蔽效果主要來源于反射損耗,泡沫金屬表面有大量的孔洞,可以形成一定的感抗,反射性能較好。高頻時(shí)電磁波變得容易進(jìn)入,屏蔽效果主要取決于電磁波在材料內(nèi)部的吸收損耗。泡沫鋁是以鋁合金為基體,內(nèi)含大量的非直通孔洞,具有高的比表面積,電磁波透過時(shí)發(fā)生多次界面反射,形成了較大的衰減,吸收損耗增大,使在較高頻率下總體屏蔽效能下降不致太大[21]。
對(duì)于通孔和閉孔泡沫鋁合金,電磁波的吸收性能均受到孔徑大小、孔隙率以及材料厚度的影響。
泡沫鋁材料具有集上述性能于一身,各種功能間相互滲透而又兼容,因而其實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)材料的輕質(zhì)多功能化,當(dāng)用作結(jié)構(gòu)材料時(shí)又具有功能性,而用作不同功能材料時(shí)又具有結(jié)構(gòu)性。圖6顯示的即為泡沫鋁合金的結(jié)構(gòu)及多功能應(yīng)用[1]。
圖6 泡沫鋁合金的結(jié)構(gòu)及多功能應(yīng)用
輕量化、低能耗和安全舒適是汽車的發(fā)展方向,改進(jìn)汽車結(jié)構(gòu)是減輕汽車自重、提高燃油效率的有效方法。泡沫鋁零配件的使用可以達(dá)到減輕汽車質(zhì)量、降低單位油耗、抑制振動(dòng)、減少環(huán)保負(fù)擔(dān)、增加汽車安全舒適感等目的。泡沫鋁在汽車工業(yè)中的應(yīng)用主要包括輕質(zhì)結(jié)構(gòu)、吸能結(jié)構(gòu)和阻尼傳熱結(jié)構(gòu)等[1]。圖7a為三明治結(jié)構(gòu)的泡沫鋁合金(AFS)在BMW汽車發(fā)動(dòng)機(jī)安裝支架上的應(yīng)用[22],圖7b為應(yīng)用在跑車上撞擊緩沖的泡沫鋁合金材料,利用其大的吸能效率,在撞擊時(shí)有效地保護(hù)人體安全[23]。
圖7 (a)泡沫鋁填充的BMW汽車發(fā)動(dòng)機(jī)安裝支架,(b)跑車上的泡沫鋁合金緩沖塊
泡沫鋁合金材料的優(yōu)異性能在航空航天上也得到了應(yīng)用,其輕質(zhì)性可以有效地減輕航天器的自重,隔熱減震性可以提高航天器在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性安全性,并且不燃(無二次破壞)。圖8為Ariane 65火箭上應(yīng)用的泡沫鋁合金材料[2,24]。
圖8 Ariane 65火箭上應(yīng)用的泡沫鋁合金材料
除上述應(yīng)用外,超輕泡沫鋁合金由于其在變形時(shí)大量能量轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄阅?,以熱量形式耗散,作為?yōu)良的撞擊沖擊防護(hù)材料,應(yīng)用于艦船隔艙板,飛行甲板,潛艇結(jié)構(gòu)件等;利用其高效的隔熱、散熱及電磁屏蔽性能應(yīng)用在微電子器件、高效電池等電子領(lǐng)域;其良好的隔音降噪性能可以應(yīng)用在隧道、車間以減輕噪聲污染。
泡沫鋁及鋁合金材料以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)與功能特性以及在高技術(shù)領(lǐng)域的成功應(yīng)用得到了越來越多的研究者的重視。目前國(guó)際上關(guān)于包括泡沫鋁在內(nèi)的超輕多孔金屬研究在歐洲、日本和美國(guó)非常活躍,國(guó)內(nèi)尚處于起步階段。隨著高技術(shù)領(lǐng)域需求的拉動(dòng)以及民用領(lǐng)域?qū)Σ牧系囊筝p質(zhì)化、節(jié)約化、多功能化與環(huán)保方面的要求,泡沫鋁合金必將成為未來極具競(jìng)爭(zhēng)力的新金屬材料之一。
但目前泡沫鋁合金在制備及應(yīng)用中仍存在著許多問題,諸如:進(jìn)一步縮短制備流程,實(shí)現(xiàn)連續(xù)化節(jié)約化生產(chǎn),有關(guān)其制備、性能表征和應(yīng)用仍有很多空白之處。泡沫鋁制備的中心環(huán)節(jié)是孔結(jié)構(gòu)的控制,泡沫結(jié)構(gòu),如氣泡的大小、形狀、分布以及開閉等,主要由氣泡長(zhǎng)大階段來決定,并最終影響泡沫鋁的性能,因此對(duì)發(fā)泡體氣泡長(zhǎng)大階段的基礎(chǔ)研究非常必要,目標(biāo)是制備出孔結(jié)構(gòu)更加規(guī)則均勻,性能、質(zhì)量更加穩(wěn)定的泡沫鋁合金,適應(yīng)高技術(shù)領(lǐng)域的要求。目前制備出的泡沫鋁合金孔型多為球形孔和多邊形孔,對(duì)滿足特殊要求的異型孔和具有梯度孔結(jié)構(gòu)的泡沫鋁合金研究較少。與應(yīng)用密切相關(guān)的加工焊接、連接,滿足多樣化需求的異形件的焊接及塑性加工問題等都是泡沫鋁合金進(jìn)一步發(fā)展需要解決的。
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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.11.078
單永華(1984-),男,河北保定人,雙學(xué)士學(xué)位,助理工程師。