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開孔泡沫鋁制備及其性能研究（四）

閉孔泡沫鋁的制備方法

(1)粉末冶金法

粉末冶金法作為生產泡沫金屬的重要方法之一，一直受到許多學者的推祟，其歷史甚至可以追溯到上個世紀初。其基本原理為首先把鋁粉、發(fā)泡劑混合后壓制成密實的預制塊，預制塊的質量決定了產品的質量，因此在進行此步時應避免預制塊中有明顯的殘留氣孔或缺陷。然后將預制塊放入爐中加熱，加熱到金屬熔點附近，發(fā)泡劑受熱分解產生氣體而使得半熔融狀態(tài)的金屬發(fā)生膨脹，從而在其內部形成無數的氣孔，經冷卻后，便得到泡沫金屬材料。其中，發(fā)泡溫度和預制塊大小決定發(fā)泡時間的長短，一般從幾秒鐘到幾分鐘。此工藝的優(yōu)點在于能制備泡沫金屬種類多，如純鋁和各種鑄造、鍛造鋁合金，以及錫、青銅、鉛等其他金屬，且制備工藝簡單，可以制備出復雜形狀、性能穩(wěn)定的金屬泡沫。缺點是工藝過程較為復雜，且發(fā)泡劑價格昂貴，生產成本較高。

(2)發(fā)泡劑法

金屬熔體發(fā)泡法的工藝原理是首先對熔融金屬進行粘度調節(jié)。可選用的增粘劑有金屬鈣、硅的非金屬聚合物、粉末狀氧化鋁、碳化硅、鋁的浮渣、氬氣等。本文以金屬鈣為例,對后續(xù)過程進行闡述。在實際生產中，將1.5%~3.0%(wt)金屬鈣加入680℃的鋁液后，進行攪拌，在這一過程會形成如氧化鈣(CaO)、鈣鋁尖晶石等金屬間化合物，從而使熔體粘度增加。當粘度適合發(fā)泡時，加入1.6%(wt)的氫化鈦作為發(fā)泡劑，在恒壓下的熱的粘滯熔體中釋放出H2，液體膨脹泡沫化，冷卻后即可得泡沫金屬。其中，發(fā)泡溫度范圍和加工時間等工藝參數需要進行嚴格控制。目前，日本一家公司采用此法已成功生產出孔隙均勻的Alporas泡沫鋁。Alporas泡沫鋁的生產工藝能制備出密度為0.18~0.24g/cm3的泡沫鋁，其孔徑約為4.5mm，且孔結構均勻。

(3)注氣法

該工藝的第一步是通過向金屬熔體中加入細小的金屬粒子，如氧化鋁、碳化硅、氧化鎂等，起到增加熔體粘度，穩(wěn)定熔體的發(fā)泡溫度范圍的作用。除此之外，還需考慮熔體對顆粒的浸潤問題和增強顆粒的均布問題，因此，加入的金屬顆粒通常為體積分數10%~20%，顆粒尺寸為5~20μm。第二步則是通過專門設計的旋轉式推進器或振動式噴嘴將氣體（空氣、氮氣、氬氣）注入金屬熔體中，這一步工藝的好壞將直接影響所得泡沫金屬產品質量，因此，推進器或噴嘴能否在熔體中產生足夠細小的氣泡并使其均勻分布至關重要。含有氣泡的鋁液將浮向液面，由于液體中存在著細小金屬顆粒，從而可以穩(wěn)定液體中的氣泡。通過傳動皮帶將表面半固態(tài)的泡沫拉出，經平直化處理后冷卻凝固即可得到泡沫鋁板。這種方法優(yōu)點是操作簡易、經濟，成品的孔穴尺寸可調范圍大、孔隙率高、板材體積大，可連續(xù)化生產。缺點是孔尺寸較大、孔結構不規(guī)則，同時由于顆粒的加入，使胞壁變脆，對力學性能產生不利影響。目前挪威的Hydro鋁業(yè)公司和加拿大的Cymat鋁業(yè)公司運用此法研制泡沫鋁產品。

(4)固-氣共晶凝固法

固-氣共晶凝固法，又稱固-氣低共熔凝固法，是近年來開發(fā)的制備泡沫金屬的一種新方法。其工藝為在密閉壓力容器內，向金屬熔體中通入具有一定溶解度的氣體，氣體溶解度隨壓力增加和溫度的上升而提高。當溶解度達到預定值后，使熔體通過共晶點冷卻，凝結時隨著氣態(tài)氫的溶解度下降而析出，從而在達到共晶點的同時發(fā)生金屬凝固和氣孔形核。通過調節(jié)和控制系統(tǒng)的壓力、冷卻速度和溫度梯度的方向等工藝參數，可制備出具有不同孔結構的各向同性和各向異性的高孔隙率泡沫金屬。此法的優(yōu)點在于無需粘結就能生產出作為運載工具理想部件的帶蜂窩狀或泡沫狀芯材的金屬夾層材料。該方法由于受孔隙率及孔的取向與合金成分、金屬熔體的過熱度等諸多可變因素的影響，增加了精確控制及優(yōu)化孔結構的難度，另還存在著成本、安全等問題，使得該方法無法實現(xiàn)商業(yè)化應用。

(5)濺射夾氣沉積法

在一定的惰性氣體分壓下，采用陰極濺射法在基體材料上沉積出夾雜惰性氣體原子的金屬，加熱至金屬熔點以上充分保溫，使夾雜的氣體膨脹而形成孔隙，冷卻后即可以制備出閉孔結構的泡沫金屬材科料。此法優(yōu)點為孔隙率可調，缺點是蒸鍍速度慢，生產率低。