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(chǎn)泡沫金屬的重要方法之一，一直受到許多學(xué)者的推祟，其歷史甚至可以追溯到上個(gè)世紀(jì)初。其基本原理為首先把鋁粉、發(fā)泡劑混合后壓制成密實(shí)的預(yù)制塊，預(yù)制塊的質(zhì)量決定了產(chǎn)品的質(zhì)量，因此在進(jìn)行此步時(shí)應(yīng)避免預(yù)制塊中有明顯的殘留氣孔或缺陷。然后將預(yù)制塊放入爐中加熱，加熱到金屬熔點(diǎn)附近，發(fā)泡劑受熱分解產(chǎn)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(nèi)部形成無(wú)數(shù)的氣孔，經(jīng)冷卻后，便得到泡沫金屬材料。其中，發(fā)泡溫度和預(yù)制塊大小決定發(fā)泡時(shí)間的長(zhǎng)短，一般從幾秒鐘到幾分鐘。此工藝的優(yōu)點(diǎn)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(jiǎn)單，可以制備出復(fù)雜形狀、性能穩(wěn)定的金屬泡沫。缺點(diǎn)是工藝過程較為復(fù)雜，且發(fā)泡劑價(jià)格昂貴，生產(chǎn)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(duì)熔融金屬進(jìn)行粘度調(diào)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(duì)后續(xù)過程進(jìn)行闡述。在實(shí)際生產(chǎn)中，將1.5%~3.0%(wt)金屬鈣加入680℃的鋁液后，進(jìn)行攪拌，在這一過程會(huì)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(dāng)粘度適合發(fā)泡時(shí)，加入1.6%(wt)的氫化鈦?zhàn)鳛榘l(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(shí)間等工藝參數(shù)需要進(jìn)行嚴(yán)格控制。目前，日本一家公司采用此法已成功生產(chǎn)出孔隙均勻的Alporas泡沫鋁。Alporas泡沫鋁的生產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(xì)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(duì)顆粒的浸潤(rùn)問題和增強(qiáng)顆粒的均布問題，因此，加入的金屬顆粒通常為體積分?jǐn)?shù)10%~20%，顆粒尺寸為5~20μm。第二步則是通過專門設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)式推進(jìn)器或振動(dòng)式噴嘴將氣體（空氣、氮?dú)狻鍤?/span>）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(chǎn)品質(zhì)量，因此，推進(jìn)器或噴嘴能否在熔體中產(chǎn)生足夠細(xì)小的氣泡并使其均勻分布至關(guān)重要。含有氣泡的鋁液將浮向液面，由于液體中存在著細(xì)小金屬顆粒，從而可以穩(wěn)定液體中的氣泡。通過傳動(dòng)皮帶將表面半固態(tài)的泡沫拉出，經(jīng)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(diǎn)是操作簡(jiǎn)易、經(jīng)濟(jì)，成品的孔穴尺寸可調(diào)范圍大、孔隙率高、板材體積大，可連續(xù)化生產(chǎn)。缺點(diǎn)是孔尺寸較大、孔結(jié)構(gòu)不規(guī)則，同時(shí)由于顆粒的加入，使胞壁變脆，對(duì)力學(xué)性能產(chǎn)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(yùn)用此法研制泡沫鋁產(chǎn)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(nèi)，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(dāng)溶解度達(dá)到預(yù)定值后，使熔體通過共晶點(diǎn)冷卻，凝結(jié)時(shí)隨著氣態(tài)氫的溶解度下降而析出，從而在達(dá)到共晶點(diǎn)的同時(shí)發(fā)生金屬凝固和氣孔形核。通過調(diào)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(shù)，可制備出具有不同孔結(jié)構(gòu)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(diǎn)在于無(wú)需粘結(jié)就能生產(chǎn)出作為運(yùn)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(jié)構(gòu)的難度，另還存在著成本、安全等問題，使得該方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)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(diǎn)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(jié)構(gòu)的泡沫金屬材科料。此法優(yōu)點(diǎn)為孔隙率可調(diào)，缺點(diǎn)是蒸鍍速度慢，生產(chǎn)率低。