專利名稱：一種高強輕質泡沫鋁復合材料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種含有封閉型微孔的輕質泡沫鋁復合材料及其制備工藝。
背景技術：
含空洞合金也稱泡沫金屬或發泡金屬，如發泡鋁、發泡鎳、發泡銅等。由于這種金屬具有多孔的特殊結構，可以實現多功能化于一體，具有比重輕、阻尼減震、能量吸收、降噪(包括吸聲、隔聲、消聲)隔熱、散熱、電磁屏蔽、不燃燒等特點，其民用前景和軍用前景十分廣泛。發泡鋁自80年代初由日本研制成功以來，引起世界各國的關注，美國、英國、德國等先進國家都投入大量經費予以研究。俄羅斯的研究更早，但前期未有報道，其工藝水平更為先進。發泡合金通常有兩類，一類為通孔，一類為封閉孔，泡沫金屬目前可工程化的制備方法主要有三大類，一種為粉末冶金法將金屬鹽與合金混合燒結后，將金屬鹽去除，得到通孔的泡沫金屬，這種方法工藝設備復雜、成本高；另一種方法是吹氣法在特定成分的熔融金屬中吹入惰性氣體，適當時機冷卻，得到含有封閉式氣孔的金屬型材。這種方法可以得到連續板材，但無法得到大塊狀材料，該工藝對金屬液體的粘度的要求很苛刻，合金的成分須精確調整、成本高；還有一種是發泡法在熔融的具有特定成分的金屬中投入化學發氣劑，產生氣泡之后適當時機冷卻，得到封閉孔的金屬型材，這種方法工藝復雜，工藝參數難控制，對合金的成分要求嚴格，氣孔大小不易控制，成本高。另一方面，吹氣法和發泡法的材料強度很低，氣孔大(一般為2～5mm)，不均勻，對使用條件有一定的限制，難以直接應用于承載和減震環境。因此，研究適用于各種合金、低成本、高強度的輕質多孔合金是國民經濟發展的急需。

發明內容
本發明提供一種高強輕質泡沫鋁復合材料及其制造方法，它解決了現有的泡沫鋁材料強度低、氣孔大，以及現有的泡沫鋁的制備方法難控制、生產成本高、對合金成份要求嚴格的問題。本發明的輕質泡沫鋁復合材料是在鋁材料7內鑄有空心體8而形成的含有封閉微孔的泡沫鋁，該空心體8為空心的玻璃珠或煤燃燒后的粉煤灰在水中的漂浮物體。本發明的輕質泡沫鋁復合材料的制備方法是(1)將空心體裝入模具的型腔之內；(2)預熱將裝有空心體的模具預熱至450℃～550℃，鋁材料加熱至溶化；(3)將鋁材料澆注到模具內；(4)加壓浸滲通過壓力機施加壓力，使金屬液體浸滲到空心體之間的間隙之中；(5)保壓冷卻金屬液體完全浸滲之后，保持壓力并冷卻；(6)脫模，取出多孔鑄錠。所用空心體的大小不限，一般直徑在0.1～3mm為最佳，空心體的內腔直徑在0.02～2mm為最佳。鋁材料的加熱溫度在700℃～750℃。在加壓浸滲過程中施加的壓力為30MPa～55MPa。模具中裝入空心體的體積占模具內腔總體積的40％～70％。本發明的主要方法是將空心體按照一定比例在金屬模具中制成預制體，在適當的工藝參數下，將熔融的金屬液體倒入模具，通過壓力機的沖頭加壓，使熔融金屬滲入到玻璃珠間隙之中，隨即冷卻，達到多孔材料制備的目的。本發明的積極效果是不用通常的吹氣法、反應發氣法，而是以空心體的空心作為泡沫金屬的空孔，在金屬中加入空心體得到輕質多孔復合材料，這種材料對基體合金幾乎無選擇，可以使用工業廢鋁、民用廢鋁等，因此，可以根據需要選擇不同的基體合金，孔隙率可以達到30％～60％，實現高比強、阻尼減震、隔音、能量吸收等多功能，而且成本低，成品率幾乎100％。本發明的高強輕質泡沫鋁復合材料具有強度高、成本低、氣孔大小易控制的優點。


圖1是本發明的高強輕質泡沫鋁復合材料的結構示意圖，圖2是具體實施方式
一中制備方法所用模具的結構示意圖。
具體實施例方式
一本實施方式的高強輕質泡沫鋁復合材料是在鋁材料7內鑄有空心的玻璃珠8(參閱圖1)。該泡沫鋁的制備方法所用的模具(參閱圖2)由沖頭1、模具體4、壓力機臺面5、電爐6組成。模具內腔上部為鑄腔2，下部為型腔3。其制備步驟是(1)玻璃珠裝填將平均直徑為0.1mm的空心玻璃珠裝入模具型腔，型腔體積為φ80×60mm，裝入115g，壓實。此時預計體積率約為40％；(2)預熱。將裝有玻璃珠的模具在電爐中加熱至450℃，基體合金采用6061鋁合金，鋁合金在另一電爐中加熱至750℃；(3)將基體鋁合金澆注至模具注腔之內；(4)加壓通過壓力機施加壓力，此時壓力約為45Mpa；(5)保壓冷卻金屬液體完全浸滲之后；保持壓力；(6)自然冷卻脫模，取出鑄錠材料。性能測試結果比重法測得孔隙率＝38％，比重＝1.6g/cm3；鑄態下三點彎曲強度160Mpa。
具體實施方式
二本實施方式與具體實施方式
一不同的是，該泡沫鋁的制備步驟是(1)玻璃珠裝填將平均直徑為0.2mm的玻璃珠裝入模具型腔，型腔體積為φ85×60mm，裝入92g，壓實，此時預計體積率約為50％；(2)預熱。將裝有玻璃珠的模具在電爐中加熱至500℃，基體合金采用工業廢鋁，廢鋁在另一電爐中加熱至700℃；(3)將基體鋁合金澆注至模具注腔之內；(4)加壓通過壓力機施加壓力，此時壓力約為38Mpa；(5)保壓冷卻金屬液體完全浸滲之后，保持壓力；自然冷卻到450℃左右；(6)脫模，取出鑄錠材料。性能測試結果比重約為1.4g/cm3，孔隙率約為50％，拉伸強度95Mpa。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一不同的是，該泡沫鋁的制備步驟是(1)玻璃珠裝填將平均直徑為0.2mm的玻璃珠裝入模具型腔，型腔體積為φ200×100mm，裝入1070g，壓實，此時預計體積率約為45％；(2)預熱。將裝有玻璃珠的模具在電爐中加熱至450℃，基體合金采用7075鋁合金邊角料，在另一電爐中加熱至730℃，融化；(3)將基體鋁合金澆注至模具注腔之內；(4)加壓通過壓力機施加壓力，此時壓力約為50Mpa；(5)保壓冷卻保持壓力50Mpa不變，溫度降至約400℃時卸載；(6)脫模，取出鑄錠材料。性能測試結果比重約為1.6g/cm3，孔隙率約為40％，常規時效處理后拉伸強度210Mpa。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一不同的是，該泡沫鋁的制備步驟是(1)玻璃珠裝填將直徑約為3mm和1mm的玻璃珠各50％混合，裝入模具型腔，型腔體積為φ200×100mm，裝入1160g，壓實。(2)預熱。將裝有玻璃珠的模具在電爐中加熱至500℃，基體合金采用再生廢鋁，在另一電爐中加熱至730℃融化；(3)將基體鋁合金澆注至模具注腔之內；(4)加壓通過壓力機施加壓力，此時壓力約為40Mpa；(5)保壓冷卻保持壓力40Mpa不變，溫度降至約500℃時卸載；(6)脫模，取出鑄錠材料。性能測試結果比重約為1.6g/cm3，孔隙率約為60％，鑄態拉伸強度150Mpa。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一、二、三或四不同的是，用煤燃燒后的粉煤灰在水中的漂浮物體代替空心的玻璃珠。該漂浮物體為空心結構，外部形狀為近似球體，主要成份為SiO2·Al2O3。該漂浮物體可以從火力發電廠或鍋爐的燃煤排放的粉煤灰中取得。所獲得的泡沫鋁復合材料當氣孔率在50％時三點彎曲強度為450MPa，密度約為1.7g/cm3。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
一、二、三、四或五不同的是，空心玻璃珠或粉煤灰在水中的漂浮物體在裝入模具之前需首先用氫氟酸腐蝕表面，使其粗糙化，所用氫氟酸的濃度為1％～3％，腐蝕時間為5～15分鐘。
權利要求
1.一種高強輕質泡沫鋁復合材料，其特征在于它是在鋁材料(7)內鑄有空心體(8)而形成的含有封閉微孔的泡沫鋁。
2.根據權利要求1所述的一種高強輕質泡沫鋁復合材料，其特征在于該空心體(8)為空心的玻璃珠或煤燃燒后的粉煤灰在水中的漂浮物體。
3.一種高強輕質泡沫鋁復合材料的制備方法，其特征在于(1)將空心體裝入模具的型腔之內；(2)預熱將裝有空心體的模具預熱至450℃～550℃，鋁材料加熱至溶化；(3)將鋁材料澆注到模具內；(4)加壓浸滲通過壓力機施加壓力，使金屬液體浸滲到空心體之間的間隙之中；(5)保壓冷卻金屬液體完全浸滲之后，保持壓力并冷卻；(6)脫模，取出多孔鑄錠。
4.根據權利要求3所述的一種高強輕質泡沫鋁復合材料的制備方法，其特征在于所用空心體的直徑在0.1mm～3mm，空心體的內腔直徑在0.02mm～2mm。
5.根據權利要求3所述的一種高強輕質泡沫鋁復合材料的制備方法，其特征在于鋁材料的加熱溫度在700℃～750℃。
6.根據權利要求3所述的一種高強輕質泡沫鋁復合材料的制備方法，其特征在于在加壓浸滲過程中施加的壓力為30MPa～55MPa。
7.根據權利要求3所述的一種高強輕質泡沫鋁復合材料的制備方法，其特征在于模具中裝入空心體的體積占模具內腔總體積的40％～70％。
8.根據權利要求3、4或7所述的一種高強輕質泡沫鋁復合材料的制備方法，其特征在于該空心體為空心的玻璃珠或煤燃燒后的粉煤灰在水中的漂浮物體。
9.根據權利要求8所述的一種高強輕質泡沫鋁復合材料的制備方法，其特征在于空心體在裝入模具之前需首先用氫氟酸腐蝕表面，使其粗糙化。
10.根據權利要求9所述的一種高強輕質泡沫鋁復合材料的制備方法，其特征在于所用氫氟酸的濃度為1％～3％，腐蝕時間為5～15分鐘。
全文摘要
一種高強輕質泡沫鋁復合材料及其制備方法，它涉及一種含有封閉型微孔的輕質泡沫鋁復合材料及其制備工藝。它是在鋁材料(7)內鑄有空心體(8)而形成的含有封閉微孔的泡沫鋁。其制備方法是(1)將空心體裝入模具的型腔之內；(2)預熱將裝有空心體的模具預熱至450℃～550℃，鋁材料加熱至溶化；(3)將鋁材料澆注到模具內；(4)加壓浸滲通過壓力機施加壓力，使金屬液體浸滲到空心體之間的間隙之中；(5)保壓冷卻金屬液體完全浸滲之后，保持壓力并冷卻；(6)脫模，取出多孔鑄錠。它解決了現有的泡沫鋁材料強度低、氣孔大，以及現有的泡沫鋁的制備方法難控制、生產成本高、對合金成份要求嚴格的問題。
文檔編號C22C1/08GK1424416SQ03100180
公開日2003年6月18日 申請日期2003年1月9日 優先權日2003年1月9日
發明者武高輝, 姜龍濤 申請人:哈爾濱工業大學