[发明专利]一种制备具有梯度孔结构闭孔泡沫铝及铝合金制品的方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及泡沫铝或铝合金的制备方法，尤其涉及一种闭孔泡沫铝或铝合金孔结构梯度形成技术的制备方法。

二、背景技术

现有技术：以孔隙结构为特征的闭孔泡沫铝或铝合金实现了结构材料轻质、多功能化，在航天以及其他高技术领域的应用正成为科学和工程研究的热点，其冲击能量吸收能力更为解决现有高技术难题提供了创新性的解决途径。

针对高技术工程领域对冲击能量吸收特性的需求，通过调制孔结构实现泡沫铝或铝合金的冲击能量吸收性能的调节成为此领域的关键难题。具有孔隙率高低变化的泡沫铝或铝合金冲击能量吸收器在较小能量冲击条件下高孔隙率部分产生塑性变形吸收能量，实现低应力冲击波的隔离，而较低孔隙率部分在较大能量冲击条件下变形实现大冲击能量的吸收，从而保证被保护物体在大、小冲击能量下冲击应力波的隔离。

三、发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种具有孔结构梯度的、具有优异冲击能量吸收特性的泡沫铝或铝合金的制备方法。

本发明的技术解决方案为：一种制备具有梯度孔结构闭孔泡沫铝或铝合金制品的方法，将金属铝或铝合金熔化并保温至680℃～780℃，向铝熔体中加入占其总质量0.5％～5％的增黏剂Ca，搅拌混匀反应时间2～20分钟，使熔体黏度稳定；向上步保温条件下增黏后的铝熔体中加入占其总质量0.5％～4％的氢化钛，以800转/分钟～1200转/分钟的转速搅拌使氢化钛在熔体内充分分散混匀；分散搅拌过程结束5～90秒以后，向长大过程中的熔体泡沫进行喷水、喷雾或风冷方式进行冷却直至凝固，获得具有孔隙率梯度的泡沫铝及泡沫铝合金的轻质能量吸收器。氢化钛为颗粒度为150目至300目之间、处理温度150℃～350℃、处理时间为2小时～12小时的高温氧化预处理氢化钛。在承受冲击方向具有孔隙率梯度或针对应力的高低分布实现泡沫铝内部孔隙率的高低分布，孔隙率梯度变化范围在0.02～0.2/cm。喷水强度为0.05L/(s×m²)～1.2L/(s×m²)。喷雾强度为0.01L/(s×m²)～0.05L/(s×m²)。采用风冷方式进行冷却时，空冷风速小于12m/s。

氢化钛分解产生气体是铝及铝合金熔体泡沫化的驱动力，通过对氢化钛进行氧化处理可调节氢气分解特性(见图1)，进而可调节铝及铝合金熔体泡沫化长大的演变过程，决定了熔体内部球形孔向多变形孔演变的过程以及泡沫熔体孔隙率的变化过程。

泡沫熔体的多孔泡沫结构造成其较低的热传导能力，在熔体泡沫受冷过程中，外部熔体泡沫受到较强的冷却作用而凝固，从而保留了最初均匀的孔隙结构，而泡沫熔体的低热传导特性使得其更内部的泡沫仍保持为液态，发泡剂的持续分解促使内部泡沫熔体中孔进一步生长演变，在凝固后得到固态孔洞大小和孔隙率要大于外侧先凝固部分的孔隙率和孔径，从而在泡沫长大和凝固发展过程相互耦合作用下形成具有梯度孔隙率和孔结构的泡沫铝或铝合金(见图2)。

本发明获得如下技术效果：

1、本发明通过对氢化钛发泡剂的氧化处理，实现了对熔体泡沫孔结构演变、孔隙率变化速度以及孔洞长大速度的控制，在泡沫熔体尚处于长大阶段，对其进行多种形式和强度的冷却，在孔隙进一步生长和冷却凝固作用的耦合下，实现对具有孔隙率梯度泡沫铝或铝合金的制备；这是传统熔体发泡法的发展，以往传统熔体发泡法实现了孔隙率的一致性控制，而本发明在此基础上实现了孔隙率梯度的控制，具有工艺过程简单、工艺可靠的特点；

2、本发明中氢化钛的氧化温度(<350℃)和时间(2小时)要低于现有研究成果，可靠的实现了氢气的缓释和分解量/时间曲线特征的确定，和现有技术相比具有提高效率降低能耗的优点；

3、具有孔隙率梯度的闭孔泡沫铝或铝合金冲击能量吸收器，在较小能量冲击条件下高孔隙率部分产生塑性变形吸收能量，实现低应力冲击波的隔离，而较低孔隙率部分在较大能量冲击条件下变形实现大冲击能量的吸收，从而保证被保护物体在大、小冲击应能量下冲击应力波的隔离和吸能特性的稳定，这是现有传统冲击能量吸收器以及具有均匀孔隙结构的泡沫铝或铝合金不具有的特性。

四、附图说明

图1 氢化钛加热氧化处理后的分解释氢曲线；

图2 具有孔隙率、孔结构梯度泡沫铝或铝合金剖面图；

图3 具有孔隙率、孔结构梯度的泡沫铝或铝合金孔结构图；

图4 具有层状孔隙率梯度的三明治结构，顺箭头方向孔隙率由中心向外围递减。

五、具体实施方式

实施例1：