低孔隙率闭孔泡沫铝合金及其制备方法 一.技术领域
本发明涉及一种泡沫铝合金及其制造方法，尤其涉及一种低孔隙率闭孔泡沫铝合金及其制备方法。
二.背景技术
现有的熔体发泡法制备泡沫铝合金的特点：孔的形状为多面体，孔径平均3-5mm，高孔隙率(高于80％)，强度较低，吸能能力较小。对于某些需要更高的强度和更大吸能能力的场合，高孔隙率泡沫铝合金无法满足要求。
三.发明内容
本发明提供高强度、球形或类球形孔、低孔隙率的闭孔泡沫铝合金及其制备方法。
本发明采用如下技术方案：
一种用于制造低孔隙率闭孔泡沫铝合金的方法，包括如下步骤：第一步，将铝合金加热至熔化，第二步，加入0.5～5％的增粘剂对铝合金搅拌增粘，第三步，加入占铝合金质量0.2-5.0％发泡剂并搅拌均匀，第四步，以1000转/分～2000转/分钟的转速再搅拌10s～180s，第五步，提出搅拌桨，并将坩埚在640℃～750℃保温5s～300s，第六步，将保温后的泡沫铝合金熔体采用各向同时冷却得到低孔隙率闭孔泡沫铝合金。
一种低孔隙率闭孔泡沫铝合金，其孔隙率为50％～80％，其孔洞形状为球形或类球形。
本发明获得如下技术效果：
(1)从铝合金(可以为含铜质量分数为3.5～5.5％的铝铜合金，含硅质量分数为4～12％的铝硅合金，含镁5～12％的铝镁合金)熔体泡沫中气泡的生长角度看，发泡搅拌以后，气泡的长大经历三个过程：球形、类球形生长阶段，此阶段气泡呈球形或类球形(类球形是相对于多面体而言的，主要特征是孔洞内壁是曲面，而不是多面体的平面)，气泡之间地壁厚很大，此阶段结束时，孔隙率为80％左右(根据球密堆积模型计算估计或者实验取样统计可得)；多面体化阶段，气泡长大后相互挤压，逐渐达到内部平衡，气泡呈多面体形，气泡膜由于排液的作用逐渐减薄；气泡失稳阶段，气泡膜进一步变薄，气泡失稳，熔体内部逐渐形成大的孔洞。
现有技术的熔体泡沫化过程中，气泡呈球形、类球形的时间往往过短，甚至在均匀化搅拌结束时，已经多面体化，不容易得到低孔隙率。进一步高速搅拌一段时间的作用是：(A)可以提供足够的切削力将已经长大气泡打碎成均匀分布的、孔径细小的球形气泡，降低熔体泡沫的初始孔隙率；(B)在进一步的高速搅拌过程中，发泡剂分解的高峰也逐渐过去，气泡长大驱动力变小，从而减缓气泡的长大速度，避免形成多面体气泡，并减缓孔隙率增大。为获得低孔隙率泡沫铝合金，均匀化搅拌后的高速搅拌时间需要与发泡剂的加入量以及搅拌速度相适应。本发明制备了孔隙率低于80％(50％～80％)的范围孔隙率、孔洞形状为球形或类球形(孔洞的内壁为曲面)的泡沫铝合金。
(2)发泡搅拌以后，将盛有泡沫铝合金熔体的坩埚放在炉内保温，如果保温时间较长，那么气泡有充分的时间长大而相互接触发生多面体化。因此，需要采用较短的保温时间使得泡沫铝合金气泡呈球形，不同的保温时间影响低孔隙率泡沫铝合金的孔隙率。
(3)由于液态低孔隙率泡沫铝合金气泡之间液膜较厚，气泡稳定性大大增加，因此气泡在各向冷却中能够承受很大的冷却应力而不发生破裂，从而使得低孔隙率泡沫铝合金的成品率大大增加。本发明采用了较短的保温时间，使得气泡呈球形或类球形，获得高成品率的低孔隙率泡沫铝合金。
(4)发泡剂分解的气体是气泡长大的驱动力，其加入量对最终的孔隙率也有比较大的影响，加入量越多，那么气泡长大的速度也越快，气泡越容易多面体化，需要高速搅拌的时间也越长，工艺过程不容易控制，效率降低。本发明采用较低的发泡剂地加入量，使得工艺过程更容易控制、效率更高。
(5)坩埚的底面积一定，熔体高度H和泡沫铝的孔隙率P具有一定的对应关系，因此可以通过控制泡沫铝合金熔体高度的办法来精确控制低孔隙率胞状铝合金的孔隙率。
(6)本发明制备泡沫铝合金孔隙率低于80％，例如76％，74％，70％，67％，60％，58％，52％，气泡基本呈球形或类球形。另外，孔洞分布均匀、孔径较小，壁厚较大的泡沫铝合金，其中：孔的平均直径通过统计大量孔洞直径ds求其均值获得，孔洞平均直径ds可根据对泡沫铝横截面的图像分析结果获得。孔洞之间的平均壁厚δ可根据下式计算。
其中ds为孔洞平均直径，S为截面面积，S孔为孔洞总面积，N为孔洞数，都能根据截面图像计算机分析结果得出，因此可求出平均壁厚δs。
(7)获得的低孔隙率泡沫铝合金比高孔隙率泡沫铝合金具有更高的强度和更好的吸能性能，以孔隙率为67.3％的泡沫铝合金为例，与高孔隙率(82.1％)相比较，前者压缩屈服强度达到了29.0MPa，是后者的2.6倍左右，比强度也是后者的1.3倍左右，吸能性能达到了16.1MJ/m3，是后者的2.8倍。
四.附图说明
图1为本发明获得的低孔隙率泡沫铝铜合金的压缩屈服强度、比强度及吸能性能与高孔隙率对应性能的对比图
图2为本发明实施例4获得的球形孔、孔隙率为67.3％的泡沫铝合金横截面局部体视显微镜照片(放大10倍)
图3为本发明实施例5获得的球形孔、孔隙率为70％的泡沫铝合金横截面局部体视显微镜照片(放大10倍)
图4为本发明实施例6获得的类球形孔、孔隙率为76％孔泡沫铝合金横截面局部体视显微镜照片(放大10倍)
五.具体实施方案
实施例1一种用于制造低孔隙率闭孔泡沫铝合金的制备方法，包括如下步骤：
第一步，将含铜3.5～5.5％的铝铜合金加热至熔化；
第二步，加入占铝合金重量的0.5～5％(例如1.5％)的增粘剂对铝合金以200～500转/分钟(可取为400转/分钟)的速度搅拌增粘8分钟～15分钟(可取为10分钟)，增粘剂可以为Ca，三氧化二铝粉，二氧化锰粉；
第三步，加入占铝合金质量的0.2～5.0％的发泡剂并以600～900转/分钟(可选为900转/分钟)搅拌40～60s，其中发泡剂可以为氢化钛、火山灰、碳酸钙，发泡剂的加入量可以为0.2％，0.25％，0.3％，0.35％，0.4％，0.5％，0.6％，0.7％，0.8％，1.0％，1.5％，2.0％，2.5％，3.0％，4.0％，5.0％；
第四步，以1000转/分～2000转/分钟的转速再搅拌10s～180s，搅拌速度可以选取1000转/分钟，1200转/分钟，1500转/分钟，2000转/分钟，搅拌时间可以选取为10s，20s，40s，60s，80s，100s，120s，140s，160s，180s；
第五步，提出搅拌桨，并让坩埚在640℃～750℃下保温5秒～5分钟，保温时间可选取为5s，10s，15s，20s，25s，30s，40s，50s，60s，2分钟，4分钟，5分钟，保温温度可以为640℃，650℃，670℃，700℃，750℃；
第六步，将保温后的泡沫铝合金熔体采用各向同时冷却得到闭孔泡沫铝合金。
实施例2一种用于制造低孔隙率闭孔泡沫铝合金的制备方法，包括如下步骤：
第一步，将含铜3.5～5.5％的铝铜合金加热至熔化；
第二步，加入占铝合金重量的0.5～5％(例如1.5％)的增粘剂钙对铝合金以200～500转/分钟(可取为400转/分钟)的速度搅拌增粘8分钟～15分钟(可取为10分钟)；
第三步，加入占铝合金质量的0.2～2.0％的发泡剂氢化钛并以600～900转/分钟(例如900转/分钟)搅拌40～60s，其中发泡剂的加入量可以为0.2％，0.25％，0.3％，0.35％，0.4％，0.5％，0.6％，0.7％，0.8％，1.0％，1.5％，2.0％；
第四步，以1000转/分～2000转/分钟的转速再搅拌10s～180s，搅拌速度可以选取1000转/分钟，1200转/分钟，1500转/分钟，2000转/分钟，搅拌时间可以选取为10s，20s，40s，60s，80s，100s，120s；
第五步，提出搅拌桨，并将坩埚在640℃～750℃下保温5秒～5分钟，保温时间可选取为5s，10s，15s，20s，25s，30s，40s，50s，60s，2分钟，4分钟，5分钟，保温温度可以为640℃，650℃，670℃，700℃，750℃；
第六步，将保温后的泡沫铝合金熔体采用各向同时冷却得闭孔泡沫铝合金。
实施例3一种用于制造低孔隙率闭孔泡沫铝合金的制备方法，包括如下步骤：
第一步，将含铜3.5～5.5％的铝铜合金加热至熔化；
第二步，加入占铝合金重量的0.5～5％(例如1.5％)的增粘剂钙对铝合金以200～500转/分钟(可取为400转/分钟)的速度搅拌增粘8分钟～15分钟(可取为10分钟)；
第三步，加入占铝合金质量的0.2～5.0％的发泡剂氢化钛并以600～900转/分钟(可选为900转/分钟)搅拌40～60s，其中发泡剂的加入量可以为0.2％，0.25％，0.3％，0.35％，0.4％，0.5％，0.6％，0.7％，0.8％，1.0％，1.5％，2.0％，2.5％，3.0％，4.0％，5.0％；
第四步，以1000转/分～2000转/分钟的转速再搅拌10s～180s，搅拌速度可以选取1000转/分钟，1200转/分钟，1500转/分钟，2000转/分钟，搅拌时间可以选取为10s，20s，40s，60s，80s，100s，120s，140s，160s，180s；
第五步，提出搅拌桨，并将坩埚在640℃～750℃下保温5秒～5分钟，保温时间可选取为5s，10s，15s，20s，25s，30s，40s，50s，60s，2分钟，4分钟，5分钟，保温温度可以为640℃，650℃，670℃，700℃，750℃；
第六步，将保温后的泡沫铝合金熔体采用各向同时冷却得到闭孔泡沫铝合金。
在本实施例中，可以根据熔体的高度确定泡沫铝合金的孔隙率，如直径为100mm的坩埚盛有1000g的铝液，高度为144mm的泡沫铝合金熔体凝固后可获得平均孔隙率约为67.3％的泡沫铝合金。
实施例4一种用于制造低孔隙率闭孔泡沫铝合金的制备方法，包括如下步骤：
第一步，将含铜3.5～5.5％的铝铜合金1200g加热至熔化；
第二步，加入占铝合金重量的1.5％的增粘剂对铝合金以400转/分钟的速度搅拌增粘10分钟，增粘剂可以为Ca，三氧化二铝粉，二氧化锰粉；
第三步，加入占铝合金质量的0.8％的发泡剂氢化钛并以900转/分钟搅拌60s；
第四步，以1500转/分钟的转速搅拌20s；
第五步，提出搅拌桨，并让坩埚在660℃下保温40s；
第六步，将保温后的泡沫铝合金熔体采用各向同时冷却得到闭孔泡沫铝合金。
实施例5一种用于制造低孔隙率闭孔泡沫铝合金的制备方法，包括如下步骤：
第一步，将含铜3.5～5.5％的铝铜合金1200g加热至熔化；
第二步，加入占铝合金重量的1.5％的增粘剂对铝合金以400转/分钟的速度搅拌增粘10分钟，增粘剂可以为Ca，三氧化二铝粉，二氧化锰粉；
第三步，加入占铝合金质量的1.5％的发泡剂氢化钛并以900转/分钟搅拌60s；
第四步，以1500转/分钟的转速搅拌40s；
第五步，提出搅拌桨，并让坩埚在660℃下保温40s；
第六步，将保温后的泡沫铝合金熔体采用各向同时冷却得到闭孔泡沫铝合金。
实施例6一种用于制造低孔隙率闭孔泡沫铝合金的制备方法，包括如下步骤：
第一步，将含铜3.5～5.5％的铝铜合金1200g加热至熔化；
第二步，加入占铝合金重量的1.5％的增粘剂对铝合金以400转/分钟的速度搅拌增粘10分钟，增粘剂可以为Ca，三氧化二铝粉，二氧化锰粉；
第三步，加入占铝合金质量的1.5％的发泡剂氢化钛并以900转/分钟搅拌60s；
第四步，以1000转/分钟的转速搅拌40s；
第五步，提出搅拌桨，并让坩埚在660℃下保温40s；
第六步，将保温后的泡沫铝合金熔体采用各向同时冷却得到闭孔泡沫铝合金。
实施例7一种用本发明所述方法制备的低孔隙率闭孔泡沫铝合金，其孔隙率为50％80％，可以为76％，74％，70％，67％，60％，58％，52％，其孔洞形状为球形或类球形，本实施例中，其平均孔径为0.1～5mm，可以为1mm，2mm，3mm，5mm，平均壁厚0.1～5mm，可以为0.2mm，0.5mm，0.8mm，1mm，2mm，4mm，5mm。