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多孔金属_拉拔工艺对密闭型腔中泡沫铝泡孔结构的影响,综合色就爱涩涩涩综合婷婷

更新时间  2024-07-10 15:03 阅读
多孔金属_拉拔工艺对密闭型腔中泡沫铝泡孔结构的影响

泡沫铝是由铝基体和周围孔洞构成的一种结构功能一体化的多孔材料,其内部由于大量孔洞的存在而具有优异的多功能性,如密度低、吸能能力强、比刚度大、良好的散热和传热性能等。引起了广泛关注。使用泡沫铝作为结构材料,需要高强度和刚度的特性,因此以泡沫铝材料作为芯层的夹芯结构及异形件的应用越来越广泛,其主要应用于防护工程、航空航天、汽车制造、电子产品等领域。宝马公司设计了一款新型泡沫铝夹芯结构的发动机支架,在碰撞情况下,能够有效的吸收能量和机械振动,并转化为热能耗散,提升对发动机的保护。

为了充分利用泡沫铝的性能优势,使泡沫铝具备可设计的结构和性能,必须开发可靠的制备工艺。在过去,研究人员已经发明了几种制备闭孔泡沫铝的技术,包括采用发泡剂对熔体进行发泡的熔体发泡法,采用气体直接吹入熔体的吹气法,采用金属粉末和发泡剂压实的半固态阶段发泡的粉末冶金法等。近年来粉末冶金法逐渐成为制备泡沫铝的主要方法之一,并在工业应用中占有一席之地。粉末冶金法具有高效率的特点,发展前景可观。采用可发泡预制体与模具形成一个整体的近净成形工艺来制备泡沫铝夹芯结构,可缩短生产流程,提高生产效率。然而关于拉拔工艺对泡孔结构和均匀程度的影响还需进一步探索,同时粉末冶金法对其制备泡沫铝孔结构的控制有待提高。

沈阳工业大学联合东北大学在《特种铸造及有色合金》期刊上发表了“拉拔工艺对密闭型腔中泡沫铝泡孔结构的影响”的文章,以挤压-拉拔工艺制备出的TiH2含量为0.8%,直径分别为6.5、4.9、3.5 mm的可发泡预制坯为研究对象,研究其在密闭型腔中的发泡行为。结果表明,随着拉拔直径的减小,预制体密度降低,比表面积增加,相同膨胀倍数下泡沫铝充满型腔的时间缩短,TiH2在预制体内分布更均匀,TiH2利用率增加,孔径减小,孔数增多,圆度减小,孔隙率增大;随着膨胀倍数的增加,相同拉拔直径下孔径增大,孔数减少,孔壁变薄,孔隙率增大。

【研究方法】

试验原料为空气雾化纯铝粉,TiH2粉末为发泡剂制备泡沫铝。空气雾化纯铝粉粒度为74~150 μm,TiH2粉末纯度为99.5%,粒度为44 μm,表1为TiH2粉末的化学成分。


首先将TiH2粉末放入SK-6-12管式电阻炉,在480 ℃保温2 h,目的是防止TiH2过早的分解使H2散失。用电子天平称量铝粉和TiH2粉末,TiH2粉末的质量分数为0.8%,总计350 g。之后将铝粉与TiH2粉末在球磨机中干混2 h,取出过筛,密封保存。使用YH61-500型金属挤压机将混合粉末在常温下单轴模压成Ø70 mm×35 mm的预制体。放入400 ℃的电阻炉中保温2 h,模具在350 ℃下预热0.5 h,将预制体放入模具中,在300 MPa压力下将预制体挤压成Ø16 mm的预制体棒。然后将预制体棒放入300 ℃的电阻炉中保温30 min以供后续拉拔,在每一道次拉拔之后预制体都要放入电阻炉中进行相同保温温度,最终通过多道次拉拔将预制体棒直径分别拉至6.5、4.9、3.5 mm。用线切割将预制体切成长度为25 mm的细棒,通过测量细棒质量、体积和表面积来计算其密度和比表面积,重复测量3次取平均值。将预制体棒沿拉拔方向切开,用砂纸打磨抛光,腐蚀后在蔡司光学显微镜下观察,获取剖面的显微图,用日立S-3400N扫描电镜对切开的预制体棒进行元素的面扫描,获得元素分布图。

将预制体棒分别放入其2倍、3倍、4倍体积,长度为25 mm、壁厚为1 mm的不锈钢发泡管中,其中6.5 mm的预制体棒对应的不锈钢发泡管的外径分别为11、13和15 mm;4.9 mm的预制体棒对应的不锈钢发泡管的外径分别为9、10和12 mm;3.5 mm的预制体棒对应的不锈钢发泡管的外径分别为7、8和9 mm。型腔两侧由夹持钢片和紧实零件(螺丝和螺母)组成,不锈钢管的一侧采用带有玻璃圆孔的薄不锈钢垫片,见图1。


图1 密封发泡模具组件示意图

发泡后通过观察玻璃圆孔上显示的阴影来作为泡沫铝充满型腔的依据。不锈钢管与垫片接触处用高温胶密封,最后放入710℃的管式电阻炉中发泡,从密封模具放入管式电阻炉中开始计时,记录泡沫铝发泡刚好充满2倍、3倍、4倍自身体积的型腔时的时间,重复3次取平均值。冯展豪研究表明,密闭型腔中泡孔随着保温时间的延长有均匀化的趋势,故为了比较不同拉拔直径和膨胀倍数下泡孔结构的变化,选取泡沫铝在充满型腔之后再保温3 min,得到泡沫铝材料。

将泡沫铝沿重力方向切开,用LIDE120扫描仪扫描泡沫铝截面,获得宏观图。设置扫描电镜放大倍数为20倍,扫描泡沫铝截面,获取泡孔微观形貌。由于实际的泡孔形状是不规则的,在每个方向的直径都不同,故试验选取泡孔的最大直径来近似表示泡孔直径大小。采用Image-Pro Plus软件对每个泡孔的直径、数量、面积和周长等参数进行统计。泡孔圆度表示泡孔形状的均匀程度。多边形越不规则,将周长转化成面积的效率越低,圆度值越大。圆形是圆度最小平面图形,所以圆度最小为1。面孔隙率是指在某一横截面上所有泡孔面积之和与截面面积的比值。通过Image-Pro Plus软件计算出该区域泡孔总面积,得出面孔隙率。

【研究结果】

拉拔直径从6.5 mm减小到3.5 mm,预制体密度由2.653 g/cm3降低至2.496 g/cm3。随着拉拔直径的减小,预制体密度呈现减小的趋势。

图2 预制体密度随拉拔直径的变化体现


在未拉拔时,预制体的直径为16 mm,此时预制体比表面积为1.24 cm2/g,随着拉拔直径的减小,泡沫铝预制体比表面积不断增加。拉拔直径从6.5 mm减小到3.5 mm,预制体比表面积由2.62 cm2/g增加至4.90 cm2/g。


图3 泡沫铝预制体比表面积与拉拔直径的关系图


随着拉拔的进行,泡沫铝预制体中TiH2的分布不断发生变化。实际TiH2的分布可以由Ti元素的分布来表征。随着拉拔直径的减小,Ti即TiH2由部分团状聚集变得分散,更均匀地分布于预制体中。


(a)6.5 mm

(b)4.9 mm

(c)3.5 mm

图4 不同拉拔直径下泡沫铝预制体中的Ti分布图


膨胀倍数相同时,泡沫铝发泡充满型腔的时间随着拉拔直径的减小而减少,拉拔直径3.5 mm,膨胀倍数2倍时,充满型腔所需的时间最短,为210 s。


图5 不同膨胀倍数下泡沫铝发泡充满型腔时间与拉拔直径的关系


在膨胀倍数相同时,随着拉拔直径的减小,整体孔径减小,圆度也减小。拉拔直径6.5 mm时孔径集中分布在0.6~2 mm之间,圆度在1.0~1.5之间数量最多;而拉拔直径4.9 mm时孔径集中于0.4~1.8 mm,处于1 mm附近的孔径分布频率有所上升,圆度集中在1.0~1.3之间;拉拔直径3.5 mm时,在0.8~1.2 mm之间的孔径分布频率达到顶峰,约为25%,此时整体孔径呈对数正态分布,圆度更加集中,分布在1.0~1.2之间。随着拉拔直径的减小,泡沫铝密封的两侧出现实铝层,并逐渐变厚。纵向观察在三种拉拔直径相同时,随着膨胀倍数的增大,泡孔直径增大。泡孔结构由椭圆形变成圆形再变成多边形。


图6 泡沫铝在密闭型腔中发泡保温不同时间的泡孔宏观剖面图

(a)6.5 mm

(b)4.9 mm

(c)3.5 mm

图7 膨胀倍数为3倍时不同拉拔直径的孔径分布和圆度与等效直径的关系


相同膨胀倍数下,随着拉拔直径的减小,孔数逐渐增加,大泡孔周围生成许多小泡孔,拉拔直径3.5 mm,膨胀2倍体积下的泡孔数量最多,在每100 mm2面积下达到120个。同时可以看到不同拉拔直径下泡孔内壁出现河流状褶皱。纵向对比,在拉拔直径相同时,随着膨胀倍数的增大,孔壁越来越薄,孔数减少。


图8 泡沫铝在密闭型腔中发泡保温不同时间的泡孔微观图

图9 微孔数随拉拔直径的变化


在膨胀倍数相同时,随着拉拔直径的减小,孔隙率呈增加趋势,拉拔直径3.5 mm、膨胀倍数4倍下达到78.8%。在拉拔直径相同时,孔隙率与膨胀倍数成正比。


图10 密闭型腔中泡沫铝剖面孔隙率随拉拔直径和膨胀倍数变化关系


【分析讨论】

3.1 预制体密度

泡沫铝棒材在拉拔时预制体内部会产生应力,进而形成裂纹。随着拉拔直径减小,拉拔道次增加,预制体中沿拉拔方向的裂纹不断产生,累积和扩展,导致其密度减小,因此对每次拉拔后的预制体进行热处理来消除内部应力,减少裂纹的产生。


(a)6.5 mm

(b)4.9 mm

(c)3.5 mm

图11 不同拉拔直径下泡沫铝预制体的剖面显微图


结合图3可知,拉拔直径减小,比表面积增大,传热面积增大。傅里叶导热定律揭示了传热速率与传热面积的关系:传热速率与传热面积成正比,故预制体传热面积增大,传热速率增大,吸热速度加快,充满型腔所需的时间减少。

图12为不同拉拔直径泡沫铝在密闭型腔的发泡行为示意图。其中块状、球状相为TiH2颗粒,横向为预制体拉拔方向,拉拔时组织受到的径向力大于轴向力,刚开始发泡时,泡孔长大时受拉拔的残余径向应力作用,纵向生长困难,泡孔呈现椭圆形。随着拉拔直径的减小,拉拔道次不断增加,预制体中团聚的TiH2逐渐分散,TiH2的分布越来越均匀,由于TiH2释氢是泡孔生长的动力,所以在发泡时泡孔是在TiH2处形核长大的,TiH2越分散,泡孔形核处越多,在单位空间内泡孔自由生长,根据最小自由能原理,气泡为圆形时的表面能最小,所以拉拔直径减小,整体泡孔圆度差减小,圆度减小,形状趋近于圆形。随着发泡的进行,泡孔不断形核并长大,处于生长的泡孔会发生合并,有试验证明,合并是发泡剂和重力共同作用的结果。在泡孔长大过程中,泡孔的形核与合并同时发生。拉拔直径从6.5 mm减小到3.5 mm的过程中,预制体中的TiH2越来越分散,进而发泡时氢气释放的点源增多,泡孔形核增多,同时比表面积增加导致吸热速度加快,泡孔形核速度加快,而且拉拔直径减小会缩短发泡时间,泡孔合并现象减少,宏观上表现为泡孔直径减小,孔数增加。TiH2通过不断释氢来维持泡孔的生长,TiH2分布越均匀,消耗的TiH2越多,TiH2利用率越高。之后由于型腔的限制,泡沫铝无法继续长大,并在密闭型腔中产生均匀化的过程,最终处于稳定状态。

毛细排液是指熔体在压力差的作用下从泡壁向泡壁相交的边界(柏拉图通道)流动的现象。而表面张力是毛细排液的主要原因。泡壁与泡壁相交的边界之间存在的压力差可表示为:


式中,ΔP为泡壁与泡壁相交的边界之间的压力差;PG为临近泡壁气体的压力;Pγ为柏拉图通道所受的压力;γ为表面张力;rPB为柏拉图通道的曲率。由式(4)可知,假设rPB不变,泡壁与柏拉图通道之间的压力差与表面张力成正比,即表面张力越大,毛细排液越剧烈。随着拉拔直径的减小,预制体传热速率增大,在发泡时泡沫铝受热更快。对于预制体棒来说,热量是从外部向中心传递的,在发泡初期泡沫铝芯部受热更快、熔体粘度降低、表面张力增大,毛细排液现象加剧,熔体在毛细力的作用下向泡沫铝两侧的流动加快,宏观上出现实铝层,并逐渐变厚。由于拉拔直径越小,毛细排液越剧烈,熔体向两侧流动,泡壁变薄,孔棱所占面积减小,相同截面面积下,泡孔面积增加,孔隙率增加。重力在影响泡孔结构方面起着重要作用,在泡孔长大过程中,受到重力作用的铝液会沿着柏拉图通道和泡孔壁向下流动,从而在泡孔内壁上产生褶皱。


图12 不同拉拔直径泡沫铝在密闭型腔的发泡行为示意图


相同拉拔直径下,随着膨胀倍数的增加,由于空间变大,泡孔发生长大合并,泡孔直径长大,泡孔面积变大,相同体积下,泡孔数量减少,同时孔棱所占面积变小,说明型腔内泡孔面积占比增加,孔隙率增加。在膨胀倍数2倍时,泡孔长大时受拉拔的残余径向力作用,并且由于模具体积的限制,泡孔纵向生长受限,泡孔呈椭圆形。随着膨胀倍数的增加,泡孔在纵向具有更大的生长空间,泡孔呈圆形。膨胀倍数进一步增加,泡孔受到模具的阻碍更小,在长大的过程中,随着气泡距离的减小,气泡间作用力不断增加,在气泡挤压和毛细排液的作用下,泡孔壁不断变薄,气泡发生多面体化。

【研究结论】

(1)采用拉拔工艺制备细直径预制体棒,随着拉拔直径的减小,拉拔道次增加,预制体中裂纹不断累积,预制体密度逐渐降低,比表面积增加。

(2)预制体在密闭型腔中发泡,在相同发泡倍数下,随着拉拔直径的减小,充满密闭型腔的时间缩短,TiH2在预制体内的分布更均匀,TiH2利用率增加,孔径减小,孔数增加,泡孔圆度减小,孔形更接近圆形,密封两侧实铝层变厚,孔隙率增加。

(3)相同拉拔直径下,随着膨胀倍数的增大,孔径增大,孔数减少,孔壁变薄,孔隙率增大。

作者:李金宽 郭志强 袁晓光 祖国胤 于孟非 (1.沈阳工业大学材料科学与工程学院;2.东北大学材料科学与工程学院)