铝板冶金制备实验研究

泡沫铝三明治板具有质轻、比刚度高、吸能能力强等突出特点,可广泛应用在航空航天制造、轨道交通、海运等领域[1-3]。当前,泡沫铝三明治板多采用胶粘法制备;由于胶粘工艺本质上属于一种物理连接,在中间胶层老化或在高温条件下熔化时,夹心结构即被破坏,故粘胶泡沫铝三明治板的工作环境受到一定限制[4]•另外一种常用的泡沫铝三明治板的生产路线是包覆轧制工艺[5],较为复杂的工艺过程是此方法的不利因素•近年来由东北大学提出的粉末复合轧制法简化了泡沫铝三明治板的制备工艺流程,但是在预制坯轧制过程中粉末存在一定量的流失,成材率不理想,板材的厚度精度有待提高[6]•为了解决以上问题,在粉末复合轧制技术的基础上改进了工艺,将包套轧制的技术路线应用到预制坯的制备过程,显著提高了预制坯质量。

1　实验

1.1　实验原料和药品

实验用的基体材料是空气雾化法制备的AlSi12合金粉末(D50=126•853μm,质量分数大于99•0%),混合粉末中添加质量分数1•0%的Mg粉(D50=129•325μm,质量分数大于98•0%)。发泡剂采用质量分数为1•0%的TiH2粉末(D50=32•544μm ,质量分数大于99•6%)。面板选用两种不同规格的AA1060铝材•一种规格为长100mm,壁厚为2 mm的异形管材作为包套轧制的原料;另一种规格为100 mm×50 mm×1•5 mm板材作为复合轧制的原料。

1.2　实验方法

将AlSi12合金粉末、Mg粉与发泡剂TiH2粉末一起放进球磨罐中,在QML立式球磨机上混合2 h,碱洗铝型材内壁,去除氧化膜和油脂。 将铝管一端密封,把混合好的粉末倒入铝管后密封,进行轧制•与轧制复合法制备的泡沫铝三明治板发泡预制坯进行了对比实验•具体工艺详见文献[7]。 为了对比两种工艺的实验情况,在前期实验基础上,选用优化的轧制和发泡工艺。轧制工艺为:在500 mm两辊轧机上进行轧制,轧制压下率为65%~70%,道次为1,轧制速度为0•1 m/s。 发泡工艺为:将预制坯放入6 kW的电炉中发泡,温度为700℃,发泡时间0•5~2 min。

1.3　检测方法

使用线切割机将获得的发泡预制坯沿轧制方向切割取样,采用SAYN-CG90数码相机拍摄预制板的宏观照片;采用SSX-550扫描电镜分析面板/芯层粉末的结合情况及芯层粉末形态;在FM-700型显微硬度仪上测定前驱体的断面硬度;利用分辨率为300 dpi的扫描仪对发泡后样品的外观形貌和泡孔结构进行扫描。

2　结果与讨论

2.1　采用不同轧制工艺预制板的宏观形貌

图1a为粉末复合轧制后预制坯的宏观形貌;轧制后厚度为5•1 mm,轧制总变形量达到66%。从图中可以看出,面板经过一道次大压下量轧制后,边部出现裂纹,同时,沿板材纵向出现贯穿裂纹;图1b为粉末包套轧制后预制坯的宏观形貌;轧制后厚度为4•9 mm,轧制总变形量达到67•3%•从图中可以看出,包套轧制后板材表面较为完整,边部未出现应力开裂现象•比较图1a和图1b可以发现,采用包套轧制工艺预制坯的成材率明显高于直接的粉末复合轧制工艺。 通常,在复合材料的制备中,压下率过高时,宽度方向的不均匀变形会使轧件形成“边裂”等缺陷[8]•在粉末复合轧制过程中,面板的边部区域承受着一定的拉应力作用,当所受应力超过其自身强度时,轧后面板会出现“边裂”现象。“边裂”的出现改变了粉末的流动过程及结合状态,对粉末致密度的均匀性带来了不利影响;在轧制过程中,粉末有大量的遗失。综上所述,采用包套轧制不但提高了粉末的利用率,而且显著改善了板材的板型精度,实现了高成材率发泡预制坯的近净成形,对降低泡沫铝三明治板的总体成本具有重要意义•

2.2　采用不同轧制工艺的界面结合结果及分析

图2a为复合轧制预制板铝面板与粉体界面处的显微组织。从图中可以看出,铝面板与粉体界面处有明显的缝隙,粉体间有细微的微裂纹,这是由于粉体受力不均匀产生的,且直接影响了界面的结合效果和粉末的致密度。图2b为包套轧制后铝面板与粉体界面处的显微组织,界面处没有出现明显的裂纹或缝隙,表明铝面板与粉体结合紧密。粉末致密度是影响发泡效果最重要的因素,高的粉末致密度可使发泡后泡沫结构均匀,降低无泡层及大尺寸连通孔出现的几率•粉末致密度不高则易出现“拱桥”现象及粉末过分氧化,导致发泡后泡沫结构不佳[9-10]。预制坯芯层采用阿基米德排水法测定其真密度,在其不同位置上取4块试样求其平均值。通过计算,复合轧制和包套轧制的致密度分别为95•3%和98•7%,包套轧制使芯层粉末获得较高的致密度,接近实体密度,并且和面板实现紧密的结合。

2.3　不同轧制工艺预制体横断面的显微硬度测试结果及分析

图3为预制坯芯层横断面硬度测定点示意图,在1/2和1/4处选取三条平行的测试点。图4显示了两种轧制方式下断面的平均显微硬度分布,其中图4横坐标中“0”的位置为预制坯横断面中心,即图3示意图中的中心位置。从图4可以看出,复合轧制硬度分布曲线上下起伏较大,硬度值分布分散,即粉体整体致密度分布不均匀;包套轧制硬度分布曲线基本在同一水平线上并且整体硬度值高于复合轧制工艺,这说明包套轧制较复合轧制可以获得整体均匀且致密度高的预制坯芯层。

2.4　采用不同轧制工艺预制体发泡后的形貌及分析

由图5复合轧制预制体发泡后可以看出,芯层中存在大尺寸连通孔,泡沫结构的整体均匀性不很理想,在面板与粉末界面处发泡效果不佳;而包套轧制预制坯泡孔分布均匀,孔径大致相等,没有明显的大孔,大部分孔呈多边形,板与泡沫层界面结合紧密,没有观测到裂纹,且板薄厚均匀,板面平直度较为理想。由图6可以看出,复合轧制预制体发泡后的界面处有明显的裂缝,泡孔的数量不多且形貌不完整,这是由于在粉末冶金发泡过程中,TiH2分解释放出的H2是泡沫结构形成、长大的主要驱动力[11]。复合轧制发泡预制体芯层粉末的致密度不高,粉末层内存在孔洞等缺陷,使发泡时TiH2分解释放出的H2的利用率降低,发泡后形成大尺寸连通孔及空腔的几率增加。包套轧制预制体发泡后的界面处泡孔与面板紧密结合,泡孔形状完整,可见通过包套轧制的方法制备预制体可以获得泡孔均匀、结构完整、界面结合紧密的泡沫铝三明治板。

3　结论

1)同原有的复合轧制法相比,粉末包套轧制工艺不仅能保证芯层粉末获得较高的致密度,板与芯界面结合良好,而且解决了复合轧制工艺中粉末流失量大、预制坯边部易出现边裂等问题;粉末的利用率接近100%,在成材率及板型精度方面明显优于复合轧制工艺。

2)包套轧制法制备发泡预制坯的最佳发泡工艺为700℃发泡0•5~2 min,得到的泡沫铝三明治板材的芯层泡沫结构均匀完整,面板未出现变形、鼓包等缺陷。