發泡工藝參數對鋁熔體泡沫生成量的影響

王德慶，肖紅亮

(大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028)

0 引言

泡沫鋁作為一種新型的多孔金屬材料，由于其獨特的結構同時具有金屬相和氣體相的特點，兼有結構材料和功能材料的優點［1-3］.閉孔泡沫鋁以其獨特的結構而具有許多優異的性能，兼有結構材料和功能材料的雙重特點.作為結構材料，它具有輕質和高比強度的特點［4-6］;作為功能材料，它同時具備吸聲、隔聲、隔熱、阻燃、減震、吸收沖擊能、電磁屏蔽等多種物理性能［7-8］.因此，它在高技術領域及一般工業領域都受到越來越廣泛的重視.

氣體發泡法制備閉孔泡沫鋁的胞的形成過程實際是胞壁結構的形成過程，必須在大量穩定的泡沫存在的基礎上實現［9］.入射氣體注入鋁熔體后形成大量氣泡，氣泡上浮至鋁熔體表面形成鋁熔體泡沫.而泡沫胞壁中陶瓷顆粒的存在使得鋁熔體泡沫保持穩定，而不會破碎［10］.氣體發泡法制備的泡沫鋁的胞結構(胞尺寸和胞壁厚度)受到包括發泡溫度、入射氣體壓力和流量及吹氣頭運動頻率在內的各種因素的影響［9］.發泡溫度越高，則鋁熔體泡沫的壁厚越薄;改變入射空氣壓力和流量將導致鋁熔體表面氣泡的尺寸發生變化［11］.而鋁熔體泡沫由尚未凝固的胞壁以及胞壁所包圍的氣體組成，鋁熔體泡沫胞結構的變化會直接引起鋁熔體泡沫生成量的改變，導致在不同發泡參數下所產生的氣泡體積不同.

本文主要研究了發泡溫度、入射氣體壓力和流量以及吹氣頭往復運動頻率對鋁熔體表面氣泡尺寸的影響，并分析了氣泡尺寸對氣泡內部壓強的影響，最終研究了發泡工藝參數對鋁熔體泡沫生成量的影響.

1 實驗步驟

1.1 鋁熔體泡沫生成量的測定

鋁熔體泡沫生成裝置如圖1所示.將制備好的發泡料放入發泡爐和補充爐坩堝中融化，并使發泡料和補充料保持在規定的發泡溫度(620、630和640℃).將與輸氣系統(空氣壓縮機、流量計和減壓器)相連的吹氣頭放入發泡爐坩堝鋁熔體內，并向發泡室中的鋁熔體底部通入氣體(0.1 L/min)，電機轉動帶動水平連桿使吹氣頭在鋁熔體以規定的頻率(0、100、200和300 r/m)水平往復運動.清理清理發泡室鋁熔體表面，然后測量發泡爐坩堝內鋁熔體液面到坩堝口的距離h.通過吹氣頭向鋁熔體內通入設定壓力和流量的氣體(入射氣體 P1V1為 5.7、6.0、6.7 和 7.2 MPa·cm3/min)并開始計時，當鋁熔體泡沫上表面涌至發泡室坩堝口時停止計時，記錄終止時間τ.

圖1 鋁熔體泡沫生成實驗裝置

鋁熔體泡沫生成量可由式(1)計算.

式中，Q表示單位時間內生成的鋁熔體泡沫的體積(cm3/min);b和l分別為發泡室表面的寬度和長度(cm);h為鋁熔體液面到發泡爐坩堝口的距離(cm);τ為泡沫生成高度為h所需要的時間(min).

1.2 表面氣泡尺寸的測量

在通入氣體后用尼康Coolpix8400數碼相機在近攝模式下拍攝附有參照物的鋁熔體表面氣泡照片，然后利用Sigmascan Pro軟件測量照片上形狀較圓的氣泡的半徑，取平均值作為該條件下氣泡的尺寸.

1.3 表面氣泡尺寸的修正

用MJ305型金剛石帶鋸沿直徑方向縱向切割，選取試樣最表層的近似由兩個球冠組成的一個泡沫鋁胞，然后用砂紙進行打磨去除胞壁上的毛刺和飛邊;用Uniscan B980掃描儀對試樣進行掃描，然后用Sigmascan Pro軟件測定所選定的泡沫鋁胞上半個球冠的高H和其長軸D及弧上30個點的坐標，擬合出弧所屬圓的方程，求出此球冠弧長所對應的圓半徑R.而泡沫鋁胞體積由式(2)計算.

鋁熔體表面氣泡變形前后體積不變，則氣泡實際半徑r2為:

1.3 泡沫鋁胞尺寸的測量

用MJ305型金剛石帶鋸將泡沫鋁大塊樣品去除表面硬殼切割成規則長方體試樣然后用砂紙進行打磨，使試樣表面平整無可見毛刺和飛邊.以盡量相鄰的50個胞為樣本容量，用數顯游標卡尺測量每個胞最大截面的長軸和短軸長度取平均值作為胞直徑，最后以所有胞直徑的平均值作為該條件下試樣的泡沫鋁胞直徑.

2 實驗結果與討論

2.1 鋁熔體中泡沫的形成過程及尺寸修正

2.1.1 氣泡在脫離出氣微孔后的尺寸和壓強

圖2顯示了在靜態鋁熔體中的氣泡形成和上升過程.狀態為P0V0的壓縮空氣進入出氣微孔，在其上方形成氣泡.在上浮過程中，該氣泡的壓力和體積由P1V1變化到P2V2，半徑從r1變化到r2.

根據氣態方程，氣泡在出氣微孔的上方和液體表面位置的內部壓強和體積應符合

圖2 氣泡上升模型

氣泡在出氣孔上方和在熔體表面存在如下受力平衡關系

式中，Pa為標準大氣壓(Pa);ρ為鋁熔體的密度(kg/m3);g為重力加速度;h為出氣微孔距鋁熔體表面的深度(m);σ為鋁熔體的表面張力，為0.842 N/m［12］.

將式(5)和式(6)代入式(4)，整理后得氣泡在出氣微孔上方的尺寸為

2.1.2 鋁熔體表面氣泡尺寸的修正

圖3為發泡室鋁熔體表面形成的氣泡形貌，圖4顯示的是鋁熔體泡沫冷卻為泡沫鋁胞的截面形貌.氣泡上浮至鋁熔體表面后，泡壁尚未凝固，受到表面張力等因素的影響，鋁熔體氣泡發生了變形，形狀不再是一個球體，而是由兩個球冠組成.因此在照片上測得的氣泡半徑比實際數值偏大.修正系數為半徑修正值與測量值之比.發泡溫度為630℃時鋁熔體表面氣泡尺寸的修正系數如附表所示.

圖3 鋁熔體表面氣泡形貌

圖4 鋁熔體表面氣泡冷卻后截面形貌

附表 發泡溫度為630℃時各條件下的氣泡尺寸修正系數

由附表可知，P1V1改變時，修正系數基本上不變，而吹氣頭往復頻率改變時，修正系數明顯發生變化.往復頻率為0 r/m時，修正系數最小，表明在該條件下鋁熔體氣泡的變形程度最大.在620℃和640℃條件下測得的修正系數和630℃條件下的值相比，基本不變.

2.2 發泡工藝參數對鋁熔體表面氣泡尺寸的影響

2.2.1 發泡溫度對鋁熔體表面氣泡尺寸的影響

對于成分一定的發泡材料，其可發泡的溫度區間是固定的.發泡溫度升高會導致鋁熔體粘度降低，使鋁熔體氣泡的表面張力減小，氣泡尺寸增大.圖5為發泡溫度與修正后氣泡半徑的關系，表明隨著發泡溫度的升高，氣泡半徑增加.且氣泡半徑與發泡溫度呈比例關系.當入射氣體壓力和流量的乘積P1V1為5.67 MPa·cm3/min時，溫度由620℃升高到640℃，氣泡半徑由3.57mm增大到3.66mm.

圖5 發泡溫度與鋁熔體表面氣泡半徑的關系

2.2.2 發泡溫度下入射氣體的壓力和流量與氣泡半徑的關系

圖6顯示了當發泡溫度為630℃時入射氣體P1V1及吹氣頭往復運動頻率對鋁熔體表面氣泡半徑的影響.由圖5得知，發泡溫度下鋁熔體表面形成的氣泡尺寸隨著入射氣體P1V1的增加而增大，隨吹氣頭往復運動頻率的增加而減小.在往復頻率為0 r/m的條件下，當發泡溫度下的入射空氣壓力氣流量P1V1從5.7增加到7.2 MPa·cm3/min時，鋁熔體表面的氣泡半徑尺寸由6.93mm增加到7.46mm.

圖6 在不同P1V1下鋁熔體表面氣泡半徑和往復頻率f的關系

隨著往復頻率的增大，氣泡尺寸呈指數形式衰減，其衰減趨勢符合擬合方程r2=rmaxe－af(a＞0).在 P1V1=5.7 MPa·cm3/min 條件下，其擬合方程為r2=6.93e－0.002032f，其相關系數r=0.989 0，標準誤差s=0.220 5.當往復頻率由0增加至300 r/m時，氣泡半徑尺寸由6.93mm減小至3.62mm.

氣泡半徑隨著入射氣體壓力氣流量的增加而增大，是因為伴隨著入射氣體的量增加，形成的單個的鋁熔體氣泡的氣體體積增加，壁厚減小，從而增大氣泡的尺寸.而隨著往復頻率的增大而呈指數形式衰減的擬合方程的物理意義為:在往復頻率為零的時候，即為靜態時，鋁熔體產生的氣泡最大.當往復頻率增加，在吹氣頭上方的鋁熔體由于熔體中流速的增加導致壓強減小，從而使產生的氣泡尺寸減小.在往復頻率增加的前期，生成的氣泡尺寸顯著下降.而到了后期，氣泡尺寸的衰減速率也逐漸降低.當往復頻率一直增大時，則在鋁熔體表面出現的氣泡尺寸會收斂于一極小值.

2.3 鋁熔體表面氣泡尺寸與其內部壓強的關系

圖7為鋁熔體表面氣泡與其內部壓強的關系.鋁熔體表面氣泡形成后，為保持穩定存在著受力平衡，根據式(6)可知，氣泡內部壓強隨著氣泡半徑的增加而減小.當氣泡半徑由3.62mm增大至7.46mm時，其內部壓強減小了240 Pa.氣泡半徑則受發泡溫度、入射氣體壓力和流量的影響.所以隨著發泡溫度的升高，鋁熔體表面氣泡半徑增大，氣泡內部壓強減小;隨著入射氣體P1V1的增大，鋁熔體表面氣泡半徑增大，氣泡內部壓強減小.

圖7 鋁熔體表面氣泡與其內部壓強的關系

2.4 發泡參數對鋁熔體泡沫生成量的影響

2.4.1 發泡溫度與泡沫生成量的關系

圖8顯示了入射氣體P1V1為5.7 MPa·cm3/min，吹氣頭往復頻率變化時，溫度對泡沫生成量的影響.由圖8可以看出，隨著發泡溫度的升高，泡沫生成量逐漸增大.吹氣頭往復頻率為300 r/m時，溫度由620℃升高到640℃，泡沫生成量由2 888 cm3/min增大到2 978 cm3/min.由于鋁熔體泡沫的壁厚受發泡溫度的影響，發泡溫度越高，則鋁熔體泡沫的壁厚越薄，導致在相同的入射空氣壓力和流量下所產生的氣泡體積不同.根據氣體狀態方程PV=nRT，鋁熔體泡沫內氣體PV隨發泡溫度的升高而增大，而氣體壓力變化非常小，導致鋁熔體泡沫內氣體體積增大.所以鋁熔體泡沫生成量隨發泡溫度的升高而增大.

圖8 發泡溫度與泡沫生成量的關系

2.4.2 入射氣體壓力氣流量對鋁熔體泡沫生成率的影響

由圖9可以看出，鋁熔體泡沫的生成率隨著入射氣體壓力氣流量增大而增大，隨著往復頻率的增大而逐漸減小.在往復頻率為0 r/m的時候，隨著入射空氣壓力和流量從5.7 MPa·cm3/min增加到7.2 MPa·cm3/min，鋁熔體泡沫的生成率從3 210 cm3/min增加到4 400 cm3/min;而在入射空氣壓力和流量P1V1=6.7 MPa·cm3/min時，隨著往復頻率從0 r/m增加到300 r/m時，鋁熔體泡沫的生成率從4300 cm3/min下降至3820 cm3/min.

圖9 在不同P1V1下泡沫鋁生成率和往復頻率的關系

這是因為隨著入射壓力氣流量的增大，進入到鋁熔體的氣體量增加，在鋁熔體中形成的氣泡尺寸也就增大，顯然泡沫鋁的生成率是增大的;而當其它條件不變，吹氣頭的往復頻率增大時，由于頻率大時生成的氣泡小，導致生成的泡沫鋁體積相對變小，從而降低了鋁熔體泡沫的生成率.

綜上所述，鋁熔體中生成的氣泡的尺寸變化會直接引起鋁熔體泡沫生成量的改變.當入射氣體壓力氣流量的乘積P1V1增大或者往復頻率的的減小，鋁熔體表面生成的氣泡尺寸增大，其生成率隨之增大;反之，當入射氣體壓力氣流量減小或者往復頻率增加，鋁熔體表面生成的氣泡尺寸減小，其生成率隨之降低.

3 結論

(1)隨著發泡溫度的升高，氣泡半徑增大.當發泡溫度由620℃升高到640℃及入射氣體P1V1為 5.67 MPa·cm3/min 時，氣泡半徑由 3.57mm增大到3.66mm;當發泡溫度一定時，隨著入射氣體P1V1增加，氣泡尺寸增大.當發泡溫度為630℃和入射空氣壓力氣流量P1V1從5.7增加到7.2 MPa·cm3/min時，鋁熔體表面的氣泡半徑尺寸由6.93mm增加到7.46mm;

(2)鋁熔體表面氣泡尺寸影響著表面氣泡內部壓強，且氣泡尺寸與壓強呈反比例關系，隨著氣泡半徑的增加壓強逐漸減小，當氣泡半徑由3.62mm增大至7.46mm時，其內部壓強減小了240 Pa.而壓強與泡沫生成量同樣呈反比例關系，當壓強減小240 Pa時，泡沫生成量減小了1 510 cm3/min;

(3)鋁熔體泡沫的壁厚受發泡溫度的影響，發泡溫度越高，則鋁熔體泡沫的壁厚越薄，鋁熔體泡沫生成量隨發泡溫度的升高而增大.當吹氣頭往復頻率為300 r/m發泡溫度溫度由620℃升高到640℃，泡沫生成量由2 888 cm3/min增大到2 978 cm3/min;

(4)鋁熔體的泡沫生成量隨著入射氣體P1V1的增加而增大.隨著 P1V1從5.7 MPa·cm3/min增加到7.2 MPa·cm3/min，鋁熔體泡沫的生成率從3 210 cm3/min增加到4 400 cm3/min.

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