吹氣法制備泡沫鋁單爐發(fā)泡工藝中熔體剩余比例的預(yù)測(cè)

劉興男，李言祥,，陳 祥,

(1. 清華大學(xué) 機(jī)械工程系，北京 100084；2. 教育部先進(jìn)成形制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

吹氣法制備泡沫鋁單爐發(fā)泡工藝中熔體剩余比例的預(yù)測(cè)

劉興男1，李言祥1,2，陳 祥1,2

(1. 清華大學(xué) 機(jī)械工程系，北京 100084；2. 教育部先進(jìn)成形制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

指出吹氣法制備泡沫鋁的單爐發(fā)泡工藝必定會(huì)有熔體剩余，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。建立了單爐發(fā)泡工藝中顆粒含量和吹氣深度的微分方程，其邊界條件就是泡沫的穩(wěn)定判據(jù)公式。對(duì)含公稱直徑9 μm Al2O3顆粒的兩個(gè)A356鋁合金發(fā)泡過程進(jìn)行了計(jì)算，并與實(shí)驗(yàn)值比較。結(jié)果表明：計(jì)算時(shí)，盡管由于將顆粒直徑和吸附系數(shù)取為定值，使計(jì)算存在誤差，但結(jié)論仍然合理可信；為減少單爐發(fā)泡過程的熔體剩余，應(yīng)該提高顆粒含量和初始吹氣深度，減小顆粒尺寸和臨界覆蓋率。

泡沫鋁；吹氣法；單爐生產(chǎn)；穩(wěn)定性；熔體剩余

Abstract:It was presented that there must be some melt residual in batch type gas injection foaming process of aluminum. And it was proved by experiments. The differential equation of particle content and gas injection depth in the batch type process was presented, by which the melt residual ratio was predicted with the stability criterion equation as boundary condition. The residual ratio of the melt containing Al2O3particles with 9 μm in nominal particles was calculated in two foaming process. The calculation results were compared with the experimental data. The results show that, although the calculations have some errors as the particle diameter and the adsorption coefficient are all regarded as the constant, the conclusions are also reasonable. For decreasing the residual melt, the particle content and the initial injection depth should increase, and the particle diameter and the critical coverage ratio should decrease.

Key words:aluminum foam; gas injection; batch type production; stability; residual melt

泡沫鋁是20世紀(jì)90年代以來興起的一種閉孔多孔金屬材料，其內(nèi)部含有大量人為引入的胞狀氣孔。泡沫鋁除了具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度和比剛度高等泡沫材料的基本特點(diǎn)之外，還具有吸聲隔音、防火阻燃、吸收沖擊能量、易加工、易回收利用等優(yōu)異性能，是一種結(jié)構(gòu)和功能一體化材料。泡沫鋁可制成輕結(jié)構(gòu)件、高剛度填充件、聲屏障、安全護(hù)具等，在汽車、航空航天、道路交通、建筑裝飾、安全防護(hù)等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用前景[1?4]。

吹氣法是制備泡沫鋁的一種重要工藝[5]。該工藝中氣體通過特定的吹氣裝置被送入含有陶瓷顆粒的鋁合金熔體中，在熔體上方堆積成泡沫層，將泡沫收集成型就制成了泡沫鋁。按照生產(chǎn)過程中原料的供應(yīng)方式，吹氣法可以分為連續(xù)生產(chǎn)和單爐生產(chǎn)兩種形式[5?6]。對(duì)于后者，熔體深度和顆粒體積分?jǐn)?shù)都在不斷減少。現(xiàn)有的連續(xù)生產(chǎn)工藝對(duì)泡沫鋁擾動(dòng)較大，只適合于制備冷卻速度較快的板材，而單爐發(fā)泡工藝可以制備出3個(gè)方向上都比較大的塊體材料，拓寬了泡沫鋁的應(yīng)用領(lǐng)域，具有較高的研究?jī)r(jià)值[7]。

吹氣法工藝中，要想獲得穩(wěn)定的泡沫，氣泡上浮時(shí)必須吸附足夠量的顆粒[8]。IP等[9]、徐方明等[10]以及王倩等[11]都證明在一定條件下，只有當(dāng)熔體中的顆粒含量大于一定值時(shí)，泡沫才能穩(wěn)定存在。LEITLMEIER等[6]系統(tǒng)研究了熔體中顆粒含量與最小吹氣深度之間的關(guān)系。本文作者在前期工作中提出了吹氣法泡沫的穩(wěn)定判據(jù)公式，對(duì)顆粒含量與最小吹氣深度之間的關(guān)系進(jìn)行了深入研究[12?13]。根據(jù)這些研究可判斷：?jiǎn)螤t生產(chǎn)方式中，當(dāng)液面深度和顆粒含量下降到一定值時(shí)，工藝條件不再滿足泡沫穩(wěn)定性的要求，發(fā)泡過程不能繼續(xù)進(jìn)行，爐中必然剩余一定量的熔體。

從已有研究可以推斷出單爐發(fā)泡工藝中熔體會(huì)有剩余，但還沒有見到對(duì)其專門的研究報(bào)道，更沒有討論過熔體剩余比例的計(jì)算。實(shí)際上，這方面工作有助于制定合理的發(fā)泡工藝，減少原料浪費(fèi)。吹氣法穩(wěn)定判據(jù)公式為預(yù)測(cè)熔體剩余比例提供了可能性，本文作者在此探討如何預(yù)測(cè)已知顆粒含量、顆粒直徑、初始深度的鋁合金熔體在單爐發(fā)泡工藝中熔體的剩余比例。

1 理論分析

單爐發(fā)泡工藝中，假設(shè)發(fā)泡坩堝橫截面積 A0恒定，熔體原始高度為 h0，已經(jīng)發(fā)泡的熔體高度與 h0之比為f，h0(1?f)即表示現(xiàn)有熔體的高度h。若當(dāng)前熔體中顆粒體積分?jǐn)?shù)為 FV，則當(dāng)前熔體中顆粒總體積VP1可表示如下：

當(dāng)發(fā)泡進(jìn)度增加df時(shí)，熔體和最新產(chǎn)生的泡沫中顆粒的總體積VP2可表示如下：

式中：dFV表示熔體中顆粒體積分?jǐn)?shù)的變化，F(xiàn)Vf表示最新產(chǎn)生泡沫中顆粒的體積分?jǐn)?shù)。根據(jù)顆粒守恒原理，即VP1=VP2，有FVf可由式(4)計(jì)算[13]

式中：R表示由于泡壁排液引入的修正系數(shù)，W表示氣泡對(duì)顆粒的吸附系數(shù)，t表示泡壁厚度。將式(4)代入式(3)即得式(5)

其初始條件為式(6)

式中：FV0表示發(fā)泡之初熔體中顆粒體積分?jǐn)?shù)。求解微分方程式(5)可得到f與FV的關(guān)系，也就得到h和FV的關(guān)系。

吹氣法工藝中泡沫穩(wěn)定的條件是顆粒對(duì)氣泡界面的覆蓋率大于一定值，由此可推導(dǎo)出式(7)所示的泡沫穩(wěn)定判據(jù)公式[12]

式中：h表示吹氣深度(即現(xiàn)有熔體的高度)，F(xiàn)V表示熔體中顆粒體積分?jǐn)?shù)，d表示顆粒直徑，β表示一定發(fā)泡條件下氣泡界面臨界穩(wěn)定覆蓋率(只有當(dāng)氣泡界面上的顆粒覆蓋率大于該值時(shí)泡沫才能穩(wěn)定存在)，W同前，E表示顆粒的有效覆蓋率(即單個(gè)顆粒對(duì)氣泡界面的覆蓋面積與該顆粒大圓面積的比值，該值僅與顆粒的浸潤(rùn)性有關(guān))。

顯然，單爐發(fā)泡工藝中h和FV都是不斷減小的。根據(jù)式(7)，當(dāng)式(8)成立時(shí)，發(fā)泡過程就該終止，此時(shí)的h就是剩余熔體深度，記為hc，熔體剩余比例可以表示為hc/h0，即式(8)構(gòu)成式(5)的邊界條件。

綜上所述，利用式(5)、(6)和(8)就可以計(jì)算熔體剩余比例。圖1～4所示為一定條件下FV0、d、β和h0對(duì)剩余熔體比例影響的計(jì)算結(jié)果。計(jì)算條件為W= 0.002，t=100 μm，E=0.88，R取值規(guī)律如式(9)所示，以上取值均參考作者前期工作[13]。

每次計(jì)算時(shí)，F(xiàn)V0、d、β和h0在一定范圍內(nèi)變化，但主要變化其中一種。從計(jì)算結(jié)果可以看出，在常見的工藝條件下，單爐發(fā)泡工藝約有25%～65%的熔體剩余，具體值取決于工藝參數(shù)。為了減少熔體剩余比例，應(yīng)增大初始顆粒含量和熔體深度，減小顆粒直徑和臨界覆蓋率。下面通過實(shí)驗(yàn)考察單爐發(fā)泡工藝中熔體的剩余情況，并進(jìn)行理論計(jì)算，將計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比。

圖1 顆粒含量FV0對(duì)熔體剩余比例的影響Fig.1 Effect of particle content FV0on residual ratio

圖2 顆粒直徑d對(duì)熔體剩余比例的影響Fig.2 Effect of diameter d on residual ratio

圖3 臨界覆蓋率β對(duì)熔體剩余比例的影響Fig.3 Effect of critical coverage ratio β on residual ratio

圖4 熔體深度h0對(duì)熔體剩余比例的影響Fig.4 Effect of melt depth h0on residual ratio

2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)使用A356鋁合金做原料。吹氣法工藝中常用的穩(wěn)定顆粒有SiC和Al2O3兩種，由于粒度精度高的 Al2O3顆粒更易取得，且價(jià)格低廉，因此本研究選用Al2O3顆粒做泡沫穩(wěn)定劑。向A356熔體中加入一定數(shù)量、名義尺寸為9 μm的Al2O3顆粒，經(jīng)過機(jī)械攪拌均勻后轉(zhuǎn)移到發(fā)泡坩堝內(nèi)進(jìn)行發(fā)泡。發(fā)泡氣體為壓縮空氣，經(jīng)過減壓閥、浮子流量計(jì)調(diào)節(jié)流量后，通過位于發(fā)泡坩堝底部的一個(gè)不銹鋼多孔吹氣頭送入鋁合金熔體中，如圖5所示。吹氣頭上分布一定數(shù)量、孔徑0.3～0.6 mm的微孔，通過設(shè)計(jì)不同的出氣孔徑、孔數(shù)和氣體流量，吹氣頭可產(chǎn)生10～20 mm的氣泡。控制吹氣頭打孔的精度，可以較好地保證泡沫孔徑的均勻性。

首先考察單爐發(fā)泡工藝的熔體剩余情況。對(duì)加入一定體積分?jǐn)?shù)、名義尺寸為9 μm的Al2O3顆粒的兩種熔體在不同條件下進(jìn)行發(fā)泡，相關(guān)參數(shù)見表1，其中θ表示發(fā)泡溫度，D表示泡沫孔徑。記錄初始發(fā)泡深度h0和發(fā)泡過程不再穩(wěn)定時(shí)的發(fā)泡深度hc。不穩(wěn)定的判斷標(biāo)準(zhǔn)是泡沫上升過程中大量破裂，發(fā)起的泡沫在保溫90 s之后由于塌縮嚴(yán)重?zé)o法取出。

圖5 吹氣頭發(fā)泡過程示意圖Fig.5 Schematic diagram of foaming process using gas injection device: 1—Aluminum foam; 2—Bubble; 3—Aluminum melt; 4—Crucible; 5—Furnace; 6—Gas injection device

表1 熔體的發(fā)泡工藝參數(shù)Table 1 Foaming process parameters of melts

接下來對(duì)剩余比例進(jìn)行理論計(jì)算，與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比。在發(fā)泡之初取熔體樣品，在Neophot 32光學(xué)顯微鏡下觀察，用配套的圖像分析軟件對(duì)一定數(shù)量的金相照片進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，測(cè)量發(fā)泡熔體的初始顆粒含量 FV0和實(shí)際顆粒直徑 d。其余參數(shù)的取值均借鑒前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果[13]，其中R由式(9)確定；W和t隨發(fā)泡過程進(jìn)行而變化，為簡(jiǎn)化，計(jì)算時(shí)代入前期工作數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)平均值，即W=0.002，t=100 μm；E和β在發(fā)泡過程中可認(rèn)為是定值，尤其顆粒有效覆蓋率E僅與顆粒浸潤(rùn)性有關(guān)，參考前期工作可以確定E=0.88，β受到發(fā)泡溫度、氣體成分、孔徑大小等發(fā)泡條件影響，熔體 1的發(fā)泡條件與前期論文中的相同[13]，故臨界覆蓋率 β可取為相同的14%，但熔體2在更低溫度下發(fā)泡，且泡徑較小，經(jīng)重新測(cè)量β=8.5%，具體方法可參考前期工作[13]。

3 結(jié)果與討論

泡沫鋁樣品照片如圖6所示。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)熔體1和2的單爐發(fā)泡工藝都有熔體剩余，剩余深度和比例列于表2中。由表2可知，熔體剩余比例分別為75%和31%，與前文的計(jì)算值相當(dāng)，說明單爐發(fā)泡工藝若設(shè)計(jì)不當(dāng)，的確會(huì)剩余較多的原料。盡管初始吹氣深度h0相同，但熔體2的熔體剩余hc遠(yuǎn)少于熔體1。這主要是由于熔體2的顆粒含量更高，顆粒實(shí)際尺寸更小，發(fā)泡條件更利于穩(wěn)定(即 β值更小)，這一趨勢(shì)與前文的理論計(jì)算也是相符的。

圖6 泡沫鋁樣品照片F(xiàn)ig.6 Photograph of aluminum foam sample

熔體樣品金相照片如圖7所示，圖中黑色物質(zhì)即為 Al2O3顆粒。顯然由于團(tuán)聚、夾氣等現(xiàn)象，顆粒的實(shí)際含量和尺寸與加入的名義值不同。FV0和 d即在圖7上測(cè)得。熔體1和2的測(cè)量結(jié)果和剩余比例的計(jì)算值列于表2中，計(jì)算得到的發(fā)泡過程中顆粒含量和吹氣深度之間的關(guān)系分別如圖8和9所示。

由圖8和9可以看到，兩次發(fā)泡過程理論計(jì)算值的相對(duì)大小關(guān)系與實(shí)驗(yàn)值相符，但絕對(duì)值存在較大誤差，這主要是由于顆粒團(tuán)聚以及吸附系數(shù)假設(shè)為定值導(dǎo)致的。顆粒攪拌工藝往往不能使所有的顆粒都均勻分散，熔體中存在不同尺寸的顆粒團(tuán)聚，如圖7所示。大顆粒不易被吸附，因此隨著發(fā)泡過程進(jìn)行，熔體中顆粒的平均直徑逐漸增大[13]。理論計(jì)算時(shí)顆粒直徑 d取為初始發(fā)泡的平均值，導(dǎo)致了一部分誤差。此外，顆粒的吸附系數(shù) W受到顆粒直徑和吹氣深度等因素的影響[13]，在發(fā)泡過程中是一個(gè)變量。而在本研究計(jì)算中，W取為定值，也導(dǎo)致了誤差。可見，為了精確預(yù)測(cè)單爐發(fā)泡工藝的熔體剩余比例，應(yīng)該專門研究 d和W在發(fā)泡過程中的變化規(guī)律。

表2 熔體剩余計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比Table 2 Comparison between calculation and experimental data of residual ratio of melts

圖7 熔體樣品金相照片F(xiàn)ig.7 Metallograph of melt sample

圖8 熔體1發(fā)泡過程中FV與h的關(guān)系Fig.8 Relationship between FVand h of melt 1 in foaming process

圖9 熔體 2發(fā)泡過程中FV與h的關(guān)系Fig.9 Relationship between FVand h of melt 2 in foaming process

4 結(jié)論

1) 單爐發(fā)泡過程中顆粒含量和吹氣深度不斷減小，由于發(fā)泡條件逐漸不滿足泡沫穩(wěn)定判據(jù)公式，最終必然會(huì)有一定量的熔體剩余，剩余比例可達(dá)25%～65%。

2) 吹氣法泡沫的穩(wěn)定判據(jù)公式可作為單爐發(fā)泡過程中顆粒含量與吹氣深度微分方程的邊界條件，在求出相關(guān)參數(shù)后可對(duì)單爐工藝剩余熔體比例進(jìn)行預(yù)測(cè)。將顆粒直徑和吸附系數(shù)看作定值會(huì)引起較大誤差，為精確計(jì)算還需要研究其變化規(guī)律。

3) 根據(jù)分析計(jì)算，為了提高單爐發(fā)泡過程的熔體利用率，應(yīng)該提高顆粒含量和熔體深度，減小顆粒尺寸和臨界覆蓋率。

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(編輯 何學(xué)鋒)

Prediction of residual melt ratio in batch type gas injection aluminum foaming process

LIU Xing-nan1, LI Yan-xiang1,2, CHEN Xiang1,2
(1. Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;2. Key Laboratory for Advanced Materials Processing Technology, Ministry of Education, Beijing 100084, China)

TG146.2+1

A

1004-0609(2012)07-1939-06

浙江省科技研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2009C31049)

2011-06-16；

2011-11-01

李言祥，教授，博士；電話：010-62773640；E-mail: yanxiang@tsinghua.edu.cn