泡沫鋁粉末冶金制備工藝研究

陳學文

（1.廣東工程職業技術學院，廣東 廣州 510520，2.廣州市金屬學會，廣東 廣州 510520）

在傳統金屬材料中如果存在孔隙或孔洞，一般被認為是結構缺陷，會對材料的性能產生不良影響，然而，如果材料中孔隙或空洞呈密集、規律性分布，且數量增加到一定程度，該材料就會因孔隙或孔洞的存在，而表現出一些傳統材料難以具備的特殊功能，我們一般稱這種材料為多孔材料或泡沫材料。泡沫鋁是鋁基金屬材料在發泡劑釋放出的大量氣泡作用下形成的一種新型多孔材料。由于發泡劑產生的氣泡在連續的鋁基金屬相中均勻分布，使泡沫鋁材料兼具了連續相鋁基金屬特點和分散相氣孔的特性，在材料特性上表現出高孔隙率、低密度的結構特點，以及良好的減振、隔音、抗沖擊、吸能劑電磁屏蔽等功能特性，成為集結構與功能于一體的新型復合材料，在建筑、交通、國防、航運、航天等眾多領域具有廣闊的應用前景，也吸引了眾多的學者對泡沫鋁的制備工藝及性能改良措施等開展了廣泛的研究。

經過多年的研究發展，也形成了多種泡沫鋁的制備方法，這些方法概括起來有以下幾類：一是從泡沫鋁材料中孔隙的形成機理上分，主要有滲流鑄造法、熔模鑄造法、電沉積法、燒結法、共晶凝固法和腐蝕造孔法等；從泡沫鋁發泡處理中鋁基的狀態上分，主要有粉末冶金法、熔體發泡法、注氣發泡法等。其中由于粉末冶金法制備泡沫鋁的工藝流程相比較短，且具有近凈成形、制備的泡沫鋁質量高、性能穩定可靠等優勢特點，而成為一種最具開發潛力的泡沫鋁型材制備工藝方法。為此，本文基于粉末冶金法，在對泡沫鋁粉末冶金制備工藝進行分析的基礎上，在泡沫鋁發泡試驗中采用工藝參數控制方法，研究了發泡劑、發泡溫度、發泡時間及添加劑等因素對泡沫鋁發泡行為及其材料性能的影響。

1 泡沫鋁粉末冶金工藝技術概述

泡沫鋁的概念最早是由美國學者B.SOSNICK等人提出的，當時是想利用元素(比如鋁或鋁合金材料與汞)之間沸點的差異性，通過增減壓制壓力的方式，使其中沸點較低的元素汽化，從而形成內部具有密集孔洞的金屬、非金屬混合物或合金。這一構想后來被美國專利局批準為發明專利，泡沫鋁也成為一種新興的合金材料逐漸受到關注和重視。

泡沫鋁粉末冶金制備工藝，是將粉末冶金法利用到制造泡沫鋁的一項工藝技術，具體工藝流程為：將鋁基粉末或鋁合金粉末與發泡劑（一般選用TiH2和CaCO3）均勻混合后，在空壓機上采用預制磨具壓制成致密的坯體，后對其進行加熱燒結，當燒結溫度達到鋁基粉末或鋁合金粉末的熔點以上時，混合其中的TiH2和CaCO3會分解產生氫氣和二氧化碳，氫氣或二氧化碳在熔融狀態的鋁或鋁合金內部膨脹，從而形成無數致密的氣孔，經冷卻凝固后，則得到泡沫鋁型材。該方法能夠通過控制鋁或鋁合金粉末與發泡劑的混合比例，以及控制發泡溫度、發泡時間、添加劑質量分數等工藝參數，來調節泡沫鋁中氣泡的大小及分布狀態，改變泡沫鋁型材的組成及結構特征，進而改變其機械和物理性能。采用粉末冶金發泡法制備的泡沫鋁材料質量高、性能穩定，且生產工藝相對簡單，可以在預先設計的模具中近凈成形，只需少量切削加工或無需切削就能得到預期的制品，材料利用率很高，且在復雜結構或特殊性能產品的生產上有著獨特的優勢，便于實現批量化生產。泡沫鋁粉末冶金法制備工藝技術流程如圖1所示。

圖1 泡沫鋁粉末冶金制備工藝流程圖

2 試驗材料及方法

2.1 試驗材料

本試驗以純鋁粉末作為泡沫鋁基體，以TiH2粉末作為發泡劑，并加入Si、Mg等粉末作為添加劑，以提高泡沫鋁膨脹率和孔隙結構。表1為各種粉末的純度、粒度等參數情況。

表1 粉末冶金泡沫鋁所用材料的物理特性一覽表

2.2 主要試驗設備

本試驗中使用的主要設備、設備型號及設備用途如表2所示。

表2 粉末冶金法制備泡沫鋁使用的主要設備及用途一覽表

2.3 試驗方法

按照圖1所示的泡沫鋁粉末冶金制備工藝流程，確定試驗步驟如下：

（1）稱重：根據預制摸具型腔的容積大小，計算Al粉、Si粉、Mg粉及發泡劑TiH2粉的配比用量，并按計算結果稱重配置合金粉末。

（2）混料：將合金粉末裝入清潔、干燥的混料桶中，并在其中放入陶瓷球，將混料桶放在滾動式球磨機上混料2h，使合金粉末混合均勻。

（2）擠壓：將混合均勻的合金粉末置于預制摸具中，后將摸具置于立式液壓機上進行壓實處理，擠壓到位后保壓1min，則得到可發泡的預制件。

（3）發泡：先將預制的發泡摸具放置于管式電阻爐內，溫度設置為680℃，預熱15分鐘，使摸具溫度與爐內溫度相等時，再將可發泡的預制件放入模具內，按預先確定的發泡溫度加熱發泡。

（4）冷凝：確定發泡時間，并實時觀察發泡進度，待發泡完全后，取出磨具，在室溫條件下進行冷卻，待其凝固后則得到粉末冶金泡沫鋁成品。

3 試驗結果與分析

3.1 發泡劑TiH2預處理對泡沫鋁性能的影響

發泡劑的性能特征對粉末冶金泡沫鋁孔隙結構和物理、機械性能有著至關重要的影響，一般認為發泡劑的分解溫度和基體金屬的熔點越接近，經其發泡形成制品的孔隙結構缺陷越少，物理、機械性能越優越。目前，TiH2是使用較為廣泛的發泡劑之一，其分解曲線如圖2所示。

圖2 發泡劑TiH2的熱分解曲線

從圖2可知，當溫度達到640℃左右其釋放出H2的量迅速達到峰值，溫度繼續升高后，分解量快速下降，而鋁的熔點為660℃，TiH2達到分解峰值時的溫度與鋁的熔點較為接近，符合理想發泡劑的要求。

然而，從圖2也可以看出，當溫度達到400℃左右時，TiH2就開始緩慢分解而釋放出H2，這就表明溫度還未達到鋁基熔點，鋁粉還處在半熔融態的情況下，發泡進程就已緩慢開始，而此時鋁基的粘度要比液態情況下高出很多，導致在鋁基內部形成分布不均勻甚至開裂的孔隙結構缺陷，對泡沫鋁的性能產生消極影響。

為了解決發泡劑TiH2在達到分解量峰值前的緩慢分解對發泡工藝帶來的不利影響問題，需要對TiH2進行預處理，也稱為TiH2緩釋處理技術。目前應用較為廣泛的緩釋技術主要有化學包覆、物理包覆和氧化改性等，其中氧化改性是在空氣中對TiH2通過加熱，使其表面形成一層致密的Al2O3氧化物保護膜，從而達到抑制早期分解，達到減緩H2釋放的作用。

試驗過程中，稱取一定量的TiH2粉末，其粉末顆粒形貌及外觀形態如圖3（a）所示，將其分為四等份，依次平鋪于四個鐵匣內，并將四個鐵匣分別置于預設溫度為450℃、480℃、500℃、520℃的管式電阻爐內氧化處理2h，后將預熱處理后的四份TiH2分別用于同樣預制件的發泡處理，并觀察所得到的發泡鋁孔隙結構情況，發現經480℃預熱處理的TiH2發泡效果最好，經其發泡處理得到的發泡鋁孔隙率和孔隙結構最佳。如圖3（b）所示為經480℃氧化處理2h后的TiH2粉末顆粒形貌及外觀形態。

圖3 經480℃熱處理前后的TiH2粉末顆粒形貌及外觀

3.2 發泡溫度對泡沫鋁性能的影響

從圖2的發泡劑TiH2的熱分解曲線能夠看出，雖然TiH2的分解峰值為640℃，與鋁的熔點660℃較為接近，這也是選擇其作為發泡劑的原因之一。但是，當發泡溫度達到600℃時，TiH2就已開始大量分解，等溫度達到660℃時，其分解量已顯著下降并接近尾聲，導致泡沫鋁孔結構發展未達到最佳狀態發泡進程就已結束，可見，發泡溫度對發泡鋁制品的孔結構有著至關重要的影響。

在試驗過程中，當設置制備發泡鋁的發泡溫度低于660℃時，作為基體材料的鋁粉還沒有達到完全熔化狀態，發泡劑TiH2就已分解完畢，會導致制備的泡沫鋁孔隙結構發展不充分、孔隙率達不到最佳狀態，如圖4（a）為發泡溫度低于660℃時所得的發泡鋁制品微觀形貌。但當發泡溫度設置的過高，比如設置為800℃以上時，發泡劑TiH2會迅速分解，產生H2的還未等基體材料鋁粉完全熔化，就會大量逃逸，會導致制備的泡沫鋁孔隙結構不均勻，甚至形成超大孔徑的孔隙結構，達不到預期的物理、機械性能，如圖4（b）為發泡溫度高于800℃時所得的發泡鋁制品微觀形貌。而當設置發泡溫度為750℃左右時，發泡劑TiH2分解進程和基材鋁粉的熔化進程能夠達到較好的同步，制備的泡沫鋁的孔隙結構比較均勻，如圖4（c）為發泡溫度在750℃左右時所得的發泡鋁制品微觀形貌。由此可知，要想得到孔隙結構分布較為均勻的泡沫鋁制品，最佳的發泡溫度為700℃～750℃。

圖4 不同發泡溫度情況下所得泡沫鋁制品的微觀形貌

3.3 發泡時間對泡沫鋁性能的影響

試驗證明，泡沫鋁粉末冶金制備過程中的發泡時間對其孔隙結構和物理、機械性能也會產生影響，如果發泡事件過短，發泡劑TiH2還未及完全分解，發泡進程已結束，結果導致所得泡沫鋁孔隙結構分布不均、孔隙率低；如果發泡時間太長，會使發泡劑TiH2分解出的氣體體積過度膨脹，使原本大小均等、分布均勻的孔隙破裂、合并，最終導致孔隙大小不一、分布不均，影響其物理、機械性能。經多次試驗和數據分析，可以得到如圖5所示的不同發泡時間所得泡沫鋁制品孔結構演化圖，從演化圖能夠看出，發泡時間在120s左右，在內徑為52.5mm的預制模具內，預處理480℃，發泡溫度750℃的條件下，獲得相對較均勻的泡孔結構的發泡時間為120 s，孔結構如圖5（c）所示，此時泡孔多為形狀相似的多邊形結構，膨脹率最大，經快速冷卻后獲得孔結構和孔隙率最佳。

圖5 不同發泡時間所得泡沫鋁制品孔結構演化圖

圖6 不同Mg含量的泡沫鋁泡孔結構微觀形貌圖

3.4 添加劑對泡沫鋁性能的影響

大量的試驗證明，在泡沫鋁制備過程中，加入適量的添加劑，能夠有效降低泡沫鋁坯體達到熔融態的溫度，保證發泡劑分解量達到峰值時合金粉末正好處于完全熔融狀態，從而得到發泡效果更好的泡沫鋁制品。

目前，應用較為廣泛的添加劑主要有Si和Mg元素，當在純鋁粉末中添加質量分數在6%～7%之間的Si粉末后，所得Al-Si合金粉末在發泡劑作用下，發泡溫度為750℃進行發泡處理，能夠得到高膨脹率的泡沫鋁。然而，Al-Si合金粉末制得泡沫鋁得孔結構質量并不理想。

最新得研究表明，在二元Al-Si合金粉末的基礎上，添加Mg能有效改善泡沫鋁的孔結構質量。這是由于鋁粉經預處理或在空氣中發生氧化而在其表面形成一層致密的Al2O3保護膜，這層氧化膜的存在會降低鋁熔體的潤滑性能和鋁固相的燒結能力，導致在發泡過程中難以形成穩定的孔結構。而添加的Mg元素能夠和Al2O3保護膜發生如下的化學反應：

反應生成的MgAl2O4相能夠均勻地分布于泡孔壁和布拉德邊界上，使鋁熔體的潤滑性能顯著提高，從而大幅減弱鋁熔體因重力、毛細管壁現象和泡孔壁熔體流動等因素對泡孔結構的破壞作用，達到改善泡沫穩定性的目的。

為了得到最佳的Mg元素添加質量比，本試驗分別稱取0.2%、0.6%、1.0%、1.4%質量分數的Mg粉作為發泡添加劑，設置發泡溫度為750℃，發泡時間為120s，分別對Al-Si（7%）基合金粉末進行發泡處理，得到如圖6所示的不同Mg含量的泡沫鋁泡孔結構微觀形貌圖，從圖中可以看出，Mg粉的最佳添加量為1.0wt.%。

4 結語

本文在對泡沫鋁粉末冶金制備工藝技術進行分析的基礎上，采用工藝參數控制方法開展泡沫鋁制備試驗，并通過對試驗結果進行分析，討論了泡沫鋁發泡過程中發泡劑預處理方法、發泡溫度、發泡時間、添加劑組分及質量分數等因素對發泡效果及泡沫鋁性能的影響機理，并得到了如下結論：

（1）對發泡劑TiH2經480℃預氧化處理，能夠明顯改善其發泡效果，經其發泡處理得到的發泡鋁孔隙率和孔隙結構最佳。

（2）當發泡溫度為700℃～750℃時，能夠得到孔隙結構分布相對較為均勻的泡沫鋁制品。

（3）當發泡時間為120 s左右時，所得泡沫鋁制品泡孔多為形狀相似的多邊形結構，膨脹率最大，經快速冷卻后獲得孔結構和孔隙率最佳。

（3）在鋁基體粉末的基礎上添加6wt.%～7wt.%的Si粉添加劑，能夠顯著降低發泡基體的熔點，使基體熔點與發泡劑TiH2達到分解峰值時的溫度更為接近，更有利于充分發泡，從而有效提高發泡效率。在此基礎上，添加1.0wt.%Mg粉添加劑，能夠有效提高鋁熔體的潤滑性能，改善泡沫穩定性，從而提高泡沫鋁制品質量。