泡沫鋼的制備及壓縮吸能特性

孫亞東，周 蕓，汪天堯，郭超群，周 萍，左孝青

(昆明理工大學 材料科學與工程學院，昆明 650093)

泡沫鋼作為近年來開發的一種新型金屬多孔材料，具有高比強度、比模量高、耐高溫、輕質、吸能減震、多孔過濾等優點[1-5].相比于泡沫鋁，泡沫鋼具有高于泡沫鋁的強韌性和抗沖擊吸能性，同時還可與鋼結構共容等特點[6-8]，因此，這種新型輕質泡沫鋼材料，在航空航天、汽車船舶等領域有著廣闊的應用市場，如航空航天工業應用的超輕質構件與散熱面板、汽車的緩沖裝置、吸聲降噪材料、新型開發的坦克防爆裝甲及防彈衣等[9-11].

目前國內外有關泡沫鋼的制備方法主要有熔體金屬發泡法、空心球燒結法、滲流鑄造法、電沉積法、粉末冶金法等方法[11-12].熔體金屬發泡法對于高熔點的鋼鐵材料，發泡過程中孔隙率和孔均勻性很難控制；空心球法工藝流程長、成本高；滲流鑄造法對預制件要求高，滲流后去除預制體困難；沉積法對設備要求高，難以制備大塊體材料.因此，開發一種工藝簡單、成本低、孔隙率高、孔分布均勻的泡沫鋼制備工藝成為解決上述問題的關鍵.本文采用粉末冶金燒結-溶解法制備泡沫鋼，相比于其他方法，燒結-溶解法不僅流程周期較短、成本低，而且可以通過控制加入造孔劑的含量、尺寸形態來控制孔隙率和孔形貌[8].對于粉末冶金燒結-溶解法，造孔劑的選擇對控制泡沫鋼的孔形結構和孔隙率至關重要.Bekoz 和Oktay等[6,13]以碳酰胺顆粒為造孔劑制備出孔隙率為48%～71%的泡沫鋼樣品，并研究了造孔劑體積分數對孔隙率和力學性能的影響.Gülsoy[14]等人也以碳酰胺為造孔劑成功制備出孔隙率為40%～60%的泡沫鋼樣品.Joshi等[15]以針狀碳酰胺為造孔劑制備了孔隙率為40%～60%的不銹鋼泡沫樣品.從前述公開報道的文獻來看，碳酰胺是目前制備泡沫鋼使用最普遍的一種造孔劑.然而，碳酰胺作為造孔劑尚存在許多不足，由于其熔點低，在低溫下分解，容易引起壓坯坍塌，且工藝過程較為復雜.本文嘗試選擇一種新的造孔劑，即以CaCl2顆粒為造孔劑，CaCl2化學穩定性好、熔點高、無毒、水溶性好、低成本，有望成為制備高熔點泡沫金屬的理想造孔劑材料.

目前， 對于泡沫金屬材料吸能特性的分析研究主要集中在泡沫鋁上，有關泡沫鋼在吸能方面的研究鮮有報道.本文采用粉末冶金燒結-溶解法制備了孔隙率、孔徑不同的幾組泡沫鋼試樣，分析討論孔隙率和孔形貌對泡沫鋼壓縮應力應變曲線及屈服平臺應力的影響，以及孔隙率對吸能值和理想吸能效率的影響，并與泡沫鋁的吸能性能進行對比分析.隨著制備工藝的發展以及結構-性能關系的深入研究，將推動泡沫鋼材料綜合性能的進一步優化，未來的實際應用價值將會逐步顯現.

1 實 驗

泡沫鋼的基體原料為霧化法生產的430L不銹鋼粉,成分(質量分數)為17%Cr、3%Ni、1.25%Mn、0.75%Si、0.12%C、0.035%P、0.03%S，其余均為Fe，顆粒粒徑≤40 μm)，造孔劑為無水CaCl2.圖1為CaCl2顆粒和不銹鋼粉形貌圖.泡沫鋼制備工藝路線如圖2所示.

圖1 CaCl2顆粒(a)和不銹鋼粉(b)形貌Fig.1 Morphology of CaCl2 particles (a) and stainless steel (b) powder

圖2 泡沫鋼的制備工藝Fig.2 Processing of steel foam fabrication

首先將430L不銹鋼粉和無水CaCl2顆粒按一定配比均勻混合，并在混合料過程中添加適量的粘結劑，約占總量的3%～5%，置于V型混料機中進行充分混合.將混合均勻的粉料置于壓坯模具中，采用單向加載液壓機(JYE-2008)進行壓坯.坯料取出放入恒溫干燥箱中，干燥溫度為120～150 ℃，保溫2～4 h，使坯體中的粘結劑(無水乙醇)充分去除.將干燥完成后的坯體置于氣氛(氬氣)燒結爐中，燒結溫度為1 100 ℃，保溫2～3 h，燒結完成后隨爐冷卻.樣品取出后充分進行水洗，通過水溶去除殘余CaCl2，干燥完成后即得到實驗所用試樣.

采用X衍射儀(XL30ESEM-TMP，荷蘭)和掃描電子顯微鏡(QUANTA200，荷蘭)對樣品的微觀組織結構進行觀察分析，利用萬能試驗機對泡沫鋼試樣進行準靜態壓縮測試(AG-IC100kN，日本)，試樣尺寸為25 mm(d)×25 mm(h)，壓頭移動速率為1 mm/min.泡沫鋼樣品的實際孔隙率通過測量體積和質量并測算得出.圖3為燒結溫度1 100 ℃、保溫時間120 min、孔隙率為78.82%的泡沫鋼試樣.

圖3 泡沫鋼試樣圖Fig.3 Samples of steel foam

2 結果與分析

2.1 泡沫鋼孔結構的微觀組織分析

圖4為1 100 ℃、保溫2 h的燒結條件下泡沫鋼的孔結構形貌.由圖4(a)和(b)觀察可見，泡沫鋼內部孔結構分布較為均勻，孔徑分布在1.2～1.8 mm，孔壁內表面粗糙.從圖4(c)和(d)可見，孔壁上有大量由金屬顆粒燒結收縮形成的微孔，相鄰孔之間通過孔壁上的微孔連通，孔壁厚度約為100～150 μm.同時，由圖4(d)可以清晰地看到，原始的金屬顆粒間產生燒結冶金結合，顆粒合并長大形成基體晶粒，晶粒尺寸在10～20 μm.

圖5為泡沫鋼試樣的XRD譜圖.由圖5可知，衍射峰為試樣的基體組成相，標定為α-Fe固溶體， 由于原料成分中含有的Cr和Ni元素，固溶于Fe中，形成α-Fe(Cr，Ni)固溶體.

圖4 泡沫鋼孔結構組織形貌圖Fig.4 Microstructure and morphology of cell of steel foam：(a)porous morphology；(b)single cell；(c)cell wall；(d)metallurgical bonding of metal particles

圖5 泡沫鋼的XRD譜圖Fig.5 XRD pattern of steel foam

圖5中除可以標定的α-Fe峰外，沒有其他衍射峰存在，說明樣品在燒結過程中，沒有發生明顯氧化，同時造孔劑CaCl2已基本除盡.

(1)排水渠。根據現場勘查，排水渠基礎主要位于強～中風化片麻巖，強風化片麻巖承載力特征值為180 kPa，中風化片麻巖承載力特征值為500 kPa。片麻巖可作為排水渠基礎持力層。

2.2 壓縮變形行為

2.2.1 應力應變曲線

將幾組不同孔隙率和孔徑的泡沫鋼樣品進行準靜態壓縮測試，得到如圖6所示的壓縮應力應變曲線.由圖6可知，泡沫鋼在外界載荷作用下，第1階段為彈性變形階段，應力隨應變呈線性增加，第2階段為塑性屈服變形階段，應力隨應變的增加緩慢上升，應力應變曲線表現為一段寬度的平臺變形區，平臺的起始點應力稱為泡沫材料的屈服平臺應力和屈服強度，第3階段為壓縮密實階段，應力隨應變的增大而急劇增加.

圖6 泡沫鋼的應力-應變曲線Fig.6 Stress-strain curves of steel foam：(a)different porosities；(b)different pore morphologies

圖6(a)為孔徑相近、孔隙率在64%～80%的泡沫鋼試樣在壓縮變形過程的應力-應變曲線，可以看到,各曲線相對比較平滑，均具有明顯的3個變形階段.在外力作用下承擔載荷的是泡沫鋼的孔壁結構，孔隙率越大，孔數量越多，孔壁越薄，孔壁所能承受的應力越低，泡沫鋼試樣的抗壓強度也越低.當孔隙率為64.81%、69.40%、74.91%、78.82%時，其對應的屈服平臺應力為59.37、39.61、29.76、17.04 MPa.根據Gibson-Ashby經典公式[16]，如式(1)和(2)所示.

(1)

(2)

式(1)為開孔結構模型，式(2)為閉孔結構模型.式中:σpl為平臺應力；σys為實體金屬的屈服強度(430L不銹鋼的屈服強度為330 MPa)；ρ*為樣品的實際密度；ρs為實體鋼的密度；(1-θ)=ρ*/ρs，其中θ為樣品的實際孔隙率，ρ*/ρs≤φ≤1，本實驗中φ取0.5作為理論計算.按公式(1)和(2)，分別對孔隙率為64.81%、69.40%、74.91%、78.82%的開孔與閉孔泡沫鋼樣品所對應的理論平臺應力進行計算，所得平臺應力范圍依次為：20.67 ～65.37 MPa、16.76 ～56.42 MPa、12.44 ～45.79 MPa、9.65 ～38.36 MPa.實驗樣品相應孔隙率的平臺應力介于開孔和閉孔之間，說明實驗所制備的樣品其內部孔結構介于開孔與閉孔之間，可以稱之為半開孔結構.

圖6(b)為孔隙率相同(約為75%)孔形貌不同的泡沫鋼試樣的應力-應變曲線，孔形貌不規則的泡沫樣品屈服強度低于孔形貌規則呈近球形的樣品，當應力超過屈服強度后，其應力應變曲線變化的斜率大于規則孔樣品的斜率.原因是：孔形貌不規則的樣品，孔壁厚度不均勻且曲率度不同，在壓縮過程中，曲率度小且壁薄的局部區域容易出現應力集中而先產生變形，局部變形迅速擴展為多個變形帶引起整體變形，致使樣品進入壓實致密化階段加快，最終導致樣品的應力隨應變增長的速率加快.而孔形貌規則呈近球形的泡沫鋼樣品，孔分布和孔壁厚度較為均勻，不容易出現局部應力集中而導致屈服變形，屈服強度高，在壓縮過程中，孔壁受力均勻且大部分的孔洞同時發生彎曲變形，變形帶擴展緩慢，因而存在一個較長的平臺變形階段，致使應力隨應變的增長呈現緩慢變化.由此可知，材料內部的孔洞形貌對樣品的整體力學性能有著較大的影響.

2.2.2 變形過程

圖7 泡沫鋼的變形過程Fig.7 Deformation process of steel foam

從泡沫鋼的壓縮變形過程可以看出，泡沫試樣的壓縮變形機理與孔形貌和孔壁的厚度存在緊密的聯系.在受到外界載荷時，孔壁較薄且曲率半徑較小的區域容易出現應力集中，孔壁變形會率先從這些地方開始，并導致孔坍塌，同時，率先發生變形的區域會影響相鄰孔壁的變形，從而引起周圍的孔結構也隨著變形，這些連續發生的變形區域形成了變形帶，最終變形帶擴展導致泡沫試樣整體變形.

2.3 能量吸收性能

能量吸收值是反映多孔材料在壓縮過程中是否具備良好吸能性能的一個重要特性，其表示單位體積的試樣被壓縮到一定應變量時所吸收的能量，即樣品壓縮應力-應變曲線所包含的面積.能量吸收值的計算公式見式(3).

(3)

式中：C代表單位體積泡沫試樣的能量吸收值，即樣品在應變量為εm時，應力-應變曲線與坐標軸所包圍的面積；εm為任意應變；σ為應力，即為應變ε的函數.

圖8為不同孔隙率泡沫鋼的能量吸收值-應變曲線.由圖8可知，當應變量低于5%時，泡沫鋼的能量吸收值較少，這是因為泡沫金屬在受到外界載荷時，其吸能主要發生在塑性平臺屈服階段，此階段表現為樣品彈性區域的吸能情況.同時，曲線可以明顯反映出在到達壓縮密實階段之前，單位體積泡沫鋼的能量吸收值隨應變量的增加呈線性增加.當應變達到40%時，曲線出現拐點，斜率逐漸降低.這是因為能量吸收值的大小由平臺應力與平臺寬度兩個參數共同決定，孔隙率大的樣品雖然有著相對較寬的平臺區域，但其所對應的平臺應力相對較低，且平臺應力的影響明顯大于平臺區域寬度.因此，其對應的曲線以下的面積相對較小.對于泡沫材料， 其優良的吸能性能主要取決于適當的平臺區域寬度以及相對較高的平臺應力.

圖8 不同孔隙率泡沫鋼的能量吸收-應變曲線Fig.8 Energy absorption-strain curves of steel foams with different porosities

表1和表2為不同孔隙率的泡沫鋼與泡沫鋁在不同應變下的能量吸收值(泡沫鋼的孔徑范圍為2.36～3.35 mm，泡沫鋁的孔徑范圍為1.60～4.00 mm).對比表1和表2中泡沫鋼與泡沫鋁在不同應變下的能量吸收值，可以得出，在孔隙率相近時(泡沫鋼為69.40%，泡沫鋁為70%)，泡沫鋼單位體積的能量吸收值約為泡沫鋁的5～7倍.孔隙率分別為78.82% 與60%的泡沫鋼和泡沫鋁，在相同應變下，前者的能量吸收值仍為后者的1.17～1.69倍.由此可以得出，泡沫鋼在吸能性能上相比于泡沫鋁具有更突出的優點，是一種良好的吸能材料.

吸能效率是表征泡沫材料吸能性能的另外一個重要指標， Miltz等提出用吸能效率(E)和理想吸能效率(I)來評價泡沫材料的能量吸收能力[19]，如式(4)和式(5)所示.

(4)

(5)

式中：E為吸能效率，即吸能值與應力的比值，用來反映材料吸能的最優工作狀態；I為理想吸能效率，即在任意應變下，應力應變曲線所包圍的面積與其對應的矩形面積之比；σm為εm對應的應力.I反映了一個真實的材料與理想吸能材料的接近程度，即理想吸能效率越大，材料越接近理想吸能材料.

表1 不同應變下泡沫鋼的能量吸收值(CSF)Table 1 Energy absorption of steel foam with different strain (MJ·m-3)

表2 不同應變下泡沫鋁的能量吸收值(CAF)[17-18]Table 2 Energy absorption of aluminum foam with different strain[17-18] (MJ·m-3)

注：1)孔隙率為60%和70%的泡沫鋁：熔體發泡法，發泡劑為TiH2；2)孔隙率為76.44%的泡沫鋁：粉末冶金法，造孔劑為尿素

圖9為不同孔隙率泡沫鋼試樣的E-σ圖.由圖9可知，孔隙率為65%～79%泡沫鋼樣品吸能效率范圍為0.38～0.31，吸能效率峰值對應的應力按孔隙率增序排列依次為94.56、63.20、44.25、31.67 MPa，此應力值接近于應力-應變曲線壓縮密實開始階段的應力，樣品在最大吸能效率下工作時，能夠充分發揮其吸能性能.

圖9 不同孔隙率泡沫鋼的吸能效率-應力曲線Fig.9 Energy absorption efficiency-stress curves of steel foams with different porosities

圖10為不同孔隙率泡沫鋼的I-σ圖，可以看到，按孔隙率降序排列，其最大理想吸能效率 依次為0.86、0.91、0.86和0.85，對應的應力分別為18.94、29.86、45.33和59.52 MPa，此應力值接近于不同孔隙率泡沫鋼試樣應力-應變曲線的平臺應力，對于屈服平臺階段不明顯的應力應變曲線， Paul[20]等認為平臺應力可采用10%應變時的應力.從理想吸能效率的角度來評估材料吸能性能的優劣時，可以認為以上4種不同孔隙率的泡沫鋼樣品均為性能優良的理想吸能材料.

圖10 不同孔隙率泡沫鋼的理想吸能效率-應力曲線Fig.10 Ideality energy absorption efficiency-stress curves of steel foams with different porosity

3 結 論

1)以430L不銹鋼粉為原料、無水CaCl2為造孔劑，采用粉末冶金燒結-溶解法成功制備了孔隙率為64%～80%、孔徑為1～4 mm的泡沫鋼樣品，樣品孔形貌規則、孔徑分布均勻.

2)經1 100 ℃保溫120 min燒結，金屬顆粒形成冶金結合并合并形成晶粒，基體為α-Fe(Cr，Ni)固溶體，基體中分布著由造孔劑去除留下的內孔，內孔孔壁中有微孔存在，使孔結構之間形成有效連通.

3)在壓縮變形過程中，變形區首先發生在孔形不規則且孔壁較薄處，后誘發周圍孔變形并形成多個變形帶.泡沫鋼試樣壓縮屈服平臺應力隨著孔隙率的增加而減小，當孔隙率為64.81%、69.40%、74.91%、78.82%時，其對應的屈服平臺應力為59.37、39.61、29.76、17.04 MPa.在孔隙率相同的條件下，孔形為近球形的泡沫試樣屈服平臺應力遠高于孔形不規則的試樣.

4)當應變量為40%時，孔隙率為64.81%～78.82%的泡沫鋼樣品其能量吸收值為23.92 ～7.32 MJ/m3，在孔隙率近似相同時，泡沫鋼單位體積的能量吸收值為泡沫鋁的5～7倍.4種不同孔隙率的泡沫鋼，理想吸能效率均在0.85以上，最大理想吸能效率為0.91，說明泡沫鋼是一種理想的吸能材料.