包套轧制—粉末冶金法制备泡沫铝夹心板材料的研究

论文摘要

泡沫铝夹心板具有质轻、比强度及比刚度高等特点,克服了泡沫铝裸板强度偏低、表面处理及难于连接等问题,在汽车制造、航空、航天、轨道交通等领域具有广阔的应用前景,是多孔泡沫金属应用制品开发与理论研究的热点方向。目前,泡沫铝夹心板主要采用胶粘和热压-粉末冶金发泡工艺,制品板/芯结合强度低,耐高温能力差,生产效率低。因此,开发出一种高效率、短流程的泡沫铝夹心板制备新技术具有重要的应用价值及理论意义。在国家自然科学基金项目（No.50704012）和沈阳市科技计划项目（F10-205-1-59）的资助下,本文开展了泡沫铝夹心板制备新技术的开发与理论研究工作。为提高粉末利用率,改善板型质量,提出了包套轧制-粉末冶金法制备泡沫铝夹心板的工艺路线。系统研究了主要工艺参数对发泡效果的影响,探讨了轧制压下率、发泡温度、发泡时间与泡沫铝夹心板芯层泡沫结构间的关系。分析了面板/芯层粉末的结合机制,确定了优化的制备工艺条件。通过对发泡剂TiH2进行的表面处理明显改善了泡沫结构的均匀性与稳定性,并对泡沫结构的演化过程及稳定化机理进行了深入分析,测试了夹心板的主要力学性能,并从泡沫结构与面板/芯层结合状态角度探讨了夹心板组织对力学性能的影响,论文取得了以下有价值的结果：1.采用包套轧制的方法可显著提高粉末利用率,轧制后混合粉末基本无流失,粉末利用率接近100%,并且包套轧制过程中芯层粉末沿轧件宽度的变形行为趋于一致,使预制坯在保证芯层粉末获得极高致密度,同时粉末整体的均匀性也明显改善；综合考虑粉末致密度与板/芯结合效果轧制压下率应控制在60%-70%为宜。2.利用自制钢制模具可实现预制坯的快速受限发泡,发泡时间由以往自由发泡工艺的8～10min缩短至1～2min,降低了破孔及连通孔的形成几率。受限发泡保证了泡沫铝夹心板具有良好的厚度精度。本研究中理想的发泡工艺为：发泡温度为700℃,发泡时间60s-70s。3.对发泡剂TiH2进行表面改性处理可调整其分解释氢过程,使发泡剂的释氢峰值温度与释氢量符合发泡工艺要求,本研究中发泡剂的最佳热处理工艺为500℃保温60min。4.在铝硅合金中添加一定含量的镁,能够提高合金的常温力学性能和改善加工性能,通过Mg颗粒的添加,增加了熔体的黏度,从而减小普拉特奥边界与泡壁之间的压差而使泡孔稳定性提高。本研究中理想的Mg添加量为1.0wt.%左右,能够使熔体粘度增强,显著提高泡沫铝泡孔的稳定性。5.泡沫铝夹心板进行三点弯曲测试数据显示,本研究制备的泡沫铝夹心板的最大载荷为0.86kN～0.96kN,明显高于胶粘泡沫铝夹心板0.47kN～0.87kN的弯曲承载水平,夹心板破坏后面板与芯层间界面仍保持完整,未出现界面分离与面板褶皱。由载荷-位移曲线可知本研究制备的泡沫铝夹心板具有良好的能量吸收能力。6.本研究制备的泡沫铝夹心板具有较好的冲击性能,最大冲击载荷为0.73kN～1.24kN,增加面板厚度与泡沫铝芯层厚度均有助于提高夹心板的冲击强度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 泡沫铝夹心板的结构特点及其应用
• 1.2.1 泡沫铝夹心板（AFS）的特点
• 1.2.2 泡沫铝夹心板的应用
• 1.3 泡沫铝夹心板的制备方法
• 1.3.1 胶粘法
• 1.3.2 钎焊法
• 1.3.3 激光束焊接法
• 1.3.4 表面热喷涂法
• 1.3.5 压制法
• 1.3.6 轧制复合法
• 1.4 泡沫铝夹心板研究进展
• 1.5 泡沫铝夹心板制备工艺存在的主要问题
• 1.6 选题意义及研究内容
• 第2章 实验原理与方法
• 2.1 实验原料
• 2.1.1 铝管
• 2.1.2 铝硅合金粉
• 2.1.3 发泡剂
• 2.2 实验设备
• 2.3 实验工艺流程
• 2.3.1 混料
• 2.3.2 铝管表面处理
• 2.3.3 灌粉与预压制
• 2.3.4 轧制复合
• 2.3.5 发泡
• 2.4 实验测试方法
• 2.4.1 密度的测定
• 2.4.2 光学金相显微镜分析
• 2.4.3 SEM 分析
• 2.4.4 冲击性能测试
• 2.4.5 三点抗弯测试
• 2.4.6 力学实验后的界面观察
• 第3章 包套轧制法制备泡沫铝夹心板工艺的研究
• 3.1 引言
• 3.2 包套轧制粉末冶金法的特点
• 3.3 包套轧制法制备泡沫铝夹心板主要工艺参数的研究
• 3.3.1 轧制压下率对发泡效果的影响
• 3.3.2 混料工艺及粒度选择对发泡效果的影响
• 3.3.3 发泡温度及保温时间对发泡效果的影响
• 3.3.4 氢化钛的氧化处理对发泡效果的影响
• 3.4 泡沫铝夹心板泡孔的演化与泡沫结构的稳定
• 3.4.1 泡沫铝泡孔形成与演化机理
• 3.4.2 泡沫铝泡孔稳定性因素
• 3.5 面板/芯层界面结合机制与面板平整性控制
• 3.5.1 发泡预制坯面板/芯层界面结合机制
• 3.5.2 发泡后面板/芯层的界面结合机制
• 3.5.3 面板的平整性控制
• 3.6 泡沫铝夹心板的冷却
• 3.7 本章小结
• 第4章 泡沫铝夹心板的力学性能测试
• 4.1 引言
• 4.2 三点抗弯实验结果与分析
• 4.2.1 泡沫铝夹心板三点抗弯断裂模式
• 4.2.2 载荷-位移曲线分析
• 4.2.3 断口分析
• 4.3 泡沫铝夹心板冲击实验结果与分析
• 4.3.1 泡沫铝夹心板冲击断裂模式
• 4.3.2 载荷-位移曲线分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢