郭志強(qiáng)， 周宇韜， 東 雪， 祖國(guó)胤， 袁曉光

(1. 沈陽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 沈陽 110870； 2. 沈陽機(jī)床集團(tuán) 沈陽第一機(jī)床廠， 沈陽 110041； 3. 東北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 沈陽 110819)

當(dāng)今時(shí)代，我國(guó)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)發(fā)展中待解決的兩個(gè)關(guān)鍵性難題分別是能源問題和環(huán)保問題，“節(jié)能環(huán)?！眲?shì)在必行.而對(duì)于材料領(lǐng)域而言，開發(fā)出新型低密度、高強(qiáng)度、高性能的有色合金或塑料來代替鋼、鐵等傳統(tǒng)材料，實(shí)現(xiàn)材料的輕量化，成為了實(shí)施“節(jié)能環(huán)保”的一條重要途徑[1-3].泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)是將泡沫鋁和某種材料(鋼、鋁、銅等)復(fù)合后形成的以泡沫鋁為芯材的三維立體結(jié)構(gòu)[4-6]，既具有泡沫鋁的輕質(zhì)、高比強(qiáng)度、降噪、隔熱、阻燃、抗震、抵抗沖擊等優(yōu)異的性能特點(diǎn)，同時(shí)又增強(qiáng)了單一泡沫鋁的強(qiáng)度和剛度，泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為21世紀(jì)新型輕量化且具有優(yōu)異性能的材料[7-10]，因此，在軌道交通、航天工業(yè)和建筑行業(yè)等密切相關(guān)的領(lǐng)域，特別是新能源汽車制造領(lǐng)域，泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)都具有巨大的技術(shù)開發(fā)潛力和廣泛的應(yīng)用前景[11-13].

目前有關(guān)泡沫鋁的研究重點(diǎn)還都集中在自由發(fā)泡理論上，而關(guān)于泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)，尤其是有關(guān)泡沫鋁異型件的制備工藝與其在密閉型腔中的發(fā)泡行為相關(guān)理論的研究?jī)?nèi)容很少.泡沫鋁異型件發(fā)泡過程中存在泡孔穩(wěn)定性差、孔結(jié)構(gòu)難于控制，泡沫鋁泡孔孔徑尺寸不均、孔形圓整度較差等問題.因此，要制備高質(zhì)量的泡沫鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)，就必須要對(duì)芯層泡沫鋁的發(fā)泡行為進(jìn)行詳細(xì)系統(tǒng)的研究.本文以粉末冶金法為基礎(chǔ)，以泡沫鋁異型件的制備為應(yīng)用目標(biāo)，對(duì)密閉型腔中泡沫鋁的發(fā)泡行為進(jìn)行研究，分析泡沫鋁在不同體積倍數(shù)型腔內(nèi)的發(fā)泡行為，為制備不同體積的泡沫鋁異型件進(jìn)行初步探索，也為泡沫鋁異型件的制備提供理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

采用純度為99%的空氣霧化鋁粉作為純鋁基體材料，TiH2粉末作為發(fā)泡添加劑.表1為采用激光粒度分析儀測(cè)得的原料粉末屬性.TiH2粉末需要進(jìn)行氧化熱處理，目的在于延緩TiH2釋氫起始時(shí)間，提高發(fā)泡劑的分解溫度，使得泡體生長(zhǎng)過程更加穩(wěn)定.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

圖1為粉末冶金發(fā)泡工藝流程示意圖.

圖1 粉末冶金發(fā)泡工藝流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of powder metallurgy foaming process

首先將鋁粉與TiH2進(jìn)行混合處理.將發(fā)泡劑TiH2粉末置于箱式電阻加熱爐中進(jìn)行氧化熱處理，加熱溫度為480 ℃，保溫時(shí)間為120 min，然后將基體鋁粉末與氧化處理后的TiH2粉末(鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.4%，氫化鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%)放入SYH-5型三維球磨混料機(jī)上充分均勻混合120 min.

隨后制備棒狀原坯.制坯過程共分為兩步：第一步采用YH61-500型立式液壓機(jī)在425 MPa下進(jìn)行軸向模壓，將混合粉末壓制成直徑為70 mm、高度為40 mm的預(yù)制圓柱坯；第二步將圓柱坯在400 ℃下保溫?zé)Y(jié)120 min后，快速轉(zhuǎn)移至在300 ℃下預(yù)熱過的熱擠壓模具中進(jìn)行熱擠壓，熱擠壓壓強(qiáng)為300 MPa，將預(yù)制體圓柱坯制成直徑為15 mm的棒狀泡沫鋁預(yù)制體.

接下來制備可發(fā)泡先驅(qū)體.將直徑為15 mm的棒狀泡沫鋁預(yù)制體分別拉拔成直徑為11、8.5和6.5 mm的棒狀泡沫鋁預(yù)制體，然后依次切割成長(zhǎng)度為40 mm的小型棒狀預(yù)制體，再將切割后的小型棒狀預(yù)制體依次放入不同體積的發(fā)泡模具中(模具體積分別為泡沫鋁預(yù)制體試樣體積的2～4倍)，之后將模具完全密封.

最后進(jìn)行發(fā)泡實(shí)驗(yàn)和制樣分析.將密封模具放到加熱爐中加熱至700 ℃，選取預(yù)制體剛好充滿型腔的時(shí)間為保溫起始時(shí)間，保溫時(shí)間間隔為1 min，每一個(gè)體積倍數(shù)的型腔分別進(jìn)行4組實(shí)驗(yàn)，隨后取出預(yù)制體并冷卻至室溫，即可得到泡沫鋁樣品.然后，通過線切割方式獲取宏觀泡孔結(jié)構(gòu)圖像，采用Image-Pro-Plus分析軟件進(jìn)行泡沫鋁縱向剖面泡孔孔徑與孔數(shù)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì).采用SEM等儀器檢測(cè)設(shè)備觀察泡孔微觀形貌和演變過程，分析泡孔的演化機(jī)制.

2 結(jié)果與分析

2.1 泡沫鋁的發(fā)泡行為

2.1.1 2倍體積密閉模具

圖2為預(yù)制體膨脹至2倍體積的泡沫鋁剖面圖.由圖2可見，直徑為11、8.5、6.5 mm的預(yù)制體在發(fā)泡初始階段，受熱時(shí)間較短，部分區(qū)域泡孔剛開始微微膨脹，小孔徑泡孔數(shù)量居多.經(jīng)過拉拔工藝致使預(yù)制體內(nèi)發(fā)泡劑更加均勻分布，拉拔道次越多，發(fā)泡劑分布越均勻，且隨著預(yù)制體吸熱速度的提高，小直徑的預(yù)制體優(yōu)先發(fā)泡成型.隨著受熱時(shí)間的延長(zhǎng)，TiH2發(fā)泡劑持續(xù)釋放出氫氣，泡孔逐漸長(zhǎng)大，孔數(shù)增多，孔徑變大，孔壁變薄，泡孔均勻度大大提高.由于預(yù)制體的內(nèi)外部受熱速度不同，因而泡孔優(yōu)先在預(yù)制體的上下兩端形成.進(jìn)一步延長(zhǎng)受熱時(shí)間，泡孔繼續(xù)長(zhǎng)大且孔壁變薄，相鄰泡孔之間發(fā)生熔合現(xiàn)象.當(dāng)受熱時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，因釋氫動(dòng)力不足，熔體粘度減小，重力作用會(huì)造成排液現(xiàn)象，頂部出現(xiàn)孔缺陷，底部發(fā)生塌陷，進(jìn)而形成實(shí)鋁層.由于直徑為6.5 mm的預(yù)制體比表面積較大，受熱均勻，泡孔膨脹長(zhǎng)大，孔徑差也隨之減小，預(yù)制體的泡孔孔型趨于均勻圓整，因而發(fā)泡成型效果較好.

圖2 預(yù)制體膨脹至2倍體積的泡沫鋁剖面圖Fig.2 Profile images of aluminum foam obtained with pre-fabricated structures expanding to 2 times of initial volume

2.1.2 3倍體積密閉模具

圖3為預(yù)制體膨脹至3倍體積的泡沫鋁剖面圖.由圖3可見，當(dāng)直徑為11、8.5、6.5 mm的預(yù)制體剛充滿模具型腔時(shí)，因預(yù)制體初期受熱不均勻，造成泡孔孔徑尺寸大小不一，孔徑差較大.在發(fā)泡劑釋放氫氣階段，泡體開始膨脹，泡沫鋁芯部易形成橢圓形大泡孔.隨著受熱時(shí)間的延長(zhǎng)，泡沫鋁的孔型和孔分布逐漸趨于均勻化，孔型比較規(guī)則圓整.相比于直徑為11 mm的預(yù)制體，直徑為8.5 mm和6.5 mm的預(yù)制體實(shí)鋁層較少且孔壁較薄，孔徑差較小，TiH2發(fā)泡劑釋氫充足，在型腔中泡體成型性較好，泡沫鋁泡孔結(jié)構(gòu)均勻度明顯提高，小泡孔長(zhǎng)大形成大泡孔，泡孔結(jié)構(gòu)相對(duì)均勻穩(wěn)定.

圖3 預(yù)制體膨脹至3倍體積的泡沫鋁剖面圖Fig.3 Profile images of aluminum foam obtained with pre-fabricated structures expanding to 3 times of initial volume

2.1.3 4倍體積密閉模具

圖4為預(yù)制體膨脹至4倍體積的泡沫鋁剖面圖.由圖4可見，直徑為11、8.5、6.5 mm的預(yù)制體在4倍體積型腔中發(fā)泡并充分填滿型腔時(shí)，未出現(xiàn)小泡孔合并成大泡孔現(xiàn)象，表明膨脹體積倍數(shù)增加有助于改善小泡孔合并成大泡孔的現(xiàn)象.中期階段預(yù)制體上下兩側(cè)都存在少量實(shí)鋁層且孔徑較大，隨著受熱時(shí)間的延長(zhǎng)，泡孔繼續(xù)膨脹，泡孔孔型不斷趨于圓整，近似為圓形和橢圓形.但是在后期階段，隨著受熱時(shí)間的繼續(xù)增加，熔體粘度減小，重力排液現(xiàn)象凸顯且發(fā)生塌陷現(xiàn)象，導(dǎo)致預(yù)制體頂部和底部出現(xiàn)很厚的實(shí)鋁層.相比于預(yù)制體在3倍體積型腔中發(fā)泡的情況，隨著膨脹體積倍數(shù)的增加，后期釋氫過程動(dòng)力不足，泡孔數(shù)量大幅度降低，泡孔分布不均勻，實(shí)鋁層變厚，整體泡孔結(jié)構(gòu)成型效果不佳.

圖4 預(yù)制體膨脹至4倍體積的泡沫鋁剖面圖Fig.4 Profile images of aluminum foam obtained with pre-fabricated structures expanding to 4 times of initial volume

2.2 泡沫鋁的泡孔數(shù)目

將直徑為11、8.5、6.5 mm的預(yù)制體依次置于2倍、3倍和4倍體積的型腔中密閉發(fā)泡，統(tǒng)計(jì)泡孔在不同體積型腔中的數(shù)目變化趨勢(shì)，研究泡孔結(jié)構(gòu)演變過程和演化趨勢(shì).應(yīng)用Image-Pro-Plus分析軟件采集數(shù)據(jù)，選取預(yù)制體縱截面，統(tǒng)計(jì)平均每100 mm2剖面面積的泡孔數(shù)目N，繪制出泡沫鋁泡孔數(shù)目統(tǒng)計(jì)圖，結(jié)果如圖5所示.

圖5 泡沫鋁孔數(shù)統(tǒng)計(jì)分析圖Fig.5 Statistical analysis diagrams of pore number for aluminum foam

由圖5可見，預(yù)制體在2倍體積型腔中發(fā)泡時(shí)，N11(直徑為11 mm的預(yù)制體所對(duì)應(yīng)的N值)所受泡孔間壓力影響較小，泡孔數(shù)目基本保持不變.而N8.5和N6.5隨受熱時(shí)間的增加呈現(xiàn)先增加再略有減少的趨勢(shì)，這主要是因?yàn)門iH2在持續(xù)釋氫過程中氫原子持續(xù)增多，大小孔尺寸差異較大，孔數(shù)不斷增加，泡孔內(nèi)外壓力不均，孔壁變薄，導(dǎo)致泡孔出現(xiàn)長(zhǎng)大與小泡孔合并大泡孔現(xiàn)象，隨著泡體內(nèi)壓力的繼續(xù)增大，氣泡互相承受壓力，孔數(shù)也隨之增加，進(jìn)而達(dá)到壓力平衡狀態(tài)，泡孔整體尺寸趨向于均勻化，使得孔數(shù)處于穩(wěn)定范圍.

預(yù)制體在3倍體積型腔中發(fā)泡時(shí)，相比于2倍體積型腔，型腔體積空間的增加有利于預(yù)制體的泡孔長(zhǎng)大和發(fā)泡劑的釋氫過程.釋氫過程中獲得的氫氣提供泡孔形成與長(zhǎng)大的動(dòng)力，隨著受熱時(shí)間的延長(zhǎng)，泡孔數(shù)目先升高，然后再略微降低.總體而言，大小孔尺寸差異較小，且泡孔數(shù)目相對(duì)均等.

預(yù)制體在4倍體積型腔中發(fā)泡時(shí)，型腔體積進(jìn)一步增加，型腔體積的增加意味著預(yù)制體相對(duì)自由地膨脹長(zhǎng)大，釋氫過程完全化，泡孔迅速長(zhǎng)大，泡孔數(shù)目增加，泡孔內(nèi)的壓力增加使得相鄰泡孔相互合并形成大孔徑的泡孔.發(fā)泡初期階段N11先隨受熱時(shí)間的延長(zhǎng)而持續(xù)減少，形成大泡孔且泡孔數(shù)目降低；而N8.5和N6.5隨受熱時(shí)間的延長(zhǎng)先增加后減少，降低的幅度低于N11，表明小直徑的預(yù)制體成型效果良好，泡孔數(shù)目平均，孔結(jié)構(gòu)均勻，并且泡孔尺寸維持在一個(gè)穩(wěn)定的區(qū)間范圍內(nèi).結(jié)合泡孔數(shù)統(tǒng)計(jì)圖和泡沫鋁剖面圖可知，直徑為8.5 mm的預(yù)制體在其自身三倍體積倍數(shù)的型腔中成型效果較好.

2.3 泡沫鋁的泡孔孔徑

泡沫鋁泡孔數(shù)目的統(tǒng)計(jì)不能夠準(zhǔn)確地表達(dá)泡沫鋁泡體演變，為了更進(jìn)一步研究泡沫鋁泡體的形成，通過統(tǒng)計(jì)泡體孔徑詳細(xì)分析泡體演變過程.由泡沫鋁宏觀剖面圖可知，泡體的泡孔結(jié)構(gòu)多為不圓整形狀，泡孔形狀近似為圓形和橢圓形，孔徑尺寸大小存在差距.應(yīng)用Image-Pro-Plus分析軟件統(tǒng)計(jì)泡孔孔徑數(shù)據(jù)，將泡沫鋁剖面的泡孔孔徑按順序排列，通過統(tǒng)計(jì)泡孔的孔徑數(shù)值表征泡沫鋁泡孔的均勻化程度.為了確?？讖綌?shù)值表征泡孔均勻程度的真實(shí)性，隨機(jī)選取所有泡孔孔徑的第20%、40%、60%、80%、100%的5個(gè)孔徑數(shù)值點(diǎn)，分別標(biāo)記為P20、P40、P60、P80和P100，即用5個(gè)梯度數(shù)值來表示泡孔孔徑變化情況，相鄰梯度數(shù)值之間的差值也能準(zhǔn)確反映泡孔的均勻性.根據(jù)數(shù)據(jù)繪制泡孔孔徑變化趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)圖，結(jié)果如圖6所示.

由圖6可見，在2倍膨脹體積型腔中，三種直徑下的P20至P60差值相近，所對(duì)應(yīng)的曲線平穩(wěn)上升，表明三種直徑預(yù)制體前60%的泡沫鋁泡孔大小相近，幅度變化相近，泡孔較為均勻.之后曲線走勢(shì)極速上升，曲線最大值與P60之間的差值相比之前明顯增大，表明預(yù)制體存在明顯大泡孔.

圖6 泡沫鋁孔徑統(tǒng)計(jì)分析圖Fig.6 Statistical analysis diagrams of pore size for aluminum foam

在3倍膨脹體積型腔中，曲線中P20至P60值走勢(shì)與2倍型腔依然相似，相互之間各點(diǎn)差值較小，小孔徑泡孔分布均勻.而6.5 mm直徑預(yù)制體所對(duì)應(yīng)曲線上的P80值增長(zhǎng)較快，曲線最大值也高于其他直徑的兩條曲線，表明預(yù)制體在3倍膨脹體積型腔時(shí)，直徑為11 mm和8.5 mm的預(yù)制體泡孔分布比較均勻，而直徑為6.5 mm的預(yù)制體泡孔尺寸大小不一，存在大孔徑泡孔.

在4倍膨脹體積型腔中，三條曲線總體上平緩上升，趨勢(shì)大致相同，泡沫鋁泡孔差值相近.直徑為11 mm的預(yù)制體從2倍膨脹到4倍的過程中，曲線走勢(shì)變化相近，曲線平緩，泡孔均勻度較好.直徑為8.5 mm的預(yù)制體從2倍膨脹到4倍的過程中，泡沫鋁的泡孔均勻度逐漸升高.直徑為6.5 mm的預(yù)制體從2倍膨脹到4倍的過程中，泡孔均勻度明顯提高.

2.4 泡沫鋁的泡孔微觀結(jié)構(gòu)

綜上所述，直徑為8.5 mm的預(yù)制體在3倍體積型腔中發(fā)泡制備的泡沫鋁孔結(jié)構(gòu)均勻且成型較好.為進(jìn)一步研究該泡孔的結(jié)構(gòu)變化，采用掃描電子顯微鏡對(duì)泡孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行微觀分析，結(jié)果如圖7所示.

圖7 直徑8.5 mm預(yù)制體在3倍體積型腔中的泡孔結(jié)構(gòu)SEM圖像Fig.7 SEM images of pore structures foamed in cavity with volume three times of pre-fabricated structures with diameter of 8.5 mm

由圖7a可見，當(dāng)泡沫鋁泡體開始充滿型腔時(shí)，泡體內(nèi)外部受熱不均勻，在基體中形成獨(dú)立的泡孔，大多泡孔大小不均，并具有相對(duì)大小不規(guī)則的泡孔輪廓.由圖7b～d可見，隨著受熱時(shí)間的延長(zhǎng)，發(fā)泡劑TiH2不斷釋放出氣體，固相逐漸轉(zhuǎn)向液相，泡孔結(jié)構(gòu)向圓形變化.在密閉型腔內(nèi)發(fā)泡時(shí)，泡孔的體積差異較小，密閉型腔的約束力限制氣孔的的持續(xù)膨脹，泡孔相互擠壓，孔壁變薄.當(dāng)密閉型腔內(nèi)的壓力達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，泡孔平均孔徑尺寸趨于一致，且泡孔形狀無明顯差別.

3 結(jié) 論

采用粉末冶金法制備TiH2含量為0.6%的純鋁基泡沫鋁，將直徑為11、8.5、6.5 mm的泡沫鋁預(yù)制體分別置入2～4倍體積的密閉型腔中進(jìn)行發(fā)泡實(shí)驗(yàn)，研究泡沫鋁預(yù)制體在約束條件下的發(fā)泡行為.通過分析，得出以下結(jié)論：

1) 隨著恒溫時(shí)間的延長(zhǎng)，預(yù)制體發(fā)泡成型充滿型腔，泡孔長(zhǎng)大，孔型圓整度提高.在發(fā)泡中后期，泡孔結(jié)構(gòu)均勻穩(wěn)定，泡孔成型性較好.

2) 在2倍體積型腔膨脹至4倍體積型腔過程中，泡沫鋁預(yù)制體迅速發(fā)泡，泡孔數(shù)目呈階梯性變化，孔徑尺寸整體提高.在3倍與4倍體積型腔內(nèi)發(fā)泡效果較好，泡孔均勻性趨于良好，孔缺陷明顯減少.

3) 直徑為8.5 mm的預(yù)制體在700 ℃下密閉型腔中發(fā)泡膨脹至其三倍體積時(shí)，可以獲得泡孔相對(duì)穩(wěn)定均勻的泡沫鋁.