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闭孔泡沫铝是一种集结构与功能为一体的新型复合材料,具有轻质、高比刚度、高能量吸收及优良的电磁屏蔽和阻尼等优点。在已知闭孔泡沫铝制备方法中,粉末冶金法由于能够生产近净成形泡沫铝零部件及夹芯板材料而倍受青睐。利用粉末冶金法,以铝基泡沫铝为芯层材料,钢板为面板的冶金结合泡沫铝夹芯板在受到爆炸冲击时,不会因为所产生的高温和高压使得泡沫铝同钢板分离,是航空母舰、护卫舰和驱逐舰等战船防爆甲板,坦克防地雷底板以及装甲车复合装甲板的理想材料。目前有关粉末冶金法铝基泡沫铝制备方法的基础研究并不系统和全面,且以铝基泡沫铝为芯层,钢板为面板材料的泡沫铝夹芯板制备的研究更是少见,因此对铝基泡沫铝及其夹芯板材料的系列研究就显得尤为重要。 本文以空气雾化铝粉和发泡剂氢化钛作为基本原料,以Mg粉作为金属添加剂,通过粉料的均匀混合—单轴向冷压或复合轧制—发泡的工艺流程制备铝基泡沫铝及其夹芯板材料。对粉末冶金法铝基前驱体快速加热技术、铝基泡沫铝和钢面板泡沫铝夹芯板材料的制备工艺进行了系统研究,实验结果表明: 通过热传导方式将发泡模具中的热量传递给铝基前驱体能够实现铝基前驱体的快速升温。这种以导热方式实现铝基前驱体快速升温的方法不仅适用于铝基泡沫铝材料及其夹芯板的制备,也适用于采用固态前驱体进行发泡的铝硅基泡沫及夹芯板材料的制备。 在模具充分润滑的条件下,400MPa的冷压压力可以获得密实的铝基前驱体,且400MPa冷压得到的铝基前驱体发泡后可以获得高质量的泡沫铝材料;冷压后铝基前驱体的烧结有效减少了其内部的微观孔隙,促进了冷压后铝基前驱体的进一步密实化。 当铝基前驱体预热到250℃时,铝基泡沫铝材料制备的最佳工艺为:发泡温度为750℃~800℃,发泡时间为120s;铝基前驱体的预热并没有提高铝基前驱体的升温速率,但明显缩短了发泡时间;不同发泡温度下铝基前驱体线性升温阶段的线性拟合表明铝基前驱体升温过程中存在着6.62℃·s-1的临界升温速率。 氢化钛在粉末冶金法铝基泡沫铝材料的制备过程中无需进行氧化处理。氢化钛粒度对泡孔结构和发泡行为有着显著的影响,在D50小于32.544μm的条件下,铝基前驱体材料发泡后都可以获得泡孔结构均匀的泡沫铝材料;0.6wt.%的氢化钛是粉末冶金法泡沫铝材料制备的最佳发泡剂添加量。 Mg元素的添加在粉末冶金法铝基泡沫铝材料的制备中必不可少。在空气雾化铝粉作为铝基泡沫铝原料且铝粉含氧量为0.34wt.%的条件下,铝基前驱体中的最佳Mg粉添加量范围为0.6~1.0wt.%。 对于铝基泡沫铝而言,泡孔内表面存在明显的褶皱形貌:在发泡初期,泡孔内表面比较光滑,褶皱不明显;在发泡中期,泡孔内表面出现了明显的凸起;而发泡后期出现了类似于河流样的褶皱,这种褶皱是由于在重力和毛细力的双重作用下,液体沿着布拉德边界和泡壁所形成的通道向下流动所造成的结果。 粉末冶金法铝基前驱体发泡早期出现了类裂纹孔和其周围的初始圆形泡孔,粉末压制成型过程中铝基前驱体内应力在其加热过程中的释放是早期类裂孔形成的主要驱动力。由简化的Raiyleig方程可知,类裂纹孔同其周围的初始圆形泡孔之间存在明显的压差ΔP,压差ΔP在类裂纹孔周围的泡孔继续长大过程中挤压或分割类裂纹孔,导致了类裂纹孔的完全消失。 钢板表面热浸镀铝和化学镀镍处理不仅防止钢板在发泡过程中的表面氧化,也使得钢板同芯层的铝基泡沫铝之间的冶金结合变得更加容易;钢面板泡沫铝夹芯板最佳发泡工艺为:发泡温度800℃,发泡时间140s。