[发明专利]一种可控结构闭孔泡沫铝锭的高效连续铸造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可控结构闭孔泡沫铝锭的高效连续铸造方法，属于多孔金属连续制备技术领域。

背景技术

泡沫铝具有超低密度、高比强度/比刚度，及吸声、抗冲击、阻燃、电磁屏蔽等优良性能，因而既可作为轻质结构、减振介质应用于航空航天、武器装备和汽车等领域，也可作为功能材料应用于高速公路隔音、建筑物减噪及电子仪表电磁波防护等方面。目前，常用的制备泡沫铝的方法有渗流铸造法、熔模铸造法、电解沉积法、固气共晶凝固法，粉末冶金法、注气发泡法、熔体发泡法等。

其中，渗流铸造法、熔模铸造法、电解沉积法主要用于制备开孔泡沫铝。渗流铸造法可以得到孔径均匀性较好的开孔泡沫铝，但所获得泡沫铝的孔隙率不高且仅限于比较窄的范围，一般在50%-70%，同时其工艺复杂、成本较高；熔模铸造法类似于渗流铸造法，此法可以制备不同孔隙率的泡沫铝，而且重复性好，密度稳定，但是其难点在于如何在不破坏泡沫铝结构的同时去除耐热模型，这增加了其工艺难度及成本；电解沉积法制备出来的泡沫铝的孔洞连通性好、分布均匀、孔隙率大，但工序长，操作繁琐，应用有限。

固气共晶凝固法、粉末冶金法、注气发泡法、熔体发泡法主要用于闭孔泡沫铝的制备。固气共晶凝固法是较有特点的制备多孔材料的方法，但是因为制备过程可变因素多，另外，此方法还涉及到安全的问题，且工艺控制较为复杂，所以目前仍局限于实验室中，还没有实现商业化应用；粉末冶金法制备的泡沫产品质量好，性能稳定，工件的再现性高，且可以制备形状复杂的近成品尺寸的零件，但此方法的工艺较复杂，成本也相对较高，适于铸造加工一些小零件，不适合大规模工业生产。专利CN 202849520 U所述的采用粉末冶金法连续制备泡沫铝的装置，其实现方式仅是实现预制块到小型件的连续发泡，并不是真正意义上的泡沫铝连续制备方法。

注气发泡法是目前唯一商业应用的连续制备闭孔泡沫铝材料的方法。注气发泡法是向具有一定粘度的熔融铝或铝合金中通入气体（空气、氮气、氢气），使之在其中生成大量细小弥散的气泡，冷却凝固后在铝基体中形成气孔，从而得到泡沫铝。挪威的Hydro 铝业公司和加拿大的Cymat铝业公司供应的泡沫铝合金就是用此方法生产的。注气发泡法是一种外生气源的发泡方法，气泡具有生成快，易聚合长大和破灭等特点，因而其发泡过程不易控制。液态泡沫铝通过传送带进行传送并且同时进行冷却得到闭孔泡沫铝板。这种方法简单、经济，可以连续生产。但目前用此方法制备泡沫铝，都是将发泡熔体上部先凝固的泡沫铝用牵引辊及传送带拉出熔体，实现连续制备，而熔体中的气体会在熔体中运动上浮、合并长大，这就决定了其结构中存在部分大气泡，存在孔尺寸较大、孔形状不规则的不足，而且很难实现制备孔径细小且相对密度较大的泡沫铝试样。虽然专利CN 102312117 A对现有技术进行改进，采用微孔输气，使初入熔体的泡孔尺寸减小，但仍难以控制之后气泡的合并长大，同时由传送带的机械作用而引起的孔结构不均匀也是需要解决的问题之一。

相比较而言，熔体发泡法工艺简单、成本低廉，适合工业化生产。该方法的基本思路与注气发泡法相似，其主要区别在于熔体发泡法是一种内生气源发泡方法，气泡在熔体中的形成、生长等过程都与发泡剂的种类、加入量、粒度、预处理方法等有重要关联，因而采用熔体发泡法可以通过对发泡剂的相关选择及处理对孔结构进行很好的控制。

采用熔体发泡法制备闭孔泡沫铝时，因为纯液态金属的粘度普遍很低，气泡在其中的排液过程往往发生太快，因而很难存留。解决办法之一就是在发泡前向铝液中加入增粘介质，使其粘度增加，从而阻止气泡膜的排液，使气泡稳定地存留在铝熔体中。在发泡气体产生的同时对液体进行搅拌使熔体和气泡更加均匀，并且使气泡变得细小，这一步工艺的好坏将直接影响产品质量。

目前在静态条件下采用熔体发泡法制备泡沫铝已经比较成熟，但是随着工业化的推进及社会需要的增多，低效率的静态制备技术已经不能满足需求，因而泡沫铝的连续制备越来越引起人们的重视。但是在实现泡沫铝连续制备的过程中也有很多突出的问题：

（1）发泡剂分解难控制，增大孔结构均匀性实现难度。美国专利US.pat.3743353所述用TiH₂ 作发泡剂制备泡沫铝时的搅拌发泡时间要求控制在1～2min，这极大地增加了制备操作难度，应用于连续铸造中可实现性较差；

（2）静态铸造存在无泡层。目前静态铸造中，发泡体底部会出现一定厚度的实心体，虽然可以通过加入Mg等润湿剂减少底部无泡层，但并不能完全消除；