增黏温度对泡沫铝孔结构的影响及机理分析

李　康，王录才，游晓红

（太原科技大学材料科学与工程学院，山西太原 030024）

增黏温度对泡沫铝孔结构的影响及机理分析

李康，王录才，游晓红

（太原科技大学材料科学与工程学院，山西太原 030024）

以ZL102为基体材料，研究了熔体发泡法制备泡沫铝过程中，增黏温度对泡沫铝孔结构的影响，包括样品孔隙率，平均孔径，孔圆形度的变化情况，并对其影响机理进行了分析，得出了在其他条件不变的情况下，增黏温度为600℃时，样品的发泡效果最佳的结论。

增黏温度；孔结构；影响；机理分析；发泡效果

闭孔泡沫铝内部带有多边形孔或球形孔，具有质轻，高比强度，良好的抗冲击，电磁屏蔽，吸声降噪，隔热等性能，是一种高新多功能金属材料。根据各行业对性能的不同应用需求，采用不同的制备工艺制备出适应不同行业的泡沫铝产品。

熔体发泡法是制备闭孔泡沫铝的主要方法之一。目前实验研究表明：发泡温度是对泡沫铝孔结构影响的重要因素，发泡温度过低，导致发泡剂在规定时间内，分解不足或者分解缓慢，最终导致整体发泡效果不佳：发泡温度过高，导致熔体粘度不高，发泡剂分解太快，产生的气体急剧膨胀直接逸出熔体，同样会导致样品的发泡效果不佳。然而对于增黏温度对孔结构的影响，目前研究的还不太清楚。本文以ZL102为基体材料，TiH2为发泡剂，在只改变增黏温度的条件下，进行单因素对比试验［1］，研究了增黏温度对泡沫铝结构的影响，并对其影响机理进行分析。

1　实验材料和方法

1.1实验材料

基体材料采用工业ZL102铝合金，发泡剂为TiH2，增黏剂为Ca粉，加入适量的Mg粉，各种材料规格如表1所示。

表1 实验材料

1.2实验设备

实验设备有电阻丝加热搅拌炉（图1为搅拌炉示意图），电热恒温干燥箱，电子称，切割装置等。

图1　电阻丝加热搅拌装置示意图

1.3试验过程

实验流程如图2所示。ZL102在电炉中熔化后，分别在熔体温度为590℃，600℃，610℃，620℃，630℃时加入Ca粉进行增黏，以900 r/min的速度搅拌5 min，然后在600℃加入质量分数1.5%TiH2，以900r/min的速度发泡搅拌4 min，在650℃保温发泡1 min，最后空冷形成泡沫铝［2］。

图2 实验流程

试样处理过程包括：首先采用切割工具获得平整的样本截面，然后对整个截面进行喷黑漆处理，以降低其反光能力［3］。用砂纸打磨掉表面孔壁的漆层，获得光亮的孔壁。用扫描仪将样品表面扫描成图像，存为jpg格式。用Adobe Photoshop对扫描图像进行处理，调整图像的对比度，增大孔穴和孔壁的灰度反差，存为bmp格式。用软件IR2000对图像进行二值化处理后进行孔洞编号，统计出每一个孔洞的面积，等效圆的直径并算出圆形度等数据进行作图分析。

2　实验结果与分析

实验样品及其纵截面图像如图3所示。

测得各温度下样品孔隙率如表2所示。图4为样品孔隙率和增黏温度的关系。

表2 样品孔隙率

从图3和图4中看出，样品的孔隙率随温度升高呈现先升高后降低的趋势，并且在温度600℃条件下制备的泡沫铝气泡效果最佳，孔隙率达到86%. 对各温度下的样品切开进行纵截面观察发现，随着增黏温度的升高［6-8］，试样的平均当量圆直径在不断的增大、平均圆形度大小在不断减小，造成发泡的孔结构不佳，即在增黏温度600℃，其样品孔结构最均匀，下层实体层厚度为45.4 mm，上层起泡高度120.8 mm，起泡高度占到总高度的72.7%.

图3　实验样品纵截面图片

图4　样品孔隙率与增黏温度关系

对600℃最佳样品进行平均孔径及圆形度的测量，采用对样品进行中心截面切片取样，其结果如图5，图6和图7所示。

由图5、图6、图7可分析出，从样品上部到下部，泡沫铝各横截面孔的孔隙率、平均直径、圆形度逐渐增大，截面孔的孔隙率在76.3%～86.6%范围内波动。孔的平均当量圆直径在2.387 mm～4.097mm范围内，孔的圆形度在0.598～0.843范围内，这些数值说明，样品在发泡区域，下层的孔结构发泡效果好于上层，孔的圆形度、孔径、孔隙率均高于上层；每个样品截面其当量圆直径在各平均当量圆直径附近较集中，这说明各截面孔径相差不大，孔的均匀性很好；但是各部分平均孔径的数值相差较大，从上层Da=2.387 mm，到中层Da=3.097 mm，再到下层Da=4.097 mm，各层相差近1 mm，即孔径大小从上到下成阶梯式增长。

3　机理分析

3.1增黏温度的确定

用熔体发泡法制备泡沫铝，在加入发泡剂进行发泡时，还需要对熔体进行增黏，以保证熔体有足够的黏度，将发泡产生的气体滞留在熔体中，增黏温度对熔体最终黏度起到了至关重要的作用，增黏温度过低，熔体流动性太差，会导致加入的Ca粉不能与之均匀混合及反应［10］，最终导致熔体整体的增黏效果不佳，从而也会影响最终的发泡效果；增黏温度过高，则会导致Ca在加入时，大部分Ca粉还没来得及进入熔体，在表面就与熔体迅速反应，形成的氧化物为次增黏物质，相比之下，生成的主要增黏物质金属间化合物CaAl2和CaAl4量少；与此同时，增黏温度过高，熔体的流动性变好：这些都会导致熔体整体的增黏效果不够，对气泡生长产生的外阻力不够，最终会导致发泡产生的气泡迅速长大合并逸出直至破裂。

3.2增黏温度对孔结构的影响

增黏温度关系到前期熔体的增黏效果的好坏，而增黏效果的好坏直接影响泡沫铝孔结构的质量。实验中看到，增黏温度在600℃，其增黏效果最好，在同等固定参数的条件下，其发泡孔隙率、圆形度最高，孔径大小最均匀；温度继续升高，样品的孔隙率反而下降，实体层厚度也逐渐增加，这是由于温度过高，熔体的可流动性变好，整体的黏度变差，发泡时产生的气体由于外阻力变小，急剧膨胀，引起熔体的体积增大很快，气泡间液膜变薄导致大气泡互相并聚连通，气泡迅速长大合并逸出直至破裂，最终导致样品的体积回缩，产生气泡坍塌。

图5　上部试样截面孔结构分布图（T=600℃）

图6　中部试样截面孔结构分布图（T=600℃）

图7　下部试样截面孔结构分布图（T=600℃）

4结论

1）在增黏温度600℃时，样品孔隙率最高，达到86%，对样品截面进行观察发现，随着增黏温度的升高，试样的平均当量圆直径在不断的增大、平均圆形度大小在不断减小。2）样品上部到下部，泡沫铝各横截面孔的孔隙率、平均直径、圆形度逐渐增大。3）截面孔的孔隙率在76.3%～86.6%范围内波动。孔的平均当量圆直径在2.387 mm～4.097 mm范围内，孔的圆形度在0.598～0.843范围内。4）上中下三部分样品截面，其孔当量圆直径在各平均当量圆直径附近较集中，这说明各截面孔径相差不大，孔的均匀性很好，但各部分平均孔径的数值相差较大，成阶梯式增长。

［1］ 王芳，王录才.发泡温度对泡沫铝孔结构的影响及机理分析［J］.太原科技大学学报，2003，24（1）：70-72.

［2］ 许庆彦，陈玉勇，李庆春.多孔泡沫金属的研究现状［J］.铸造设备研究，1997（1）：18-24.

［3］ 侯伟.熔体发泡法制备泡沫铝及其工艺研究［D］.秦皇岛：燕山大学，2012.

［4］ 刘福源，王芹.温度对泡沫铝制备过程的影响［J］.贵州工业大学学报：自然科学版，2007，36（6）：29-31.

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［6］ 袁文文，陈祥，刘源，等.熔体发泡法批量制备泡沫铝板材关键技术的研究［J］.稀有金属材料与工程，2009，38（3）：306-310.

［7］ 杨国俊，姚广春.Ca增黏熔体发泡法制备闭孔泡沫铝的研究［J］.轻金属，2006（9）：48-50.

［8］ 罗洪杰.熔体发泡法制备泡沫铝材料的研究［D］.沈阳：东北大学，2005.

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［10］ Chen C，Fleck N A.Size effects in the constrained deformation of metallic foams［J］.Journal of the Mechanics&Physics of Solids，2002，50（5）：955-977.

Effect of Tackfying Temperature on Foamed Aluminum Pore Structure

LI Kang，WANG Lu-cai，YOU Xiao-hong
（Department of Materials Science and Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan Shanxi 030024，China）

Based on ZL102 matrix material，the influence of tackfying temperature on the foamed aluminum pore structure，such as theporosity，average pore size，pore circular degree，was studied during the process of preparation of aluminum.The results showed the foaming effect of the sample is the best at the tackfying temperature 600℃with other conditions unchanged.

tackfying temperature，pore structure，mechanism analysis，affection

TG146.2

A

1674-6694（2016）03-0030-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.03.009

2016-03-29

李康（1988-），男，硕士研究生。

王录才（1965-），男，博士，教授，研究方向：多孔泡沫金属/金属基复合材料/铸造新技术与新设备。