泡沫铝复杂曲面三明治结构制备方法与机理研究

发布时间：2020-03-18 09:00

【摘要】：泡沫铝三明治结构是由面板与泡沫铝夹芯组成的三层复合结构,它具有致密金属和泡沫金属的双重优点,在航空、航天以及汽车等领域具有广阔的应用前景。目前,泡沫铝三明治结构的主要制备方法有胶粘连接法和包覆轧制法,胶粘连接法环境适应性差,包覆轧制法工艺过程复杂,且所制备的泡沫铝三明治结构以平板结构为主。为了进一步拓展泡沫铝三明治结构的应用,开展泡沫铝复杂曲面三明治结构的制备方法研究具有重要工程价值。本文针对目前泡沫铝三明治结构制造及应用过程中存在的问题,提出了泡沫铝复杂曲面三明治结构制造的工艺方法:粉末包套轧制+热成形+高温发泡的工艺路线。通过理论分析、实验研究与数值模拟相结合的手段,系统研究了该工艺路线中的技术关键及相关的机理,具体如下:氢化钛氧化处理后,颗粒形貌无明显变化,氢化钛由内至外依次形成了Ti3O和TiO2的氧化物薄膜,Ti3O/TiO2比例不同,氢化钛将呈现不同的颜色。随着氧化处理温度的升高和时间的延长,氢化钛的质量损失率降低,热分解温度显著提高,520℃/3h氧化处理后,氢化钛的质量损失率仅为0.59%,而热分解温度则达到624℃,升高了 97℃。对于本文中以AlSi12合金为基体来制备泡沫铝三明治结构来说,氨化钛的氧化处理工艺为480℃/1h。三明治预制坯芯板的相对密度沿中线呈对称分布,随着轧制压下量的增加,芯板的相对密度增加,相对密度平台的长度也相应增加,当轧制压下量大于80%时,相对密度的大小和分布几乎是不变的,相对密度达0.98,坯料的有效利用率达70%。面板和芯板之间形成了 5 μ m的元素扩散层,面板/芯板界面实现了冶金结合。三明治预制坯的发泡过程是由孔隙的形成、长大及破裂三个阶段组成的。在不同的阶段,孔壁的微观组织是不同的,孔壁的微观组织从球形α固溶体+共晶相转变为树枝状α固溶体+共晶相。轧制压下量、发泡温度、发泡时间对三明治预制坯的发泡行为产生交互的影响,轧制压下量越大、发泡温度越高,发泡后三明治预制坯的膨胀率则越高;发泡时间则存在最佳值,在740℃的发泡温度条件下,最佳发泡时间是180s,三明治预制坯的膨胀率达2.56。泡沫铝三明治结构的弹性模量与屈服强度低于Gibson and Ashby模型的理论值,与开孔泡沫铝的力学性能接近,其变形是由孔棱的弯曲变形控制的。泡沫铝三明治结构存在一个吸能效率平台,相对密度越高,平台区越短,其吸能量随着相当密度的增加呈现先升高再降低的变化趋势,在相对密度0.34时,吸能量达到最大值1.41MJ/m3。泡沫铝三明治结构存在三种失效模式:面板屈服,压入及芯板剪切,基于此建立了三明治结构质量指数与载荷指数的关系曲线,对于给定的载荷指数,可以计算出结构质量指数。三明治预制坯既是温度敏感型材料也是速率敏感型材料,在高温低应变速率下,三明治预制坯具有较好的成形性能,在50℃/0.001s-1的条件下,材料的峰值流动应力与断后延伸率分别为22.1MPa和23.8%。在变形过程中面板和芯板可有效协同变形,其内部破碎的氢化钛颗粒是其变形失效的裂纹源。基于三明治预制坯450℃热成形+780℃/210s高温发泡的工艺路线,制备出了泡沫铝三明治曲面结构及复杂曲面结构,验证了工艺路线的可行性,展现了其应用的潜力。
【图文】：

示意图,发泡法,气体注入,发泡剂

逡逑图２－２所示。国内四川元泰达新材料股份有限公司以氧化物颗粒作为增粘剂，逡逑以干燥空气作为发泡气体，应用该方法己生产出商业泡沫铝产品。逡逑Ｇａｓ邋ｉｎｐｕｔ逦丨你『的丨ｗ油逡逑Ｖ逦一管邋Ｆｏａｍ邋ｓｈｅｅｔ邋ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ逡逑—：繁逦Ｃｏｎｖｅｙｏｒ邋ｂｅｌｌ逡逑逦逦逦逦邋＿邋Ｊ逡逑逦—＊＾0－°逡逑汕逦３：—；逡逑逦逦逦邋－－Ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ逡逑——－￣￣邋■￣—邋＾邋ａ0＾0邋＼邋Ｇａｓ邋ｏｕｔｐｕｔ逡逑一邋Ｉ＿邋．．．邋Ｚ邋—逦］逡逑逦逦邋Ｐｎ邋＜逡逑［＝—逦１逡逑图２－邋Ｉ气体注入发泡法泡沫铝制备工艺示意图逡逑图２－邋２气体注入法制备的不同密度泡沫铝样品逡逑②发泡剂发泡法（Ｆｏａｍｉｎｇ邋ｗｉｔｈ邋ｂ丨ｏｗｉｎｇ邋ａｇｅｎｔｓ）逡逑发泡剂发泡法是将能够产生气体的物质（发泡剂）加入熔融金属中，使逡逑之受热分解而产生气体，通过增加金属液体的粘度和高速搅拌以及恰当的温逡逑度控制，使产生的气体均匀地分布在金属液体中，冷却之后即可获得泡沫金逡逑属。一般采用金属钙、金属镁、铝粉等作为增粘剂，，发泡剂多为金属氢化物，逡逑氢化钛、氢化镉用于生产泡沫铝，氢化铒和氢化镁用于生产泡沫锌和泡沫铅。逡逑采用发泡剂发泡法制备泡沫金属的主要问题是孔洞的尺寸大小及其在金属基逡逑体中的分布难以控制，为解决孔洞不均匀及其尺寸过大等问题，一些研究者逡逑－７邋－逡逑

示意图,发泡法,气体注入,工艺

逡逑图２－２所示。国内四川元泰达新材料股份有限公司以氧化物颗粒作为增粘剂，逡逑以干燥空气作为发泡气体，应用该方法己生产出商业泡沫铝产品。逡逑Ｇａｓ邋ｉｎｐｕｔ逦丨你『的丨ｗ油逡逑Ｖ逦一管邋Ｆｏａｍ邋ｓｈｅｅｔ邋ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ逡逑—：繁逦Ｃｏｎｖｅｙｏｒ邋ｂｅｌｌ逡逑逦逦逦逦邋＿邋Ｊ逡逑逦—＊＾0－°逡逑汕逦３：—；逡逑逦逦逦邋－－Ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ逡逑——－￣￣邋■￣—邋＾邋ａ0＾0邋＼邋Ｇａｓ邋ｏｕｔｐｕｔ逡逑一邋Ｉ＿邋．．．邋Ｚ邋—逦］逡逑逦逦邋Ｐｎ邋＜逡逑［＝—逦１逡逑图２－邋Ｉ气体注入发泡法泡沫铝制备工艺示意图逡逑图２－邋２气体注入法制备的不同密度泡沫铝样品逡逑②发泡剂发泡法（Ｆｏａｍｉｎｇ邋ｗｉｔｈ邋ｂ丨ｏｗｉｎｇ邋ａｇｅｎｔｓ）逡逑发泡剂发泡法是将能够产生气体的物质（发泡剂）加入熔融金属中，使逡逑之受热分解而产生气体，通过增加金属液体的粘度和高速搅拌以及恰当的温逡逑度控制，使产生的气体均匀地分布在金属液体中，冷却之后即可获得泡沫金逡逑属。一般采用金属钙、金属镁、铝粉等作为增粘剂，发泡剂多为金属氢化物，逡逑氢化钛、氢化镉用于生产泡沫铝，氢化铒和氢化镁用于生产泡沫锌和泡沫铅。逡逑采用发泡剂发泡法制备泡沫金属的主要问题是孔洞的尺寸大小及其在金属基逡逑体中的分布难以控制，为解决孔洞不均匀及其尺寸过大等问题，一些研究者逡逑－７邋－逡逑
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.21;TB383.4

【参考文献】