纯Al及亚共晶Al-Si合金基体对吹气法泡沫铝泡孔结构的影响

文章编号:１００１Ｇ９７３１(２０１５)１９Ｇ１９０４１Ｇ０５纯A l及亚共晶A lＧS i合金基体对吹气法泡沫铝泡孔结构的影响∗周宇通１,李言祥１,２,袁建宇１(１．清华大学材料学院,北京１０００８４;２．教育部先进成型制造重点实验室,北京１０００８４)摘㊀要:㊀采用吹气法制备工艺,研究了纯A l及亚共晶A lＧS i合金基体对泡沫铝平均泡孔尺寸㊁相对密度,平均泡壁厚度等泡孔结构参数的影响.结果显示,亚共晶A lＧS i合金基体泡沫铝较纯A l基体泡沫铝具备更佳的泡孔结构,并且平均泡孔尺寸更小,相对密度更低,平均泡壁厚度更薄.而S i含量不同的亚共晶A lＧS i合金基体泡沫铝之间的差别较小,泡孔结构参数基本一致.分别从合金相图㊁熔体表面张力,熔体粘度㊁液膜破裂的平均厚度等角度分析了造成上述结果的原因.研究表明基体金属的种类也会对吹气法泡沫铝的产品质量产生显著影响,是生产中值得重视的一个因素.关键词:㊀泡沫铝;吹气法;亚共晶A lＧS i合金;泡孔结构中图分类号:㊀T G１４６．２文献标识码:A D O I:１０．３９６９/j．i s s n．１００１Ｇ９７３１．２０１５．１９．００９１㊀引㊀言泡沫铝是一种非常有潜力的结构功能一体化材料,在变形吸能㊁隔火耐热㊁消声降噪及电磁屏蔽等方面有着广阔的应用前景[１Ｇ２].吹气法工艺作为当下制备泡沫铝的主要方法之一,具有工艺简单㊁成本较低㊁可连续生产等优点,是未来大规模商业化生产泡沫铝材料的合适路径.虽然在过去很长一段时间内,研究者们对气体种类㊁气流量㊁颗粒种类和尺寸㊁温度及浸润性等工艺参数对吹气法泡沫铝泡孔结构的影响做了深入的研究并取得了不少成果[３Ｇ６],但吹气法泡沫铝依然面临泡孔结构参数不稳定㊁质量参差不齐㊁性能波动较大等问题,且难以制备成大块.而泡孔结构与泡沫铝的压缩性能[７]㊁吸声性能[８]等联系紧密.因此,较差的泡孔结构已经成为了吹气法泡沫铝在销售市场的主要制约因素.上述现状反映出目前对吹气法泡沫铝的科学认识还不够深入,相关研究工作开展得还不够全面.由于吹气法泡沫铝中实体部分所占的体积均小于１５％,因而在过去的研究中没有得到足够重视.目前,几乎还没有研究涉及到基体材料与泡沫稳定性之间关系,基体材料对吹气法泡沫铝泡孔结构的影响也有待研究.从吹气法制备工艺来看,熔体处理是能够影响实验成败的几个关键步骤之一.而基体材料成分的变化会引起熔体液相线温度㊁表面张力及粘度等物性参数的变化.这些参数会在气泡的演化过程中对泡沫稳定性产生不同的作用,从而影响泡沫铝最终的泡孔结构参数.可见基体材料种类也应是泡沫铝制备中值得重视的一个环节.基于上述分析,有必要针对这些问题开展实验进行具体研究.２㊀实㊀验实验原材料选择了工业上使用较多的纯A l及A lＧS i合金,其合金相图如图１所示.在亚共晶范围内选取了纯A l㊁A l S i２㊁A l S i７㊁A l S i１２共４种成分作为研究对象.将不同的基体金属熔化后均机械搅拌加入１０％(体积分数)平均粒度为１０μm的A l２O３颗粒作为泡沫稳定剂.利用相同的吹气设备将压缩空气吹入预先处理好的可发泡熔体中制备泡沫铝.实验过程中,所有的工艺参数都尽量保持一致.使用的吹气头孔径约为０．３mm,发泡温度维持在７１０~７２０ħ,气流量约为０．８L/m i n.为了能够收集到长度＞２０c m的大块泡沫铝样品,采用人工提拉辅助的方式避免泡沫在冷凝前发生压缩㊁塌陷或破裂.图１㊀A lＧS i二元合金相图F i g１A lＧS i b i n a r y a l l o yp h a s e d i a g r a m s㊀㊀根据国际标准I S O２８９６Ｇ８６中的划线法测量了泡沫铝三维方向上的平均弦长,然后计算得到泡沫铝的平均泡孔尺寸.称取各个试样的重量并测量它们的体积,将两者之比换算成实体铝锭密度的百分数,得到相对密度.泡沫铝泡壁样品经打磨抛光后,在A x i o m s c o p e a１型光学显微镜上摄取光学显微照片.同时,利用实验室开发的图像分析软件对泡壁的平均厚度以及泡沫铝横截面上孔棱所占的平均面积分数进行了统计.为了保证数据的准确性,统计泡壁平均厚度时,在１４０９１周宇通等:纯A l及亚共晶A lＧS i合金基体对吹气法泡沫铝泡孔结构的影响∗收到初稿日期:２０１４Ｇ１２Ｇ０３收到修改稿日期:２０１５Ｇ０５Ｇ１５通讯作者:李言祥,EＧm a i l:y a n x i a n g＠t s i n g h u a．e d u．c n 作者简介:周宇通㊀(１９８７－),男,杭州人,博士,师承李言祥教授,从事多孔金属制备与性能研究.每个实验条件下随机选取了８个以上的泡壁样品作为分析对象.而在统计孔棱所占的平均面积分数时,每个实验条件下３个以上的泡沫铝横截面被随机选取为分析对象.３㊀结果与讨论３．１㊀平均泡孔尺寸及相对密度用线切割对实验制备的泡沫铝进行加工以便对其平均泡孔尺寸及相对密度进行研究,典型的样品纵断面如图２所示,统计得到的数据如图３所示.从图２和３可以看出,含S i 量不同的亚共晶A l ＧS i 合金泡沫铝的泡孔结构相似.而与亚共晶A l ＧS i 合金泡沫铝相比,纯A l 基体制备泡沫铝的泡孔均匀性较差,且泡孔平均孔径也要高出３~４mm .这说明以纯A l 为基体制备泡沫铝时,泡沫稳定性更差,泡沫在毛细压力及重力等外界因素干扰下更容易发生破裂,从而导致气泡合并,增大了气泡的平均孔径.从相对密度的角度来看,虽然纯A l 泡沫的平均泡孔尺寸更大,但其相对密度依然比亚共晶A l ＧS i 合金泡沫铝高出０．０２~０．０３,可见纯A l 泡沫铝中实体部分的体积较亚共晶A l ＧS i 合金泡沫铝更高.为验证上述结论,借助图像软件对泡沫铝样品的横截面进行了分析.对经扫描得到的泡沫铝横截面图像进行二值化处理以增加孔棱与泡孔的对比度(如图４).统计结果显示,以纯A l ㊁A l S i ２㊁A l S i ７及A l S i １２为基体所制备泡沫铝横截面上孔棱所占的平均面积分数分别为１６．２％,１３．２％,１３．９％和１４．１％.类似于图３中相对密度(三维尺度)的变化规律,二维尺度上的结果显示纯A l 泡沫铝中的实体部分同样要明显高于亚共晶A l ＧS i 合金泡沫铝,而S i 含量不同的亚共晶A l ＧS i 合金泡沫铝之间的差别不大.但是,二维统计结果总体上均比三维统计结果高约０．０４.由于误差较为稳定,可以认为其是图像处理过程中人为因素等带来的系统误差.如此,两者得到的结论便是一致的.图２㊀不同基体制备泡沫铝的纵断面形貌F i g ２V e r t i c a l s e c t i o n s o f a l u m i n u mf o a m s p r o d u c e db y di f f e r e n t b a s em a t e r i a l s ㊀㊀㊀图３㊀平均气泡尺寸及相对密度与基体材料中S i 含量的变化关系F i g ３A v e r a g e c e l l s i z e a n d r e l a t i v e d e n s i t y as a f u n c Ｇt i o no f S iw e i g h t c o n t e n t ３．２㊀平均泡壁厚度及微观组织从已制得的泡沫铝的不同位置随机剪取数个泡壁样品以对泡壁的微观组织及平均厚度进行研究.它们典型的微观组织如图５所示.从图５可以看出,纯A l 泡沫铝的微观组织由淡黄色的初生铝相㊁黑色的A l ２O ３陶瓷颗粒相以及一些气孔组成.亚共晶Al ＧS i 合金泡沫铝的微观组织在此基础上增加了一相淡蓝色的共晶硅组织,这与先前已经过研究的A ３５６合金泡沫铝的微观组织十分相似[９].随着基体材料中S i 含量的增加,共晶硅相在微观组织中所占的面积分数也逐渐增加.经大量视场观察,颗粒在不同基体中分散情况的差异并不明显,说明S i 元素并不像C a 元素一样能改善颗粒的浸润性,使得颗粒能够在组织中分布得更为均匀[１０].与微观组织不同,泡壁样品在平均厚度方面的差距非常大.经统计,以纯A l ㊁A l S i ２㊁A l S i ７及A l S i １２为基体制备的泡沫铝所对应的平均泡壁厚度分别为３８０,１６０,１５０及１５０μm (如图６).结合上一节平均泡孔尺寸及相对密度的数据可得,纯A l 泡沫铝之所以能够在泡孔尺寸较大,泡壁数量较少的条件下依然获得更高的相对密度是因为它的平均泡壁厚度２倍多于亚共晶A l ＧS i 合金泡沫铝.亚共晶A l ＧS i 合金泡沫铝的平均泡壁厚度随着S i 含量的增加呈现出略微递减的规律,但相互之间的差别同样不大,这与平均泡孔尺寸及相对密度的研究结论类似.２４０９１２０１５年第１９期(４６)卷图４㊀不同基体制备泡沫铝的横截面二值化形貌F i g ４B i n a r i z a t i o n i m a g e s o f c r o s s s e c t i o n s o f a l u m i n u mf o a m s p r o d u c e db y di f f e r e n t b a s em a t e r i a l s 图５㊀不同基体制备泡沫铝泡壁的微观形貌F i g ５O p t i c a lm i c r o s t r u c t u r e s o f a l u m i n u mf o a m s p r o d u c e db y di f f e r e n t b a s em a t e r i a l s ３．３㊀熔体性质对泡孔结构的影响不同成分的材料在液态时具备不同的性质,主要体现在液相线温度㊁表面张力及粘度等方面.当泡沫在熔体表面堆积以及冷却凝固时,上述熔体性质均与泡沫稳定性息息相关并会直接决定最终的泡孔结构.对于纯A l 及A l ＧS i 合金而言,在亚共晶成分范围内,表面张力将从纯A l 的０．８６３N /m 下降到A l S i １２的０．６５８N /m ,下降幅度约２０％[１１].当S i 含量超过２％(质量分数)后,表面张力的值就趋于稳定,其变化可以被忽略.但由于液膜表面会形成１层十几纳米厚的氧化膜[１２],熔体所处的环境已与表面张力的测定环境存在一定区别,因此准确的数值可能会有所变化.３４０９１周宇通等:纯A l 及亚共晶A l ＧS i 合金基体对吹气法泡沫铝泡孔结构的影响图６㊀平均泡壁厚度与基体材料中S i含量的变化关系F i g６A v e r a g e t h i c k n e s s o f c e l lw a l l s a s a f u n c t i o no fS iw e i g h t c o n t e n t㊀㊀根据热力学知识,具备较高自由能的系统存在自发向系统自由能降低方向发展的趋势.因而表面张力较高的纯A l熔体更倾向于通过液膜破裂,减小系统总表面面积的方式来达到降低系统自由能,提高系统稳定性的目的.也就是说,纯A l泡沫铝的气泡更易于发生合并粗化,这是导致其平均泡孔尺寸较大,泡孔结构不均匀的主要原因之一.粘度方面,根据S r i r a n g a m 等的研究[１３],亚共晶A lＧS i合金熔体的粘度随成分中S i含量增加而下降.１０００K条件下,S i含量从０增加到１２％(质量分数)能使粘度相对下降约３０％.更值得注意的是,S i含量对材料液相线温度的显著影响.相图计算可得,纯A l的液相线为６６０ħ,而A l S i２㊁A lＧS i７及A l S i１２的液相线温度分别为６４７,６１４及５８１ħ.由于发泡温度恒定为７２０ħ,而亚共晶A lＧS i 合金较纯A l的液相线温度更低,因此亚共晶A lＧS i合金能够更久地维持液体状态以帮助排液过程获得更多的时间.此外,亚共晶A lＧS i合金熔体的粘度也明显小于纯A l.较小的粘度难以阻止排液的进行,相对地增大了排液速度,促使熔体更快地从液膜中流出.排液时间更长,排液速度更快,泡壁自然也就更薄了.显然,从上述两个方面可以较好地解释亚共晶A lＧS i合金泡沫铝平均泡壁厚度只有纯A l泡沫铝一半的实验现象.但近年来的一些研究成果显示基体金属对泡沫稳定性及泡孔结构的影响远远没有那么简单.S t a n z i c k 等[１４]运用X射线透视技术原位观测了泡沫铝的发泡过程.他发现液膜并不能像以往认为的那样减薄至十几个微米甚至数个微米级别,而是在厚度还有几十个微米时就突然发生了破裂.由于金属泡沫的稳定性与水系泡沫存在很大的不同,对金属泡沫稳定性的认识也不够全面深入[１５],引起液膜突然破裂的原因仍需进一步研究.更有意思的是,不同基体金属对应的液膜破裂平均厚度也各不相同.从他统计整理得到的结果中可以看出,亚共晶A lＧS i合金对应的厚度值均低于纯A l.当基体为纯A l时,液膜破裂的平均厚度为１００μm.若将基体金属更换为A l S i７合金,那么液膜破裂的平均厚度将降低到５０m,只有原先的一半.这就意味着,对于纯A l泡沫铝来说,厚度在１００μm 以下的泡壁是几乎不存在的.因此,泡壁厚度只能分布在１００μm以上的区间范围内,这势必就增加了平均泡壁厚度的大小.从另一个角度来看,当纯A l泡沫铝的液膜厚度降低到１００μm时,液膜即会发生破裂并导致附近的气泡合并成为大气泡,从而增大了最终的平均泡孔尺寸.与之相对的,亚共晶A lＧS i合金泡沫铝由于液膜平均破裂厚度较小就更倾向于得到平均泡孔尺寸更小㊁平均泡壁厚度更薄的泡孔结构.虽然液膜破裂平均厚度对泡孔结构的影响很大,但到目前为止还不清楚基体金属到底是通过什么具体机制影响泡沫稳定性的.多数的研究者认为,液相线温度㊁表面张力及粘度等熔体性质很可能是其中的重要因素.总的来看,基体金属的种类对于吹气法泡沫铝泡孔结构的影响是非常显著的.亚共晶A lＧS i合金较纯A l不仅具有更好的力学性能,同时也易于获得更佳的泡孔结构.因此,为了制备出泡孔结构优良的泡沫铝就必须要重视基体金属的选材,挑选如亚共晶A lＧS i 合金的铝合金作为基体材料,防止气泡在制备过程中发生破裂以及合并.４㊀结㊀论(１)㊀以亚共晶A lＧS i合金为基体制备的泡沫铝较纯A l基体泡沫铝平均泡孔尺寸更小,相对密度更低,平均泡壁厚度更薄,且具备更佳的泡孔结构.(２)㊀亚共晶A lＧS i合金熔体具备较小的表面张力,较低的粘度,较低的液相线温度,对应的液膜破裂平均厚度也较小,这是它能够获得良好泡孔结构的主要原因.(３)㊀基体金属的种类对于吹气法泡沫铝泡孔结构的影响是非常显著的,在生产中必须重视基体金属的选材.亚共晶A lＧS i合金较纯A l更易制备出泡孔结构良好的泡沫铝产品,应该被更多地采用.参考文献:[１]㊀C h e n X i a n g,L iY a n x i a n g．P o r o u s m e t a l s:r e s e a r c ha dＧv a n c e s a n da p p l i c a t i o n s[J]．M a t e r i a l sR e v i e w,２００３,１７(５):５Ｇ１１．[２]㊀B a n h a r t J．M a n u f a c t u r e,c h a r a c t e r i s a t i o na n da p p l i c a t i o n o f c e l l u l a rm e t a l s a n 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z a Ｇt i o na n d p h y s i c a l p r o pe r t i e s of p a r t i c l e s o n a l u m i n u m f o a m p r o d u c t i o n [J ]．M a t e r i a l sT r a n s a c t i o n s ,２０１１,５２(１０):１９１２Ｇ１９１９．[７]㊀A n d r e w sE ,S a n d e r s W ,G i b s o nLJ ．C o m pr e s s i v ea n d t e n s i l eb e h a v i o ro fa l u m i n u m f o a m s [J ]．M a t e r i a l sS c i Ｇe n c e a n dE n g i n e e r i n g A ,１９９９,２７０:１１３Ｇ１２４．[８]㊀F a nX u e l i u ,C h e nX i a n g ,L i uX i n g n a n ,e t a l ．P r o pe r t i e s of a l u m i n u mf o a m p r e p a r e db yg a s i n je c t i o n m e t h o d [J ]．T h eC h i n e s e J o u r n a l o fN o nf e r r o u sM e t a l s ,２００１,２１(６):１３２０Ｇ１３２７．[９]㊀Z h o uY u t o n g ,Y u a n W e n w e n ,L iY a n x i a n g ．S t u d y ofm i Ｇc r o s t r u c t u r e o fA ３５６a l u m i n u mf o a m s p r o d u c e db y me l tf o a m i ng a n d g a s i n j e c t i o n f o a m i n gpr o c e s s e s [J ]．J o u r n a l o fF u n c t i o n a lM a t e r i a l s ,２０１４,４５(７):７０３０Ｇ７０３４．[１０]㊀L i uX i n g n a n ,L iY a n x i a n g ,C h e nX i a n g,e t a l ．E f f e c t o f C a o n p a r t i c u l a t e d i s p e r s i o na n d f o a ms t a b i l i t yi n g a s i n Ｇj e c t i o nf o a m i n g pr o c e s s [J ]．T h e C h i n e s eJ o u r n a lo f N o n f e r r o u sM e t a l s ,２０１１,１１(２):３９２Ｇ３９８．[１１]㊀B a i n b r i d g e IF ,T a yl o r JA．T h e s u r f a c e t e n s i o no f p u r e a l u m i n u m a n da l u m i n u m a l l o y s [J ]．M e t a l l u r gi c a la n d M a t e r i a l sT r a n s a c t i o n sA ,２０１３,４４A :３９０１Ｇ３９０９．[１２]㊀L e i t l m e i e rD ,D e g i s c h e rH P ,F l a n k lHJ ．D e v e l o pm e n t o f a f o a m i n gpr o c e s s f o r p a r t i c u l a t e r e i n f o r c e d a l u m i n u m m e l t s [J ]．A d v a n c e d E n g i n e e r i n g M a t e r i a l s ,２００２,４:７３５Ｇ７４０．[１３]㊀S r i r a n g a m P ,J e ya k u m a rM ,K r a m e rMJ ,e t a l ．P a r t i a l p a i r c o r r e l a t i o n f u n c t i o n s a n d v i s c o s i t y o f l i q u i dA l ＧS i h yＧp o e u t e c t i c a l l o y s v i a h i g h Ｇe n e r g y X Ｇr a y d i f f r a c t i o n e x pe r Ｇi m e n t s [J ]．P h i l o s o p h i c a l M a g a z i n e ,２０１１,９１:３８６７Ｇ３９０４．[１４]㊀S t a n z i c kH ,W i c h m a n n M ,W e i s e J ,e t a l ．P r o c e s s c o n Ｇt r o l i na l u m i n u mf o a m p r o d u c t i o nu s i n g r e a l Ｇt i m eX Ｇr a yr a d i o s c o p y [J ]．A d v a n c e dE n g i n e e r i n g Ma t e r i a l s ,２００２,４:８１４Ｇ８２３．[１５]㊀B a n h a r tJ ．M e t a l f o a m s :p r o d u c t i o na n ds t ab i l i t y [J ]．A d v a n c e dE n g i n e e r i n g Ma t e r i a l s ,２００６,８:７８１Ｇ７９４．T h e i n f l u e n c e o f p u r eA l a n dh y p o e u t e c t i cA l ＧS i a l l o y ba s em a t e r i a l s o n t h e c e l l s t r u c t u r e s o f a l u m i n u mf o a m s p r o d u c e db y g a s i n j ec t i o n f o a m i n g pr o c e s s Z H O U Y u t o n g １,L IY a n x i a n g １,２,Y U A NJ i a n yu １(１．S c h o o l o fM a t e r i a l sS c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g ,T s i n g h u aU n i v e 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i c k n e s sof a l u m i n u mf o a m s p r o d u c e df r o m h y p o e u t e c t i cA l ＧS i a l l o y wa s s m a l l e r ,l o w e r a n dt h i n n e r ．W h i l e t h e s ec e l l s t r u c t u r e p a r a m e t e r sw e r es i m i l a rb e t w e e nt h ea l u m i n u mf o a m s p r o d uc ed f r o md i f fe r e n t h y p o e u t e c t i cA l ＧS i a l l o y s ．I n t e r m s of a l l o y p h a s e d i a gr a m ,s u r f a c e t e n s i o n ,m e l t v i s c o s Ｇi t y a n d t h e a v e r a g e r u p t u r e t h i c k n e s s o f l i q u i d f i l m s ,t h e r e l a t e d r e a s o n s c a u s i n g t h e a b o v e r e s u l t s a r e a n a l yz e d ．T h i s s t u d y s h o w e d t h a t t h e k i n d o f b a s em a t e r i a l w a s a n i m p o r t a n t f a c t o r i n a l u m i n u mf o a m p r o d u c t i o n ,s i n c e i t w o u l d s i g n i f i c a n t l y a f f e c t t h e q u a l i t y of a l u m i n u mf o a m s ．K e y w o r d s :a l u m i n u mf o a m ;g a s i n j e c t i o n f o a m i n gp r o c e s s ;h y p o e u t e c ti cA l ＧS i a l l o y;c e l l s t r u c t u r e ５４０９１周宇通等:纯A l 及亚共晶A l ＧS i 合金基体对吹气法泡沫铝泡孔结构的影响。