开孔泡沫铝制备及其性能研究（四）

闭孔泡沫铝的制备方法

(1)粉末冶金法

粉末冶金法作为生产泡沫金属的重要方法之一，一直受到许多学者的推祟，其历史甚至可以追溯到上个世纪初。其基本原理为首先把铝粉、发泡剂混合后压制成密实的预制块，预制块的质量决定了产品的质量，因此在进行此步时应避免预制块中有明显的残留气孔或缺陷。然后将预制块放入炉中加热，加热到金属熔点附近，发泡剂受热分解产生气体而使得半熔融状态的金属发生膨胀，从而在其内部形成无数的气孔，经冷却后，便得到泡沫金属材料。其中，发泡温度和预制块大小决定发泡时间的长短，一般从几秒钟到几分钟。此工艺的优点在于能制备泡沫金属种类多，如纯铝和各种铸造、锻造铝合金，以及锡、青铜、铅等其他金属，且制备工艺简单，可以制备出复杂形状、性能稳定的金属泡沫。缺点是工艺过程较为复杂，且发泡剂价格昂贵，生产成本较高。

(2)发泡剂法

金属熔体发泡法的工艺原理是首先对熔融金属进行粘度调节。可选用的增粘剂有金属钙、硅的非金属聚合物、粉末状氧化铝、碳化硅、铝的浮渣、氩气等。本文以金属钙为例,对后续过程进行阐述。在实际生产中，将1.5%~3.0%(wt)金属钙加入680℃的铝液后，进行搅拌，在这一过程会形成如氧化钙(CaO)、钙铝尖晶石等金属间化合物，从而使熔体粘度增加。当粘度适合发泡时，加入1.6%(wt)的氢化钛作为发泡剂，在恒压下的热的粘滞熔体中释放出H2，液体膨胀泡沫化，冷却后即可得泡沫金属。其中，发泡温度范围和加工时间等工艺参数需要进行严格控制。目前，日本一家公司采用此法已成功生产出孔隙均匀的Alporas泡沫铝。Alporas泡沫铝的生产工艺能制备出密度为0.18~0.24g/cm3的泡沫铝，其孔径约为4.5mm，且孔结构均匀。

(3)注气法

该工艺的第一步是通过向金属熔体中加入细小的金属粒子，如氧化铝、碳化硅、氧化镁等，起到增加熔体粘度，稳定熔体的发泡温度范围的作用。除此之外，还需考虑熔体对颗粒的浸润问题和增强颗粒的均布问题，因此，加入的金属颗粒通常为体积分数10%~20%，颗粒尺寸为5~20μm。第二步则是通过专门设计的旋转式推进器或振动式喷嘴将气体（空气、氮气、氩气）注入金属熔体中，这一步工艺的好坏将直接影响所得泡沫金属产品质量，因此，推进器或喷嘴能否在熔体中产生足够细小的气泡并使其均匀分布至关重要。含有气泡的铝液将浮向液面，由于液体中存在着细小金属颗粒，从而可以稳定液体中的气泡。通过传动皮带将表面半固态的泡沫拉出，经平直化处理后冷却凝固即可得到泡沫铝板。这种方法优点是操作简易、经济，成品的孔穴尺寸可调范围大、孔隙率高、板材体积大，可连续化生产。缺点是孔尺寸较大、孔结构不规则，同时由于颗粒的加入，使胞壁变脆，对力学性能产生不利影响。目前挪威的Hydro铝业公司和加拿大的Cymat铝业公司运用此法研制泡沫铝产品。

(4)固-气共晶凝固法

固-气共晶凝固法，又称固-气低共熔凝固法，是近年来开发的制备泡沫金属的一种新方法。其工艺为在密闭压力容器内，向金属熔体中通入具有一定溶解度的气体，气体溶解度随压力增加和温度的上升而提高。当溶解度达到预定值后，使熔体通过共晶点冷却，凝结时随着气态氢的溶解度下降而析出，从而在达到共晶点的同时发生金属凝固和气孔形核。通过调节和控制系统的压力、冷却速度和温度梯度的方向等工艺参数，可制备出具有不同孔结构的各向同性和各向异性的高孔隙率泡沫金属。此法的优点在于无需粘结就能生产出作为运载工具理想部件的带蜂窝状或泡沫状芯材的金属夹层材料。该方法由于受孔隙率及孔的取向与合金成分、金属熔体的过热度等诸多可变因素的影响，增加了精确控制及优化孔结构的难度，另还存在着成本、安全等问题，使得该方法无法实现商业化应用。

(5)溅射夹气沉积法

在一定的惰性气体分压下，采用阴极溅射法在基体材料上沉积出夹杂惰性气体原子的金属，加热至金属熔点以上充分保温，使夹杂的气体膨胀而形成孔隙，冷却后即可以制备出闭孔结构的泡沫金属材科料。此法优点为孔隙率可调，缺点是蒸镀速度慢，生产率低。