CN104831198A - 一种多孔泡沫金属复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多孔泡沫金属复合材料及其制备方法。所述复合材料包括增强体以及在所述增强体外浇注形成的泡沫金属。增强体可以为网状或立体结构，泡沫金属为泡沫铝。本发明的复合材料既具有密实金属的高强度、高弹性、高韧性等优点，又具有泡沫金属铝的轻质、高比强度、高耐热性能等优点。

Description

一种多孔泡沫金属复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于冶金材料技术领域，尤其涉及一种高强-高弹-高韧多孔泡沫金属复合材料及其制备方法。

背景技术

密实金属（包括钢材和铝材）是应用最广的金属结构材料，在航空航天和交通运输领域，改进结构和使用轻量化材料是降低运营成本，提高燃油效率的最佳方法，泡沫铝的密度仅为纯铝的1/5~1/10，使用泡沫铝直接制造航空航天和交通运输工具的零部件，是十分有效的减重、节能、降成本手段。传统的泡沫金属，如泡沫铝都是由金属铝基、陶瓷颗粒和气孔组成的复合材料，陶瓷颗粒使泡沫体具有脆性，泡沫体的机械性能、耐蚀性能往往不能满足轻型结构件的使用要求。作为结构材料使用时，现有的泡沫金属无法满足工程对材料性能的要求。在现代工业、现代国防和现代科技领域，现有的泡沫金属材料，在材料性能方面，特别是对于要求具有高强度、高韧性、高弹性的场合，已有的泡沫金属无法满足用户对产品性能的要求。

发明内容

本发明就是针对现有技术存在的问题，提出一种高强-高弹-高韧泡沫金属复合材料及其制备方法。

上述目的是通过下述方案实现的：

一种多孔泡沫金属复合材料，其特征在于，所述复合材料包括增强体以及在所述增强体外浇注形成的泡沫金属。

根据上述的复合材料，其特征在于，所述增强体为网状或立体结构，所述泡沫金属为泡沫铝。

根据上述的复合材料，其特征在于，所述增强体为由金属或合金丝或非金属丝编织形成的网状或立体结构。

根据上述的复合材料，其特征在于，所述金属或合金丝为直丝或带棘刺的单根丝或弹簧型丝或多根直丝组成的单股丝。

根据上述的复合材料，其特征在于，所述金属或合金丝为铝丝、铝合金丝、低碳钢丝、中碳钢丝、高碳钢丝、合金钢丝、不锈钢丝、4J29合金丝、4J36合金丝、高弹铍青铜丝、白铜合金丝、黄铜合金丝之一，非金属丝包括为碳纤维材料。

一种制备上述复合材料的方法，其特征在于，所述方法包括：将增强体置于铸模中，将增强体和铸模预热，将泡沫金属液浇入铸模中，冷却，脱除铸模得到复合材料。

本发明的有益效果：采用本发明所制备的由网状骨架-胞壁和泡沫孔洞组成的高强-高弹-高韧泡沫金属复合材料，既具有密实金属的高强度、高弹性、高韧性等优点，又具有泡沫金属铝的轻质、高比强度、高耐热性能等优点，在制备此泡沫金属复合材料时，可以不添加碳化硅、氧化铝和金属钙等异质、不润湿材料，泡沫金属基体可以是纯金属的固溶体，合金的强度、耐蚀性由于普通泡沫金属。克服传统泡沫金属强度、韧性、弹性和耐蚀性不足的弊端，综合了密实金属的高强度、高弹性、高韧性的优势，又结合了泡沫金属的低密度、高耐蚀、高比强度的优点。

附图说明

图1-图4为单根增强丝示意图；

图5-图9为单股增强丝示意图；

图10为为由横向单根丝或者单股丝与纵向单根丝或者单股丝编织而成的单张增强金属丝网；

图11为由单张增强网编织-拼接连成的轻质-高强-高弹金属丝增强体；

图12为单张增强网浇铸泡沫金属板工装组装示意图；

图13为单张增强网浇铸的泡沫金属板示意图；

图14为由增强网拼接连成的轻质-高强-高弹金属丝增强体浇铸泡沫金属板工装组装示意图；

图15为由网状骨架-胞壁和泡沫孔洞组成的高强-高弹-高韧泡沫金属复合材料示意图。

具体实施方式

本发明的由网状骨架-胞壁和泡沫孔洞组成的高强-高弹-高韧泡沫金属复合材料及其制备方法，是通过下述方案实现的：高强-高弹-高韧泡沫金属复合材料是由单根高强、高弹、高韧的金属丝或者由单根金属丝组成的单股丝为单元，编织成单张的增强金属丝网，由单张增强网编织-拼接连成的轻质-高强-高弹金属丝增强体。以单根增强丝、或者单股增强丝、或者单张增强金属丝网、或者由单张增强网编织-拼接连成的轻质-高强-高弹金属丝增强体为支撑体，以泡沫铝为填料，将泡沫铝填料浇入支撑体中、冷却，得到高强-高弹-高韧泡沫金属复合材料，该复合材料由泡沫铝的网状骨架-胞壁、气泡-泡沫孔洞、金属基增强体组成。

复合材料的增强丝可以为金属丝，也可以为非金属丝，常见的金属丝包括：铝丝、铝合金丝、低碳钢丝、中碳钢丝、高碳钢丝、合金钢丝、不锈钢丝、4J29合金丝、4J36合金丝、高弹铍青铜丝、白铜合金丝、黄铜合金丝等，非金属丝包括有机丝和无机丝、以及碳纤维材料等。

单根或者单股增强用高强高弹金属或者合金丝见图1-图9，图1到图4为单根增强用高强高弹金属或者合金丝，其中：1a为直丝，1b为带棘刺的单根丝，1c为折线型丝，1d为弹簧型丝，所有的丝断面可以是圆形、三角形、四边形、五边形等，可以是实心也可以是空心丝。图5到图9为由单根丝组合而成的单股丝，其中：1e为两根单丝组成的单股丝，1f为三根单丝组成的单股丝，1g为四根单丝组成的单股丝，1h为五根单丝组成的单股丝，1i为六根单丝组成的单股丝等等，单股丝中的每根丝可以是直丝、折丝、弹簧型丝，可以带棘刺或者不带棘刺，断面可以是圆形、三角形、四边形、五边形等，可以是实心也可以是空心丝。

增强体由横向单根丝或者单股丝与纵向单根丝或者单股丝编织而成的单张增强金属丝网，见图10。图10中，2为单张增强金属丝网，2a为横向增强用高强高弹单根丝或者单股丝，2b为纵向增强用单根丝或者单股丝，2c为横向增强丝与纵向增强丝之间的捆扎节点（或者焊接节点）。

增强网由单张增强网编织-拼接连成的轻质-高强-高弹金属丝增强体，作为高强-高弹-高韧泡沫金属复合材料的骨架支撑材料，见图11。图11中，3为金属丝增强体。

泡沫体填充物可以为熔体发泡法制备的泡沫铝，也可以为吹气法制备的泡沫铝，也可以是粉末冶金法制备的泡沫铝。泡沫合金基体可以是纯铝，如1070、1050、1100等，可以是合金，如2519、2424、3003、3004、5183、5454、6061、6063、7050、7055、8090等。制备泡沫体时，可以添加增粘剂，如金属钙、碳化硅、氧化铝等，也可以不添加增粘剂。添加增粘剂时，泡沫体的孔隙率较高，但泡沫体脆性较大。

该复合材料由泡沫铝的网状金属骨架-胞壁、气泡-泡沫孔洞、金属基增强体组成。

图12为单张增强网浇铸泡沫金属板工装组装示意图，图中，4a为铸模，4b为由双根金属丝增强的单张增强网，4c为起连接-固定-增强作用的棘刺，4d为铸模内固定增强网的支撑，4e为泡沫金属液浇入口。浇注前，先将由双根金属丝增强的单张增强网4b装入铸模4a中，将铸模和增强网预热到400℃左右（预热温度因合金不同而不同），从泡沫金属液浇入口4e中将泡沫金属液压入铸模中，冷却，脱除铸模4a，即得到单张增强网浇铸的泡沫金属板，单张增强网浇铸的泡沫金属板示意图见图13。

图14为由增强网拼接连成的轻质-高强-高弹金属丝增强体浇铸泡沫金属块体工装组装示意图，图中，3为由轻质-高强-高弹金属丝编织成的增强体，6为铸模，6a为浇口。浇注前，首先将由增强网拼接成的增强体3安装入铸模6中，将铸模和增强体预热到420℃左右（预热温度因合金不同而不同），从泡沫金属液浇入口6a中将泡沫金属液浇入铸模6中，冷却，脱除铸模6，即得到由增强网拼接连成的轻质-高强-高弹金属丝增强体浇铸泡沫金属块体，由网状骨架-胞壁和泡沫孔洞组成的高强-高弹-高韧泡沫金属块体复合材料见图15。图中，7a为增强体，7b为增强泡沫体块体。

实施例1：

以纯铝1070铝丝为增强体，以纯铝1070合金为泡沫体，制备单张增强网增强型泡沫铝板材，制备过程如下：以直径为1.5mm的1070铝丝为基材，编织单张增强网，将增强网安装于铸模中，将铸模预热到390-410℃，备用。以99.95%的电解铝为原料，将电解铝锭放入坩埚炉中，加热到740-760℃，待铝锭完全熔化，将铝液温度调整到665-670℃，加入6%的氧化铝搅拌、增粘，待铝液温度降低到661-664℃，加入1.2%的TiH2，搅拌、发泡，待泡沫体体积迅速膨胀，将泡沫体浇注入铸模中，冷却，打开铸模，即可得到以纯铝1070铝丝为增强体，以纯铝1070合金为泡沫体，单张增强网增强型1070合金泡沫铝板材。

实施例2：

以纯铝1100铝丝为增强体，以纯铝1070合金为泡沫体，制备单张增强网增强型泡沫铝板材，制备过程如下：以直径为1.6mm的1100铝丝为基材，编织单张增强网，将增强网安装于铸模中，将铸模预热到390-410℃，备用。以99.95%的电解铝为原料，将电解铝锭放入坩埚炉中，加热到740-760℃，待铝锭完全熔化，将铝液温度调整到665-670℃，加入6%的氧化铝搅拌、增粘，待铝液温度降低到661-664℃，加入1.2%的TiH2，搅拌、发泡，待泡沫体体积迅速膨胀，将泡沫体浇注入铸模中，冷却，打开铸模，即可得到以纯铝1100铝丝为增强体，以纯铝1070合金为泡沫体，单张增强网增强型1100-1070合金泡沫铝板材。

实施例3：

以纯铝1070铝丝为增强体，以纯铝1100合金为泡沫体，制备由增强网拼接连成的轻质-高强-高弹金属丝增强体浇铸泡沫金属块体，制备过程如下：以直径为1.0mm的1070铝丝为基材，编织单张增强网，将单张增强网拼接连成的轻质-高强-高弹金属丝增强体，将增强体安装于铸模中，将铸模预热到390-410℃，备用。以99.90%的电解铝为原料，将电解铝锭放入坩埚炉中，加热到740-760℃，待铝锭完全熔化，将铝液温度调整到664-670℃，加入7%的碳化硅搅拌、增粘，待铝液温度降低到662-665℃，加入1.5%的TiH2，搅拌、发泡，待泡沫体体积迅速膨胀，将泡沫体浇注入铸模中，冷却，打开铸模，即可得到以纯铝1070铝丝为增强体，以纯铝1100合金为泡沫体，得到1070合金增强网拼接成的轻质-高强-高弹金属丝增强体浇铸1100泡沫金属块体。

实施例4：

以4J36丝为增强体，以纯铝1100合金为泡沫体，制备由增强网拼接成的轻质-高强-高弹金属丝增强体浇铸泡沫金属块体，制备过程如下：以直径为1.0mm的4J36合金丝为基材，编织单张增强网，将单张增强网拼接成的轻质-高强-高弹金属丝增强体，将增强体安装于铸模中，在氩气护气氛下，将铸模预热到400-410℃，备用。以99.90%的电解铝为原料，将电解铝锭放入坩埚炉中，加热到740-760℃，待铝锭完全熔化，将铝液温度调整到664-670℃，加入3%-4%的金属钙、搅拌、增粘，待铝液温度降低到662-665℃，加入1.4%的TiH2，搅拌、发泡，待泡沫体体积迅速膨胀，将泡沫体浇注入铸模中，冷却，打开铸模，即可得到以4J36合金丝为增强体，以纯铝1100合金为泡沫体，得到4J36合金增强网拼接成的轻质-高强-高弹金属丝增强体浇铸1100泡沫金属块体。

实施例5：

以4J36丝为增强体，以6063合金为泡沫体，制备由增强网拼接成的轻质-高强-高弹金属丝增强体浇铸泡沫金属块体，制备过程如下：以直径为1.0mm的4J36合金丝为基材，编织单张增强网，将单张增强网拼接成的轻质-高强-高弹金属丝增强体，将增强体安装于铸模中，在氩气护气氛下，将铸模预热到400-410℃，备用。以99.90%的电解铝、99.90%的电解镁、99.90%的工业硅为原料，将电解铝锭放入坩埚炉中，加热到740-760℃，待铝锭完全熔化，加入工业硅和电解镁，待硅和镁完全熔化，将合金铝液温度调整到658-663℃，加入3%-4%的金属钙、搅拌、增粘，待铝液温度降低到655-658℃，加入1.4%的TiH2，搅拌、发泡，待泡沫体体积迅速膨胀，将泡沫体浇注入铸模中，冷却，打开铸模，即可得到以4J36合金丝为增强体，以6063合金为泡沫体，得到4J36合金增强网拼接成的轻质-高强-高弹金属丝增强体浇铸6063泡沫金属块体。

实施例6：

以1Cr18Ni9Ti丝为增强体，以6063合金为泡沫体，制备由增强网拼接成的轻质-高强-高弹金属丝增强体浇铸泡沫金属块体，制备过程如下：以直径为1.2mm的1Cr18Ni9Ti合金丝为基材，编织单张增强网，将单张增强网拼接成的轻质-高强-高弹金属丝增强体，将增强体安装于铸模中，在氩气护气氛下，将铸模预热到400-410℃，备用。以99.90%的电解铝、99.90%的电解镁、99.90%的工业硅为原料，将电解铝锭放入坩埚炉中，加热到740-760℃，待铝锭完全熔化，加入工业硅和电解镁，待硅和镁完全熔化，将合金铝液温度调整到658-663℃，加入3%-4%的金属钙、搅拌、增粘，待铝液温度降低到655-658℃，加入1.4%的TiH2，搅拌、发泡，待泡沫体体积迅速膨胀，将泡沫体浇注入铸模中，冷却，打开铸模，即可得到以1Cr18Ni9Ti合金丝为增强体，以6063合金为泡沫体，得到1Cr18Ni9Ti合金增强网拼接成的轻质-高强-高弹金属丝增强体浇铸6063泡沫金属块体。

实施例7：

以45#钢丝为增强体，以3A21合金为泡沫体，制备由增强网拼接成的轻质-高强-高弹金属丝增强体浇铸泡沫金属块体，制备过程如下：以直径为1.0mm的45#钢丝为基材，编织单张增强网，将单张增强网拼接成的轻质-高强-高弹金属丝增强体，将增强体安装于铸模中，在氩气护气氛下，将铸模预热到400-410℃，备用。以99.90%的电解铝、99.90%的电解锰、99.90%的工业硅、工业纯铁为原料，将电解铝锭放入坩埚炉中，加热到760-780℃，待铝锭完全熔化，加入工业纯铁，带工业纯铁完全熔化，将铝液温度调整到740-760℃，加入工业硅和电解镁，待硅和镁完全熔化，将合金铝液温度调整到656-663℃，加入3%-4%的金属钙、搅拌、增粘，待铝液温度降低到654-657℃，加入1.6%的TiH2，搅拌、发泡，待泡沫体体积迅速膨胀，将泡沫体浇注入铸模中，冷却，打开铸模，即可得到以45#钢丝为增强体，以3A21合金为泡沫体，得到45#钢丝增强网拼接成的轻质-高强-高弹金属丝增强体浇铸3A21泡沫金属块体。

实施例8：

以4J29合金为增强体，以6061合金为泡沫体，制备由增强网拼接成的轻质-高强-高弹金属丝增强体浇铸泡沫金属块体，制备过程如下：以直径为0.9mm的4J29合金为基材，编织单张增强网，将单张增强网拼接成的轻质-高强-高弹金属丝增强体，将增强体安装于铸模中，在氩气护气氛下，将铸模预热到400-410℃，备用。以99.90%的电解铝、99.90%的电解锰、99.90%的电解镁、99.90%的工业硅、99.95%的电解铜、工业纯铁、工业铬为原料，将电解铝锭放入坩埚炉中，加热到760-780℃，待铝锭完全熔化，加入工业纯铁、工业铬、电解铜，待工业纯铁、工业铬、电解铜完全熔化，将铝液温度调整到740-760℃，加入工业硅、电解锰和电解镁，待硅、锰和镁完全熔化，将合金铝液温度调整到684-689℃，加入3%-5%的金属钙、搅拌、增粘，待铝液温度降低到678-686℃，加入1.6%的TiH2，搅拌、发泡，待泡沫体体积迅速膨胀，将泡沫体浇注入铸模中，冷却，打开铸模，即可得到以4J29合金为增强体，以6061合金为泡沫体，得到4J29合金增强网拼接成的轻质-高强-高弹金属丝增强体浇铸3A21泡沫金属块体。

采用本发明所制备的由网状骨架-胞壁和泡沫孔洞组成的高强-高弹-高韧泡沫金属复合材料，既具有密实金属的高强度、高弹性、高韧性等优点，又具有泡沫金属铝的轻质、高比强度、高耐热性能等优点，在制备此泡沫金属复合材料时，可以不添加碳化硅、氧化铝和金属钙等异质、不润湿材料，泡沫金属基体可以是纯金属的固溶体，合金的强度、耐蚀性由于普通泡沫金属。克服传统泡沫金属强度、韧性、弹性和耐蚀性不足的弊端，综合了密实金属的高强度、高弹性、高韧性的优势，又结合了泡沫金属的低密度、高耐蚀、高比强度的优点。

Claims (6)

1.一种多孔泡沫金属复合材料，其特征在于，所述复合材料包括增强体以及在所述增强体外浇注形成的泡沫金属。

2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述增强体为网状或立体结构，所述泡沫金属为泡沫铝。

3.根据权利要求2所述的复合材料，其特征在于，所述增强体为由金属或合金丝或非金属丝编织形成的网状或立体结构。

4.根据权利要求3所述的复合材料，其特征在于，所述金属或合金丝为直丝或带棘刺的单根丝或弹簧型丝或多根直丝组成的单股丝。

5.根据权利要求4所述的复合材料，其特征在于，所述金属或合金丝为铝丝、铝合金丝、低碳钢丝、中碳钢丝、高碳钢丝、合金钢丝、不锈钢丝、4J29合金丝、4J36合金丝、高弹铍青铜丝、白铜合金丝、黄铜合金丝之一，非金属丝包括为碳纤维材料。

6.一种制备权利要求1-5所述复合材料的方法，其特征在于，所述方法包括：将增强体置于铸模中，将增强体和铸模预热，将泡沫金属液浇入铸模中，冷却，脱除铸模得到复合材料。