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铝基体内分布的大量无序孔洞使得泡沫铝具有轻质、冲击能量吸收、阻尼减振等多种优异的性能,已成功应用于载人航天、高速列车等高技术领域。此外,多种潜在应用对泡沫铝平板和异形件的近净成形技术提出迫切需求。
和其他制备近净成型泡沫铝合金的方法相比,二次泡沫化工艺制备近净成型泡沫铝合金有着制备效率高、设备要求低的优点,值得继续发展。目前对二次发泡工艺中影响产品孔结构、孔隙率的因素及其作用机理的很多方面仍不清楚,特别是氢化钛氢含量在不同阶段的消耗及相应影响尚未清楚。
针对二次泡沫化工艺,本文首先通过加热氧化处理调节氢化钛的分解特性,并对加热氧化处理的氢化钛进行了XRD分析、SEM分析和热分析。研究表明:加热氧化处理对氢化钛颗粒表面形貌影响很小,没有观察到相组成的变化,但处理后氢化钛氧含量显著增加,不同温度处理相同时间,氧含量变化不大;加热氧化处理降低了氢化钛的氢含量,可显著抑制氢化钛分解。采用非等温法得到了各处理条件下处理后的氢化钛热分解动力学方程。利用热分解动力学方程对不同处理条件处理的氢化钛用于二次发泡工艺的可行性进行分析,推导出发泡剂二次热分解转化率公式,计算表明各处理条件的氢化钛均可用于二次发泡工艺;可通过提高二次泡沫化预设温度及缩短预制件制备阶段发泡剂分解时间来提高二次氢气产率。
对各处理条件氢化钛的二次热分解产气量及其产气速率进行了分析,并通过一次泡沫化实验,选用400℃×3h处理的氢化钛作为二次泡沫化工艺的发泡剂;确定发泡剂搅拌分散时间选择为240s附近区间,冷却方式为底喷+侧喷。
本文主要研究了温度、预制件基体及预制件初始孔隙率对二次泡沫化过程的影响。研究表明:预制体的升温相变DSC曲线为铝合金相变曲线和氢化钛分解曲线的叠加;获得充型良好的样品所需的二次发泡时间与二次泡沫化预设温度负相关;二次发泡温度影响预制件二次泡沫化充型性能,过高、过低都会使预制件充型性能下降;较低的二次发泡温度有利于获得孔结构均匀的产品;合适的预热温度可以改善二次泡沫化产品的孔结构;预制件初始孔隙率越小,其二次发泡特性越好。铝合金比纯铝更适宜于二次泡沫化工艺。
采用微孔演化实时成像装置观察二次泡沫化过程中的气泡的演变,认为大孔缺陷主要有三种形成机制:单个气泡异常长大机制、相邻泡沫合并机制及PB区破坏机制;建立了预制件自由生长数学模型,由该模型可知二次泡沫化过程中预制件膨胀率和预制件初始孔隙率、发泡剂加入量、发泡剂分解动力学、二次泡沫化预设温度、二次泡沫化时间及预制件尺寸等因素有关。基于本文研究内容,对二次泡沫化工艺进行了优化。