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高强度稀土泡沫铝合金的研制

高利伟  
【摘要】:泡沫铝合金是近年来发展起来的一种新型结构功能材料。20世纪40年代后期开始被人们发现并研制,但直到近十几年才得到很大的发展。由于它具有轻质、阻燃、阻尼、高能量吸收等优良的物理性能,其应用已经涉及了航天航空、运输、电子、军工、化工、环保、能源、机械、生物等各个高科技领域及一般工业领域。熔体发泡法生产泡沫铝合金,因其生产工艺相对简单、成本低,因而最具有工业化规模生产的前途。稀土金属用作铝合金添加剂,可改变其物理性质,增加其耐磨性、耐高温强度及抗蠕变强度,改善加工性能。因此开发功能与结构一体化的新型材料—稀土泡沫铝材,有着十分广阔的市场前景。 本论文阐述了用ZL102(Al-Si12)、稀土添加剂为基体材料,SiC作增粘剂、Mg粉为活性剂,CaCO_3作发泡剂,用熔体发泡法制备出平均孔隙率为63-90%,平均孔径1mm左右的高质量、低成本、结构可控的高强度稀土泡沫铝合金,并在此基础上通过熔炼、增粘、发泡、冷却等各个工艺的实验研究,分析各工艺对制备泡沫铝合金影响,设计稀土加入量、发泡剂加入量、搅拌时间、发泡温度、保温时间等五因素四水平的正交实验。通过L_(16)(4~5)正交实验来考察泡沫铝合金孔隙结构特性及稀土泡沫铝合金的静态力学性能,分析发泡的热力学条件,最终确定制备出结构可控的泡沫铝合金样品,并得出初步优化工艺参数。 研究结果表明,对于实验采用的稀土铝合金为基体的材料来说,熔体发泡制备出孔隙结构均匀,孔隙率可控的稀土泡沫铝合金,有L_(16)(4~5)正交实验和验证实验可得最优条件为:发泡温度为680℃,保温时间为10min,搅拌时间为3min,CaCO_3含量1.5%,冷却方式为水冷加空冷。各因素对孔隙率的影响为CaCO_3含量>发泡温度>搅拌时间>保温时间。分析发泡各因素做单独的研究,包括其它条件相同时,对保温时间、发泡温度、稀土加入量、发泡剂的含量及搅拌时间对孔隙率的影响,从而确定最佳工艺参数。 研究还发现:稀土泡沫铝合金的抗压应力-应变曲线分为线弹性变形阶段、塑变屈服阶段和致密化阶段。稀土加入后,基体材料的抗拉强度和延伸率都有一定的增加,最佳的添加量为0.40%(wt),稀土对泡沫铝合金压缩行为有显著的影响,低孔隙率泡沫铝合金的屈服应力比高孔隙率泡沫铝合金高,孔隙率相同,孔径的大小对具有均匀孔结构泡沫铝合金的压缩特性基本没有影响,泡沫铝合金压缩流变强度随着相对密度的增加而增大。通过这些实验的研究,从发泡热力学观点出发,初步探讨了发泡过程中发泡剂分解、气孔的形核、长大、运动及稳定等热力学条件,从而也为气孔在不同状态中的演变趋势提供了一定的理论研究,进一步丰富了发泡过程的热力学理论研究。


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