微米孔徑多孔鋁的制備及性能

微米孔徑多孔鋁的制備及性能黃國濤;左孝青;陸建生;周蕓【摘要】為獲得高強度的微米孔徑多孔鋁，通過真空-壓力燒結-溶解工藝制備微米孔徑多孔鋁，對制備過程、微米孔徑多孔鋁的強度及滲透性能進行研究。結果表明：真空環(huán)境下的壓力燒結可明顯促進鋁粉燒結，提高微米孔徑多孔鋁的抗彎強度;在壓制壓力500MPa、燒結溫度650°C、燒結時間2h以及燒結壓力150~200MPa條件下可獲得孔隙率44%~61%、平均孔徑55~230pm的多孔鋁；隨著孔隙率和平均孔徑的提高，微米孔徑多孔鋁的相對滲透系數(shù)增大；與尺寸相同、孔結構相似的多孔不銹鋼相比，微米孔徑多孔鋁具有較好的滲透性能和較高的耐壓破壞比強度。【期刊名稱】《中國有色金屬學報》【年(卷)，期】2012(000)008【總頁數(shù)】7頁(P2340-2346)【關鍵詞】多孔鋁;微米孔徑;強度;滲透性【作者】黃國濤;左孝青;陸建生;周蕓【作者單位】昆明理工大學材料科學與工程學院，昆明650093;中國重汽濟南卡車股份有限公司，濟南250116;昆明理工大學材料科學與工程學院，昆明650093;昆明理工大學材料科學與工程學院，昆明650093;昆明理工大學材料科學與工程學院，昆明650093【正文語種】中文【中圖分類】TF124;TF125.6微米孔徑(10~200pm)多孔金屬在過濾分離、催化載體、電極材料等方面有廣泛的應用［1-4］。目前，微米孔徑金屬過濾材料多以不銹鋼［5］、鈦［6］為主，成本較高，而微米孔徑多孔鋁由于比強度高、成本低，可在一定環(huán)境下取代不銹鋼、鈦微米孔徑金屬材料。目前，微米孔徑多孔鋁的制備方法主要是滲流鑄造法［7］及燒結溶解法。在滲流鑄造法中，當滲流前驅NaCl顆粒粒度小于100pm時，由于微細孔的毛細作用使熔體滲流不充分，因此，滲流方法難以獲得孔徑小于100pm的多孔鋁。燒結溶解法的孔徑適應范圍寬，是制備微米孔徑多孔鋁的主流方法，在材料制備、孔結構及力學性能研究等方面已取得一定進展，如SURACE等［8］研究了工藝參數(shù)對孔結構和壓縮性能的影響、GOODALL等［9］研究了孔形貌對力學性能的影響、ZHAO等［10］研究了液相燒結的作用等。燒結溶解法制備多孔鋁過程中，最大的問題是鋁粉表面存在AI2O3膜，其化學性質十分穩(wěn)定且耐高溫，導致燒結困難、所制備產(chǎn)品強度低［11］,而液相燒結會導致鋁熔體的滲出［10］。因此，鋁粉-NaCl顆?；旌象w的燒結是微米孔徑多孔鋁獲得廣泛應用必須解決的瓶頸問題。在燒結溶解法的基礎上，本文作者采用真空［12-13］-壓力燒結-溶解的新方法制備微米孔徑多孔鋁，在燒結過程中引入燒結壓力，解決鋁粉/NaCl顆?；旌象w燒結困難的問題，獲得高強度的微米孔徑多孔鋁。對微米孔徑多孔鋁的真空-壓力燒結-溶解制備、抗彎強度及滲透性能進行了研究，以期對微米孔徑多孔鋁的開發(fā)應用提供有益的參考。材料制備工藝如圖1所示。采用霧化AI粉(55~75pm)為基體材料；NaCI為造孔劑，經(jīng)干燥破碎篩分成不同粒度(55~75pm、75~96pm、96~120pm、120~150pm和150~180pm);Mg粉為助燒劑［10,14］。將鋁粉與NaCl按一定體積比配料，加入鋁粉質量2%的Mg粉，在混料機中混合4h,在300-600MPa壓力下壓制成D36mmx2mm（滲透性能檢測、耐壓破壞強度檢測規(guī)格）和30mmx12mmx6mm（抗彎強度檢測規(guī)格）的壓坯，壓坯裝入特制的、可施壓的模具中預加壓（燒結壓力，可在燒結過程中一直保持該壓力），后置于真空（6x10-2Pa）爐中隨爐升溫，在640-655°C燒結2h后得到微米孔徑多孔鋁。圖2所示為孔隙率55%、平均孔徑110pm的微米孔徑多孔鋁的SEM像。孔結構（孔隙率和平均孔徑）采用孔結構分析軟件BWJScan進行分析[15];孔微觀形貌采用飛利浦XL30ESM-TMP掃描電鏡進行觀察；多孔鋁抗彎強度采用AG-IS10kN力學試驗機，按照《GB/T5319—2002燒結金屬材料（不包括硬質合金）橫向斷裂強度測定》方法進行測試；多孔鋁耐壓破壞強度采用多孔材料疲勞檢測儀進行分析；多孔鋁滲透系數(shù)采用FBP-m型多孔材料性能檢測儀，按照GB/T5250—93方法進行測定。以抗彎強度為優(yōu)化目標，對真空-壓力燒結-溶解法制備多孔鋁過程中的壓制壓力、燒結溫度、燒結時間和燒結壓力等工藝參數(shù)進行了實驗研究，表1所列為實驗參數(shù)表，當某個參數(shù)變化時，其他參數(shù)的取值為表中的基本參數(shù)，重點討論了燒結壓力對抗彎強度的影響，以獲得優(yōu)化的工藝參數(shù)配置。2.1.1燒結壓力對抗彎強度的影響對鋁粉與NaCl顆粒的混合物進行冷壓，可在一定程度上破壞鋁粉表面的氧化膜，但所需壓力大，而且過大壓力會造成造孔劑的破碎變形。然而，當鋁粉在接近熔融狀態(tài)施加壓力（燒結壓力）時，可輕易破壞鋁粉表面的氧化膜，產(chǎn)生金屬間的接觸而實現(xiàn)鋁粉顆粒間的冶金結合，改善燒結試樣的力學性能。圖3所示為燒結壓力對抗彎強度的影響，未施加燒結壓力時，抗彎強度較低（圖3中點a）,隨燒結壓力增大，抗彎強度增大，在燒結壓力為150-200MPa時，抗彎強度達到最大（圖3中點b、c）,進一步提高燒結壓力到250MPa時，抗彎強度大幅度下降（圖3中點d）。圖4（a）所示為與圖3中點b對應的多孔鋁的微觀組織，可見鋁粉顆粒之間結合良好，無明顯的空隙存在，燒結頸明顯。圖4（b）所示為與圖3中點d對應的多孔鋁的微觀組織，可見其中有大量鋁液在Al-NaCl界面溢出，形成了不連續(xù)的表面缺陷，并導致基體金屬的缺失，這是燒結體力學性能下降的原因。與冷壓真空溶解燒結法所制備試樣的微觀組織［12］對比，采用本工藝制備的多孔鋁，鋁粉顆粒之間的顆粒界面弱化，空隙數(shù)量較少，燒結頸明顯，這說明燒結壓力對燒結過程有顯著的促進作用。根據(jù)理想兩球模型（見圖5）,燒結原動力為作用在燒結頸上的應力（。）：式中：Y為表面張力；P為燒結頸曲率半徑，其中負號表示應力為方向向外的張力，其效果是使燒結頸長大。施加燒結壓力p后，兩球在力的作用下相對移動（圖5虛線），燒結頸曲率半徑p減小，導致燒結原動力。變大，使燒結頸的形成和長大更容易，促進了燒結過程。2.1.2壓制壓力對抗彎強度的影響圖6所示為壓制壓力對抗彎強度的影響。由圖6可知，隨壓制壓力的增大，鋁粉顆粒間的氧化膜破裂、結合充分，抗彎強度逐漸增大，在500MPa時達到最大，之后逐漸下降，這是由于在壓制壓力600MPa的情況下，造孔劑破碎，導致鋁粉顆粒間應力松弛、孔形狀變得不規(guī)則，抗彎強度下降。2.1.3燒結溫度對抗彎強度的影響圖7所示為燒結溫度對抗彎強度的影響。由圖7可知，隨燒結溫度的升高，試樣內鋁粉顆粒之間的燒結越來越充分，抗彎強度逐漸增大，并在650°C時達到最大，當燒結溫度提高到655C（接近鋁的熔點）時，抗彎強度急劇下降，原因是在過高的燒結溫度下，溫度起伏導致鋁熔化，熔融鋁液溢出基體外部，造成孔缺陷及基體內部分金屬基體缺失。2.1.4燒結時間對抗彎強度的影響圖8所示為燒結時間對抗彎強度的影響。由圖8可知，隨燒結時間的延長，多孔鋁的抗彎強度增大，在2h處達到最大，之后急劇下降。在未燒結試樣中，顆粒之間的結合僅為機械結合，因此，抗彎強度很低。試樣經(jīng)燒結保溫后，鋁粉之間的冶金結合程度提高，抗彎強度隨之增大。但燒結時間過長（高于2h）時，由于燒結環(huán)境的溫度起伏，也會導致部分鋁熔化并溢出試樣外，使抗彎強度降低。2.2.1造孔劑體積含量對孔隙率的影響圖9所示為造孔劑體積含量對孔隙率的影響。由圖9可看出，隨造孔劑含量的增大，孔隙率逐漸上升，且孔隙率稍高于造孔劑的體積含量。這是由于部分微細鋁粉被造孔劑所包圍，未能形成連續(xù)的金屬基體（見圖10中a部位），水溶解時隨造孔劑一起排出；此外，試樣經(jīng)壓制、燒結后內部仍存在一定空隙（圖10中b部位），導致孔隙率稍高于造孔劑的體積含量。2.2.2造孔劑粒度對平均孔徑的影響圖11所示為造孔劑粒度對平均孔徑的影響。由圖11可知，隨造孔劑粒度增大，平均孔徑提高，當造孔劑粒度為150~180pm時，平均孔徑為230pm、高于造孔劑粒度，這是由于當造孔劑粒度遠比鋁粉粒度大時，壓制過程中容易產(chǎn)生大面積的造孔劑顆粒接觸（見圖12），使孔合并，導致平均孔徑增大。2.2.3孔隙率對滲透性能的影響孔隙率對滲透性能的影響如圖13所示。由圖13可見，相對滲透系數(shù)隨孔隙率的增大而增大，因此，孔隙率越高，微米孔徑多孔鋁的滲透性能越好。2.2.4平均孔徑對滲透性能的影響平均孔徑對相對滲透系數(shù)的影響如圖14所示。由圖14可知，相對滲透系數(shù)隨平均孔徑的增大而增大，滲透性能提高，但平均孔徑的增大意味著過濾精度的下降，因此，在實際應用時必須協(xié)調好二者的關系。過濾是多孔鋁的主要應用目標，在保證過濾性能的前提下，所制備的微米孔徑多孔鋁對過濾環(huán)境的適應性是重點，而過濾材料一般是在一定壓力下工作的，工程上通常采用耐壓破壞強度[16]來衡量其抗壓能力。通過相似條件下與多孔不銹鋼的性能對比(見表2)可見，微米孔徑多孔鋁具有與多孔不銹鋼相當?shù)臐B透性能，滿足作為過濾材料的要求；在耐壓破壞強度方面，由于材料自身的限制，微米孔徑多孔鋁的耐壓破壞強度較低，但其耐壓破壞比強度超過了多孔不銹鋼。因此，微米孔徑多孔鋁滿足在低壓(v1MPa)過濾環(huán)境下的使用要求。真空環(huán)境下的壓力燒結可明顯促進鋁粉-NaCl壓坯的燒結，以抗彎強度為優(yōu)化目標，獲得了制備微米孔徑多孔鋁的優(yōu)化工藝參數(shù)如下：壓制壓力500MPa,燒結溫度650°C,燒結時間2h，燒結壓力150-200MPa。微米孔徑多孔鋁的孔隙率稍高于造孔劑的體積含量，平均孔徑在造孔劑粒度相對于鋁粉粒度較大時大于造孔劑粒度；通過造孔劑粒度和含量的控制，成功制備出了孔隙率44%~61%、平均孔徑55-230pm的微米孔徑多孔鋁。隨孔隙率和平均孔徑提高，微米孔徑多孔鋁的相對滲透系數(shù)增大，滲透性能提高；與相似條件下的多孔不銹鋼相比，微米孔徑多孔鋁具有較好的滲透性能和高的耐壓破壞比強度。REFERENCESDEGISCHERHP,KRISZTB.Handbookofcellularmetals:Production,processing,applications[M].VerlagGmbhWeinheim:WILEYVCH,2002:27.盧天健，劉濤,鄧子辰.多孔金屬材料多功能化設計的若干進展[J].力學與實踐，2008,30(1):1-9.LUTian-jian,LIUTao,DENGZi-chen.Multifunctionaldesignofcellularmetals:Areview[J].MechanicsandEngineering,2008,30(1):1-9.湯慧萍，談萍,奚正平,汪強兵.燒結金屬多孔材料研究進展[J].稀有金屬材料與工程,2006,35(z1):428-432.TANGHui-ping,TANPing,XIZheng-ping,WANGQiang-bing.Researchprogressofsinteredporousmetal[J].RareMetalMaterialsandEngineering,2006,35(z1):428-432.汪強兵，湯慧萍,奚正平，張健李增峰.煤氣化技術用金屬多孔材料研究進展[J].稀有金屬材料與工程,2006,35(z1):448-451.WANGQiang-bing,TANGHui-ping,XIZheng-ping,ZHANGJian,LIZeng-feng.Thestudiesprogr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