金屬多孔材料的研究進(jìn)展

金屬多孔材料的研究進(jìn)展

1粉末多孔材料的特性金屬多孔材料有多種類型和應(yīng)用范圍。目前，最成熟的金屬多孔材料如下：（1）金屬和鑄造泡沫材料的孔孔隙率可達(dá)到50%以上。用于隔、熱、消震，但鑄造法僅適用于制備低折射泡沫金屬和合金，難以控制孔結(jié)構(gòu)的均勻性。（2）金屬或合金紡織網(wǎng)通常用于過濾和厚濾。高精度細(xì)篩選網(wǎng)可以過濾5.10m的顆粒，但成本特別高，通常比普通篩網(wǎng)高。（3）利用結(jié)果表明，金屬及其材料的多孔材料的成本比金屬網(wǎng)低得多，因此得到了迅速發(fā)展，產(chǎn)量也在增加。據(jù)推測，世界每年約以10%的速度增加。應(yīng)用面也在擴(kuò)大,除大量用作過濾器以外,作為分布元件、電池電極、發(fā)散與發(fā)汗材料以及在聲音衰減方面的應(yīng)用也有明顯的增長,而且在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用也引起了更大的興趣。由于粉末冶金多孔材料的用量不斷增長,應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大,對材料的性能提出許多新的和更高的要求,從而促進(jìn)相關(guān)研究工作的發(fā)展。粉末冶金多孔材料一般是由球狀或不規(guī)則形狀的金屬或合金粉末經(jīng)成型壓制、燒結(jié)制成。根據(jù)不同的原料與工藝制度所制成的這種多孔體具有各種不同的孔隙率、孔徑與孔徑分布,孔道縱橫交錯,通向各個方向,它有下列特點:(1)優(yōu)良的透過性能,適于制作過濾器、流體的分布與滲透裝置等;(2)從表面積大,可以為化學(xué)反應(yīng)提供極大的接觸面積,廣泛用作催化劑、催化劑載體、燃料電池電極等,作熱交換材料時可以提高熱交換效果;(3)吸收能量,可用作消音、防震和緩沖材料;(4)保持一定的金屬與合金特性,粉末冶金多孔材料仍具有導(dǎo)熱、導(dǎo)電、可焊接、加工等性能,適于制作各種電極、熱交換器、火焰阻止器以及各種形狀復(fù)雜的多孔元件,并且具有一定的強(qiáng)度與韌性,可在高壓條件下工作。(5)耐高溫、抗熱震、耐低溫,適于高溫、熱沖擊與低溫條件下應(yīng)用。然而,傳統(tǒng)的粉末冶金方法制備的多孔材料其孔隙率一般不超過30%,要獲得高孔隙率的泡沫金屬,必須加入一定量的造孔劑,該造孔劑可在制備過程的后期或采用溶解或采用揮發(fā)的方法去除,從而獲得高孔隙率的泡沫金屬材料。鹽是一種非常普遍而且便宜的物質(zhì),采用鹽作為造孔劑,有很好的工業(yè)化前景。在以往的泡沫金屬制備法中,鹽作為造孔劑的方法主要是用在壓力滲流鑄造法中,作為泡沫金屬的先驅(qū)體的主要材料。對于燒結(jié)法制備泡沫金屬,國內(nèi)尚未有報道。本文在傳統(tǒng)粉末冶金的基礎(chǔ)上采用了鹽作為造孔劑,成功地獲得了孔隙率為50%左右,孔徑0.1～0.3mm的結(jié)構(gòu)可控的通孔泡沫金屬材料。采用定量金相法測量了泡沫金屬的孔徑及孔徑分布及孔隙率,用掃描電鏡分析了孔的表面形貌及孔結(jié)構(gòu),用XRD進(jìn)行了物相分析。2實驗2.1目成分測定采用噴霧6061鋁合金粉末,粒度為100目(其成分見表1),基材用6061粉(200目),干燥NaCl粉平均(粒度0.125mm)的混合物。2.2混料、壓力設(shè)備自行設(shè)計的粉末壓制模具一套,普通托盤天平,混料設(shè)備采用行星式萬能球磨機(jī),型號為QM-4H型,壓力設(shè)備采用手動立式油壓機(jī),最大壓力32t,加熱設(shè)備采用電阻加熱爐。2.3實驗過程實驗的工藝過程由圖1所示。2.4復(fù)合壓制燒結(jié)多孔鋁的制備工藝為了制備孔隙結(jié)構(gòu)均勻的多孔鋁,獲得最佳的工藝參數(shù),得出最佳的工藝條件。根據(jù)大量的前期實驗和資料,綜合考慮燒結(jié)溫度、保溫時間、壓制壓力及NaCl的含量等因素設(shè)計加熱溫度在熔點以下和以上含以上四素的燒結(jié)工藝實驗,和根據(jù)壓制時混料比例不同進(jìn)行了復(fù)合壓制燒結(jié)多孔鋁實驗。3結(jié)果分析3.1工藝參數(shù)3.1.1自動混料的過程混料過程:(1)計算:根據(jù)所需配料的總質(zhì)量計算出所需鋁粉和NaCl的量;(2)稱量:根據(jù)計算,用普通天平稱出鋼球和鋁粉以及NaCl;(3)裝罐:把稱好的鋁粉和NaCl稍加混合后裝入盛有鋼球的球磨罐中并密封,然后沖入N2/Ar加以保護(hù);(4)混合:將球磨罐固定在球磨機(jī)機(jī)架上,設(shè)定好轉(zhuǎn)速、時間等參數(shù),球磨機(jī)便開始自動混料。(5)包裝:將混合好的粉末裝入塑料袋密封保存以備用。6061鋁合金粉末與造孔劑NaCl的混合。制品燒結(jié)后的性能及效果,在很大程度上取決于物料混合后各組元分布的均勻程度。造孔劑在6061鋁合金粉末中是否均勻分布亦即混料的均勻性在一定程度上決定了造孔效果,如:氣孔均勻度、孔徑大小等的重要因素。因此要求混料時做到盡可能地均勻。而混料均勻程度的影響因素主要有:球料比、混料時間、轉(zhuǎn)速。球料比以2∶1或3∶1為宜。球料比過高或者轉(zhuǎn)速太大都容易造成結(jié)塊,從而導(dǎo)致混料的不均勻;鋁屬于二級易燃物品,所以球料比和轉(zhuǎn)速都必須控制在一定的范圍,否則容易造成爆炸。實驗結(jié)果表明,合適的轉(zhuǎn)速則為100～120r/min,混料時間為1h左右。為了防止鋁在較高溫度下被氧化和避免危險的產(chǎn)生,混料時需在球磨罐中充入一定的保護(hù)性氣體,如:氦、氬、氮等。實驗所采用的混料工藝參數(shù)與條件如表5所示。3.1.2壓坯的工藝流程壓制工序是使金屬粉末致密并使之具有一定形狀、尺寸、孔隙率和強(qiáng)度的壓坯的工藝過程。影響壓制工藝的因素很多,如粉末的性能,潤滑劑和成型劑、壓制方式等。(1)減少成形坯密度,提高模具壽命粉末成形坯的密度越大,所需的壓制壓力也越大,不僅需要較大噸位的設(shè)備,而且,也降低了模具的使用壽命。低密度的成形坯不僅壓制壓力小、模具壽命提高,而且在隨后的塑性加工時,其變形量大,變形抗力也較小。但是,過低的成形坯密度,在操作及搬運過程中,其外形容易崩壞缺損,在變形過程中也很容易發(fā)生破裂。根據(jù)實驗結(jié)果,確定的壓力范圍為300～500MPa。(2)壓制過程的影響和消除密度本實驗研究的壓制過程屬于單向壓制,鋼模壓制粉末的基本方式有3種:單向壓制、雙向壓制以及浮動凹模壓制。與其它兩種壓制方式相比,單向壓制密度分配更不均勻,因為壓力施加在粉末坯料的上頂部,粉末顆粒之間及粉末顆粒與陰模壁之間的摩擦,使得在壓坯的底部和頂部的密度差異較大,這種密度差隨壓坯高度的增加而增加,隨直徑的增加而減小,為此可適當(dāng)降低高徑比,使壓力沿高度的差異相對減小,使密度分布更均勻。為了改善壓制性,在壓制前,先在模壁上摸上潤滑劑(凡士林)。加潤滑劑的目的是:減少內(nèi)外摩擦和降低單位壓制力;降低脫模壓力;防止壓坯與陰模嚙合以及防止陰模的磨損;防止粉末松散。壓制過程中的加壓速度不僅影響到粉末顆粒間的摩擦狀態(tài)和加工硬化程度,而且影響到空氣從粉末顆?？p隙間的逸出情況。如果加壓速度過快,空氣逸出就困難,使壓坯中的空隙增多。因此壓制過程應(yīng)以緩慢加壓為宜,本實驗研究的壓制速度是0.05～0.02m/s。另外,在某一特定的壓力下保持一定時間,往往可以得到更好的效果,因為保壓可以使壓力傳遞得充分,有利于壓坯中各個部分的密度分布;使粉末體孔隙中的空氣有足夠的時間通過陰模和模沖之間;給粉末之間的機(jī)械咬合和變形以時間,有利于應(yīng)變弛豫的進(jìn)行。本研究在壓制結(jié)束后保壓3～5min。3.1.3燒結(jié)時間對燒結(jié)性能的影響因為試樣的基本組元為6061和NaCl,而實驗采用的是液相燒結(jié),6061的熔點在600℃左右。在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)燒結(jié)溫度越高、燒結(jié)時間越長,試樣的密度越大,孔洞體積會越小,所以從這一方面看,燒結(jié)時間越長,燒結(jié)溫度越高,可以彌補(bǔ)壓制時壓力小的缺憾,達(dá)到幾乎與大壓力壓制試樣燒結(jié)后同樣的密度(效果)。燒結(jié)時間越長,溫度越高,晶粒度越大。溫度過高和保溫時間過長都會破壞材料的性能,還使其在燒結(jié)時產(chǎn)生滲漏現(xiàn)象。實驗結(jié)果顯示,最佳的燒結(jié)溫度為600℃,保溫時間為90～150min,此外考慮到鋁易被氧化,為了減少粉末的氧化提高燒結(jié)質(zhì)量,把欲燒結(jié)的試樣裝入有石棉網(wǎng)的密閉不銹鋼容器中,用Al2O3粉末填充壓實,在SX-4-10箱式電阻爐中燒結(jié)。3.1.4多孔材料的造孔效果粉末燒結(jié)法的造孔原理是經(jīng)過壓制和燒結(jié),然后用溶解方法除去造孔劑NaCl,使其遺留下來的空間成為孔洞。對于用造孔劑來制備多孔材料,其造孔效果主要取決于造孔劑與成孔材料之間的相互粒度以及相互比例,一般說來,粉越細(xì)越易加壓成形,機(jī)械強(qiáng)度越好?？偟慕Y(jié)論是:金屬粉粒的尺寸應(yīng)該和造孔劑的粉粒相當(dāng)或更小。如果造孔劑過少,被鋁粉包圍,很難從中溶解分離,就不能形成所要求的空隙率,但造孔劑過多,當(dāng)其溶解以后,基體很容易松散,也不能有好的效果。由實驗得Al∶NaCl比例在7∶3到5∶5之間為佳。3.2孔徑大小及孔隙率對試樣質(zhì)量的影響實驗平均孔徑:14.90625x=21.50.2x=0.1387(mm)14.90625x=21.50.2x=0.1387(mm)表6為08號試樣(6∶4的質(zhì)量比CaCl體積分?jǐn)?shù)大約為45%),400MPa壓力,燒結(jié)溫度680℃,燒結(jié)時間200min)的孔徑結(jié)果數(shù)據(jù),可以看出,其平均孔徑為0.1397mm,該數(shù)據(jù)與所添加的造孔劑尺寸(0.125mm)大致吻合,并稍大于造孔劑尺寸,可能的原因是試樣在壓制時,鹽的顆粒受壓而有一定程度的橫向變形。由表7可見,平均孔隙率為45.35%,與所添加的原始造孔劑數(shù)量比較吻合,因此,試樣的孔徑大小及孔隙率可以通過控制所添加的原始造孔劑來加以控制。圖2為08號試樣的SME照片,由圖可見,獲得的孔為三維連通的結(jié)構(gòu),空洞的連通性完整。通過08號試樣的x射線的衍射分析知,在樣品中存在4種成分,它們分別是:Al、AlCl3、NaCl、Al2O3,由此分析可知有部分殘余的NaCl顆粒被鋁顆粒存在,并在燒結(jié)過程中Al與NaCl