多孔铝粉末的烧结.pdf

第5 9 卷第l 期 20 07 年2 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．5 9 ．N o ．1 F e b r u a r y 2007 多孔铝粉末的烧结 李风，陈海燕 广东工业大学材料与能源学院，广州 5 10 0 0 0 摘要研究用粉末松装压实后烧结制备多孔铝的方法，分析影响多孔铝硬度和孔隙率的因素。试验结果表明，添加剂 Z n C l 2 不仅能起到一定的第二相强化效果，提高硬度，而且是决定} L 隙率的关键因素。压制压力2 0 k N 、添加剂Z n C l 2 的含量1 0 ％和 烧结温度6 5 0 ℃的条件下，可制得硬度较高、孔隙率较高、孔径与孔隙孔径分布均匀的多孔铝。 关键词金属材料；多孔铝；粉末冶金；孔隙参数；硬度 中图分类号T F l 2 2 ．5 ；T G l 4 6 ．2 1 ；T B 3 8 3文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 7 0 1 0 0 3 2 0 3 多孔铝或合金是一种在铝基体中分布着大量连 通或不连通孔隙的多功能多用途的新型材料，具有 轻质、耐蚀、高比强度、高阻尼减震性能及冲击能量 吸收率、优良电磁屏蔽性能及良好的热学性能，因此 有着广泛的应用前景l 卜2 | 。 自从1 9 4 8 年由美国的S o s n i k 首先在铝中加入 汞制出多孔铝以来，引起研究人员的普遍关注。我 国对多孔铝的研究起步较晚，现制备方法有很多，如 液体发泡法、渗流法、熔模铸造法、加中空球料法、粉 末冶金法、喷溅沉积法。发泡法和渗流法是目前使 用较普遍的制备方法旧‘4J 。然而发泡法难以稳定 控制孔隙尺寸及孔隙分布均匀性，渗流法存在介质 去除困难、制品形状受工艺限制等缺点。而用粉末 冶金法制备样品具有孔隙率调整范围宽、机械性能 高、可制备各种形状制品、工艺过程容易控制等特 点。国内用此法的不多J 。研究中采用粉末冶金 法制备了多孔铝，分析孔隙率、密度和硬度等的相互 关系及其影响因素，为进一步完善多孑L 铝的制备工 艺、控制其组织和性能、降低成本提供实验依据。 1实验方法 1 ．1 试样制备 试验所用的材料为7 4 ～1 4 7 9 m 的铝粉，添加剂 为Z n 粉和Z n C I z 粉，把它们按一定比例混合后装入 模具在液压式万能材料实验机上压制，然后在自制 的装置上按一定的烧结工艺进行通氮气保护烧结， 装置示意图如图1 所示。 收稿日期2 0 0 6 0 9 2 2 作者简介李风 1 9 6 8 一 ，女，湖北荆门市人。副教授，硕士，主要 从事金属材料及其加工等方面的研究。 钢管|耋 石英玻璃营 ／ l 嚣， ， ， 卜 4 l 者棉 勰塑l 质量流量计f L ∑ I 控制器 图1 烧结装置示意 F i g ．1 S c h e m eo fs i n t e r i n gd e v i c e 采用正交实验设计方案，以密度、孔隙率、硬度 为考核指标，所得样品如表1 所示。 表1 样品成分及所加的压制压力、烧结温度 T a b l e1 S a m p l ec o m p o s i t i o na n dp r e s s i n gp r e s s u r e ， s i n t e r e dt e m p e r a t u r e 1 ．2 测试方法 1 ．2 ．1 密度、孔隙率计算。测样品的质量和体积， 就可得到样品的密度，式 1 为密度计算公式，式 2 为孔隙率Q 计算公式。 I D 烧 W ／v 1 Q 1 一l D 烧／p7 1 0 0 ％ 2 式中1 0 烧一烧结后样品密度；W 一烧结后样品质量； u 一烧结后样品体积；Q 一样品孑L 隙率；P7 一孔隙率 万方数据 第1 期李风等多孔铝粉末的烧结 3 3 为零时致密材料的密度，取2 ．7 9 ／c m 3 。 1 ．2 ．2 样品组织形貌。用数码相机获取样品低倍 组织照片，用K Y K Y 一1 0 0 0 B 扫描电镜获取样品 S E M 照片。 1 ．2 ．3 硬度测量。采用H B R V U 一1 8 7 ．5 布洛维光 学硬度计进行测量，加压3 0 6 N ，保荷3 0 s 。每个样 品测量多次取平均值。 2 试验结果及分析 2 ．1 工艺参数对烧结样品性能的影响 样品烧结后计算其密度及孔隙率，测量硬度，结 果如表2 所示。 表2 样品的密度、孔隙率及硬度 T a b l e 2 S a m p l e sd e n s i t y ，p o r o s i t ya n dh a r d n e s s 注1 ～3 号样烧结后出现了_ 轻微分层，故无硬度低。 2 ．1 ．1 压制压力的影响。从表2 通过正交分析可 以看出，当其他条件不变时，压力越大，所得样品密 度越大、孔隙率越小，而硬度趋势升高。这是因为在 较大压力下，压制时粉末颗粒间的间隙越小，烧结后 样品较致密，孔隙率自然就更小，密度越大，硬度越 高。压制压力过小，样品易分层 观测1 ～3 号样品可 以看出 ，但压制压力达到一定程度后，由于被加工的 粉末颗粒的加工硬化和局部的应力集中，样品的表面 会出现微裂纹等缺陷 从9 号样可以看出 。在考虑 孔隙率和烧结效果情况下，选压制压力为2 0 k N 。 2 ．1 ．2Z n C l 2 粉的影响。Z n C l 2 有溶解金属氧化物 的能力，并在烧结过程中它会挥发掉。因此，Z n C l 含量是决定孔隙率的关键因素，并能通过第二相强 化起到提高界面结合强度的作用，提高硬度。从表 2 可以看出这一规律。又做了一追加实验，增加 Z n C l 2 的含量，但发现压制样品出现了分层或样品在 烧结后出现了胀大，这可能是因为Z n C l 2 的含量过 多使带入的水分增多的缘故。在考虑综合效果情况 下，取Z n C l 2 的含量为1 0 ％。 2 ．1 ．3 Z n 的影响。加入Z n 希望能在共晶温度下 产生固溶强化效果，从表2 看效果并不明显。 2 ．1 ．4 烧结温度的影响。从表2 可以看出，在 6 1 0 ℃到6 5 0 ℃，烧结温度对孔隙率影响不明显，但 样品硬度值增大。可见，孔隙率与硬度值并无直接 关系。样品的硬度主要由样品烧结后的颗粒之间的 界面结合强度决定，而影响的颗粒之间的界面结合 强度最主要因素之一就是烧结温度。但烧结温度过 高易引起样品过烧，在考虑综合效果情况下，取烧结 温度为6 5 0 ℃。 2 ．2 样品组织形貌分析 2 ．2 ．1 低倍组织照片分析。样品的低倍组织照片 如图2 所示。 a 一4 号样品； b 一5 号样品； c 一6 号样品 图2 典型样品的低倍组织 4 0 F i g ．2L o w ．m u l t i p l es t r u c t u r eo ft y p i c a ls a m p l e 4 0 从图2 可以看出，多孑L 铝的形貌呈不规则的间率大，硬度也是最高的。这是优化工艺参数压制 隙式孔洞。比较图2 a ，图2 b ，图2 C 可知，压制压力、添加剂Z n C l 2 含量和烧结温度的结果。 压力越大，孔隙越小，孔洞分布越不均匀。Z n C l 2 的 2 ．2 ．2 样品的S E M 形貌。典型样品的横断面 含量越大，孔隙率越大。若颗粒与颗粒间边界模糊，S E M 形貌如图3 所示。从图3 可以看出典型的多 无明显边界 如图2 c 所示 ，说明结合好，可推测它的孔特征。孔洞分布均匀、尺寸差异度小，平均孔径为 强度、硬度高。事实上，从表2 知，6 号样品不仅孔隙 5 0 ／z m 左右，而且颗粒间结合紧密牢固，这就保证了 ，，／∞彤∞琊舶胚 2 6 7 6 8 7的弱“鹋酊酡他粥“ ；l l l l l 1 8 6 3 8 9 0 3 O 6铊们”强∞弘“弘 万方数据 有 色金属第5 9 卷 样品较高的硬度。 图36 号样品的横断面S E M 形貌 F i g ．3 S E Mm o r p h o l o g yo fN 0 6s a m p l eg r o s s s e c t i o n 2 ．2 ．3 典型样品的S E M 形貌对比。几个典型样 品的S E M 形貌如图4 所示。 因样品的端面用砂纸打磨过，故图中表面颗粒 平整，但形状不规则。6 号样品孔隙率最高，孔隙分 布均匀，孔径也较均一，结构组织最为致密。这是因 为6 号样品中Z n C t 2 含量较高，压制压力合适，而烧 结温度较高，破坏了铝粒问氧化性保护膜，产生第二 相强化，使得烧结效果最好的缘故。 这也说明工艺参数比较理想。优化的工艺参数 为压制压力2 0 k N 、添加剂Z n C l z 含量1 0 ％、烧结温 度6 5 0 ℃。 3结论 硬度取决于烧结后的颗粒之间的界面结合强 度，与孔隙率、密度无明显联系。而影响的颗粒之间 的界面结合强度的最主要因素之一就是烧结温度和 参考文献 有溶解金属氧化物能力的添加剂Z n C l ，含量。添加 剂Z n C l 2 不仅能通过第二相强化起到提高界面结合 强度的作用，提高硬度，而且是决定孔隙率的关键因 素。其他条件不变时，压制压力越大，所得样品密度 越大、孔隙率越小。压制压力2 0 k N 、添加剂Z n C h 的 含量1 0 ％和烧结温度6 5 0 ℃的条件下，可制得硬度较 高、孔隙率较高、孑L 径与孔隙分布均匀的多孔铝。 a 一4 号样品； b 一5 号样品； c 一6 号样品 图4 典型样品的S E M 形貌 F i g ．4S E Mm o r p h o l o g yo ft y p i c a ls a m p l e [ 1 ] 刘培生，黄林国．多孔金属材料制备方法[ J ] ．功能材料，2 0 0 2 ，3 3 1 5 8 ． [ 2 ] 吴照金，何德坪．泡沫m 孔结构的影响因素[ J ] ．材料研究学报，2 0 0 0 ，1 4 3 2 7 7 2 8 2 ． [ 3 ] 张伟开，李乃哲，何德坪．渗流法制备高孔隙多孔铝[ J ] ．中国有色金属学报，2 0 0 5 ，1 5 8 1 2 4 8 1 2 5 2 ． [ 4 ] 余欢，林再学，周尧和．多孔铝制备中铝液渗流过程模拟[ J ] ．航空学报，2 0 0 0 ，2 1 5 4 7 7 4 8 0 ． [ 5 ] 李风，陈海燕，袁鸽成，等．烧结多孔铝合金的孔隙参数分析[ J ] ．材料科学与工程，2 0 0 2 ，2 0 2 2 5 4 2 5 8 ． S t u d yo nP r o c e s so fP o r o u sA l u m i n u mb yP o w d e rS i n t e r e d L IF e n g ，C H E NH a i y a n F a c u l t y 吖’M a t e r i a la n dE n e r g y ，G u a n g d o n gU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，G u a n g z h o u5 1 0 0 0 0 ，C k i n a A b s t r a c t T h ep r e p a r a t i o np r o c e s so ft h ep o r o u sa l u m i n u mb yp o w d e rm e t a l l u r g yt e c h n o l o g yi si n v e s t i g a t e d ．T h ea f f e c t i n gf a c t o r st ot h eh a r d n e s sa n dp o r o s i t yo ft h ep o r o u sa l u m i n u mp r o d u c ta r ea n a l y z e d ．T h ee x p e r i m e n tr e s u l t s s h o wt h a tt h ea d d i t i v eZ n C t 2n o to n l yi m p r o v e st h eh a r d n e s so fs p e c i m e n sb ys e c o n dp h a s es t r e n g t h e n i n g ，b u t a l s ob e c o m e st h ec r i t i c a lf a c t o ro ft h ep o r o s i t y ．T h ep o r o u sa l u m i n u ms p e c i m e n sw i t hh i g hh a r d n e s s ，h o m o g e n e o u sp o r ed i s t r i b u t i o na n dp o r ed i a m e t e r ，a n dh i g hp o r o s i t yc a nb ep r e p a r e du n d e rt h ep r e s s u r e2 0 k N ，w i t h 1 0 ％a d d i t i o no fZ n C l 2a n ds i n t e r i n ga t6 5 0 ℃． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；p o r o u sa l u m i n u m ；p o w d e rm e t a l l u r g y ；p o r ep a r a m e t e r ；h a r d n e s s 万方数据