【摘要】：泡沫鋁三明治結(jié)構(gòu)是由面板與泡沫鋁夾芯組成的三層復合結(jié)構(gòu),它具有致密金屬和泡沫金屬的雙重優(yōu)點,在航空、航天以及汽車等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前,泡沫鋁三明治結(jié)構(gòu)的主要制備方法有膠粘連接法和包覆軋制法,膠粘連接法環(huán)境適應(yīng)性差,包覆軋制法工藝過程復雜,且所制備的泡沫鋁三明治結(jié)構(gòu)以平板結(jié)構(gòu)為主。為了進一步拓展泡沫鋁三明治結(jié)構(gòu)的應(yīng)用,開展泡沫鋁復雜曲面三明治結(jié)構(gòu)的制備方法研究具有重要工程價值。本文針對目前泡沫鋁三明治結(jié)構(gòu)制造及應(yīng)用過程中存在的問題,提出了泡沫鋁復雜曲面三明治結(jié)構(gòu)制造的工藝方法:粉末包套軋制+熱成形+高溫發(fā)泡的工藝路線。通過理論分析、實驗研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的手段,系統(tǒng)研究了該工藝路線中的技術(shù)關(guān)鍵及相關(guān)的機理,具體如下:氫化鈦氧化處理后,顆粒形貌無明顯變化,氫化鈦由內(nèi)至外依次形成了Ti3O和TiO2的氧化物薄膜,Ti3O/TiO2比例不同,氫化鈦將呈現(xiàn)不同的顏色。隨著氧化處理溫度的升高和時間的延長,氫化鈦的質(zhì)量損失率降低,熱分解溫度顯著提高,520℃/3h氧化處理后,氫化鈦的質(zhì)量損失率僅為0.59%,而熱分解溫度則達到624℃,升高了 97℃。對于本文中以AlSi12合金為基體來制備泡沫鋁三明治結(jié)構(gòu)來說,氨化鈦的氧化處理工藝為480℃/1h。三明治預制坯芯板的相對密度沿中線呈對稱分布,隨著軋制壓下量的增加,芯板的相對密度增加,相對密度平臺的長度也相應(yīng)增加,當軋制壓下量大于80%時,相對密度的大小和分布幾乎是不變的,相對密度達0.98,坯料的有效利用率達70%。面板和芯板之間形成了 5 μ m的元素擴散層,面板/芯板界面實現(xiàn)了冶金結(jié)合。三明治預制坯的發(fā)泡過程是由孔隙的形成、長大及破裂三個階段組成的。在不同的階段,孔壁的微觀組織是不同的,孔壁的微觀組織從球形α固溶體+共晶相轉(zhuǎn)變?yōu)闃渲瞀凉倘荏w+共晶相。軋制壓下量、發(fā)泡溫度、發(fā)泡時間對三明治預制坯的發(fā)泡行為產(chǎn)生交互的影響,軋制壓下量越大、發(fā)泡溫度越高,發(fā)泡后三明治預制坯的膨脹率則越高;發(fā)泡時間則存在最佳值,在740℃的發(fā)泡溫度條件下,最佳發(fā)泡時間是180s,三明治預制坯的膨脹率達2.56。泡沫鋁三明治結(jié)構(gòu)的彈性模量與屈服強度低于Gibson and Ashby模型的理論值,與開孔泡沫鋁的力學性能接近,其變形是由孔棱的彎曲變形控制的。泡沫鋁三明治結(jié)構(gòu)存在一個吸能效率平臺,相對密度越高,平臺區(qū)越短,其吸能量隨著相當密度的增加呈現(xiàn)先升高再降低的變化趨勢,在相對密度0.34時,吸能量達到最大值1.41MJ/m3。泡沫鋁三明治結(jié)構(gòu)存在三種失效模式:面板屈服,壓入及芯板剪切,基于此建立了三明治結(jié)構(gòu)質(zhì)量指數(shù)與載荷指數(shù)的關(guān)系曲線,對于給定的載荷指數(shù),可以計算出結(jié)構(gòu)質(zhì)量指數(shù)。三明治預制坯既是溫度敏感型材料也是速率敏感型材料,在高溫低應(yīng)變速率下,三明治預制坯具有較好的成形性能,在50℃/0.001s-1的條件下,材料的峰值流動應(yīng)力與斷后延伸率分別為22.1MPa和23.8%。在變形過程中面板和芯板可有效協(xié)同變形,其內(nèi)部破碎的氫化鈦顆粒是其變形失效的裂紋源�；谌髦晤A制坯450℃熱成形+780℃/210s高溫發(fā)泡的工藝路線,制備出了泡沫鋁三明治曲面結(jié)構(gòu)及復雜曲面結(jié)構(gòu),驗證了工藝路線的可行性,展現(xiàn)了其應(yīng)用的潛力。
【圖文】：

逡逑圖２－２所示。國內(nèi)四川元泰達新材料股份有限公司以氧化物顆粒作為增粘劑，逡逑以干燥空氣作為發(fā)泡氣體，應(yīng)用該方法己生產(chǎn)出商業(yè)泡沫鋁產(chǎn)品。逡逑Ｇａｓ邋ｉｎｐｕｔ邐丨你『的丨ｗ油逡逑Ｖ邐一管邋Ｆｏａｍ邋ｓｈｅｅｔ邋ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ逡逑—：繁邐Ｃｏｎｖｅｙｏｒ邋ｂｅｌｌ逡逑邐邐邐邐邋＿邋Ｊ逡逑邐—＊＾0－°逡逑 汕邐３：—；逡逑邐邐邐邋－－Ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ逡逑——－￣￣邋■￣—邋＾邋ａ0＾0邋＼邋Ｇａｓ邋ｏｕｔｐｕｔ逡逑一邋Ｉ＿邋．．．邋Ｚ邋—邐］逡逑邐邐邋Ｐｎ邋＜逡逑［＝—邐１逡逑圖２－邋Ｉ氣體注入發(fā)泡法泡沫鋁制備工藝示意圖逡逑圖２－邋２氣體注入法制備的不同密度泡沫鋁樣品逡逑②發(fā)泡劑發(fā)泡法（Ｆｏａｍｉｎｇ邋ｗｉｔｈ邋ｂ丨ｏｗｉｎｇ邋ａｇｅｎｔｓ）逡逑發(fā)泡劑發(fā)泡法是將能夠產(chǎn)生氣體的物質(zhì)（發(fā)泡劑）加入熔融金屬中，使逡逑之受熱分解而產(chǎn)生氣體，通過增加金屬液體的粘度和高速攪拌以及恰當?shù)臏劐义隙瓤刂�，使產(chǎn)生的氣體均勻地分布在金屬液體中，冷卻之后即可獲得泡沫金逡逑屬。一般采用金屬鈣、金屬鎂、鋁粉等作為增粘劑，，發(fā)泡劑多為金屬氫化物，逡逑氫化鈦、氫化鎘用于生產(chǎn)泡沫鋁，氫化鉺和氫化鎂用于生產(chǎn)泡沫鋅和泡沫鉛。逡逑采用發(fā)泡劑發(fā)泡法制備泡沫金屬的主要問題是孔洞的尺寸大小及其在金屬基逡逑體中的分布難以控制，為解決孔洞不均勻及其尺寸過大等問題，一些研究者逡逑－７邋－逡逑

逡逑圖２－２所示。國內(nèi)四川元泰達新材料股份有限公司以氧化物顆粒作為增粘劑，逡逑以干燥空氣作為發(fā)泡氣體，應(yīng)用該方法己生產(chǎn)出商業(yè)泡沫鋁產(chǎn)品。逡逑Ｇａｓ邋ｉｎｐｕｔ邐丨你『的丨ｗ油逡逑Ｖ邐一管邋Ｆｏａｍ邋ｓｈｅｅｔ邋ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ逡逑—：繁邐Ｃｏｎｖｅｙｏｒ邋ｂｅｌｌ逡逑邐邐邐邐邋＿邋Ｊ逡逑邐—＊＾0－°逡逑 汕邐３：—；逡逑邐邐邐邋－－Ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ逡逑——－￣￣邋■￣—邋＾邋ａ0＾0邋＼邋Ｇａｓ邋ｏｕｔｐｕｔ逡逑一邋Ｉ＿邋．．．邋Ｚ邋—邐］逡逑邐邐邋Ｐｎ邋＜逡逑［＝—邐１逡逑圖２－邋Ｉ氣體注入發(fā)泡法泡沫鋁制備工藝示意圖逡逑圖２－邋２氣體注入法制備的不同密度泡沫鋁樣品逡逑②發(fā)泡劑發(fā)泡法（Ｆｏａｍｉｎｇ邋ｗｉｔｈ邋ｂ丨ｏｗｉｎｇ邋ａｇｅｎｔｓ）逡逑發(fā)泡劑發(fā)泡法是將能夠產(chǎn)生氣體的物質(zhì)（發(fā)泡劑）加入熔融金屬中，使逡逑之受熱分解而產(chǎn)生氣體，通過增加金屬液體的粘度和高速攪拌以及恰當?shù)臏劐义隙瓤刂�，使產(chǎn)生的氣體均勻地分布在金屬液體中，冷卻之后即可獲得泡沫金逡逑屬。一般采用金屬鈣、金屬鎂、鋁粉等作為增粘劑，發(fā)泡劑多為金屬氫化物，逡逑氫化鈦、氫化鎘用于生產(chǎn)泡沫鋁，氫化鉺和氫化鎂用于生產(chǎn)泡沫鋅和泡沫鉛。逡逑采用發(fā)泡劑發(fā)泡法制備泡沫金屬的主要問題是孔洞的尺寸大小及其在金屬基逡逑體中的分布難以控制，為解決孔洞不均勻及其尺寸過大等問題，一些研究者逡逑－７邋－逡逑
【學位授予單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG146.21;TB383.4

【參考文獻】

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本文編號：2588536