真空吸鑄法制備鋁基空心陶瓷球泡沫材料的結構和性能

陳健美,崔學敏,羅 翔,張 普,孫 愛,劉春瑛,徐國富,3

(1.湖南涉外經濟學院機械工程學院,湖南長沙 410205;2.中南大學材料科學與工程學院,湖南長沙 410083; 3.中南大學有色金屬材料科學與工程教育部重點實驗室,湖南長沙 410083)

真空吸鑄法制備鋁基空心陶瓷球泡沫材料的結構和性能

陳健美1,崔學敏2,羅 翔1,張 普1,孫 愛1,劉春瑛1,徐國富2,3

(1.湖南涉外經濟學院機械工程學院,湖南長沙 410205;2.中南大學材料科學與工程學院,湖南長沙 410083; 3.中南大學有色金屬材料科學與工程教育部重點實驗室,湖南長沙 410083)

采用真空吸鑄法制備了不同粒徑的鋁基空心陶瓷球泡沫材料。利用金相、掃描電鏡觀察、能譜分析和力學性能測試等手段對所制備復合材料的微觀組織和性能進行了研究,結果表明:陶瓷球在鋁基體中分布均勻,陶瓷球與基體之間未出現裂紋和縫隙,未出現明顯的元素擴散的現象;不同粒徑空心陶瓷球鋁基復合材料的壓縮應力-應變曲線的形狀不盡相同;粒徑小的陶瓷球鋁基復合材料的壓縮應力高于粒徑大的復合材料。

真空吸鑄;泡沫材料;空心陶瓷球;鋁基體

與塊體的金屬和合金相比,金屬泡沫具有低密度、高剛度、高減震等優點。這些優點使得它們在吸聲減噪、吸能緩沖等方面具有強大的吸引力[1,2]。通過將一些具有空心結構的植入體植入到連續的基材體內,可以制備金屬空心球泡沫材料。采用傳統的金屬基體復合鑄造技術可以制備含有空洞的陶瓷球體金屬復合泡沫材料。雖然利用鋁/空心氧化鋁陶瓷球、鋁/空心二氧化硅陶瓷球制備的鋁基空心球泡沫材料比常見的在熔體中殘留氣泡、鹽體滲透等方法制備的鋁泡沫材料密度大,但前者由于在高應力下積聚了大量的應變而比后者具有高強度、各向同性的機械性能和良好的能量吸收能力。作為結構材料,它具有輕質與高比強度的特點;作為功能材料,它具有吸聲、散熱、隔音、阻燃、阻尼、減震、吸收沖擊能、電磁屏蔽等多種物理性能[3]。因此它在電子、通訊、化工、冶金、機械、建筑、交通運輸中,甚至在航空航天和國防工業中有著廣泛的應用前景。特別是在承受沖擊載荷的情況下,通過這種空心陶瓷球的破碎,能夠有效地吸收沖擊能量,從而起到保護效果,同時由于其密度低,因此在航空防護方面有著潛在的應用前景[4]。

本文研究了應用真空吸鑄工藝制備鋁基空心陶瓷球泡沫材料,并對其結構性能進行了研究。

1 實驗原理及方法

材料制備的主要設備有加熱爐、自制真空吸鑄裝置。真空吸鑄原理如圖1所示。

圖1 真空吸鑄原理圖

具體的試驗條件見表1。

表1 實驗條件

首先對空心陶瓷球按照粒徑進行分級處理,得到不同粒徑范圍的空心陶瓷球粒子,如圖2所示[4]。

圖2 空心陶瓷球分級后形貌

實驗時將空心陶瓷球填充到充型模具中,預熱到指定溫度,與此同時將鋁加熱至熔融狀態,真空吸入至充型模中,合金凝固后取出樣品,即得到所需的鋁基空心陶瓷球復合材料。

在真空吸鑄充型過程中,對充型模和熔煉系統抽真空是整個工藝的關鍵,真空度的大小影響著充型動力的建立。真空度對充型的影響主要有兩個方面:一是減小了充型模型腔中的背壓,減小了充型時的阻力,真空度高,充型容易;二是真空度為充型壓差建立了一個較低的壓力起點,真空度越高,則負壓值越大,越容易建立較大的充型壓差,有利于金屬液的充填。

在真空吸鑄充型過程中,型腔內氣體稀薄,明顯減少了金屬液充型過程中的氣阻,提高合金液的充型能力,保證合金液的復型能力。同時,金屬液流動過程紊流程度降低,合金液中不易卷入氣體,避免了鑄件氣孔的產生。這些因素可以使得真空吸鑄合金液的澆注溫度比重力澆注溫度可以低20～40℃,并且獲得滿意的充型效果。

2 試驗結果與討論

圖3 鋁基空心陶瓷球泡沫材料金相組織

鋁基空心陶瓷球泡沫材料金相組織如圖3所示。圖3(a)和(b)是空心陶瓷球粒徑為20～75μm的復合材料的金相組織照片,陶瓷球在鋁基體中的分布基本均勻,陶瓷球之間彼此互不接觸。圖3(c)和(d)為粒徑為75～125μm的復合材料的金相組織照片,與粒徑為20～75μm的復合材料相比,陶瓷球在鋁基體中的分布有聚集現象,部分陶瓷球彼此接觸。圖3(e)和(f)是空心陶瓷球粒徑為250～500μm的復合材料的金相組織照片,陶瓷球在鋁基體中的分布基本均勻,陶瓷球之間彼此接觸。

圖4是三種粒徑鋁基空心陶瓷球泡沫材料壓縮應力-應變曲線,壓縮速率為1 mm/min。從圖4中可以看出,隨著陶瓷球粒徑的減小,復合材料的壓縮應力和應變量逐漸提高,陶瓷球粒徑為20～75μm的復合材料的壓縮應力和應變量分別達到110 MPa和5%,而陶瓷球粒徑為250～500μm的復合材料的壓縮應力和應變量分別為50 MPa和2%。

不同粒徑空心陶瓷球鋁基復合材料的壓縮應力-應變曲線的形狀不盡相同。對于粒徑為20～75 μm和粒徑為75～125μm的復合材料的壓縮應力-應變曲線的形狀基本相同,分為三個階段:第一階段是線彈性區,這一階段應變量不大,應力隨著應變的增加而呈現線形增加的趨勢;第二階段為塑性變形階段,此時材料發生塑性屈服,樣品中的陶瓷球不斷破碎,陶瓷球之間的鋁基體彎曲和崩塌,陶瓷球所占的空間越來越小,應力-應變曲線出現了平臺;第三個階段為迅速密實區,這個階段中應力隨之應變的增加而迅速增大,材料的致密度得到大幅度的提高。對于粒徑大的陶瓷球鋁基復合材料,其應力-應變曲線只出現了第一階段是線彈性區和第二階段為塑性變形階段,而且斷裂應變小[5,6]。

圖4 鋁基空心陶瓷球泡沫材料壓縮應力-應變曲線

粒徑小的陶瓷球鋁基復合材料的壓縮應力高于粒徑大的復合材料,細小陶瓷球本身的強度高于大的陶瓷球的強度。不同粒徑陶瓷球的強度的不同源于其內部的結構的不同,其形貌圖如圖5所示。粒徑大的空心陶瓷球的球殼布滿孔洞(圖5(a)),而粒徑小的空心陶瓷球的球殼光滑密實(圖5(b))。

圖5 不同粒徑陶瓷球球殼形貌

空心陶瓷球鋁基復合材料的掃面電鏡形貌觀察及元素線分布特征的能譜分析結果如圖6所示。從圖6中可以看出,不論陶瓷球的粒徑大小,陶瓷球與基體之間結合良好,在機械鋸切及磨制樣品過程中,陶瓷球與基體之間未出現裂紋和縫隙[6]。而且從元素線分布特征可以發現,未出現明顯的元素擴散的現象(由于能譜儀的測量精度,不能排除界面薄層反應的存在)[7]。

3 結 論

1.利用真空吸鑄法制備了不同粒徑的鋁基空心陶瓷球泡沫材料,在真空度為0.03～0.05 MPa,鑄造溫度為730～750℃,陶瓷球預熱溫度為440～450℃的條件下,陶瓷球在鋁基體中分布均勻;陶瓷球與基體之間未出現裂紋和縫隙,未出現明顯的元素擴散的現象。

圖6 復合材料元素線分布特征的能譜分析

2.不同粒徑空心陶瓷球鋁基復合材料的壓縮應力-應變曲線的形狀不盡相同,對于粒徑為20～75 μm和粒徑為75～125μm的復合材料的壓縮應力-應變曲線的形狀基本相同,分為三個階段:第一階段是線彈性區;第二階段為塑性變形階段;第三個階段為迅速密實區。對于粒徑大的陶瓷球鋁基復合材料,其應力-應變曲線只出現了第一階段是線彈性區和第二階段為塑性變形階段,而且斷裂應變小。粒徑小的陶瓷球鋁基復合材料的壓縮應力高于粒徑大的復合材料。

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The Structure and Property of Al Matrix Syntactic Foam Fabricated with Ceramic Microspheres Prepared by Vacuum Casting Method

CHEN Jian-mei1,CUI Xue-min2,LUO Xiang1,ZHANG Pu1, SUN Ai1,LIU Chun-ying1,XU Guo-fu2,3

(1.School of Mechanical Engineering,Hunan University of International Economics,Changsha410205, China;2.School of Materials Science and Engineering,Central South University,Changsha410083,China;3.Key L aboratory of Nonferrous Metal Materials Science and Engineering,Ministry of Education, Central South University,Changsha410083,China)

Al matrix syntactic foam fabricated with ceramic microspheres has been prepared using vacuum casting method.The microstructure and properties of the composite have been investigated by means of OM and SEM observation,energy spectrum analysis and mechanical testing.The results showedcramic microspheres distributed uniformly inside Al matrix;acks and gaps were not found between the ceramic microsphere and the Al-substrate;iffusion of elements among them was not detected;The compression stress-strain curve was different when the diameter of ceramic microsphere was different;The compression stress of the composite small size of ceramic microsphere was higher than that with large size of ceramic microsphere.

vacuum casting;foam material;ceramic microsphere;Al-substrate

TB383

A

1003-5540(2012)03-0046-04

湖南省大學生學習與創新性實驗計劃支持項目(2009359)。

陳健美(1957-),男,教授,博士;主要從事有色金屬新材料的研究工作。

2012-04-26