泡沫金属钛及其合金的制备基础研究中文摘要

我国攀西地区有着丰富的钛资源，但钛利用率却极低，钛本身优异的性能和泡沫金属良好的结构性能的结合，使得研究这种高值泡沫新材料具有重要的理论和现实意义。金属钛及其合金不适合采用熔体发泡法进行发泡，本研究采用压缩气泡膨胀法进行泡沫钛及其合金的制备研究，引入相变超塑性变形原理，以改善泡沫生长的动力学条件，提高泡沫化效率和成品的孔隙率。通过研究得到泡沫钛及其合金制备各项工艺参数及其影响因素。研究中采用传统的真空烧结炉和微波真空烧结炉进行对比实验并做出评价。采用现代材料检测分析和实验手段，研究泡沫钛及其合金制备工艺、组织结构力学性能之间的关系；利用有限元法对泡沫化过程中的温度场、应力场、应变场进行数值模拟，对泡沫的形成演化进行模拟与仿真，并对泡沫材料的性能进行预测。通过对泡沫钛及其合金的制备工艺参数和理论研究，可以丰富泡沫金属制备的基础理论，并形成基于微波烧结和传统烧结的泡沫钛及其合金制备的技术原型。

泡沫铝由于其独特的孔结构及组合性能，在超轻结构-功能应用上受到国内外广泛关注。泡沫铝获得规模工业应用的关键在于发展高强韧泡沫铝的高效连续制备技术,为此，项目提出：在内生少量微细第二相颗粒作用下获得兼备可连铸、可泡沫化和可强韧化特征的铝合金熔体，通过先驱体连铸、先驱体二次泡沫化及泡沫铝强韧化处理，实现高强韧泡沫铝的连续制备。项目通过内生少量微细第二相颗粒及低温物理增粘共同作用下的熔体泡沫稳定性、孔结构均匀性控制机理、强韧化机制、连铸温度场和流场等科学问题研究，建立高强韧泡沫铝的连铸-二次泡沫化制备基础理论体系，为实现高强韧泡沫铝的连续制备奠定基础，促进泡沫铝工业的发展。

泡沫铝由于其独特的孔结构及组合性能，在超轻结构-功能应用上受到国内外广泛关注。泡沫铝获得规模应用的关键在于发展高强韧泡沫铝的高效连续制备技术,为此，项目通过内生少量微细第二相颗粒及低温物理增粘共同作用下的熔体泡沫稳定性、孔结构均匀性控制机理、强韧化机制等科学问题研究，建立高强韧泡沫铝的连铸-二次泡沫化制备基础理论体系，为实现高强韧泡沫铝的连续制备奠定基础，促进泡沫铝工业的发展。 在内生少量微米第二相（Al-Si-Fe-Mg系）及低温物理增粘（低于常规发泡温度10-20℃）的共同作用下，实现了Al-Si系合金熔体泡沫的稳定性控制。熔体泡沫的稳定，一是通过降低熔体温度提高粘度，通过粘度的提高稳定熔体泡沫结构；二是内生少量微细第二相，通过第二相对粘度的作用、第二相空间网络对熔体流动的阻碍作用、部分元素（如Mg）降低熔体表面张力的作用，提高熔体泡沫的稳定性。另外，在Al-Fe-Si系合金中添加0.5%的稀土元素后，发现可泡沫化熔体的Fe含量可以从2%降低到0.2%。此现象的发现，为Al-Fe-Si-Mg系合金泡沫的强韧化奠定了成分基础。 研究获得了TiH2在铝熔体中的分散性、气泡的非均匀形核、TIH2的表面处理及其分解特性变化等规律，对二次发泡泡沫铝的孔结构控制规律有了深入的了解。 采用二次发泡法制备了平均孔径3.5 mm、孔隙率80%的ZL111合金泡沫，研究了变质处理、T6热处理对ZL111合金泡沫组织及力学性能的影响，结果表明：T6热处理后，Y&Sr复合变质的ZL111合金泡沫，其α-Al保持了原先的变质效果，共晶硅呈球状且分布均匀，并在晶界析出弥散分布的第二相CuAl2及Al9FeMg3Si5；Y&Sr复合变质的ZL111合金泡沫，其屈服强度从未热处理、未变质的13.3MPa 增加到T6热处理后的22.6 MPa、致密化应变从59.3%增加到76.9%、能量吸收值从4.87 MJ/m3增加到13.77 MJ/m3。 本研究的意义在于，改变了传统熔体发泡制备泡沫铝的Ca增粘稳定熔体泡沫模式，实现了在内生少量微米第二相及低温物理增粘条件下的熔体泡沫稳定性控制，为泡沫铝的连铸-二次发泡连续制备奠定了基础。研究表明，该设想是可行的。该研究对于开发高性价比泡沫铝提供了科学、可行的方法和技术，对推动泡沫铝的工业应用有重要意义。

制造汽车保险杠、坦克车复合装甲和航天飞船返回仓等需要高吸能性泡沫铝材料，目前工业化生产的泡沫铝材料基体成分相对固定，或脆性大、或强度低，不能完全满足实际需求。本项目使用氧化物颗粒和碳纤维作为泡沫铝的增强剂和稳定剂，消除对基体成分的限制，研制使用高性能铝合金制备泡沫铝，利用复合材料基体的高强度和变形时界面的开裂、滑动特性提高泡沫铝的吸能性能。对制备过程中涉及的泡沫稳定机理这一关键问题进行研究，通过建立理论数学模型表述影响泡沫稳定性各因素间的复杂关系，形成了具有一般性的液态金属泡沫稳定理论，找出了影响泡沫稳定性的主要因素，明确了提高泡沫稳定性的方法。制备出了粉煤灰复合，短碳纤维复合，以及铝合金基等多种高系能性泡沫铝材料，压缩强度最高达到14.5MPa，为目前国内外报道的同密度泡沫铝材料压缩强度最高值。并研究了泡沫铝材料在多种变形条件下的吸能机制，载荷形式包括准静态压缩、高温压缩、落锤冲击载荷、霍普金森压杆高速冲击载荷，以及爆炸冲击载荷等。结果表明，碳纤维复合泡沫铝材料对应变速率有一定的敏感性，即随应变速率的增加，其强度和吸能量也随之增加，这主要与复合材料基体内存在大量界面有关。在爆炸冲击载荷下，冲击波在泡沫铝内迅速衰减，且随泡沫铝厚度和密度的增大，衰减速率增大。在进行基础研究的同时，积极推广研究成果在实际应用的设计和研究，设计研究了泡沫铝/铝管复合吸能结构，并将泡沫铝材料适用于新能源校车防撞模块、导弹运输车防地雷底板等多项实际应用研究。 2100433B