高孔率泡沫鈦合金的制備

  泡沫金屬具有體密度低、綜合性能好等特點,可用于制造輕質結構和消音降噪、吸能減震等設備,已經在航空航天業、汽車業、船舶業、建筑業以及軍事工程等領域獲得重要應用。隨著科技的發展,越來越要求泡沫金屬在滿足力學性能要求的基礎上具有更低的體密度和更高的孔率,特別是對于以結構減重為關鍵因素的情況。目前,對泡沫鋁的研究比較成熟,但有關泡沫鈦的研究報道還不多;用很多方法都可制備泡沫鋁,但是制備泡沫鈦的成功方法不多。金屬鈦的熔點比鋁高,金屬鈦兼具質量輕、比強度高、耐蝕性佳、生物相容性好等特點,泡沫鈦具有比泡沫鋁更好的耐高溫性、耐腐蝕性和隔熱性,因而更適于溫度和環境等要求更高的場合,尤其是在航空、航天、軍事等方面,因此,研發泡沫鈦具有重要意義。

  然而,盡管在原理上制備泡沫金屬的方法很多都可用來制備泡沫鈦,但是金屬鈦的熔點高且易氧化,其可行的制備工藝主要是粉末燒結;而且,已研制的泡沫鈦制品孔率都不太高,大多低于70%。最近,北京師范大學通過對粉體熔化發泡法的改進,制備了孔率高達90%的泡沫鈦合金,取得了較好的結果。

  他們的制備方法如下:以鈦粉和鎳粉的混合粉末為主要原料。在制備過程中,先將粒度均為-300目的脫氫鈦粉和電解鎳粉按照質量比85∶15的比例配料,在行星式四頭快速球磨機中混料2h,使金屬粉末混合均勻。然后根據產品孔率的設定,在這種混合金屬粉末中加入一定量的自制球形發泡劑(如將蠶繭搗碎用少量黏結劑團成球形顆粒后烘干待用)、自制無毒黏結劑(如用薯類淀粉與溶劑調制成膠狀物)以及適量的添加劑(如碳酸氫銨粉末)。混合均勻后在模具中加壓制作預制型,然后烘干。將預制型(連同模具)放入非氧化環境中快速加熱到1000-1200℃,保溫一定時間后迅速冷卻。發泡劑在該過程中產生熱分解并釋放氣體而形成球形胞狀孔隙,爐冷至室溫后得到高度多孔的泡沫鈦合金制品。

  對所獲制品的檢測表明,其主孔為毫米級尺度的球形孔隙,在孔壁上分布了大量的微孔,總孔率高達90%,是一種低密度、高孔率的多孔鈦材料。毫米級球形孔隙是由發泡劑分解、釋放氣體而形成:由于制品孔率很高,這些宏觀孔隙被相互打通;微米級的不規則細孔則由黏結劑等其他有機加入物的熱分解而形成,這些微孔進一步提高了球形宏觀孔隙之間的連通性。

  吸聲性能測試表明,所獲制品的第一共振頻率在2000Hz左右,試樣的吸聲系數接近或超過0.8;在1500-3000Hz的聲頻范圍內吸聲系數最低為0.4左右。第二共振頻率出現在3150Hz和5000Hz之間,吸聲系數超過0.9。在3000-6300Hz的聲波頻率范圍內,試樣吸聲系數均高于0.6(吸聲材料定義的平均吸聲系數大于0.2),表現出良好的吸聲性能。

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