高孔率泡沫钛合金的制备

  泡沫金属具有体密度低、综合性能好等特点,可用于制造轻质结构和消音降噪、吸能减震等设备,已经在航空航天业、汽车业、船舶业、建筑业以及军事工程等领域获得重要应用。随着科技的发展,越来越要求泡沫金属在满足力学性能要求的基础上具有更低的体密度和更高的孔率,特别是对于以结构减重为关键因素的情况。目前,对泡沫铝的研究比较成熟,但有关泡沫钛的研究报道还不多;用很多方法都可制备泡沫铝,但是制备泡沫钛的成功方法不多。金属钛的熔点比铝高,金属钛兼具质量轻、比强度高、耐蚀性佳、生物相容性好等特点,泡沫钛具有比泡沫铝更好的耐高温性、耐腐蚀性和隔热性,因而更适于温度和环境等要求更高的场合,尤其是在航空、航天、军事等方面,因此,研发泡沫钛具有重要意义。

  然而,尽管在原理上制备泡沫金属的方法很多都可用来制备泡沫钛,但是金属钛的熔点高且易氧化,其可行的制备工艺主要是粉末烧结;而且,已研制的泡沫钛制品孔率都不太高,大多低于70%。最近,北京师范大学通过对粉体熔化发泡法的改进,制备了孔率高达90%的泡沫钛合金,取得了较好的结果。

  他们的制备方法如下:以钛粉和镍粉的混合粉末为主要原料。在制备过程中,先将粒度均为-300目的脱氢钛粉和电解镍粉按照质量比85∶15的比例配料,在行星式四头快速球磨机中混料2h,使金属粉末混合均匀。然后根据产品孔率的设定,在这种混合金属粉末中加入一定量的自制球形发泡剂(如将蚕茧捣碎用少量黏结剂团成球形颗粒后烘干待用)、自制无毒黏结剂(如用薯类淀粉与溶剂调制成胶状物)以及适量的添加剂(如碳酸氢铵粉末)。混合均匀后在模具中加压制作预制型,然后烘干。将预制型(连同模具)放入非氧化环境中快速加热到1000-1200℃,保温一定时间后迅速冷却。发泡剂在该过程中产生热分解并释放气体而形成球形胞状孔隙,炉冷至室温后得到高度多孔的泡沫钛合金制品。

  对所获制品的检测表明,其主孔为毫米级尺度的球形孔隙,在孔壁上分布了大量的微孔,总孔率高达90%,是一种低密度、高孔率的多孔钛材料。毫米级球形孔隙是由发泡剂分解、释放气体而形成:由于制品孔率很高,这些宏观孔隙被相互打通;微米级的不规则细孔则由黏结剂等其他有机加入物的热分解而形成,这些微孔进一步提高了球形宏观孔隙之间的连通性。

  吸声性能测试表明,所获制品的第一共振频率在2000Hz左右,试样的吸声系数接近或超过0.8;在1500-3000Hz的声频范围内吸声系数最低为0.4左右。第二共振频率出现在3150Hz和5000Hz之间,吸声系数超过0.9。在3000-6300Hz的声波频率范围内,试样吸声系数均高于0.6(吸声材料定义的平均吸声系数大于0.2),表现出良好的吸声性能。