Ontwerp en optimalisatie van de samenstelling van aluminiumschuimmateriaal

Aluminiumschuim is een lichtgewicht poreus materiaalMetaallic materiaal met uitstekende prestaties. Deze prestaties zijn grotendeels afhankelijk van het compositieontwerp en de optimalisatie van het materiaal. Hieronder volgt een samenvatting van het compositieontwerp en de optimalisatie vanaluminiumschuimmaterialen, van de keuze van de hoofdgrondstof tot het toevoegen van legeringselementen en de microstructuurcontrole in het schuimproces.
1. Selectie van de belangrijkste grondstoffen
Voor het maken van aluminium schuimkernmateriaal worden doorgaans de volgende twee materialen als hoofdgrondstof gekozen:

• Zuiver aluminium (Al):Het heeft een laag smeltpunt en is goed verwerkbaar.
• Al-Si-legering:Omdat de smelteigenschappen (smeltpunt, viscositeit, oppervlaktespanning, etc.) beter zijn dan die van zuiver aluminium, wordt het het meest bestudeerd bij de bereiding van aluminiumschuim.
  In het Al-Si-legeringssysteem wordt doorgaans een legering met een Si-massafractie van 5% tot 12% gebruikt. De voordelen van een Al-Si-legering zijn onder andere: de smelt heeft een gematigde viscositeit en vloeibaarheid, waardoor de schuimprestaties gemakkelijk te reguleren zijn. De eigenschappen kunnen verder worden geoptimaliseerd door andere legeringselementen toe te voegen.

2. Toevoeging van legeringselementen en hun effecten
Om de structurele parameters en de algehele prestaties vanaluminiumschuim, worden gewoonlijk geschikte hoeveelheden legeringselementen zoals Cu, Mg, Zn, enz. toegevoegd aan Al-Si-legeringen. De functies van de verschillende elementen zijn als volgt:

• Toevoeging van Cu
  Principe: Door ongeveer 3% Cu toe te voegen aan het Al-Mg-Si-composietsysteem kan de grootte van Mg₂Si-deeltjes worden teruggebracht van 30 μm tot 10 μm, wat kan leiden tot een significante afname van de grootte van de Mg₂Si-deeltjes.InVergroot aanzienlijk het totale oppervlak van de deeltjes en de viscositeit van de smelt. Wanneer 5% Cu wordt toegevoegd, verandert de stollingsmodus van laag-voor-laag-stolling naar gelijktijdige stolling, wat de structuur van het materiaal verbetert.
  Effect: Verlengt de stabilisatietijd van de poriën tijdens het schuimproces. Vermindert het optreden van defecten en scheuren in de poriewand. Verbetert de hardheid en corrosiebestendigheid van het materiaal.
• Toevoeging van Mg
  Werkingsprincipe: Het toevoegen van een geschikte hoeveelheid magnesium (ongeveer 2%) kan de structuur van de belporie effectief verbeteren en de stabiliteit van het schuimproces verhogen. De toevoeging van magnesium kan helpen de verstrengeling van oxidedeeltjesclusters te verminderen, waardoor de structuur van de belporie regelmatiger wordt en de poriewand uniformer.
  Effect: Verbetering van de homogeniteit en stabiliteit van de poriën. Vermindering van het instortingsverschijnsel.
• Optimalisatie van Si
  In Al-Si-legeringen heeft het verkleinen van de deeltjesgrootte van Si-deeltjes een duidelijk effect op de verbetering van de vesikelstructuur. Relevante experimenten hebben aangetoond dat het toevoegen van 1% Mg aan het poedersysteem van de Al-Si-legering de uniformiteit en gladheid van de poriënwand aanzienlijk kan verbeteren en het schuimproces stabieler kan maken.

3. Smeltstroom- en viscositeitscontrole
Eisen voor de lucht- en ruimtevaart- en automobielindustrie: Een goede stroom van gesmolten aluminium is essentieel voor de productie van dunne en lichtgewichtaluminiumlegeringgietstukken.
Vereisten voor de bereiding van aluminiumschuim: Om een ​​beter schuimeffect te bereiken, moet een relatief lage smeltvloeibaarheid (hoge viscositeit) worden gehandhaafd.
Methoden voor viscositeitsaanpassing: Het toevoegen van legeringselementen (bijv. Cu, Mg) verhoogt de smeltviscositeit door de deeltjesgrootte en -verdeling te veranderen. Pas de verhouding van de legeringssamenstelling aan om de stollingszone en stollingsmodus te optimaliseren.
4. Microstructuuroptimalisatie
Door microstructuuranalyse (bijvoorbeeld optische microscopie en SEM-observatie) kunnen de volgende optimalisatiestrategieën worden afgeleid:

• Verminder het verstrengelingsprobleem van oxidedeeltjes:Enkelvoudige oxidedeeltjes verbeteren de schuimprestaties niet significant, maar leiden tot onregelmatige blaasgaten en een snelle ineenstorting. De toevoeging van magnesium kan de verdeling van oxidedeeltjes aanzienlijk verbeteren en de blaasstructuur regelmatiger maken.
• Optimalisatie van de eutectische samenstelling:Het toevoegen van Mg aan een Al-Si-legering om een ​​eutectisch systeem te vormen (bijv. Al-Mg-Si) kan de schuimprestaties aanzienlijk verbeteren. Het eutectische legeringpoedersysteem vertoont een hogere stabiliteit tijdens het schuimproces.

5. Gerelateerd onderzoek
Onderzoek:Om de effecten van Mg en Si op de poriewandstructuur, poriegrootte en distributie-uniformiteit in het schuimproces te bestuderen, bleek dat de toevoeging van enkelvoudig Si of Mg aan puur Al-poeder geen opvallend effect had, terwijl de toevoeging van ongeveer 1% Mg aan Al-Si-legeringen de schuimstabiliteit aanzienlijk kon verbeteren, wat resulteerde in een gelijkmatigere poriegrootte en gladdere poriewanden.
Experimentele vergelijking:Experimenten onder optische microscoop tonen aan dat afzonderlijke oxidedeeltjes het schuimeffect niet kunnen verbeteren, maar wel leiden tot een onregelmatige poriënstructuur. Door toevoeging van een geschikte hoeveelheid magnesium is de verdeling van de schuimporiën gelijkmatiger en verbetert de stabiliteit aanzienlijk.
De kern van het compositieontwerp vanaluminiumschuimmaterialenHet doel is om de smelt- en schuimeigenschappen van de materialen te optimaliseren door middel van legeringstechnieken en microstructuurmodulatie. De belangrijkste punten van de optimalisatiestrategie zijn:
1. Geef de voorkeur aan Al-Si-legering (Si-gehalte 5%~12%) als belangrijkste grondstof.
2. Voeg een geschikte hoeveelheid Cu toe (ongeveer 3%~5%) om de viscositeit van de smelt te verbeteren, de structuur van de bellengaten te verbeteren en de stabilisatietijd van de bellengaten te verlengen.
3. Voeg een geschikte hoeveelheid Mg toe (ongeveer 1%~2%) om de stabiliteit van het schuimproces, de gladheid van de poriënwand en de uniformiteit van de poriën te verbeteren.
4. Verklein de deeltjesgrootte van Si om de eutectische samenstelling van het gesmolten legeringsmateriaal te optimaliseren.
Door bovenstaande optimalisatie worden de prestaties van aluminiumschuimmaterialen in de lucht- en ruimtevaart- en automobielindustrie aanzienlijk verbeterd.