陶瓷空心球/钛合金复合泡沫材料的制备与分析

作者:杨倩倩;邵星海;刘源;马明星;曹磊;李一凡;杨少丹 刊名:铸造 上传者:侯守科

【摘要】分别使用氧化铝和氧化锆陶瓷空心球作为孔隙占位材料;采用传统的重力铸造技术成功制备了陶瓷空心球/钛合金复合泡沫材料薄板试样;借助扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)分析复合材料中微观结构、界面特征和元素分布;采用万能压力试验机进行吸能性能分析;结果表明:复合泡沫钛中陶瓷空心球形态完整;且在空心球与钛合金之间界面清晰;未发现明显的过渡层;对陶瓷空心球/钛合金复合泡沫材料进行压缩试验;变形阶段依次为弹性应变阶段、屈服平稳阶段和密实化阶段;具备良好的吸能特性;

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02-0115-06泡沫金属材料具有密度小、吸能减震、隔音吸音和电磁屏蔽等优良特性,一直是国内外新型材料研制和应用的热点[1-3]。将陶瓷空心球植入金属基体中可制造出陶瓷球/金属基复合材料,属于泡沫金属制备的新方向[4-6]。与传统的泡沫金属相比,陶瓷球/金属基复合材料相对密度较大,力学性能高,可以应用于制造航母飞行甲板、轻质速装大桥、军车抗地雷底板、防弹复合装甲、重型装备空降缓冲台、轻质导弹发射井盖、列车防撞结构、铁路公路隔声屏障、公路隔振垫、安全校车等部件和装备[1-6]。目前,通过铸造工艺制备陶瓷空心球/金属基复合泡沫材料的研究主要集中在低熔点且工艺、设备要求较低的铝金属及合金,有搅拌法、负压浸渗法和金属液增粘/电磁搅拌法等制备方法[3-4,6]。陶瓷空心球/钛合金复合泡沫材料因钛金属和合金的铸造工艺要求苛刻、质量控制难和制造成本高等因素,现有的复合泡沫材料铸造设备和技术难以直接应用于制造陶瓷空心球/钛合金复合泡沫材料,目前未见到陶瓷空心球/钛合金复合泡沫材料相关的研究报道。钛金属及合金常用铸造方法主要有真空重力铸造和真空离心铸造两种方法,常用的造型方法有石墨型和精密铸造型壳两种铸型。本文采用石墨型快速加工技术和真空重力铸造技术,通过铸型分型设计,并在铸型中加入陶瓷空心球铸造工艺,制备出陶瓷空心球/钛合金复合泡沫材料,并进行了微观结构及材料性能分析。1?样品制备及检测1.1?原材料准备考虑到耐火度和化学稳定性等因素,筛选出适用于钛合金铸造的陶瓷材料:选择氧化铝和氧化锆两种材料的陶瓷空心球,其中氧化铝陶瓷空心球的直径范围3~5 mm,堆积密度0.672 g/cm3,用于制备较大孔径较低密度的复合泡沫钛材料;氧化锆陶瓷空心球的直径范围2~3 mm,堆积密度1.15 g/cm3,用于制备较小孔径的复合泡沫钛材料。依次采用筛除和人工去除方法去除较大破损或异常的陶瓷空心球。通过对陶瓷空心球产品进行市场调研,在国产陶瓷空心球中有30%以上的破损球,其中有20%以上为局部破损,即空心球破损处尺寸在1 mm以下,为了验证局部破损球制作泡沫钛的可行性,人工去除破损空心球过程只去除较大破损程度的空心球。采用规格为10目的钼丝过滤网作为陶瓷空心球的固定装置,将钼丝过滤网焙烧后进行超声波清洗和烘干。采用TC4钛合金进行泡沫钛的浇注,熔炼用钛锭的原材料成分符合TC4牌号要求,并采用真空自耗电极熔炼炉进行钛合金熔化和浇注。铸型使用石墨型,按照石墨型分模工艺,采用数控铣床加工成形技术,将石墨型部件分别机加工成形后,再进行组装,石墨型在组装前进行除气,组装后进行预热。1.2?铸造工艺设计在传统石墨型钛合金重力铸造的基础上,将陶瓷空心球填入石墨型型腔内,并用过滤网将其固定,通过浇注钛合金金属液制备陶瓷空心球/钛合金复合泡沫材料。泡沫钛重力铸造工艺设计图如图1所示。该工艺应优先设计具备以下两项特征:①在传统铸造工艺的直浇道底部设计该工艺,保证1 000 mm以上的浇注高度,利用金属液下落的动能促进金属液在陶瓷球空隙之间的渗流;②该工艺简单且易于实现,可以设计该工艺与其他产品一起浇注,通过借用其他产品的直浇道,节约制造成本。本文试验工艺设计样品型腔厚度20 mm。组型前需要将石墨型部件、钼丝过滤网和陶瓷空心球放置于除气设备中,抽真空至0.4 Pa左右进行充分的除气。除气后将辅助材料(陶瓷空心球、钼丝网)和石墨型进行组装和预热。图2是辅助材料和石墨型的部分部件组装过程图。首先将陶瓷空心球放入型腔,将钼丝网放置到上方将陶瓷空心球固定到下方的型腔内,通过控制陶瓷空心球的加入量,在钼丝

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