Progettazione e ottimizzazione della composizione del materiale in schiuma di alluminio

La schiuma di alluminio è un materiale poroso leggeroMetalloMateriale chimico con prestazioni eccellenti. Queste prestazioni dipendono in gran parte dalla progettazione della composizione e dall'ottimizzazione del materiale. Di seguito sono riassunte la progettazione della composizione e l'ottimizzazione dischiuma di alluminiomateriali, dalla selezione delle materie prime principali all'aggiunta di elementi di lega e al controllo della microstruttura nel processo di schiumatura.
1. Selezione delle materie prime principali
Il materiale con anima in schiuma di alluminio generalmente sceglie i due materiali seguenti come materia prima principale:

• Alluminio puro (Al):Ha un basso punto di fusione e buone prestazioni di lavorazione.
• Al-Si alloy:Poiché le sue proprietà di fusione (punto di fusione, viscosità, tensione superficiale, ecc.) sono superiori a quelle dell'alluminio puro, questo metallo è ampiamente studiato nella preparazione della schiuma di alluminio.
  Nel sistema di leghe Al-Si, si utilizza solitamente una lega con una frazione di massa di Si compresa tra il 5% e il 12%. I vantaggi della lega Al-Si includono: la massa fusa presenta una viscosità e una fluidità moderate, che facilitano la regolazione delle prestazioni di schiumatura. Le proprietà possono essere ulteriormente ottimizzate aggiungendo altri elementi di lega.

2. Aggiunta di elementi di lega e loro effetti
Per migliorare i parametri strutturali e le prestazioni complessive dischiuma di alluminioAlle leghe Al-Si vengono solitamente aggiunte quantità appropriate di elementi di lega come Cu, Mg, Zn, ecc. Le funzioni dei diversi elementi sono le seguenti:

• Aggiunta di Cu
  Principio: l'aggiunta di circa il 3% di Cu al sistema composito Al-Mg-Si può ridurre la dimensione delle particelle di Mg₂Si da 30 μm a 10 μm, il che può significareInAumentano significativamente la superficie totale delle particelle e la viscosità del fuso. Aggiungendo il 5% di Cu, la modalità di solidificazione passa da una solidificazione strato per strato a una solidificazione simultanea, migliorando l'organizzazione del materiale.
  Effetto: prolunga il tempo di stabilizzazione dei pori durante il processo di schiumatura. Riduce la formazione di difetti e crepe nelle pareti dei pori. Migliora la durezza e la resistenza alla corrosione del materiale.
• Aggiunta di Mg
  Principio di azione: l'aggiunta di una quantità adeguata di Mg (circa il 2%) può migliorare efficacemente la struttura del poro a bolle e aumentare la stabilità del processo di schiumatura. L'aggiunta di Mg può contribuire a ridurre l'aggrovigliamento dei cluster di particelle di ossido, rendendo così la struttura del poro a bolle più regolare e la parete del poro più uniforme.
  Effetto: Migliora l'omogeneità e la stabilità dei pori. Riduce il fenomeno del collasso.
• Ottimizzazione di Si
  Nelle leghe Al-Si, la riduzione delle dimensioni delle particelle di Si ha un effetto evidente sul miglioramento della struttura delle vescicole. Esperimenti pertinenti hanno dimostrato che l'aggiunta dell'1% di Mg al sistema in polvere della lega Al-Si può migliorare significativamente l'uniformità e la levigatezza della parete dei pori, rendendo il processo di schiumatura più stabile.

3. Controllo del flusso di fusione e della viscosità
Requisiti del settore aerospaziale e automobilistico: un buon flusso di alluminio fuso è essenziale per la produzione di materiali sottili e leggerilega di alluminiogetti.
Requisiti per la preparazione della schiuma di alluminio: per ottenere un migliore effetto schiumogeno, è necessario mantenere una fluidità della massa fusa relativamente bassa (viscosità elevata).
Metodi di regolazione della viscosità: l'aggiunta di elementi di lega (ad esempio Cu, Mg) aumenta la viscosità del fuso modificando la granulometria e la distribuzione delle particelle. Regolare il rapporto di composizione della lega per ottimizzare la zona e la modalità di solidificazione.
4. Ottimizzazione della microstruttura
Attraverso l'analisi della microstruttura (ad esempio microscopia ottica e osservazione SEM), è possibile derivare le seguenti strategie di ottimizzazione:

• Ridurre il problema dell'intreccio delle particelle di ossido:Le particelle di ossido semplici non migliorano significativamente le prestazioni di schiumatura, ma causano fori irregolari nelle bolle e facilitano il collasso. L'aggiunta di Mg può migliorare significativamente la distribuzione delle particelle di ossido e rendere la struttura delle bolle più regolare.
• Ottimizzazione della composizione eutettica:L'aggiunta di Mg alla lega Al-Si per formare un sistema eutettico (ad esempio Al-Mg-Si) può migliorare significativamente le prestazioni di schiumatura. Il sistema in polvere di lega eutettica mostra una maggiore stabilità nel processo di schiumatura.

5. Ricerca correlata
Ricerca:Per studiare gli effetti di Mg e Si sulla struttura della parete dei pori, sulla dimensione dei pori e sull'uniformità di distribuzione nel processo di schiumatura, si è scoperto che l'aggiunta di Si o Mg singoli alla polvere di Al puro non ha avuto un effetto significativo, mentre l'aggiunta di circa l'1% di Mg alle leghe Al-Si potrebbe migliorare significativamente la stabilità della schiumatura, con conseguente maggiore uniformità dei pori e pareti più lisce.
Confronto sperimentale:Esperimenti al microscopio ottico dimostrano che singole particelle di ossido non migliorano l'effetto schiumogeno, ma portano a una struttura porosa irregolare. Con l'aggiunta di una quantità adeguata di Mg, la distribuzione dei pori della schiuma risulta più uniforme e la stabilità è significativamente migliorata.
Il nucleo del progetto compositivo dimateriali in schiuma di alluminioL'obiettivo è ottimizzare le proprietà di fusione e di schiumatura dei materiali attraverso l'uso di metodi di lega e la modulazione della microstruttura. I punti principali della strategia di ottimizzazione sono:
1. Preferire la lega Al-Si (contenuto di Si 5%~12%) come materia prima principale.
2. Aggiungere una quantità adeguata di Cu (circa 3%~5%) per migliorare la viscosità della massa fusa, migliorare la struttura dei fori delle bolle e prolungare il tempo di stabilizzazione degli stessi.
3. Aggiungere una quantità adeguata di Mg (circa 1%~2%) per migliorare la stabilità del processo di schiumatura, la levigatezza della parete dei pori e l'uniformità dei pori.
4. Ridurre la dimensione delle particelle di Si per ottimizzare la composizione eutettica della lega fusa.
Grazie all'ottimizzazione di cui sopra, le prestazioni dei materiali in schiuma di alluminio nei settori aerospaziale e automobilistico saranno notevolmente migliorate.