Diseño y optimización de la composición del material de espuma de aluminio

La espuma de aluminio es un material poroso y ligero.MetalMaterial lítico con excelente rendimiento. Este rendimiento depende en gran medida del diseño de la composición y la optimización del material. A continuación, se resume el diseño de la composición y la optimización de...espuma de aluminiomateriales, desde la selección de la materia prima principal hasta la adición de elementos de aleación y el control de la microestructura en el proceso de espumado.
1. Selección de las principales materias primas
El material del núcleo de espuma de aluminio generalmente elige los siguientes dos materiales como materia prima principal:

• Aluminio puro (Al):Tiene un punto de fusión bajo y un buen rendimiento de procesamiento.
• Aleación de Al-Si:Debido a que sus propiedades de fusión (punto de fusión, viscosidad, tensión superficial, etc.) son superiores al aluminio puro, es el material más estudiado en la preparación de espuma de aluminio.
  En el sistema de aleación Al-Si, se suele utilizar una aleación con una fracción másica de Si del 5% al ​​12%. Entre sus ventajas se incluyen: la masa fundida presenta una viscosidad y fluidez moderadas, lo que facilita la regulación del rendimiento de la espumación. Las propiedades se pueden optimizar aún más añadiendo otros elementos de aleación.

2. Adición de elementos de aleación y sus efectos.
Para mejorar los parámetros estructurales y el rendimiento general deespuma de aluminioSe suelen añadir cantidades adecuadas de elementos de aleación como Cu, Mg, Zn, etc., a las aleaciones de Al-Si. Las funciones de los diferentes elementos son las siguientes:

• Adición de Cu
  Principio: Agregar aproximadamente un 3 % de Cu al sistema compuesto de Al-Mg-Si puede reducir el tamaño de las partículas de Mg₂Si de 30 μm a 10 μm, lo que puede significarEnAumenta significativamente la superficie total de las partículas y la viscosidad de la masa fundida. Al añadir un 5 % de Cu, el modo de solidificación cambia de capa por capa a solidificación simultánea, lo que mejora la organización del material.
  Efecto: Prolonga el tiempo de estabilización de los poros durante el proceso de espumado. Reduce la aparición de defectos y grietas en las paredes de los poros. Mejora la dureza y la resistencia a la corrosión del material.
• Adición de Mg
  Principio de acción: La adición de una cantidad adecuada de Mg (aproximadamente un 2%) puede mejorar eficazmente la estructura del poro de la burbuja y aumentar la estabilidad del proceso de espumado. La adición de Mg puede ayudar a reducir el enredo de los grupos de partículas de óxido, lo que hace que la estructura del poro de la burbuja sea más regular y la pared del poro más uniforme.
  Efecto: Mejora la homogeneidad y estabilidad de los poros. Reduce el colapso.
• Optimización de Si
  En las aleaciones de Al-Si, la reducción del tamaño de partícula de Si tiene un efecto evidente en la mejora de la estructura vesicular. Experimentos relevantes han demostrado que añadir un 1 % de Mg al sistema de polvo de la aleación de Al-Si puede mejorar significativamente la uniformidad y la suavidad de la pared porosa, además de aumentar la estabilidad del proceso de espumado.

3. Control del flujo de fusión y de la viscosidad
Requisitos de la industria aeroespacial y automotriz: Un buen flujo de aluminio fundido es esencial para la fabricación de piezas delgadas y ligeras.aleación de aluminiopiezas fundidas.
Necesidades de preparación de espuma de aluminio: para lograr un mejor efecto de formación de espuma, se debe mantener una fluidez de fusión relativamente baja (alta viscosidad).
Métodos de ajuste de la viscosidad: La adición de elementos de aleación (p. ej., Cu, Mg) aumenta la viscosidad de la masa fundida modificando el tamaño y la distribución de las partículas. Ajuste la proporción de la composición de la aleación para optimizar la zona y el modo de solidificación.
4. Optimización de la microestructura
A través del análisis de la microestructura (por ejemplo, microscopía óptica y observación SEM), se pueden derivar las siguientes estrategias de optimización:

• Reducir el problema del enredo de partículas de óxido:Las partículas de óxido simples no mejoran significativamente la formación de espuma, pero sí producen burbujas irregulares y facilitan su colapso. La adición de Mg puede mejorar significativamente la distribución de las partículas de óxido y regularizar la estructura de las burbujas.
• Optimización de la composición eutéctica:Añadir Mg a una aleación de Al-Si para formar un sistema eutéctico (p. ej., Al-Mg-Si) puede mejorar significativamente el rendimiento de la espumación. El sistema de polvo de aleación eutéctica muestra una mayor estabilidad en el proceso de espumación.

5. Investigación relacionada
Investigación:Para estudiar los efectos del Mg y el Si en la estructura, el tamaño y la uniformidad de la distribución de las paredes porosas durante el proceso de espumado, se observó que la adición de Si o Mg solos al polvo de Al puro no tuvo un efecto significativo, mientras que la adición de aproximadamente un 1 % de Mg a aleaciones de Al-Si pudo mejorar significativamente la estabilidad de la espumación, resultando en un tamaño de poro más uniforme y paredes más lisas.
Comparación experimental:Experimentos con microscopio óptico muestran que las partículas de óxido individuales no mejoran el efecto espumante, sino que dan lugar a una estructura porosa irregular. Con la adición de una cantidad adecuada de Mg, la distribución de los poros de la espuma es más uniforme y la estabilidad mejora significativamente.
El núcleo del diseño compositivo demateriales de espuma de aluminioSu objetivo es optimizar las propiedades de fusión y espumación de los materiales mediante aleaciones y modulación de la microestructura. Los principales puntos de la estrategia de optimización son los siguientes:
1. Prefiera la aleación Al-Si (contenido de Si 5% ~ 12%) como materia prima principal.
2. Agregue una cantidad adecuada de Cu (aproximadamente 3% ~ 5%) para mejorar la viscosidad de la masa fundida, mejorar la estructura de los orificios de las burbujas y prolongar el tiempo de estabilización de los orificios de las burbujas.
3. Agregue una cantidad adecuada de Mg (aproximadamente 1% ~ 2%) para mejorar la estabilidad del proceso de formación de espuma, la suavidad de la pared de los poros y la uniformidad de los poros.
4. Reducir el tamaño de partícula de Si para optimizar la composición eutéctica de la aleación fundida.
A través de la optimización anterior, se mejorará significativamente el rendimiento de los materiales de espuma de aluminio en las industrias aeroespacial y automotriz.