泡沫铝及其三明治结构累积叠轧制备

D0L:10.13374.issn1001-053x.2013.06.012 第35卷第6期 北京科技大学学报 Vol.35 No.6 2013年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2013 泡沫铝及其三明治结构累积叠轧制备 王耀奇1,2)，任学平1)☒，侯红亮2) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)北京航空制造工程研究所，北京100024 ☒通信作者，E-mail:rxp33@mater..ustb.edu.cn 摘要通过累积叠轧法制备泡沫铝.采用称重法研究泡沫铝孔隙结构，利用光学显微镜观察泡沫铝孔隙形貌.发现以 TH2为发泡介质，当发泡温度660~680℃和发泡时间6~l0min时，利用累积叠轧法制备泡沫铝的孔隙结构特性最好. 发泡温度和发泡时间的最佳值与发泡剂用量有关，TH2质量分数为1.5%，在670℃发泡8mi,泡沫铝的孔隙率可达到 42%,孔径为0.43mm.以制备的泡沫铝为夹芯，通过轧制复合制备了TC4钛合金/泡沫铝芯和1Cr18Ni9Ti不锈钢/泡 沫铝芯三明治板.利用光学显微镜和能谱仪研究了三明治板的界面.面板与芯板间的化合反应形成了界面的反应层，界 面实现了治金结合. 关键词层压复合材料：泡沫铝：钛合金：不锈钢：三明治结构：轧焊：轧制复合：氢化钛 分类号TB34 Preparation of aluminum foams and their sandwiches by accumula- tive roll-bonding WANG Yao-qi1),REN Xue-ping),HOU Hong-liang2) 1)School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute,Beijing 100024.China Corresponding author,E-mail:rxp33mater.ustb.edu.cn ABSTRACT Aluminum foams were prepared by accumulative roll-bonding (ARB).Their porosity and pore mor- phology were studied by weighing and optical microscopy,respectively.It is found that aluminum foams prepared by ARB with TiH2 powder as the blister have optimum performance within the foaming temperature of 660 to 680C and the foaming time of 6 to 10 min.The optimum values of foaming temperature and foaming time are relevant to blister content.With 1.5%TiH2 at 670 C for 8 min,the porosity and pore size of aluminum foams can reach 42%and 0.43 mm, respectively.Taking the aluminum foam by accumulative roll-bonding as the core,TC4 titanium alloy/aluminum foam and 1Cr18Ni9Ti stainless steel/aluminum foam sandwiches were produced by roll cladding.The interface morphology of these sandwiches was investigated by optical microscopy and energy spectrum analysis.A conversion zone forms by combination reaction between the face plate and the core plate,leading to metallurgical bonding at the interface. KEY WORDS laminated composites;aluminum foams;titanium alloys;stainless steel;sandwich structures;roll bonding:roll cladding:titanium hydride 泡沫铝及其三明治结构具有轻质、高比强度和 大塑性变形细化材料晶粒组织的方法3，Kitazono 比刚度、良好的减震性等优点，既实现了结构材料 和Kamimura等【4-8】在累积叠轧焊技术的基础上， 的轻量化，又可以使材料具有隔热、隔声、减振等 提出的一种泡沫铝制备的新方法，该方法制备泡沫 功能特性，因而在航空、航天尤其是在汽车领域具 铝具有工艺简单、成本低、适用的基体材料广泛等 有广泛的应用前景-.累积叠轧焊是一种利用 优点，为泡沫铝高效、低成本制备提供了一条新的 收稿日期：2012-02-08 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50875249)

第 35 卷 第 6 期 北 京 科 技 大 学 学 报 Vol. 35 No. 6 2013 年 6 月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun. 2013 泡沫铝及其三明治结构累积叠轧制备 王耀奇1,2)，任学平1) ，侯红亮2) 1) 北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083 2) 北京航空制造工程研究所，北京 100024 通信作者，E-mail: rxp33@mater.ustb.edu.cn 摘 要 通过累积叠轧法制备泡沫铝. 采用称重法研究泡沫铝孔隙结构，利用光学显微镜观察泡沫铝孔隙形貌. 发现以 TiH2 为发泡介质，当发泡温度 660∼680 ℃和发泡时间 6∼10 min 时，利用累积叠轧法制备泡沫铝的孔隙结构特性最好. 发泡温度和发泡时间的最佳值与发泡剂用量有关，TiH2 质量分数为 1.5%，在 670 ℃发泡 8 min，泡沫铝的孔隙率可达到 42%，孔径为 0.43 mm. 以制备的泡沫铝为夹芯，通过轧制复合制备了 TC4 钛合金/泡沫铝芯和 1Cr18Ni9Ti 不锈钢/泡 沫铝芯三明治板. 利用光学显微镜和能谱仪研究了三明治板的界面. 面板与芯板间的化合反应形成了界面的反应层，界 面实现了冶金结合. 关键词 层压复合材料；泡沫铝；钛合金；不锈钢；三明治结构；轧焊；轧制复合；氢化钛 分类号 TB34 Preparation of aluminum foams and their sandwiches by accumula￾tive roll-bonding WANG Yao-qi 1,2), REN Xue-ping 1) , HOU Hong-liang 2) 1) School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute, Beijing 100024, China Corresponding author, E-mail: rxp33@mater.ustb.edu.cn ABSTRACT Aluminum foams were prepared by accumulative roll-bonding (ARB). Their porosity and pore mor￾phology were studied by weighing and optical microscopy, respectively. It is found that aluminum foams prepared by ARB with TiH2 powder as the blister have optimum performance within the foaming temperature of 660 to 680 ℃ and the foaming time of 6 to 10 min. The optimum values of foaming temperature and foaming time are relevant to blister content. With 1.5% TiH2 at 670 ℃ for 8 min, the porosity and pore size of aluminum foams can reach 42% and 0.43 mm, respectively. Taking the aluminum foam by accumulative roll-bonding as the core, TC4 titanium alloy/aluminum foam and 1Cr18Ni9Ti stainless steel/aluminum foam sandwiches were produced by roll cladding. The interface morphology of these sandwiches was investigated by optical microscopy and energy spectrum analysis. A conversion zone forms by combination reaction between the face plate and the core plate, leading to metallurgical bonding at the interface. KEY WORDS laminated composites; aluminum foams; titanium alloys; stainless steel; sandwich structures; roll bonding; roll cladding; titanium hydride 泡沫铝及其三明治结构具有轻质、高比强度和 比刚度、良好的减震性等优点，既实现了结构材料 的轻量化，又可以使材料具有隔热、隔声、减振等 功能特性，因而在航空、航天尤其是在汽车领域具 有广泛的应用前景 [1−2] . 累积叠轧焊是一种利用 大塑性变形细化材料晶粒组织的方法 [3]，Kitazono 和 Kamimura 等 [4−8] 在累积叠轧焊技术的基础上， 提出的一种泡沫铝制备的新方法，该方法制备泡沫 铝具有工艺简单、成本低、适用的基体材料广泛等 优点，为泡沫铝高效、低成本制备提供了一条新的 收稿日期：2012–02–08 基金项目：国家自然科学基金资助项目 (50875249) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2013.06.012

.794 北京科技大学学报 第35卷 途径 式中，M为试样质量，V为试样体积，Ps为L2纯 笔者在前期研究工作的基础上⑨，优化了累 铝的密度 积叠轧焊工艺，系统研究了发泡参数与发泡剂含 利用光学金相显微镜观察泡沫铝及其三明治 量对孔隙结构的影响规律.在此基础上，通过轧制 板孔隙形貌，三明治板的界面形貌.通过图像处 复合制备了TC4钛合金面板/泡沫铝芯三明治板和 理软件，测量孔径的尺寸.利用扫描电镜观察泡沫 1Cr18Ni9Ti不锈钢面板/泡沫铝芯三明治板 铝三明治板面板与芯板间的结合界面.通过能谱分 析，研究界面附近的元素分布 1实验材料与方法 表面处理； 选用工业纯铝工2作为泡沫铝的基体，氢化钛 粉末作为发泡剂，氢化钛粉未颗粒的表面形貌如图 1所示，粒度约46um,相组成为TiH2. 撤粉堆叠 叠合轧制： 表面处理，叠合 裁诚 表面处理，叠合 0 Mag=1.00KX WD=20mm EHT=20.00kV Signal A=SEI 轧制复合： 图1TH2颗粒的形貌 Fig.1 Morphology of titanium hydride particles 发泡处理： 应用累积叠轧法制备泡沫铝及其三明治板的 图2泡沫铝及其三明治板累积叠轧制备工艺 实验过程如图2所示.首先将L2纯铝进行表面 Fig.2 Preparation process of aluminum foams and their 处理，祛除表面的油脂与氧化膜，试样的尺寸为 sandwich by accumulative roll-bonding and roll cladding 300mm×50mm×1mm,然后将质量分数分别为 2实验结果与分析 0.5%、1.0%、1.5%和2.0%的氢化钛粉末均匀铺撒在 四层铝板之间，并将四层铝板叠合并固定在一起， 2.1泡沫铝孔隙结构与形貌 在350℃条件下进行轧制，压下量为50%，轧制后将 叠轧2道次，发泡10min时，泡沫铝孔隙率、 试样从中间剪断，重复上面的过程，共进行2道次 孔径与发泡温度的关系如图3和图4所示.研究显 的叠轧实验，即可获得泡沫铝预制坯.在泡沫铝预 示：随着发泡温度的升高，孔隙率和孔径均呈上抛 制坯两侧叠合两块厚度为0.8mm的TC4钛合金面 物线变化趋势，孔隙率在670℃时达到极大值，而 板或1Cr18Ni9Ti不锈钢面板，在450℃条件下进行 孔径则在660℃时达到极大值；且随着TH2含量 轧制复合，压下量为30%，获得三明治板.将泡沫铝 增加，孔隙率提高，孔径也增大，当TH2质量分数 预制坯或三明治板置入空气电阻炉中，进行发泡处 为1.5%，670℃时孔隙率最大值为38%，660℃时 理.电阻炉炉温即为发泡温度，分别为650、660、670 孔径最大值为0.43mm. 和680℃.保温时间即为发泡时间，不同的发泡温 叠轧2道次，发泡10min时，不同发泡温度泡 度对应的发泡时间取值范围不同.实验结束后采用 沫铝孔隙形貌如图5所示.研究显示：温度较低时， 空冷的方式冷却至室温 泡沫铝孔隙尺寸较大，分布不均匀，如图5(a)和图 采用称重法测量泡沫铝的孔隙率10，其结果 5(b):随着温度的升高，孔隙尺寸降低，且均匀性提 可以用以下公式计算： 高，如图5(c)和图5(d).在此实验条件下，若以孔 M 隙率与均匀性作为泡沫铝的评价标准，最佳的发泡 0=1- (1) 温度为670℃

· 794 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 途径. 笔者在前期研究工作的基础上 [9]，优化了累 积叠轧焊工艺，系统研究了发泡参数与发泡剂含 量对孔隙结构的影响规律. 在此基础上，通过轧制 复合制备了 TC4 钛合金面板/泡沫铝芯三明治板和 1Cr18Ni9Ti 不锈钢面板/泡沫铝芯三明治板. 1 实验材料与方法 选用工业纯铝 L2 作为泡沫铝的基体，氢化钛 粉末作为发泡剂，氢化钛粉末颗粒的表面形貌如图 1 所示，粒度约 46µm，相组成为 TiH2. 图 1 TiH2 颗粒的形貌 Fig.1 Morphology of titanium hydride particles 应用累积叠轧法制备泡沫铝及其三明治板的 实验过程如图 2 所示. 首先将 L2 纯铝进行表面 处理，祛除表面的油脂与氧化膜，试样的尺寸为 300 mm×50 mm×1 mm，然后将质量分数分别为 0.5%、1.0%、1.5%和 2.0%的氢化钛粉末均匀铺撒在 四层铝板之间，并将四层铝板叠合并固定在一起， 在 350 ℃条件下进行轧制，压下量为 50%，轧制后将 试样从中间剪断，重复上面的过程，共进行 2 道次 的叠轧实验，即可获得泡沫铝预制坯. 在泡沫铝预 制坯两侧叠合两块厚度为 0.8 mm 的 TC4 钛合金面 板或 1Cr18Ni9Ti 不锈钢面板，在 450 ℃条件下进行 轧制复合，压下量为 30%，获得三明治板. 将泡沫铝 预制坯或三明治板置入空气电阻炉中，进行发泡处 理. 电阻炉炉温即为发泡温度，分别为 650、660、670 和 680 ℃. 保温时间即为发泡时间，不同的发泡温 度对应的发泡时间取值范围不同. 实验结束后采用 空冷的方式冷却至室温. 采用称重法测量泡沫铝的孔隙率 [10]，其结果 可以用以下公式计算： θ = 1 − M V ρs . (1) 式中，M 为试样质量，V 为试样体积，ρs 为 L2 纯 铝的密度. 利用光学金相显微镜观察泡沫铝及其三明治 板孔隙形貌，三明治板的界面形貌. 通过图像处 理软件，测量孔径的尺寸. 利用扫描电镜观察泡沫 铝三明治板面板与芯板间的结合界面. 通过能谱分 析，研究界面附近的元素分布. 图 2 泡沫铝及其三明治板累积叠轧制备工艺 Fig.2 Preparation process of aluminum foams and their sandwich by accumulative roll-bonding and roll cladding 2 实验结果与分析 2.1 泡沫铝孔隙结构与形貌 叠轧 2 道次，发泡 10 min 时，泡沫铝孔隙率、 孔径与发泡温度的关系如图 3 和图 4 所示. 研究显 示：随着发泡温度的升高，孔隙率和孔径均呈上抛 物线变化趋势，孔隙率在 670 ℃时达到极大值，而 孔径则在 660 ℃时达到极大值；且随着 TiH2 含量 增加，孔隙率提高，孔径也增大，当 TiH2 质量分数 为 1.5%，670 ℃时孔隙率最大值为 38%，660 ℃时 孔径最大值为 0.43 mm. 叠轧 2 道次，发泡 10 min 时，不同发泡温度泡 沫铝孔隙形貌如图 5 所示. 研究显示：温度较低时， 泡沫铝孔隙尺寸较大，分布不均匀，如图 5(a) 和图 5(b)；随着温度的升高，孔隙尺寸降低，且均匀性提 高，如图 5(c) 和图 5(d). 在此实验条件下，若以孔 隙率与均匀性作为泡沫铝的评价标准，最佳的发泡 温度为 670 ℃

第6期 王耀奇等：泡沫铝及其三明治结构累积叠轧制备 795· 40 0.50 一0.5% -0.5% 38 1.0% 0.45 1.5% 36 2.0% 0.40 8 34 0.35 32 葉 0 0.30 28 0.25 26 0.20 650 660 670 680 650 660 670 6R0 温度/℃ 温度/℃ 图3泡沫铝孔隙率与发泡温度的关系 图4泡沫铝孔径与发泡温度的关系 Fig.3 Relationship between porosity and foaming tempera- Fig.4 Relationship between pore size and foaming temper- ture for aluminum foams ature for aluminum foams a 400m 400m (d) 400μm 400m 图5不同发泡温度下泡沫铝孔隙形貌(1.5%TiH2).(a)650℃；(b)660℃；(c)670℃：(d)680℃ Fig.5 Morphologies of aluminum foams at different foaming temperatures(1.5%TiH2):(a)650℃；(b)660℃；(c)670℃；(d) 680℃ 泡沫铝的孔隙率和孔径不仅与发泡温度有关， 到极大值，TH2质量分数1.5%的孔隙率和孔径分 与发泡时间也有关系.叠轧2道次，发泡温度670 别为42%与0.43mm. ℃时，孔隙率和孔径与发泡时间的关系曲线如图6 叠轧2道次，发泡温度670℃时，不同发泡时 和图7所示.孔隙率和孔径随发泡时间的增加均呈 间的泡沫铝孔隙形貌如图8所示.结果显示：发泡 上抛物线变化趋势.TH2含量不同，孔隙率和孔时间2mi血时，孔隙尺寸小、数量少且均匀性较差： 径达到极大值的发泡时间不同：TH2质量分数较 随着发泡时间的增加，孔隙的尺寸增大，数量增多， 低（≤1.0%）时，发泡时间6min后孔隙率和孔径 均匀性提高，如图8(c)所示：当时间进一步增加， 即可达到极大值，TH2质量分数1.0%的孔隙率和 达到10min时，孔隙的尺寸减小，均匀性降低.在 孔径分别为37%与0.38mm;TiH2质量分数较高 本实验的研究范围内，若以孔隙率与均匀性作为泡 (≥1.5%)时，发泡时间8min后孔隙率和孔径可达 沫铝的评价标准，最佳发泡时间为8min

第 6 期 王耀奇等：泡沫铝及其三明治结构累积叠轧制备 795 ·· 图 3 泡沫铝孔隙率与发泡温度的关系 Fig.3 Relationship between porosity and foaming tempera￾ture for aluminum foams 图 4 泡沫铝孔径与发泡温度的关系 Fig.4 Relationship between pore size and foaming temper￾ature for aluminum foams 图 5 不同发泡温度下泡沫铝孔隙形貌 (1.5% TiH2). (a) 650 ℃; (b) 660 ℃; (c) 670 ℃; (d) 680 ℃ Fig.5 Morphologies of aluminum foams at different foaming temperatures (1.5% TiH2): (a) 650 ℃; (b) 660 ℃; (c) 670 ℃; (d) 680 ℃ 泡沫铝的孔隙率和孔径不仅与发泡温度有关， 与发泡时间也有关系. 叠轧 2 道次，发泡温度 670 ℃时，孔隙率和孔径与发泡时间的关系曲线如图 6 和图 7 所示. 孔隙率和孔径随发泡时间的增加均呈 上抛物线变化趋势. TiH2 含量不同，孔隙率和孔 径达到极大值的发泡时间不同：TiH2 质量分数较 低 (61.0%) 时，发泡时间 6 min 后孔隙率和孔径 即可达到极大值，TiH2 质量分数 1.0%的孔隙率和 孔径分别为 37%与 0.38 mm；TiH2 质量分数较高 (>1.5%) 时，发泡时间 8 min 后孔隙率和孔径可达 到极大值，TiH2 质量分数 1.5%的孔隙率和孔径分 别为 42%与 0.43 mm. 叠轧 2 道次，发泡温度 670 ℃时，不同发泡时 间的泡沫铝孔隙形貌如图 8 所示. 结果显示：发泡 时间 2min 时，孔隙尺寸小、数量少且均匀性较差； 随着发泡时间的增加，孔隙的尺寸增大，数量增多， 均匀性提高，如图 8(c) 所示；当时间进一步增加， 达到 10 min 时，孔隙的尺寸减小，均匀性降低. 在 本实验的研究范围内，若以孔隙率与均匀性作为泡 沫铝的评价标准，最佳发泡时间为 8 min

.796 北京科技大学学报 第35卷 45 0.50 -■-0.5% 40 0.45 ◆-1.0% ▲-1.5% --2.0% 35 0.40 9 0.35 -·-0.5% 0.30 -1.07 -4-1.5% 0.25 20 --2.0% 0.20 15 6 10 6 10 发泡时间/min 发泡时间/mim 图6泡沫铝孔隙率与发泡时间的关系 图7泡沫铝孔径与发泡时间的关系 Fig.6 Relationship between porosity and foaming time for Fig.7 Relationship between pore size and foaming time for aluminum foams aluminum foams 400m 400μm 400m 00m 图8不同发泡时间的泡沫铝孔隙形貌(1.5%TiH2).(a)2min;(b)4min:(c)8min(d)10min Fig.8 Morphologies of aluminum foams for different foaming time (1.5%TiH2):(a)2 min:(b)4 min:(c)8 min;(d)10 min 适当地提高发泡温度，延长发泡时间，可以改 一部分孔隙由于过度膨胀而发生破裂，导致塌陷， 善泡沫铝的结构特性，但并不是温度越高，发泡时 孔隙发生合并，孔隙尺寸降低，泡沫铝的孔隙率与 间越长，泡沫铝的结构特性越好.这是因为发泡温 均匀性降低. 度较低或发泡时间较短时，TH2的分解率较低或2.2泡沫铝三明治板及界面形貌 分解量较少，只有TH2聚集质量较多的质点才能 以累积叠轧法制备的泡沫铝(1.5%TH2)为夹 够形核并长大，形成尺寸较大的孔隙，因此泡沫铝 芯，利用轧制复合法制备的泡沫铝三明治板如图9 孔隙率低，孔隙均匀性较差：随着发泡温度的升高 和图10所示.结果显示，在相同的发泡条件下， 或发泡时间的延长，TH2的分解率升高或分解量增 与泡沫铝相比，三明治板泡沫铝夹芯孔隙率降低， 加，TH2聚集质量较小的质点也能够形核并长大， 孔径尺寸减小，说明上下面板的约束对孔隙的形成 形成尺寸较小的孔隙，同时对大尺寸孔隙的长大还 与发展有阻碍作用.通过对面板与芯板连接界面的 起到抑制作用，泡沫铝的孔隙率与均匀性均得到改 观察可以看出，TC4钛合金面板/泡沫铝芯界面以 善：当温度进一步升高或发泡时间进一步增加时， 及1Cr18Ni9Ti不锈钢面板/泡沫铝芯界面结合质量

· 796 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 图 6 泡沫铝孔隙率与发泡时间的关系 Fig.6 Relationship between porosity and foaming time for aluminum foams 图 7 泡沫铝孔径与发泡时间的关系 Fig.7 Relationship between pore size and foaming time for aluminum foams 图 8 不同发泡时间的泡沫铝孔隙形貌 (1.5% TiH2). (a) 2 min; (b) 4 min; (c) 8 min; (d) 10 min Fig.8 Morphologies of aluminum foams for different foaming time (1.5% TiH2): (a) 2 min; (b) 4 min; (c) 8 min; (d) 10 min 适当地提高发泡温度，延长发泡时间，可以改 善泡沫铝的结构特性，但并不是温度越高，发泡时 间越长，泡沫铝的结构特性越好. 这是因为发泡温 度较低或发泡时间较短时，TiH2 的分解率较低或 分解量较少，只有 TiH2 聚集质量较多的质点才能 够形核并长大，形成尺寸较大的孔隙，因此泡沫铝 孔隙率低，孔隙均匀性较差；随着发泡温度的升高 或发泡时间的延长，TiH2 的分解率升高或分解量增 加，TiH2 聚集质量较小的质点也能够形核并长大， 形成尺寸较小的孔隙，同时对大尺寸孔隙的长大还 起到抑制作用，泡沫铝的孔隙率与均匀性均得到改 善；当温度进一步升高或发泡时间进一步增加时， 一部分孔隙由于过度膨胀而发生破裂，导致塌陷， 孔隙发生合并，孔隙尺寸降低，泡沫铝的孔隙率与 均匀性降低. 2.2 泡沫铝三明治板及界面形貌 以累积叠轧法制备的泡沫铝 (1.5%TiH2) 为夹 芯，利用轧制复合法制备的泡沫铝三明治板如图 9 和图 10 所示. 结果显示，在相同的发泡条件下， 与泡沫铝相比，三明治板泡沫铝夹芯孔隙率降低， 孔径尺寸减小，说明上下面板的约束对孔隙的形成 与发展有阻碍作用. 通过对面板与芯板连接界面的 观察可以看出，TC4 钛合金面板/泡沫铝芯界面以 及 1Cr18Ni9Ti 不锈钢面板/泡沫铝芯界面结合质量

第6期 王耀奇等：泡沫铝及其三明治结构累积叠轧制备 797· 良好，不存在分离的现象，如图9(b)和图10(b) 1Cr18Ni9Ti不锈钢面板/泡沫铝芯界面处，Fe元素 所示. 分布层较厚，大约100m左右，与其对应的Fe元 在图9(b)和图10(b)中选取距界面处不同距 素的原子分数为21.40%~0.56%.根据A1-Fe相图分 离的点（用×表示）进行能谱分析，其结果如图11 析可知，在1Cr18Ni9Ti不锈钢面板/泡沫铝芯界面 所示.研究表明，T℃4钛合金面板/泡沫铝芯界面 处，反应生成了FeAl3金属间化合物.上述研究结 处，Ti元素的分布层较薄，在界面处(x=0,x为距 果与部分研究者1-1的研究结果相一致，泡沫铝 界面的距离)的Ti元素的原子分数为35.90%.根 三明治板面板与芯板间的界面反应对提高界面的结 据A1-Ti相图分析可知，在TC4钛合金面板/泡 合质量起到促进作用.然而界面反应对孔隙结构的 沫铝芯界面处，反应生成了TiA13金属间化合物. 影响，还需作进一步深入研究. (a) (b) TC4 10m Mag=2.00KX WD=17mm EHT-20kV Signal A=SEI 图9TC4钛合金面板/泡沫铝芯三明治板(670℃，4min).(a)三明治板：(b)界面 Fig.9 TC4 plate/aluminium foam sandwich (670 C,4 min):(a)sandwich;(b)interface (a) (b) ICr18NinTi 0四m Mag-2.00KX WVD-22mmm EHT -20.0kV Signal A-SEL 图101Cr18Ni9Ti不锈钢面板/泡沫铝芯三明治板(660℃，12min).(a)三明治板：(b)界面形貌 Fig.10 1Cr18Ni9Ti plate/aluminium foam sandwich (660 C,12 min):(a)sandwich;(b)interface 100 100 90 (a) (b) 80 80 70 ■ 6 60 5 0 40 30 30 2 10 0 10 0 20-100102030405060708090100110 距界面的距离/m 距界面的距离/m 图11泡沫铝三明治板界面元素分布.(a)TC4钛合金面板/泡沫铝：(b)1Cr18Ni9Ti不锈钢面板/泡沫铝 Fig.11 Element distribution along the interface of the sandwiches:(a)TC4 plate/aluminium foam;(b)1Cr18Ni9Ti plate/aluminium foam

第 6 期 王耀奇等：泡沫铝及其三明治结构累积叠轧制备 797 ·· 良好，不存在分离的现象，如图 9(b) 和图 10(b) 所示. 在图 9(b) 和图 10(b) 中选取距界面处不同距 离的点 (用 × 表示) 进行能谱分析，其结果如图 11 所示. 研究表明，TC4 钛合金面板/泡沫铝芯界面 处，Ti 元素的分布层较薄，在界面处 (x=0，x 为距 界面的距离) 的 Ti 元素的原子分数为 35.90%. 根 据 Al-Ti 相图分析可知，在 TC4 钛合金面板/泡 沫铝芯界面处，反应生成了 TiAl3 金属间化合物. 1Cr18Ni9Ti 不锈钢面板/泡沫铝芯界面处，Fe 元素 分布层较厚，大约 100 µm 左右，与其对应的 Fe 元 素的原子分数为 21.40%∼0.56%. 根据 Al-Fe 相图分 析可知，在 1Cr18Ni9Ti 不锈钢面板/泡沫铝芯界面 处，反应生成了 FeAl3 金属间化合物. 上述研究结 果与部分研究者 [11−12] 的研究结果相一致，泡沫铝 三明治板面板与芯板间的界面反应对提高界面的结 合质量起到促进作用. 然而界面反应对孔隙结构的 影响，还需作进一步深入研究. 图 9 TC4 钛合金面板/泡沫铝芯三明治板 (670 ℃, 4 min). (a) 三明治板；(b) 界面 Fig.9 TC4 plate/aluminium foam sandwich (670 ℃, 4 min): (a) sandwich; (b) interface 图 10 1Cr18Ni9Ti 不锈钢面板/泡沫铝芯三明治板 (660 ℃, 12 min). (a) 三明治板; (b) 界面形貌 Fig.10 1Cr18Ni9Ti plate/aluminium foam sandwich (660 ℃, 12 min): (a) sandwich; (b) interface 图 11 泡沫铝三明治板界面元素分布. (a) TC4 钛合金面板/泡沫铝；(b) 1Cr18Ni9Ti 不锈钢面板/泡沫铝 Fig.11 Element distribution along the interface of the sandwiches: (a) TC4 plate/aluminium foam; (b) 1Cr18Ni9Ti plate/aluminium foam

.798 北京科技大学学报 第35卷 3结论 foam.Mater Trans,2004,45(7):2389 (1)应用累积叠轧焊制备泡沫铝，其孔隙结构 [6]Kitazono K,Sato E.Closed-cell metal foams manufac- 与发泡剂质量分数、发泡温度和发泡时间密切相 tured from bulk metal and alloy sheets through ARB pro- 关，发泡剂质量分数1.5%，在670℃发泡8min, cess.Mater Sci Forum,2005,475-479:433 可以获得孔隙率42%，平均孔径0.43mm的泡沫 [7]Kamimura S,Kitazono K,Sato E,et al.Application of superplastic flow to manufacturing of microcellular alu- 铝. minum foams.Mater Sci Forum,2005,475-479:3021 (2)将累积叠轧与轧制复合相结合，制备TC4 8 Kitazono K.Superplastic forming and foaming of cellular 钛合金面板/泡沫铝芯和1Cr18Ni9Ti不锈钢面 aluminum components.Mater Trans,2006,47(9):2223 板/泡沫铝芯三明治板，面板与芯板间形成了金属 [9]Wang Y Q,Hou HL,Jiang B,et al.Study on preparation 间化合物反应层，实现了界面的治金结合 method of aluminum foam and pore structures by accu- mulative roll-bonding.J Funct Mater,2010,41(7):1190 (王耀奇，侯红亮，姜波，等.泡沫铝累积叠轧制备方法及 参考文献 孔隙结构研究.功能材料，2010,41(7)：1190) [1]Banhart J.Manufacture,characterisation and application [10]Liu P S.Introduction to Cellular Materials.Beijing:Ts- of cellular metals and metal foams.Prog Mater Sci,2001, inghua University Press,2004 46(6):559 (刘培生.多孔材料引论.北京：清华大学出版社，2004) [2]Banhart J,Seeliger H W.Aluminium foam sandwich pan- [11]Liang X J,Zhu Y G,Cheng F,et al.Research on prepara- els:manufacture,metallurgy and applications.Adv Eng tion of aluminium foam sandwich by powder metallurgical Meter,2008.10(9):793 method and face plate/foam core interfacial microstruc- [3]Saito Y,Utsunomiya H,Tsuji N,et al.Proposal of novel ture.J Mater Sci Eng,2005,23(1):77 ultra-high straining process for bulk materials:develop- (梁晓军，朱勇刚，陈锋，等.泡沫铝芯三明治板的粉末治 ment of the accumulative roll-bonding(ARB)process// 金制备及其板/芯界面研究.材料科学与工程学报，2005， Proceedings of the Sirth International Conference on Alu- 23(1):77) minum Alloys ICAA-6,Vol.3.1998:2003 [12]Zhang M,Zu G Y,Yao G C,et al.Research on prepara- [4]Kitazono K.Sato E,Kurbayashi K.Novel manufactur- tion of aluminum foam sandwich and steel plate/foam core ing process of closed-cell aluminum foam by accumulative interfacial microstructure.J Funct Mater,2006,37(2): roll-bonding.Scripta Mater,2004,50(4):495 281 [5]Kitazono K,Nishizawa S,Sato E,et al.Effect of ARB (张敏，祖国胤，姚广春，等.泡沫铝夹心板的制备及其界面 cycle number on cell morphology of closed-cell Al-Si alloy 结合机理的研究.功能材料，2006,37(2)：281)

· 798 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 3 结论 (1) 应用累积叠轧焊制备泡沫铝，其孔隙结构 与发泡剂质量分数、发泡温度和发泡时间密切相 关，发泡剂质量分数 1.5%，在 670 ℃发泡 8 min， 可以获得孔隙率 42%，平均孔径 0.43 mm 的泡沫 铝. (2) 将累积叠轧与轧制复合相结合，制备 TC4 钛合金面板/泡沫铝芯和 1Cr18Ni9Ti 不锈钢面 板/泡沫铝芯三明治板，面板与芯板间形成了金属 间化合物反应层，实现了界面的冶金结合. 参 考 文 献 [1] Banhart J. Manufacture, characterisation and application of cellular metals and metal foams. Prog Mater Sci, 2001, 46(6): 559 [2] Banhart J, Seeliger H W. Aluminium foam sandwich pan￾els: manufacture, metallurgy and applications. Adv Eng Meter, 2008, 10(9): 793 [3] Saito Y, Utsunomiya H, Tsuji N, et al. Proposal of novel ultra-high straining process for bulk materials: develop￾ment of the accumulative roll-bonding (ARB) process // Proceedings of the Sixth International Conference on Alu￾minum Alloys ICAA-6, Vol.3. 1998: 2003 [4] Kitazono K, Sato E, Kurbayashi K. Novel manufactur￾ing process of closed-cell aluminum foam by accumulative roll-bonding. Scripta Mater, 2004, 50(4): 495 [5] Kitazono K, Nishizawa S, Sato E, et al. Effect of ARB cycle number on cell morphology of closed-cell Al-Si alloy foam. Mater Trans, 2004, 45(7): 2389 [6] Kitazono K, Sato E. Closed-cell metal foams manufac￾tured from bulk metal and alloy sheets through ARB pro￾cess. Mater Sci Forum, 2005, 475-479: 433 [7] Kamimura S, Kitazono K, Sato E, et al. Application of superplastic flow to manufacturing of microcellular alu￾minum foams. Mater Sci Forum, 2005, 475-479: 3021 [8] Kitazono K. Superplastic forming and foaming of cellular aluminum components. Mater Trans, 2006, 47(9): 2223 [9] Wang Y Q, Hou H L, Jiang B, et al. Study on preparation method of aluminum foam and pore structures by accu￾mulative roll-bonding. J Funct Mater, 2010, 41(7): 1190 (王耀奇，侯红亮，姜波，等. 泡沫铝累积叠轧制备方法及 孔隙结构研究. 功能材料，2010，41(7)：1190) [10] Liu P S. Introduction to Cellular Materials. Beijing: Ts￾inghua University Press, 2004 (刘培生. 多孔材料引论. 北京：清华大学出版社，2004) [11] Liang X J, Zhu Y G, Cheng F, et al. Research on prepara￾tion of aluminium foam sandwich by powder metallurgical method and face plate/foam core interfacial microstruc￾ture. J Mater Sci Eng, 2005, 23(1): 77 (梁晓军, 朱勇刚, 陈锋, 等. 泡沫铝芯三明治板的粉末冶 金制备及其板/芯界面研究. 材料科学与工程学报, 2005, 23(1)：77) [12] Zhang M, Zu G Y, Yao G C, et al. Research on prepara￾tion of aluminum foam sandwich and steel plate/foam core interfacial microstructure. J Funct Mater, 2006, 37(2): 281 (张敏, 祖国胤, 姚广春, 等. 泡沫铝夹心板的制备及其界面 结合机理的研究. 功能材料, 2006, 37(2): 281)