Entwurf und Optimierung der Materialzusammensetzung von Aluminiumschaum

Aluminiumschaum ist ein leichtes, porösesMetalllic Material mit hervorragender Leistung. Diese Leistung hängt weitgehend von der Zusammensetzung und Optimierung des Materials ab. Im Folgenden wird die Zusammensetzung und Optimierung vonAluminiumschaumMaterialien, von der Auswahl der Hauptrohstoffe bis hin zur Zugabe von Legierungselementen und der Kontrolle der Mikrostruktur im Schäumprozess.
1. Auswahl der Hauptrohstoffe
Für Aluminiumschaumkernmaterial werden im Allgemeinen die folgenden zwei Materialien als Hauptrohstoffe ausgewählt:

• Reines Aluminium (Al):Es hat einen niedrigen Schmelzpunkt und gute Verarbeitungseigenschaften.
• Al-Si-Legierung:Da seine Schmelzeigenschaften (Schmelzpunkt, Viskosität, Oberflächenspannung usw.) denen von reinem Aluminium überlegen sind, wird es am intensivsten bei der Herstellung von Aluminiumschaum untersucht.
  Im Al-Si-Legierungssystem wird üblicherweise eine Legierung mit einem Si-Massenanteil von 5–12 % verwendet. Zu den Vorteilen der Al-Si-Legierung gehören: Die Schmelze weist eine moderate Viskosität und Fließfähigkeit auf, wodurch sich das Schäumverhalten leicht regulieren lässt. Die Eigenschaften können durch Zugabe weiterer Legierungselemente weiter optimiert werden.

2. Zugabe von Legierungselementen und deren Auswirkungen
Zur Verbesserung der strukturellen Parameter und der Gesamtleistung vonAluminiumschaumAl-Si-Legierungen werden üblicherweise entsprechende Mengen an Legierungselementen wie Cu, Mg, Zn usw. zugesetzt. Die Funktionen der verschiedenen Elemente sind wie folgt:

• Zugabe von Cu
  Prinzip: Durch Zugabe von etwa 3 % Cu zum Al-Mg-Si-Verbundsystem kann die Größe der Mg₂Si-Partikel von 30 μm auf 10 μm reduziert werden, was bedeuten kannInDie Gesamtoberfläche der Partikel und die Viskosität der Schmelze werden erheblich erhöht. Bei Zugabe von 5 % Cu ändert sich der Erstarrungsmodus von schichtweiser Erstarrung zu simultaner Erstarrung, was die Organisation des Materials verbessert.
  Wirkung: Verlängert die Stabilisierungszeit der Poren im Schäumprozess. Reduziert das Auftreten von Porenwanddefekten und Rissen. Verbessert die Härte und Korrosionsbeständigkeit des Materials.
• Zugabe von Mg
  Wirkungsprinzip: Die Zugabe einer geeigneten Menge Mg (ca. 2 %) kann die Struktur der Blasenporen effektiv verbessern und die Stabilität des Schaumprozesses erhöhen. Die Zugabe von Mg kann dazu beitragen, die Verwicklung von Oxidpartikelclustern zu reduzieren und so die Struktur der Blasenporen regelmäßiger und die Porenwand gleichmäßiger zu gestalten.
  Wirkung: Verbessert die Homogenität und Stabilität der Poren. Reduziert das Kollapsphänomen.
• Optimierung von Si
  Bei Al-Si-Legierungen verbessert die Reduzierung der Si-Partikelgröße die Vesikelstruktur deutlich. Experimente haben gezeigt, dass die Zugabe von 1 % Mg zum Pulversystem der Al-Si-Legierung die Gleichmäßigkeit und Glätte der Porenwände deutlich verbessern und den Schaumprozess stabiler machen kann.

3. Schmelzfluss- und Viskositätskontrolle
Anforderungen der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie der Automobilindustrie: Ein guter Fluss der Aluminiumschmelze ist für die Herstellung dünner und leichterAluminiumlegierungGussteile.
Anforderungen an die Aluminiumschaum-Vorbereitung: Um einen besseren Schaumeffekt zu erzielen, muss eine relativ niedrige Schmelzfließfähigkeit (hohe Viskosität) aufrechterhalten werden.
Methoden zur Viskositätsanpassung: Durch Zugabe von Legierungselementen (z. B. Cu, Mg) wird die Schmelzviskosität durch Veränderung der Partikelgröße und -verteilung erhöht. Durch Anpassung des Legierungszusammensetzungsverhältnisses werden Erstarrungszone und Erstarrungsart optimiert.
4. Mikrostrukturoptimierung
Durch Mikrostrukturanalysen (z. B. optische Mikroskopie und SEM-Beobachtung) können folgende Optimierungsstrategien abgeleitet werden:

• Reduzieren Sie das Problem der Verwicklung von Oxidpartikeln:Einfache Oxidpartikel verbessern die Schaumbildung nicht signifikant, führen aber zu unregelmäßigen Blasenlöchern und einem leichten Zerplatzen. Die Zugabe von Mg kann die Verteilung der Oxidpartikel deutlich verbessern und die Blasenstruktur regelmäßiger machen.
• Optimierung der eutektischen Zusammensetzung:Die Zugabe von Mg zur Al-Si-Legierung zur Bildung eines eutektischen Systems (z. B. Al-Mg-Si) kann die Schäumleistung deutlich verbessern. Das eutektische Legierungspulversystem weist eine höhere Stabilität im Schäumprozess auf.

5. Verwandte Forschung
Forschung:Untersuchung der Auswirkungen von Mg und Si auf die Porenwandstruktur, die Porengröße und die Verteilungsgleichmäßigkeit im Schäumprozess. Es zeigte sich, dass die Zugabe von reinem Si oder Mg zu reinem Al-Pulver keinen nennenswerten Effekt hatte, während die Zugabe von etwa 1 % Mg zu Al-Si-Legierungen die Schaumstabilität deutlich verbessern konnte, was zu einer gleichmäßigeren Porengröße und glatteren Porenwänden führte.
Experimenteller Vergleich:Experimente unter dem Lichtmikroskop zeigen, dass einzelne Oxidpartikel den Schaumeffekt nicht verbessern, sondern zu einer unregelmäßigen Porenstruktur führen. Durch die Zugabe einer entsprechenden Menge Mg wird die Verteilung der Schaumporen gleichmäßiger und die Stabilität deutlich verbessert.
Der Kern der kompositorischen Gestaltung vonAluminiumschaumstoffeZiel ist die Optimierung der Schmelz- und Schaumeigenschaften der Werkstoffe durch Legierungszusätze und Mikrostrukturmodulation. Die wichtigsten Punkte der Optimierungsstrategie sind:
1. Bevorzugen Sie Al-Si-Legierungen (Si-Gehalt 5 % – 12 %) als Hauptrohstoffe.
2. Fügen Sie eine geeignete Menge Cu (ca. 3–5 %) hinzu, um die Schmelzviskosität zu verbessern, die Struktur der Blasenlöcher zu verbessern und die Stabilisierungszeit der Blasenlöcher zu verlängern.
3. Fügen Sie eine angemessene Menge Mg (ca. 1 % bis 2 %) hinzu, um die Stabilität des Schaumprozesses, die Glätte der Porenwand und die Gleichmäßigkeit der Poren zu verbessern.
4. Reduzieren Sie die Partikelgröße von Si, um die eutektische Zusammensetzung der Legierungsschmelze zu optimieren.
Durch die oben genannte Optimierung wird die Leistung von Aluminiumschaummaterialien in der Luft- und Raumfahrt- sowie Automobilindustrie deutlich verbessert.