一种层级密度泡沫铝生产设备及方法
阅读说明：本技术 一种层级密度泡沫铝生产设备及方法 (Equipment and method for producing layered density foamed aluminum ) 是由 薛有为 于 2021-07-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种层级密度泡沫铝生产设备及方法。生产设备包括螺杆和套筒,套筒上设有增稠铝液上料口,第一发泡剂上料装置和第二发泡剂上料装置,螺杆设置于套筒内,螺杆位于套筒前段,套筒前端设有发泡段,增稠铝液上料口设置于套筒前端上部,第一发泡剂上料装置设置于增稠铝液上料口下游,第二发泡剂上料装置设置于第一发泡剂上料装置之后。生产方法包括发泡,挤压与成型；将铝溶液加入套筒对铝液进行搅拌和推进,套筒前段设有发泡段,加入发泡剂的铝液在发泡段完成发泡、膨胀,接着进入到发泡仓。本发明使铝液发泡后搅碎生成更细小的气泡,改善了泡沫铝的成型性能,提高发泡均匀度和成品率,精密可控的生产出不同密度梯度的泡沫铝板。(The invention discloses a device and a method for producing layered density foamed aluminum. Production facility includes screw rod and sleeve, is equipped with thickening aluminium liquid feed opening on the sleeve, first foaming agent loading attachment and second foaming agent loading attachment, and the screw rod sets up in the sleeve, and the screw rod is located the sleeve anterior segment, and the sleeve front end is equipped with the foaming section, and thickening aluminium liquid feed opening sets up in sleeve front end upper portion, and first foaming agent loading attachment sets up in thickening aluminium liquid feed opening low reaches, and second foaming agent loading attachment sets up behind first foaming agent loading attachment. The production method comprises foaming, extruding and forming; adding an aluminum solution into the sleeve to stir and propel the aluminum liquid, wherein the front section of the sleeve is provided with a foaming section, and the aluminum liquid added with the foaming agent is foamed and expanded in the foaming section and then enters a foaming bin. The invention ensures that the aluminum liquid is crushed after foaming to generate finer bubbles, improves the forming performance of the foamed aluminum, improves the foaming uniformity and the yield, and produces the foamed aluminum plates with different density gradients in a precise and controllable way.)
技术领域
本发明属于泡沫铝生产设备及工艺技术领域，具体涉及一种层级密度泡沫铝生产设备及方法。
背景技术
泡沫铝是在纯铝或铝合金中加入发泡剂之后，经过发泡工艺而成，同时具有金属和气泡特性。泡沫铝是一种高孔隙率的多功能材料，具有轻质、高强韧、耐撞性、高比强度、高比刚度、阻燃隔热、减振降噪、耐腐蚀和电磁屏蔽多功能复合特性，在电子、通讯、冶金、化工、建筑、交通运输和航空航天等领域得到了广泛的应用。
泡沫铝的吸能具有良好的速率应变特性，即应变速率越大，单位体积泡沫铝所能吸收的能力就越大，最高可达到8～30J/cm3。目前，奔驰、宝马和本田等汽车公司已经在汽车防撞梁，A柱、B柱等处使用泡沫铝材料，用于车体的防撞吸能。
梯度泡沫铝是指泡沫铝的某一尺寸方向上密度、孔径以及成分连续变化的泡沫铝结构，它克服了传统匀质泡沫铝材料的不足，可以用低孔隙率区作为承载，高孔隙率区实现功能特性，因此，梯度泡沫铝是一种先进的结构功能一体化材料结构。目前，梯度泡沫铝的制备方法有渗流铸造法、占位体烧结法、搅拌摩擦加工法以及化学铣削法等。
渗流铸造法是以铝锭、NaCl为原材料，首先将NaCl放置在模具当中，利用压机制备NaCl坯料，通过控制压力控制NaCl在坯料中的体积分数，然后将铝锭、不同NaCl体积分数的坯料按一定的顺序叠放在一起，并置于渗流铸造设备当中，在气压的作用下，铝锭的熔体将注入到NaCl坯料的孔隙当中，冷却室温后，再将其放入水中，坯料中的NaCl将会溶解于水中，从而制备出梯度泡沫铝结构。
占位体烧结法是以铝粉、占位体(NaCl)为原材料，首先将铝粉、占位体(不同粒径、不同质量比)以及少量的增粘剂进行充分的混合，将不同的混合粉按一定的顺序铺放在模具当中，利用压机进行致密化处理各种坯料，然后将坯料置入水中，其中占位体将会溶解进水中，最后再进行高温烧结完成梯度泡沫铝结构的制备。
搅拌摩擦加工法是以铝板为原材料，以氢化钛为发泡剂，将氢化钛置于两块铝板之间，通过搅拌摩擦焊将两块铝板连接在一起，在此过程中氢化钛均匀分布于铝合金当中，应用同样的方法制备出不同氢化钛含量的坯料，然后将这些坯料按一定的顺序排放，并利用搅拌摩擦焊将其连接再一起，最后通过高温发泡制备出梯度泡沫铝结构。
用化学铣削法是将己经制备好的开孔泡沫铝浸入在NaOH或HCI溶液中，通过控制NaOH或HCI溶液的液面高度，控制泡沫铝在溶液中的侵蚀时间，从而获得梯度泡沫铝结构。
目前，梯度泡沫铝的制备方法都存在不足之处，渗流铸造法和占位体烧结法制备过程中需采用压力机来制备坯料，所制备的梯度泡沫铝外形尺寸受限于压机的吨位、台面尺寸且还要专门配备与之相适应的水溶解容器，操作复杂，模具繁多，成本较高。搅拌摩擦加工法过程中需大量的使用搅拌摩擦过程，这包括发泡剂分散以及不同特征坯料之间的连接，且需要高温装置处理，存在加工效率低、成本高的问题；化学铣削法过程中使用酸、碱等溶液，且需要特殊的装置来完成，因此其环境友好性差，成本较高。
发明内容
针对目前梯度泡沫铝生成设备及生成工艺存在的不足，本发明的目的是提供一种层级密度泡沫铝生产设备及方法。
第一方面，本发明实施例提供一种层级密度泡沫铝生产设备，包括：
螺杆1、套筒2、增稠铝液上料口3、第一发泡剂上料装置4、第二发泡剂上料装置5、发泡仓6、挤压板8、成型模具10和加热保温装置；
所述套筒2为中空筒体，螺杆1设置于套筒2内部；螺杆1用于通过旋转对铝液进行搅拌、推进；套筒2的后端出口与发泡仓6相接；增稠铝液上料口3、第一发泡剂上料装置4、第二发泡剂上料装置5设置在套筒2上方，自套筒2前端向后端依次排列；所述增稠铝液上料口3设置于套筒2前端上部，所述第一发泡剂上料装置4设置于增稠铝液上料口3下游，所述第二发泡剂上料装置5设置于第一发泡剂上料装置4之后，所述套筒2的发泡段的出口与发泡仓6相接；
发泡仓6下部设有熔体挤出嘴7；所述发泡仓6内设置有挤压板8，用于将发泡仓6内完成发泡的熔体铝液通过熔体挤出嘴7挤出；
套筒2外壁设置有加热保温装置，发泡仓6设置有水管冷却装置与加热保温装置。
进一步地，所述挤压板8两端滑动连接在滑轨上，所述滑轨固定在发泡仓6内壁上部，所述挤压板上部连接有气缸9；所述气缸9用于带动挤压板沿滑轨上下运动，将发泡仓6内完成发泡的熔体铝液通过熔体挤出嘴7挤出。
在一个可行的实施方式中，成型模具10包括钢制模体101，钢制模体101上设有成型槽102、加热电感圈；
钢制模体101外部设有防护壳105，加热电感圈位于防护壳105与钢制模体101之间；成型槽102安装有陶瓷纤维挡106，所述陶瓷纤维挡板106与成型槽102可转动连接，所述陶瓷纤维挡板106可转动竖起保持在第一位置，或落下保持在第二位置；在转动至第一位置时成型槽102连通，转动至第二位置时成型槽102被分割成两个空间。
进一步地，加热电感圈包括左加热电感圈103和右加热电感圈104；
进一步地，钢制模体101安装有安全档门107，所述安全档门107打开时陶瓷纤维挡板106能够转动至第二位置；所述安全档门107闭合时陶瓷纤维挡板106只能够保持在一位置。
在一个可行的实施方式中，成型模具10包括钢制模体101，钢制模体101上设有成型槽102、第一加热电感圈、第二加热电感圈和第三加热电感圈；
成型槽102安装有第一陶瓷纤维挡、第二陶瓷纤维挡，所述第一陶瓷纤维挡、第二陶瓷纤维挡与成型槽102可转动连接；所述第一陶瓷纤维挡、第二陶瓷纤维挡的每一个均可转动竖起保持在第一位置，或落下保持在第二位置，并在转动至第一位置时使成型槽102连通，转动至第二位置时成型槽102被分割成两个空间。
进一步地，加热电感圈包括第一加热电感圈、第二加热电感圈和第三加热线圈；
进一步地，钢制模体101安装有第一安全档门、第二安全档门；所述第一安全档门打开时第一陶瓷纤维挡板能够转动至第二位置；所述第一安全档门闭合时第一陶瓷纤维挡板只能够保持在一位置；所述第二安全档门打开时第二陶瓷纤维挡板能够转动至第二位置；所述第二安全档门闭合时第二陶瓷纤维挡板只能够保持在一位置。
第二方面，本发明实施例提供一种采用第一方面所提供的生产设备生产层级密度泡沫铝的方法，包括：
对层级密度泡沫铝生产设备进行预热，预热温度为300～340℃；
将铝原料熔炼至750～780℃，与增粘剂一同投入增稠铝液上料口，进入套筒内，并通过螺杆的旋转对铝液搅拌、推进；
通过第一发泡剂上料装置加入发泡剂，并通过螺杆继续搅拌，发泡搅拌时间为1min～2min；
通过加热装置控制温度，搅拌区温度为670～690℃，发泡剂添加温度为670～690℃，发泡段与发泡仓温度为600～660℃，模具出口温度为490～510℃；
加入发泡剂的铝液在发泡段完成发泡、膨胀，并逐渐冷却至半固态，之后进入发泡仓保温，发泡仓保温时间为2～4min，挤出，进入成型模体10生成所需要形状，通过先后挤出密度不同的泡沫铝液制造层级梯度的泡沫铝板。
进一步地，通过先后挤出密度不同的泡沫铝液制造层级梯度泡沫铝板包括：
成型模具的右加热电感圈104环绕的成型槽102接收低密度梯度的泡沫铝溶液，其出口温度为490～510℃，之后进行降温保温处理，时间为2～4min，使其保持在半固态；
成型模具的左加热电感圈103环绕的成型槽102接收高密度梯度的泡沫铝溶液；
打开陶瓷纤维挡板106，然后迅速关闭安全档门107，对成型槽102内的不同密度的泡沫铝溶液进行降温与加压处理，其中温度处理方式为降温至凝固温度；此时高密度梯度的泡沫铝溶液与低密度梯度的泡沫铝半固态连接在一起，即形成两个不同密度梯度的泡沫铝板。
进一步地，增粘剂为MnO2、SiC、Al2O3中的任意一种，加入含量为2％；
进一步地，发泡剂为TiH2、CaH2或Ni/TiH2复合粉末中任意一种，加入发泡剂的量是铝原料质量的1.5％。
在一个可行的实施方式中，采用第一方面所提供的生产设备生产三层级密度梯度泡沫铝板的方法包括：
对层级密度泡沫铝生产设备进行预热，预热温度为300～340℃；
将铝原料熔炼至750～780℃，与增粘剂一同投入增稠铝液上料口，进入套筒内，并通过螺杆的旋转对铝液搅拌、推进；
通过第一发泡剂上料装置加入发泡剂，并通过螺杆继续搅拌，发泡搅拌时间为1min～2min；
通过加热装置控制温度，搅拌区温度为670～690℃，发泡剂添加温度为670～690℃，发泡段与发泡仓温度为600～660℃，模具出口温度为490～510℃；
加入发泡剂的铝液在发泡段完成发泡、膨胀，并逐渐冷却至半固态，之后进入发泡仓保温，发泡仓保温时间为2～4min，挤出，进入成型模体10生成所需要形状；
通过先后挤出三种密度不同的泡沫铝液制造层级梯度的泡沫铝板，具体包括：
成型模具的左成型槽接收低密度梯度的泡沫铝溶液，其出口温度为490～510℃，之后进行降温保温处理，时间为2～4min，使其保持在半固态；
中成型槽接收中密度梯度的泡沫铝溶液，其出口温度为490～510℃，打开第一陶瓷纤维挡板，然后迅速关闭第一安全档门，之后进行降温保温处理，时间为2～4min，使其保持在半固态；
右成型槽接收高密度梯度的泡沫铝溶液，打开第二陶瓷纤维挡板，然后迅速关闭安全档门，之后对成型槽内的不同密度的泡沫铝溶液进行降温与加压处理，其中温度处理方式为降温至凝固温度；此时高、中、低密度梯度的泡沫铝溶液连接在一起，即形成三层级不同密度梯度的泡沫铝板。
相较于现有技术，本发明使用螺杆可以让铝液发泡后搅碎生成更细小的气泡，改善泡沫铝的成型性能，提高发泡均匀度，提高成品率；且精密可控的生产出不同密度梯度的泡沫铝板，设备具有连续生产的特性，易于快速形成不同层级梯度的泡沫铝板，具有高效、低成本、高性能的优点。
附图说明
图1为实施例一层级梯度密度泡沫铝生产设备示意图；
图2为实施例二成型模具的横截面图；
图3为实施例二成型模具的陶瓷纤维挡板挡住左右两个成型槽示意图；
图4为实施例二成型模具的陶瓷纤维挡板打开，安全档门打开示意图；
图5为实施例二成型模具的陶瓷纤维挡板打开，安全档门关闭示意图；
图6为实施例二成型模具后视图；
图7为实施例四生产三层级梯度密度泡沫铝生产设备示意图；
图8为实施例四三层级成型模具结构示意图；
图9为实施例四三层级成型模具的单个陶瓷纤维挡板打开示意图；
图10为实施例四三层级成型模具的示意图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
如图1所示，本实施例提供的层级密度泡沫铝生产设备包括：螺杆1、套筒2、增稠铝液上料口3、第一发泡剂上料装置4、第二发泡剂上料装置5、发泡仓6、挤压板8、气缸9、成型模具10和加热保温装置。所述套筒2为中空筒体，螺杆1设置于其前端内部，使套筒2构成发泡段；螺杆1用于通过旋转对铝液进行搅拌、推进；套筒2的后端出口与发泡仓6相接，经搅拌的铝液经后端出口进入发泡仓6；增稠铝液上料口3、第一发泡剂上料装置4、第二发泡剂上料装置5设置在套筒2上方，自套筒2前端向后端依次排列；所述增稠铝液上料口3设置于套筒2前端上部，所述第一发泡剂上料装置4设置于增稠铝液上料口3下游，所述第二发泡剂上料装置5设置于第一发泡剂上料装置4之后，所述套筒2的发泡段的出口与发泡仓6相接。发泡仓6下部设有熔体挤出嘴7；所述发泡仓6内设置有一挤压板8，所述挤压板8两端滑动连接在滑轨上，所述滑轨固定在发泡仓6内壁上部，且所述挤压板上部连接有气缸9，通过控制气缸9的伸缩动作带动挤压板沿滑轨上下运动，将发泡仓6内完成发泡的熔体铝液通过熔体挤出嘴7挤出。
套筒2外壁设置有加热保温装置，发泡仓6设置有水管冷却装置与加热保温装置。电加热装置的热能力为最大温度750℃以上，控温精度±5℃范围内。发泡段内温度控制为半固态温度，发泡仓内到泡沫铝成型模具的出口温度控制为半固态温度，进入特殊模具的低密度梯度铝液可为半固态温度或接近凝固温度。
本实施例提供的层级密度泡沫铝生产设备工作过程包括发泡、挤压与成型三个过程，具体如下：
首先对设备进行预热，先预热温度为300～340℃，之后将铝液温度提高至750～780℃，与增粘剂一同投入增稠铝液上料口3，进入套筒2内，并通过螺杆1的旋转对铝液搅拌、推进；通过第一发泡剂上料装置4加入发泡剂，并通过螺杆1继续搅拌，通过加热装置控制温度，搅拌区温度为670～690℃，发泡段与发泡仓为600～660℃，熔体挤出嘴7的出口为490～510℃；控制螺杆1旋转速度的可以让铝液发泡后可以搅碎生成细小的气泡，改变铝液的密度，让铝液发泡更加均匀化，以上过程为产生低密度梯度泡沫铝溶液的过程。
第二发泡剂上料装置5是为产生高密度梯度泡沫铝溶液的补充发泡剂的上料端口。在一个可选实施方式中，产生高密度泡沫铝溶液的具体方式为：先通过第一发泡剂上料装置4加第一次发泡剂，然后螺杆1对其搅拌，推进到第二发泡剂上料装置5下方区域之后(即第二发泡剂上料装置5的后部)，再通过第二发泡剂上料装置5加第二次发泡剂，同时螺杆1继续对其搅拌，推进到发泡仓6内。经过两次发泡与搅拌过程生产高密度梯度泡沫铝。
本实施例中，低密度梯度泡沫铝溶液内具体密度可由通过第一发泡剂上料装置4加入的发泡剂的量与螺杆1旋转速度共同决定，即处于低密度梯度泡沫铝溶液的密度微观调控。
实施例一所述层级密度泡沫铝生产设备中的成型模具10可以设计成以下结构。本实施例二中，成型模具10包括钢制模体101，钢制模体101上设有成型槽102、左加热电感圈103和右加热电感圈104，钢制模体101外部环有防护壳105，左加热电感圈103与右加热电感圈104位于防护壳105与钢制模体101之间。成型槽102之间，安装有陶瓷纤维挡106，陶瓷纤维挡板106为电动控制，可以进行往上转动，让成型槽102连通起来。钢制模体101安装有安全档门107，安全档门107可通过人工或电动机构控制，在外面控制安全档门107的打开与闭合。
在一种可能的实现方式中，左加热电感圈103和右加热电感圈104还可以安装在成型模具10的最内层。
加入发泡剂的铝液在发泡段完成发泡、膨胀，并逐渐冷却至半固态，之后进入发泡仓6保温，挤出，进入成型模具10生成所需要的形状，根据挤出的密度不同的泡沫铝液制造具有两种不同层级梯度的泡沫铝板。
实施例三
本发明提供的一种层级密度泡沫铝生产工艺包括发泡，挤压与成型三个过程，具体步骤如下：
(1)备好原料，本实施例中铝原料为A356铝合金或纯铝；
(2)层级密度泡沫铝生产设备进行预热，预热温度为300～340℃；
(3)将铝合金熔炼至750～780℃，与增粘剂一同投入增稠铝液上料口，进入套筒内，并通过螺杆的旋转对铝液搅拌、推进；通过第一发泡剂上料装置加入发泡剂，并通过螺杆继续搅拌，发泡搅拌时间为1min～2min。通过加热装置控制温度，采用三段控制，搅拌区温度为670～690℃，发泡剂添加温度为670～690℃，发泡段与发泡仓温度为600～660℃，模具出口即熔体挤出嘴7温度为490～510℃；增粘剂可为MnO2、SiC、Al2O3中的任意一种，加入含量为2％。发泡剂可为TiH2、CaH2或Ni/TiH2复合粉末中任意一种，加入发泡剂的量是铝原料质量的1.5％，铝原料为A356铝合金或纯铝。
(4)加入发泡剂的铝液在发泡段完成发泡、膨胀，并逐渐冷却至半固态，之后进入发泡仓保温，挤出，进入成型模具，发泡仓保温时间为2～4min。
(5)首先，成型模具的右加热电感圈104环绕的成型槽102接收低密度梯度的泡沫铝溶液，其出口温度为490～510℃，之后进行降温保温处理，时间为2～4min，使其保持在半固态；其后，成型模具的左加热电感圈103环绕的成型槽102接收高密度梯度的泡沫铝溶液；最后，通过电动控制方式打开陶瓷纤维挡板106，然后迅速电动控制关闭安全档门107，对成型槽102内的不同密度的泡沫铝溶液进行降温与加压处理，其中温度处理方式为降温至凝固温度；此时高密度梯度的泡沫铝溶液与低密度梯度的泡沫铝半固态连接在一起，即形成两个不同密度梯度的泡沫铝板。
不同层级梯度的泡沫铝板。其具体密度取决于铝液在搅拌区与发泡区的实际气泡密度，具体温度可根据泡沫铝溶液在整个过程中的实际变化进行调整，上述温度仅为本发明的举例温度。
实施例四
如图7所示，将三种层级密度梯度泡沫铝溶液放入三层级的配套模具11中即可生产高、中、低三层级密度梯度泡沫铝板，操作方法与实施例三中生产二层级密度梯度泡沫铝板相同。其中三层级的配套成型模具与二层级成型模具是相同结构，仅为多一个成型槽。
生产三层级密度梯度泡沫铝板的配套成型模具如图8、9、10所示，包括三层钢制模体11，三层钢制模体11上设有成型槽，加热电感圈，三层钢制模体11外部环有防护壳115，加热电感圈位于防护壳115与三层钢制模体11之间。成型槽之间，安装有陶瓷纤维挡116和1161，陶瓷纤维挡板116和1161为电动控制，可以进行往上转动，让成型槽连通起来。钢制模体安装有安全档门117，安全档门1171可通过人工或电动机构控制，在外面控制安全档门117和1171的打开与闭合。
生产三层级密度梯度泡沫铝板的工艺流程为：
(1)备好原料，铝原料为A356合金或纯铝；
(2)对设备进行预热，预热温度为300～340℃；
(3)将铝合金熔炼至750～780℃，与增粘剂一同投入增稠铝液上料口，进入套筒内，并通过螺杆的旋转对铝液搅拌、推进；通过第一发泡剂上料装置加入发泡剂，并通过螺杆继续搅拌，发泡搅拌时间为1min～2min。通过加热装置控制温度，采用三段控制，搅拌区温度为670～690℃，发泡剂添加温度为670～690℃，发泡段与发泡仓温度为600～660℃，模具出口温度为490～510℃；增粘剂可为MnO2、SiC、Al2O3中的任意一种，加入含量为2％。发泡剂可为TiH2、CaH2或Ni/TiH2复合粉末中任意一种，含量为1.5％
(4)加入发泡剂的铝液在发泡段完成发泡、膨胀，并逐渐冷却至半固态，之后进入发泡仓保温，挤出，进入模具形成铝板，发泡仓保温时间为2～4min。
(5)三层级密度梯度泡沫铝板的成型过程为：
在本实施例二的基础上生产三层级梯度密度泡沫铝。
首先，成型模具的左边成型槽接收低密度梯度的泡沫铝溶液，其出口温度为490～510℃，之后进行降温保温处理，时间为2～4min，使其保持在半固态；中间成型槽接收中密度梯度的泡沫铝溶液，其出口温度为490～510℃，通过电动控制方式打开陶瓷纤维挡板116，然后迅速电动控制关闭安全档门117，之后进行降温保温处理，时间为2～4min，使其保持在半固态；右边成型槽接收高密度梯度的泡沫铝溶液，通过电动控制方式打开陶瓷纤维挡板1161，然后迅速电动控制关闭安全档门1171，之后对成型槽内的不同密度的泡沫铝溶液进行降温与加压处理，其中温度处理方式为降温至凝固温度；此时高、中、低密度梯度的泡沫铝溶液连接在一起，即形成三层级不同密度梯度的泡沫铝板。
以上显示和描述了本发明的基木原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。