基于同步辐射CT 技术的泡沫铝粉末冶金发泡机理的研究

The investigation on the foaming process of aluminum foam with various matrix materials and aluminum foam sandwich structure fabricated by powder route will be performed by means of Beijing Synchrotron Radiation Facility 4W1A morphology Experiment Station. 1) Puting the perform with small size in the synchrotron radiation high temperature foam furnace to observed the foaming process in real time; 2) Cooling the foamed perform with large size in different foaming stage, and then observing the thin section cut. Combining the electron microscopy test and theoretical analysis, the morphology evolution of foam structure as well as formation and extension of cell defect such as intercommunicating pore will be investigated by the results from two-dimensional projection, 3D reconstruction and tomographic reconstruction of foam samples, which makes clear the process control guidelines of obtaining high quality foam structure. The physical metallurgy behavior and reaction mechanism between carbon fiber/particles and semi-solid Al matrix during foaming will be studied. The microscopic nature of metallurgical bonding will be revealed by the observation of interfacial reaction between sheet/core of aluminum foam sandwich structure to achieve the strengthening and toughening of the material by interface design. The project will be of great significance to reveal the foaming mechanism of aluminum foam fabricated by powder route, to establish the organic links of raw material-process-structure-performance of aluminum foam. The achievements of this research is expected to promote aluminum foam applications in the fields of defense and military, rail transit and so on.

利用北京同步辐射装置4W1A形貌实验站，开展多种基体类型泡沫铝及泡沫铝夹心板粉末冶金发泡过程的研究。①将小尺寸预制坯置于同步辐射高温发泡炉内，进行完整发泡过程的实时动态观测；②将大尺寸预制坯常规发泡过程中各阶段泡沫结构实现强冷固定，切取薄片后进行准动态观测。通过实验获得的关于样品二维投影、3D重建及断层重建结果，结合电子显微学测试及理论分析，研究泡沫结构的形态演化过程，观察大尺寸连通孔等缺陷的生成及扩展，确定获得高质量泡沫结构的工艺控制准则。研究碳纤维、颗粒在发泡过程中与半固态基体间的物理冶金学行为，揭示碳纤维、颗粒与基体的反应机理。对泡沫铝夹心板板/芯界面反应的观测旨在深刻认识冶金结合的微观本质，以期通过界面设计实现材料的强韧化。本项目对揭示泡沫铝粉末冶金发泡机理、建立泡沫铝原料-工艺-结构-性能的有机联系具有重要意义，研究成果有望推进泡沫铝材料在国防军事、轨道交通等领域的应用。

本项目利用北京同步辐射装置4W1A形貌实验站，系统地观察了高温条件下预制坯粉末冶金发泡过程中的泡沫结构形成及演化，初步揭示了泡沫铝粉末冶金发泡过程的微观机理。分析了发泡剂发泡能力与泡沫结构生长间的关系，探讨了发泡剂预氧化处理对提高泡沫结构质量的影响规律。揭示了碳纤维、颗粒等与半固态芯层基体间的反应机理，明确了增强相表面改性与基体润湿能力间的关系。通过观察大尺寸连通孔、破孔等各种泡沫结构缺陷形成及扩展的动态过程，确定了粉末冶金法制备泡沫铝材料的工艺控制准则，为制备泡孔结构完整均匀，孔隙率可调的高性能粉末冶金泡沫铝材料提供了理论依据。.开展了具有界面冶金结合特点的泡沫铝夹心板的板/芯界面反应研究。通过对面板/芯层在发泡过程中界面反应的动态观测，结合对发泡后板/芯界面进行的精细组织结构表征，得到了发泡温度、发泡时间、合金元素对界面扩散与相变行为的影响规律。确定了影响板/芯界面结合强度的主要因素，为提高泡沫铝夹心板的强韧性提供了理论依据。.结合项目研究成果，发表（含录用）学术论文5篇，3篇被SCI检索。申报国家发明专利1项。培养毕业硕士研究生3人，1篇硕士论文被评选为东北大学优秀硕士学位论文。在读的2名博士研究生和2名硕士研究生正围绕项目内容开展论文工作。项目负责人在国内外学术会议做邀请报告2次，并与澳大利亚伍伦贡大学在泡沫金属发泡动力学研究方面建立了密切的联系。.基于项目的研究进展，初步建立了泡沫铝原料-工艺-结构-性能的有机联系，显著提升了泡沫铝的制品质量及控制水平。课题组同沈阳华晨汽车工程研究院开展了保险杠、顶盖板等汽车用泡沫铝应用制品的设计与开发工作，实现了项目的成果转化与应用。此外，项目研究成果还有望推进泡沫铝材料在国防军事、轨道交通等领域的应用。