泡沫金属的发展已有60年的历史，但是在过去，高熔点Ni 基泡沫金属的制备及应用研究只是处在起步阶段，而且只能采用单一的电沉积法研究和制备，甚至有些还无法制备，比如含铝的镍基合金。随着技术的进步，新工艺的出现，如复模铸造技术、泡沫镍的包覆渗铝技术及电子束沉积技术，泡沫镍基合金才在世界范围内引起了广泛重视。
国外对泡沫镍基合金的研究和开发较早，开展研究的有美国、日本、英国、俄罗斯、乌克兰和荷兰等国，其中，日本的SEI（Sumitomo Electric Industries, Ltd）和荷兰的RI（Recemat International）已工业化生产泡沫镍基合金产品。泡沫镍基合金材料在航天飞机和超高速飞行器的金属热防护系统、高温过滤器、高温热交换和热绝缘器、高温催化剂载体等领域有着广阔的应用前景。目前，泡沫Ni基合金主要有泡沫Ni-Cr合金、Ni-Al合金、Ni-Cr-Al合金和Ni-Cr-Al-Fe合金。发展成熟的制备方法主要有：铸造法、电沉积扩散法、固体粉末包埋、喷涂法、浸浆海绵烧结法等。
图1 泡沫金属材料
1、铸造法
铸造法是先把具有预制性粒状物料放置于铸模之内，然后将液态镍基合金通过加压的方式渗入其周围以达到浇注目的，冷却后通过溶解的方法除去填料颗粒即可得到泡沫镍基合金。预制型的制作采用2种方法：将填料颗粒松散装入型腔中，加压使颗粒联结。或者将颗粒加粘结剂和水混匀后填入石墨中紧实，然后焙烧。对于低熔点的镍基合金可以使用水溶性廉价的NaCl或KCl盐粒来制作。制备高熔点的镍基超合金泡沫材料，采用铝酸钠（NaAlO2或Na2O·Al2O3，熔点1650℃)作为填料材料。
铸造法的优点是可根据颗粒尺寸分布来控制泡沫金属的孔尺寸、密度和泡沫内部结构，具有制备净成型部件的可能性；尤其在制备部分致密、部分孔隙复合/梯度构件方面具有显著优势。但是由于界面张力效应，金属有时不能进入粒状物料周围的缝隙中，导致泡沫筋不连续，强度较低、孔隙率低。该方法中存在的困难是难以实现细丝的完整充入，难以控制定向的凝固，难以在对微观结构不造成太多损害的前提下除去膜材料。
2、固体粉末包埋法
该方法是将金属粉末（Cr、Al）与活化剂（NH4Cl）按照一定的比例混合均匀后倒入事先准备好的模具内，将泡沫镍埋入活化剂，加热到800~1100℃，保温一定时间，反应生成气相化合物，扩散至泡沫Ni基体表面，发生置换或歧化反应，形成具有扩散元素梯度的表层，然后冷却到室温去掉包埋材料，在流动的氩气或真空环境中900~1200℃均质化处理，冰盐水进行淬火后，即可制成高通孔率的均质泡沫Ni-Cr-Al合金。
目前，日本的住友电气公司（SEI，Sumitomo Electric Industries, Ltd）和荷兰的Recemat International（RI，Recemat International）均已采用该工艺规模化生产出孔径不等的泡沫Ni基合金。尤其适用于平均孔径100μm~1mm、厚度小于10mm的泡沫合金的制备。此方法的优点于生产工艺简单、成本较低，能够控制制品的孔隙度和孔径，并且能够得到组织构均匀和较高机械性能的泡沫合金材料，具有较高的产业化前景，但同时也存在固相扩散时金属粉末易于烧结在泡沫Ni骨架的表面，甚至出现堵孔等问题。
3、喷涂法
喷涂法是将合金粉末与一定量的分散剂、表面活化剂、去离子水制成稳定分散均匀的浆料，然后浆料经喷涂方法镀覆在泡沫镍的表面，泡沫裁剪成需要的尺寸后在低温进行热处理去除结合剂，随后升高温度进行瞬态液相烧结同时采用多阶段保温技术进行均匀化处理。最终得到高温镍基合金泡沫。美国的INCOFOAM和德国的AlantumGmbH、韩国Onsan都采用喷涂法实现了泡沫镍基合金的工业化生产，孔率>92%，孔径450~1200μm，密度0.41~0.72g/cm³，厚度为1.6~3.0mm。该技术的优点是能够获得孔隙率高、密度低的多种镍基泡沫合金。工艺过程易于控制，生产效率高。主要缺点是不能制备厚度较大的样品。
4、电沉积
电沉积法是制备泡沫镍基合金最常用的方法。交替电沉积法即首先在泡沫塑料的表面预制导电层，然后交替电沉积金属Ni、Cr，热解去除泡沫塑料，最后通过扩散进行均匀合金化。目前采用电沉积进行高孔率镍基合金泡沫材料制备的主要有荷兰的RI、住友电气（SEI）、住友电气亚洲有限公司（Sumitomo Electric Asia Ltd，SEAC）以及国内湖南大学和北京有色金属研究院等。该方法获得的Ni-Cr合金泡沫孔隙率高达98%、比表面积达1000m2/m3、相应的筋的尺寸在0.5~3.2mm之间、厚度2~20mm，密度0.4~0.65g/cm3。对于厚度大于20mm的泡沫镍基合金目前的电沉积制备技术，电荷在海绵内部分布不均，中心和边缘的Cr含量不均匀，即Cr镀液的均匀包覆能力差是电沉积方法的主要缺陷，严重影响了合金泡沫性能的均匀性。此外，电沉积方法也不能获得厚的Cr层，致使合金中Cr含量小于20%（质量分数）。由于铝的电沉积过程很复杂，该方法不能制备含铝的镍基合金泡沫。
图2 电沉积法制备泡沫金属
5、浸渍浆料法
浸渍浆料法是指以泡沫碳和聚氨酯为模板，将稳定均匀分散的悬浮液浆料，通过多次浸渍、去浆、干燥工序后，加热使有机物分解，最后在更高的温度下进一步加热烧结，冷却后即得到高孔隙率的三维结构的泡沫金属。浆料浸渍时，其涂覆效果直接决定着泡沫金属材料最终的结构和性能，这一过程不仅要保证泡沫素上均匀地涂覆上浆料，而且要除去多余的浆料,避免堵孔。
该方法得到的镍基合金泡沫相对密度20%~50%、孔隙率达92%，孔径在0.5~1mm之间，压缩屈服强度可达4.43MPa，但是通孔率低。该方法适用于所有镍基合金成分、制备过程简单，成分均匀、组织可控、不受泡沫厚度限制、存在电沉积法结构不均匀性问题，一旦完成技术攻关很容易实现工业化生产。粉末烧结的缺点就是泡沫的骨架上存在微米级的小孔。这些小孔的存在致使孔筋不致密，影响泡沫合金强度的进一步提高。
6、电子束气相沉积（EB-DVD）
此制备方法是电子束蒸汽被稀薄的超音速气流夹带或扩散到泡沫塑料中并沉积，进而热分解泡沫塑料和烧结，最后得到泡沫Ni基合金。EB-DVD技术将电子束枪和成分可控的惰性气体载流喷射器相结合，高速沉积（>10μm/min）获得较厚的沉积层，目前虽然能有效地控制合金成分，但是生产成本仍然很高，不易大规模生产，仅适合于低密度的泡沫超合金。2001年DT.Queheillalt等开发了此制备工艺方法，获得了其最优的工艺条件为电子束功率2100W，气流3.5L/min，工作室压力9.33Pa。
结语
泡沫镍基合金的研究越来越深入，新的研究方法以及新的应用研究成果不断涌现，相信在不久的将来，镍基泡沫金属的性能在燃料电池、尾气净化、油气分离、电极材料、热交换器等领域得到充分和广泛的应用。
参考文献
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