Вспененный металл и его применение

Обновлено: 10.05.2024

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Крушенко Г. Г.

Текст научной работы на тему «Конструкционные пеноячеистые металлические материалы»

Институт вычислительного моделирования СО РАН, г. Красноярск

КОНСТРУКЦИОННЫЕ ПЕНОЯЧЕИСТЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Описаны технологии, способы и средства получения и применение ячеистых пористых металлических материалов в технике

Несмотря на имеющуюся информацию об отрицательном влиянии присутствующих в отливках пустот, существуют и технологии получения из литейных сплавов материалы, в которых, напротив, специально формируют пустоты/ячейки/поры. Такие материалы получили название «пенометаллы» (metallic foams - от способа их получения путем вспенивания расплава [1]) или «ячеистые металлы» - (cellular metals - от формы пустот (ячейки).

Современное состояние производства «пено/поро/ячеистых» металлических материалов, их характеристики и применение представлено в обширной публикации [1].

Пенометаллы (ПМ) и другие пористые материалы с ячеистой структурой обладают благоприятным сочетанием физических и механических характеристик, таких как высокая жесткость в сочетании с низкой плотностью (низким удельным весом). В сочетании с низкой плотностью и высокой жесткостью, способностью поглощать энергию удара и вибрацию, а также с высокой степенью звукопоглощения, и, что очень важно, высокой технологичностью, допускающей возможность формировать из ПМ объемные конструкции, изделия из этого материала, применяют различных отраслях машиностроения 2 - в автомобильной промышленности в виде конструктивных элементов (бамперы и др.), в аэрокосмической отрасли в виде титановых и алюминиевых «сэндвичей», а также некоторых деталей турбин, в судостроении для изготовления корпусов пассажирских судов, элеваторных и антенных платформ и др., в общественном городском транспорте; в строительной индустрии, в конструкциях металлорежущих станков. Типичный вид пенометалла (пеноалюминий) представлен на Рис. 1 [1], а на Рис. 2 - конструкция - передняя кромка крыла самолета, изготовленного из

листа деформируемого алюминиевого сплава, до и после заполнения полости пеной сплава Al-10 %Si (плотность р ~0,90 г/см3). В качестве порофора применяли 0,8% гидрида титана TiH2; средний диаметр пор составлял 1,2 мм, толщина стенок ячеек - 0,15 мм. [5]. Толщина листа пустотелой кромки составляет 2,5 мм (а), при заполнении пенометаллом толщина листа была уменьшена до 1,5 мм (б). При этом в результате испытаний на удар было установлено, что деформация пустотелой кромки составляет 9,8 ± 0,4%, тогда как заполненной пенос-плавом Al-10%Si - 2,5 ± 0.1% (в 3,92 раза меньше)

Рис. 1. Блоки пеноалюминия с разной плотностью и величиной ячеек, полученные с применением газовой инжекции (samples Hydro Aluminium, Norway) [1]

Полость до заполнения Пеносплав Al-10%Si

Рис. 2. Передняя кромка крыла самолета: до (а) и после (б) заполнения пеносплавом Al-10%Si [5]

Существует ряд технологий получения пенометаллов. Например, путем прямого введения газа (воздух, азот, аргон) в жидкий металл [6].По другой технологии ПМ получают введением в расплав реагентов-порофоров - (вспенивающее вещество, обеспечивающее образование пор в металлическом материале), например, соединения TiH2, MgH, ZrH2 [7], CaCO3. мрамор [8].

Исходя из анализа имеющейся информации на первом этапе по аналогии с работой [8], в которой для получения пенометаллических изделий применялся порошок белого мрамора (white marble), нами была проведена работа по получению пеноалюминия с использованием в качестве порофора крошку Саяногорского мрамора. Согласно сертификату качества по минералогическому составу Саяногорские мрамора являются кальцитовыми (52-55,2% CaO). Мраморную крошку предварительно измельчали до частиц порядка 100 мкм.

Технология получения пеноалюминия заключалась в выполнении следующих операций: расплавление алюминия марки А7 в печи сопротивления в шамотно-графитовом тигле ^ нагрев расплава до 8000С ^ выемка тигля из печи ^ засыпание на зеркало металла мра-

перемешивание расплава 3 мин. ^ установка тигля в печь ^ выдержка 15 выемка тигля из печи ^ затвердевание пеноалюминия на воздухе непоср После затвердевания металла полученную заготовку удаляли из тигля.

На рисунке 2 приведена фотография типичного образца пеноалюм сферическая форма пор с размерами в интервале 0,5. 10,0 мм, при этом распределены по объему металла. Кажущаяся плотность образцов (масс материала, включая и объем закрытых пор; рассчитывают как отношение всему занимаемому им объему; чем ниже кажущаяся плотность, тем боль риале) составляет 0,83 г/см3, пористость ~ 70%.

морного порошка в количестве 5 масс. % от массы металла при одновременном его замешивании в расплав ^ установка тигля в печь ^ выдержка 10 мин. при 8000С ^ выемка тигля и

мин. при 8500С ^ едственно в тигле.

иния. Преобладает поры равномерно а единицы объема массы вещества ко ше пустот в мате-

Рис. 2. Сечение образца (размер 40 х 35 х 35 мм.) из пеноалюминия марки А7

Из-за специфики структуры пенометаллов качество изделий из них оценивается по прочности при испытании на сжатие, на прогиб и на пробой. При этом механические свойства пенометаллов определяются количеством, размерами, формой и характером распределения пор по объему. Но так как процесс порообразования не поддается управлению техноло-

гическими параметрами, то невозможно получить пеноизделия с одинаковыми размерами пор и их закономерного распределения в объеме металла, а, следовательно, и изделия с близкими характеристиками механических свойств.

Тем не менее, представляется возможным спрогнозировать свойства ПМ с использованием математически точного метода случайных секущих [9] для подсчета количества и размеров пор, что можно определить на шлифе пеноматериала. В результате оценки пористости на нескольких сечениях образцов можно оценить количество, размеры и распределение пор в объеме металла.

На втором этапе с использованием полученных данных с применением метода конечных элементов в программном пакете MSC NASTRAN можно выполнить численное моделирование механических свойств пористых металлов с закрытыми порами [10]. При этом при моделировании испытаний на растяжение, сжатие и сдвиг в качестве исследуемого образца пористого металла принималась модель «элементарного объема» в виде куба со сферическими порами. Были рассмотрены три типа образцов с разным количеством пор. Испытаниям на растяжение, сжатие и сдвиг подвергались 15 образцов. В результате численных эксперимен-

тов были получены математические зависимости модуля упругости, модуля сдвига и модуля объемного сжатия от количества пор и их размера. На основе анализа полученных результатов был сделан вывод о том, что они могут быть использованы при моделировании деформирования пористых тел с закрытыми сферическими порами при заданной пористости.

1. Banhart, J. Manufacture, characterisation and application of cellular metals and metal foams / J. Banhart // Progress in Materials Science. - 2001, V. 46. - P. 559-632.

2. Aluminium foams as a filler for leading edges: Improvements in the mechanical behavior under bird strike impact tests / J. A. Reglero [and ot.] // Materials and design. - 2011. - V. 32. -№ 2. - P. 907-910.

4. Ершов, М. Ю. Вспененный алюминий в автомобилестроении / М. Ю. Ершов, И. А. Лепешкин // Автомобильная промышленность. - 2010. - № 10. - С. 36-39.

5. Aluminium foams as a filler for leading edges: Improvements in the mechanical behaviour under bird strike impact tests / J. A. Reglero [and ot.] // Materials and Design, Issue 2 February. -2011. - V. 32. - P. 907-910.

6. Asholt, P. Metal foams and porous metal structures/ P. Asholt ; In: Banhart J., Ashby M.F, Fleck N.A., editors // Intern. Conf., 14-16 June 1999. - Germany : MIT Press-Verlag. - P.133.

7. Kovacik, J. Comparison of zinc and aluminium foam behaviour / J. Kovacik, F. Simancik // Kovove materialy. - 2004. - V. 42, № 2. - P. 79-90.

8. Manufacturing of Al-Mg-Si alloy foam using calcium carbonate as foaming agent / Cam-bronero L .E. G. [and ot.] // J. of material processing technology, February 2009. - V. 209, issue 4.

9. Салтыков, С. А. Стереометрическая металлография / С. А. Салтыков. - М. : Металлургия, 1976. - 270 с.

10. Золотухин, А. В. Численное моделирование свойств пористых металлов / А. В. Золотухин, В. М. Садовский // Актуальные проблемы авиации и космонавтики : материалы Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых специалистов / СибГАУ : в 2 т.

Вспененный металл и его применение

Представлены способы получения пористого алюминия, его свойства, преимущества и недостатки. Рассмотрено применение алюминиевых вспененных материалов в авиационной и космической промышленности и машиностроении. Установлено, что механические свойства пеноалюминия зависят от размера и расположения пор, а также от способа его получения. Проведение процесса моделирования деформации образцов с различными диаметром пор и типом пористой структуры позволит управлять механическими свойствами пористого алюминиевого сплава.

Ключевые слова: пористая структура, пеноалюминий, энергопоглощающий материал, пористость, теплопроводность, porous structure, foam aluminum, energy-absorbing material, porosity, thermal conductivity.

Введение

Развитие современных технологий производства конструкционных и функциональных материалов является крайне актуальной задачей. К таким материалам можно отнести и пенометаллы, позволяющие наряду с уменьшением массы конструкций разрабатывать новые виды изделий. В настоящее время пенометаллы недостаточно изучены, а процессы, используемые для их производства, не полностью контролируются [1–5].

Пеноалюминий – вид металла, пористость которого достигает 70 %, а поры имеют закрытый или открытый тип. Металлическая пена, в частности алюминиевая, обладает рядом важных свойств: малой плотностью (от 0,2 до 1 г/см 3 ), низкой теплопроводностью ввиду небольшой толщины стенок между соседними порами, высокой эффективностью поглощения энергии при ударной нагрузке, низким пределом прочности при сжатии и растяжении. При открытых ячейках пеноматериал имеет непрерывно полую структуру, каркас которой образован соединенными друг с другом краями ячеек, в то время как при закрытых ячейках полая структура разделена стенками ячеек.

Ячеистая структура пеноалюминия требует особых мер предосторожности при проведении испытаний. Структуру исследуют методами оптической микроскопии, сканирующей электронной микроскопии и рентгеновской томографии. Прочность образцов зависит от отношения размера образца к размеру ячейки, а также от состояния поверхности, способа захвата и нагружения образца.

В настоящее время существуют различные способы получения пористого материала на основе алюминия. Однако, несмотря на все способы производства, главной проблемой является негативное влияние пор в структуре металла на механические свойства.

Процессы получения вспененного алюминия

Вызвать пенообразование чистых жидких металлов путем нагнетания в них газа нелегко. Существует несколько методов, один из которых представлен на рис. 1. В расплавленный алюминиевый сплав добавляют от 5 до 20 % (по массе) керамического упрочнителя, изготовленного из оксида алюминия, диоксида циркония, карбида кремния или диборида титана. Для пенообразования в жидком сплаве используют инертные газы. Пена, образующаяся в результате данного процесса, всплывает на поверхность расплава, стекает и затем начинает затвердевать. Температурный градиент пены определяет, как долго она остается в жидком или полутвердом состоянии. Пеноалюминий с закрытыми порами и низкой относительной плотностью может быть получен путем тщательного контроля за процессом впрыска газа и скоростью охлаждения пены [6].


Рис. 1. Схематическое изображение производства алюминиевой пены методом продувки жидкого металла газом

(процессы Cymat и Hydro)

Данный подход является наименее затратным в реализации и приводит к появлению пены с относительной плотностью в диапазоне от 0,2 до 0,9.

Алюминиевые сплавы также можно вспенить, добавив в них гидрид титана (TiH2), выделяющий газ при нагревании (рис. 2). Гидрид титана разлагается на Ti и H2 при нагревании ˃465 °C. При добавлении частиц гидрида титана к алюминиевому расплаву происходит быстрое образование больших объемов газообразного водорода – пузырьков, которые могут привести к образованию пены с закрытыми порами при условии, что отвод пены происходит достаточно медленно и в свою очередь требует высоких показателей вязкости расплава. Повышение вязкости возможно благодаря добавлению 1–2 % (по массе) кальция, который быстро окисляется и образует мелкодисперсные частицы оксида кальция (CaO) и монокальциевого алюмината (CaAl2O4). По окончании вспенивания расплав охлаждают для затвердевания пены до тех пор, пока не уйдет водород и пузырьки слипнутся или схлопнутся [7].


Рис. 2. Схематическое изображение этапов производства алюминиевой пены путем разложения газообразных частиц в расплаве (процесс Alporas)

Объемная доля гидридов кальция и титана, добавленных в расплав, определяет относительную плотность от 0,2 до 0,3 и в сочетании с условиями охлаждения – размер ячеек, которые могут варьироваться в диапазоне от 0,5 до 5 мм соответственно.

Пенообразователи можно вводить в металлы и в твердом состоянии – путем смешивания и уплотнения порошков. Гидрид титана, как показано ранее, начинает разлагаться при температуре ~465 °C, что значительно меньше температуры плавления чистого алюминия (660 °C) и его сплавов. Такой процесс увеличивает возможность создания пены путем диспергирования гидрида титана в порошки алюминиевого сплава. После того как компоненты тщательно перемешаны, порошок прессуют в холодном состоянии, а затем экструдируют в брусок с плотностью, близкой к теоретической. Этот «исходный» материал измельчают на мелкие кусочки, помещают в герметичную разъемную форму и нагревают до температуры, немного превышающей температуру солидус сплава. Затем гидрид титана разлагается, создавая пустоты с высоким внутренним давлением. Они расширяются благодаря полутвердому потоку, и алюминий набухает, образуя пену, заполняющую форму [8]. В результате получают образец той же формы, что и контейнер, и с относительной плотностью всего 0,08. Пена имеет закрытые ячейки диаметром от 1 до 5 мм и плотность от 0,35 до 0,7 г/см 3 .

Принципиальная схема этапов производства алюминиевой пены путем замешивания алюминиевого порошка и гидрида титана показана на рис. 3.


Рис. 3. Схематическое изображение этапов производства алюминиевой пены путем замешивания алюминиевого порошка и гидрида титана (процесс Frauenhoffer Mepura)

Получить пеноалюминий также можно путем выжигания полимера из формовочного материала и заливки расплава под давлением (рис. 4). Сначала выбирают шаблон формы из полимерного материала с желаемыми размерами ячеек, засыпают песчано-глинистую смесь и полимерные компоненты. Далее смесь тщательно перемешивают. Затем обжигают форму как для затвердевания литейного материала, так и для выжигания полимерного шаблона и, используя умеренное давление, заполняют сплавом и дают ей остыть. После материал формы удаляют.


Рис. 4. Схематическое изображение получения пеноалюминия путем выжигания полимерного материала (процесс Duocel)

Размеры пор, полученных с помощью данного метода, составляют 1–5 мм, а относительная плотность алюминиевой пены – всего 0,05.

Свойства пеноалюминия

Рассматривая варианты способов получения пеноалюминия, необходимо учитывать химический состав и свойства. Вспененные материалы из алюминиевых сплавов имеют необычные свойства относительно сплавов с аналогичным химическим составом, но полученных традиционным методом. В статье [9] показана зависимость свойств вспененных материалов от их химического состава (табл. 1).

Сравнение свойств литого алюминия и вспененных материалов

Плотность, г/см 3

Средний диаметр пор, мм

Прочность при сжатии, МПа

при 30 % деформации, МДж/м 3

Модуль упругости, ГПа

Электропроводность, ×10 6 См/м

Температурный коэффициент линейного

расширения: α·10 6 , К –1

Однако какой бы способ получения вспененных материалов ни рассматривался, важнейшими параметрами являются свойства материалов и их стабильность.

В настоящее время актуальной задачей является определение влияния конструктивного дизайна на механические свойства алюминиевой пены. В работе [10] образцы пеноалюминия с относительной плотностью в диапазоне 0,28–0,48 с однородной и изменяющейся частотой пор изготовлены методом порошковой металлургии с использованием карбамидов в качестве опоры. Для производства сырых брикетов применяли процесс прессования в штампе двойного действия. Опору удалили путем выщелачивания в воде при нагревании, далее образцы спекали при температуре 640 °C в течение 2 ч на воздухе. На рис. 5 показана типичная морфология используемого образца из пеноалюминия.


Рис. 5. Морфология образца из пеноалюминия

Механические свойства и способность поглощать энергию изготовленных образцов из пеноалюминия с разными относительной плотностью и распределением пор оценивали с помощью испытания на сжатие (табл. 2).

Результаты исследования показали, что правильная модификация распределения пор может значительно улучшить механические свойства изготовленной пены за счет компенсации нежелательного градиента плотности, создаваемого в ее структуре. Таким образом, для пен с относительной плотностью 0,28, введение желаемой градации частоты пор вызвало увеличение напряжения плато почти в 2 раза и улучшение способности полученного пенопласта к поглощению энергии более чем на 17 %.

Результаты испытаний на сжатие образцов из пеноалюминия

Первая максимальная прочность при сжатии, МПа

Среднее напряжение плато, МПа

Наивысшая точка эффективности

0,28 (равномерная частота пор)

0,38 (равномерная частота пор)

0,48 (равномерная частота пор)

В статье [11] показано, что создание градиентной структуры может влиять на механические свойства пеноалюминия. В работе [12] использовали метод литья по выплавляемым моделям для изготовления алюминиевой пены с градиентом плотности. Метод порошковой металлургии также принят некоторыми исследователями для производства металлических пен с градиентной структурой [13]. В работе [14] изготовлена алюминиевая пена с градацией плотности. Показаны более низкий уровень напряжения и более широкий диапазон напряжения плато по сравнению с пеной, имеющей однородную структуру, при испытании на сжатие. Кроме того, показано, что прогрессирующее разрушение алюминиевой пены с градацией плотности начинается в области с более низкой плотностью и распространяется на более плотную область. В работе [15] изготовлена функционально-градиентная пористая решетчатая структура на основе новой разработанной двойной шестиугольной пирамиды с использованием технологии аддитивного производства. Доказано, что разница в геометрических параметрах элементарной ячейки существенно влияет на модуль упругости и предел текучести в создаваемой структуре.
В статье [16] приведена функционально синтаксическая пена, основанная на градиенте толщины стенок микрошарика. Доказано, что площадь под кривой «напряжение–деформация» будет на 350 % больше, чем у однородной синтаксической пены. В работе [17] показано, что простая кубическая структура имеет более высокую способность поглощать энергию (на 50 %), чем бодицентрированная. Создана также градиентная структура и указано, что градиентная пена имеет более высокую способность поглощения энергии по сравнению с такой же пеной с однородной структурой ячеек.

В работе [18] определены механические свойства образцов из пеноалюминия состава Al–1,5Ca с закрытыми порами путем проведения экспериментальных измерений и с помощью анализа методом конечных элементов. Для исследования изготовлены два образца с совершенно разными структурами. Далее на образцах проводят испытания на одноосное сжатие. Для моделирования используют различные механические свойства клеточной стенки, выбранные из свойств основного материала. Затем механические свойства определяют путем сравнения рассчитанных кривых «сила–перемещение» с измеренными и анализируют влияние каждого механического свойства на характеристики вспененного материала при сжатии.

Моделирование процесса деформирования образцов с различными диаметром пор и типом пористой структуры позволяет управлять механическими свойствами пористого алюминиевого сплава. Например, в статье [19] проведено моделирование, показывающее преимущества применения пеноалюминия для отливок ответственного назначения. Результаты представленного математического моделирования (рис. 6) показывают, что при одинаковом размере балок и равной нагрузке более устойчивым к изгибу является образец из пеноалюминия на основе сплава АК7ч., при этом он имеет на 38 % меньшую массу, чем образец аналогичного размера из сплава АК7ч. Расчетная масса балки из сплава АК7ч. – 13,3 кг, балки из сплава МЛ5 – 9,05 кг, а балки из пеноалюминия на основе сплава АК7ч. – 8,25 кг. По мнению авторов работы [19], замена деталей и узлов из магниевого сплава на детали из пеноалюминия приведет к уменьшению массы и повышению прочностных характеристик облегченных конструкций, работающих в условиях статических нагрузок, низких и повышенных температур.


Рис. 6. Нагруженные балки из сплавов АК7ч. (а) и МЛ5 (б)

В статье [20] продемонстрирована модель, позволяющая определять механические свойства численным решением с помощью метода конечных элементов, а также представлено сравнение результатов, полученных численным моделированием с теоретическими значениями (рис. 7). Моделирование в данной работе проводили с использованием программного комплекса SolidWorks и пакета конечно-элементного анализа AnsysWorkbench. При расчетах для задания свойств пористого образца использовали модель из алюминиевого сплава Д16. Анализ результатов проведенных расчетов показал, что с повышением пористости материала среднее значение модуля упругости уменьшается, тангенциальный модуль упругости не изменяется, а деформация практически не зависит от пористости.


Рис. 7. Зависимость предела текучести пористого алюминия от его плотности

Области применения алюминиевой пены

Алюминиевую пену можно использовать для изготовления различных элементов и конструкций: конструктивных элементов; легких конструкций; энергопоглощающих элементов; механических, вибрационных и звукоизоляционных элементов; фильтров, элементов дизайна, армирующих элементов и элементов теплообменников [21–23].

Полости алюминиевой пены с закрытыми ячейками разделены стенками ячеек, что делает их более стабильными по сравнению с полостями алюминиевых пен с открытыми ячейками. Благодаря своей структуре пены с закрытыми ячейками лучше поддаются механической обработке и обладают хорошими механическими свойствами. Таким образом, их можно использовать в качестве усиливающих элементов для компонентов машин и элементов конструкций.

Наиболее эффективными областями применения алюминиевой пены с закрытыми ячейками являются автомобильная, аэрокосмическая, космическая промышленность и машиностроение. В машиностроении ее используют как усиливающий элемент, а также применяют для механического демпфирования и контроля вибрации.

В космической промышленности алюминиевую пену с закрытыми ячейками используют при изготовлении легких конструкций для управления температурой. Управление энергопотреблением, защита систем изоляции от внешней деформации и механическое демпфирование имеют важное значение в автомобильной и авиакосмической промышленности. Использование таких пен для пассивных систем безопасности автомобилей – одно из основных направлений развития данной отрасли [24–27].

Алюминиевая пена с открытыми ячейками не имеет закрытых полостей, ограниченных стенками ячеек, у них есть только их края. Пены такого типа обладают отличной теплопроводностью и хорошей электропроводностью благодаря своей ячеистой структуре и воздуху в системе. Кроме того, поскольку могут быть получены пены очень высокой плотности и, следовательно, пены с минимальным размером пузырьков, сетчатая структура открытых ячеек хорошо подходит для фильтрования примесей в жидкостях и, возможно, в газах.

Таким образом, алюминиевые пены с открытыми ячейками используют в элементах звукопоглощения, элементах теплообменника, фильтрах и элементах дизайна. Применение такой пены в звукоизоляции имеет очень высокий потенциал, данные элементы уже используют в транспортном секторе [28].

Заключения

Алюминиевые вспененные материалы являются концептуальными для автомобилестроения, авиационной и космической промышленности, а также для различных областей машиностроения и строительства.

Основные возможности алюминиевых вспененных материалов активно применяют в авиастроении. Использование таких пен в конструкциях приводит к уменьшению их массы, а также помогает поглощению разрушающих энергетических воздействий для защиты узлов и агрегатов (применение в картерах коробок передач и редукторов).

Однако, несмотря на наличие доступных подходов к производству сверхлегких пен из алюминиевого сплава, спрос на них на рынке ограничен. Существующие в настоящее время способы получения пористого алюминия неизбежно приводят к снижению уровня его механических свойств, что, по-видимому, является основной причиной низкого спроса на его использование. Но по мере упорядочения пористой структуры механические свойства готовых изделий улучшаются. Поэтому при доведении упорядоченности структуры до идеального состояния возможно получить пористый алюминий, механические свойства которого будут сопоставимы со свойствами компактных материалов.

В последние годы моделирование процесса деформирования образцов с различными диаметром пор и типом пористой структуры позволяет выявить закономерность – зависимость механических свойств от размера и расположения пор, что позволит управлять механическими свойствами пористого алюминиевого сплава.

Металл будущего станет пористым

Всем известно, что кость, — один из наиболее прочных биологических материалов. Костная ткань стойка к сопротивлению и сжатию, чрезвычайно долго противостоит разрушению. Похожим на нее ученые решили сделать и металл будущего.

Металлическое чудо

С развитием технологий обнаруживается все больше возможностей модификации традиционных материалов, например металла. Структура, состоящая, как правило, из алюминия, и содержащая большое количество наполненных газом пор — называется металлическая пена. Как правило, примерно 75-95 процента ее объема составляют пустоты. Материал обладает уникально малым весом — некоторые виды металлической пены настолько легки, что плавают на поверхности воды. При этом прочность такой пены в несколько раз превышает прочность традиционного металла.

О пористых металлах заговорили еще в 1990-х годах. Считалось, что отличительной чертой такого материала является низкая плотность: 0,4 — 1 грамм на кубический сантиметр. В силу особенностей своей структуры металлическая пена способна поглощать большое количество энергии при относительно низком уровне напряжения. Технология обеспечила возможность сочетания различных металлов и получения изделий разнообразной формы. Исследования осуществлялись с алюминием, но возможно получение пены из олова, цинка, бронзы, свинца, латуни и других металлов.


Металлическая пена, так называемый пеноникель, разрабатывается, в частности, российской компанией «Новомет-Пермь». По данным этой фирмы, такой материал обладает экстремально высокой сообщающейся пористостью 96 процентов и экстраординарными свойствами. Это структурный аналог открытого ячеистого пенополиуретана, с высокой химической и термической стойкостью, металлической прочностью и жесткостью, низким гидравлическим сопротивлением и развитой удельной поверхностью. Пеноникель, разумеется, необычайно пластичен и технологичен, поддается различным видам механической обработки для придания изделиям требуемой геометрической конфигурации.

Уникальные свойства пеноникеля делают его пригодным для широкого диапазона применений. Среди них: теплообменники, пламепреградители, звукоизолирующие устройства, гомогенизаторы жидкостей и газов, электрофильтры, адсорберы, наполнители многослойных конструкций

Пена нового поколения

Как и все в науке, металлическая пена подверглась совершенствованию. Недавно доктор Афсанех Рабией из университета Северной Каролины открыла самую прочную металлическую пену в мире. Материал может сжиматься до 80 процентов своего размера под действием веса и сохранять первоначальную форму. Новая металлическая пена уникальна благодаря своей однородности ячеек и их стенок. Именно это придает ей прочность и эластичность, необходимую для сжатия без деформации.


Сферы применения такой металлической пены — самые разнообразные. Наиболее же перспективным является использование в автомобиле- и машиностроение. Полагают, что металлическая пена может применяться в качестве элементов боковой и лобовой обшивки кузовов автомобилей и железнодорожных вагонов в целях максимального поглощения энергии удара при столкновениях. Защита водителя и пассажиров станет максимально надежной и комфортной. Металл идеален при создании военной амуниции, в строительстве — эластичная и прочная пена в конструкции зданий способна выдержать любое землетрясение. В будущем металлическая пена может стать неотъемлемой частью машиностроения, а также использоваться в производстве металлокерамики. Материал идеально подходит для создания крупногабаритных чрезвычайно прочных конструкций — другого материала, который способен обеспечить такое соотношения прочности и веса, человечество еще не придумало. Безусловно, она будет активно применяться в космических технологиях, где минимизация массы имеет огромное значение.

Российской действительности еще предстоит знакомство с металлической пеной. Специалист испытательного центра «СПбГАСУ» Виктор Зверев отказался от комментариев, сказав лишь: «Такой материал нам не знаком и не проходил лицензирование».

Выяснилось, что и на заводах царит пенометаллический нигилизм. Мнение инженеров разделилось. Одни удивляются изобретению, например, Вячеслав Коньков из «Металлиста»: «Это что-то новое и очень интересное, вышлите мне по факсу информацию». Другие же скептически заявляют: «Вряд ли это самый прочный материал. Мы не используем никакую металлическую пену», — прокомментировал Юрий Филисов из компании «Петросталь». Вероятно, в будущем ситуация изменится.

Рецептура

Каков же процесс производства такой пены? Технология проста. Сперва смешивают порошки металлов или сплавов со специальным связующим, которое проникает в металлическую матрицу. Происходит термообработка матрицы, помещаемой в полую форму, при температуре, близкой к точке плавления данного металла. В результате металл плавится, содержащийся в соединении газообразный водород освобождается и вспенивает жидкий металл. Последний поднимается, как дрожжевое тесто: объем образующегося материала, состоящего на 85 процента из воздуха и на 15 — из металла, впятеро превышает исходный. После охлаждения детали вынимаются из формы — они готовы к использованию.

Практический аспект

Металлические пены из алюминия, магния, стали, титана или цинка выдерживают высокое давление, приглушают звук, ослабляют вибрации, хорошо изолируют. Они легко поддаются сверлению, распиливанию и фрезерованию, а потому успешны для защиты от ударов в автомобилях, в качестве катализаторов в химии, в изготовлении топливных элементов, а также как биологически совместимый протез костной ткани в медицине.

В авиакосмической промышленности замена алюминиевыми пенными панелями дорогостоящих сотовых конструкций может сократить издержки производства. Алюминиевые пористые панели могут способствовать сокращению потребления энергии при эксплуатации лифтов, так как в условиях высоких скоростей их движения и частой смены ускорений и замедлений легкость конструкции приобретает особо значение. Широкое поле применения в строительстве открывается и для вспениваемых заготовок, которые могут, например, использоваться для закрепления штепсельных розеток в бетонной стене. Такая заготовка может быть помещена в отверстие в стене и подвергнута нагреву после монтажа розетки, в результате чего обеспечивается очень прочное соединение.


Возможно также создание конструктивных элементов с основой из алюминиевой пены, покрытой слоями алюминия, стали, пластмассы или углеродных волокон. «Сегодня эти технологии пригодны для производства крупных серий и полностью автоматизированы», — заявляет физик Иоахим Баумайстер из Института производственных технологий и прикладного материаловедения им. Фраунгофера в Бремене. Однако у алюминия есть и недостатки. Один из важнейших — алюминиевый лом трудно использовать повторно: в нем много различных легирующих добавок. При этом стальной лом целиком идет на вторичную переплавку. По этой причине на автозаводах используется лишь 35 процентов алюминия. Если еще учесть, что производство алюминия один из самых опасных загрязнителей природы, то широкая дорога в производство пене из этого металла кажется закрытой.

В медицине металлические пены используют для ускорения процессов заживления костной ткани. Как уже было отмечено, структура пористого материала подобна естественной структуре кости. Поэтому он идеально подходит для ее замещения.
Использование композитных имплантантов из титановой пены позволяет значительно ускорить выздоровление пациентов со сложными переломами костей. Ученые разработали биологически совместимый материал, структурой и физическими свойствами подобный естественной костной ткани. В итоге титановая пена выступает каркасом, а минеральное покрытие обеспечивает врастание в него костной ткани.

Как видно, мало знакомый российским экспертам, но интереснейший и многообещающий металл — важное открытые. Своевременное и нужное.

Металлическая пена разработка свойства применение

Металлическая пена разработка свойства применение

Металлическая пена на основе лёгких металлов обладает массой интересных комбинаций различных свойств. Материал, к примеру, демонстрирует высокую степень жёсткости в сочетании с очень низким удельным весом. Или также можно отметить свойства высокой прочности на сжатие в сочетании с добротными характеристиками поглощения энергии. Соответственно, интерес, проявляемый к этим видам материалов, отмечается высоким уровнем роста.

Металлическая пена на основе алюминиевого сплава

Рассмотрим особенности производства материала – металлическая пена на основе алюминиевого сплава, структурно имеющего закрытые поры. Именно этот продукт демонстрирует хороший потенциал в плане высокой конкуренции на рынке.

Существуют две основополагающие стратегии производства алюминиевой металлической пены. Метод прямого вспенивания предполагает использование расплавленного металла, содержащего однородно-диспергированные неметаллические частицы, которые подвергаются воздействию газом с целью образования металлической пены.

В качестве альтернативы производства в расплав допустимо добавить гидрид титана, после чего процесс разложения приводит к аналогичному эффекту.

Способы непрямого вспенивания предполагают использование твёрдых прекурсоров, содержащих алюминиевую матрицу и однородно-диспергированные частицы вспенивающего агента, в основном гидрида титана или циркония. По факту плавления твёрдые прекурсоры расширяются, образуя металлическую пену.

Прямое вспенивание расплавов путём впрыска газа

Вспенивание алюминия или алюминиевых сплавов путём воздействия газом находит широкое применение в промышленном производстве. Для вспенивания сплава требуется добавить:

  • карбид кремния,
  • оксид алюминия,
  • другие керамические частицы.

Объемная доля армирующих частиц обычно составляет 10-20%, а средний размер частиц достигает 5-20 мкм. Впрыск газа (как правило, воздуха) осуществляется через специально разработанные форсунки, часть которых вращаются или вибрируют. Образовавшаяся металлическая пена накапливается на поверхности жидкости, откуда снимается, например, с помощью конвейерной ленты. Далее образованная металлическая пена остывает и твердеет.

Металлическая пена разработка свойства применение + созданная деталь

Пример создания готовой детали алюминиевого профиля, армированного стальной сеткой, основой структуры которого является металлическая пена

Вспененный материал применяют либо в том состоянии, в котором выдаёт литейная машина, имея замкнутую внешнюю поверхность, либо нарезают требуемую форму после вспенивания. Преимущества этого процесса вспенивания включают большой объём получаемой металлической пены и низкую степень плотности продукта.

Канадской фирмой «Cymat» выполняется производство металлической пены, получившей обозначение «стабилизированная алюминиевая пена (SAF)», именно способом, рассмотренным выше.

Металлическая пена — изменение технологии получения

Однако способ вспенивания расплава специалисты решили коренным образом изменить. В частности, эту идею выдвинул Центр компетенции по лёгким металлам (LKR), а также инженеры металлургического предприятия Австрии. Ключевым моментом идеи является новая концепция закачки газа, которая приводит к получению металлической пены с превосходной однородностью размеров ячеек.

Кроме того, методом заливки металлической пены допустимо создавать детали сложной формы закрытые внешней обшивкой. Разработка под коммерческую эксплуатацию этого типа алюминиевой пены, получила наименование «Metcomb».

Вспениваемые материалы прекурсоры производят различными способами:

  1. Путём смешивания порошка алюминия и гидрида титана с последующим уплотнением смеси, например, методом горячего прессования, экструзии или прокатки порошка. Если требуются металлические пены из сплава, смесь дополняется порошковыми металлами (процесс «Foam-in-Al» или «Alulight»).
  2. Путём предварительного прессования порошковых смесей в заготовки, нагревания этих заготовок до полутвердого состояния с последующим тиксолитьём в формованные заготовки.
  3. Добавлением вспенивателя к расплаву алюминиевого сплава, после чего расплав затвердевает. Это можно сделать в машине для литья под давлением или в обычном тигле, однако во втором случае порошки вспенивающего агента необходимо предварительно обработать, чтобы предотвратить преждевременное разложение (процесс «Formgrip»).
  4. Обработка жидким алюминиевым спреем с последующим осаждением в присутствии вспенивателя.

Во всех случаях получают вспениваемый предшественник, который допустимо вспенить путём (повторного) плавления. Производство металлической пены на основе одного из методов непрямого вспенивания осуществляется некоторыми австрийскими и немецкими компаниями.

Современные исследования физики металлических пен

Одной из наиболее оживлённых областей исследований сегодня отмечается физика металлических пен. Задача здесь состоит в том, чтобы понять, как стабилизируются металлические пены и каким образом допустимо улучшить материал. Целью также является повышение надёжности производства и улучшения свойств вспененных металлов.

Исследованиями установлено — наличие неметаллических частиц в диапазоне размеров от десятков нанометров до десятков микрометров в жидком металле имеет решающее значение для стабильности металлической пены. Однако механизм стабилизации до настоящего времени оставляет вопросы. По аналогии с физикой водной пены для этой области исследований придуман термин — высокотемпературная коллоидная химия.

Металлическая пена разработка свойства применение + опытные образцы

Опытные образцы на основе алюминиевых профилей с наполнением алюминиевой металлической пеной

Не менее важная область исследований — важная область — отношения между структурой и свойствами. Интуитивно кажется очевидным, что однородная металлическая пена с гладкими стенками ячеек обеспечивает наилучшие механические свойства. Однако реальных доказательств пока нет.

Существует множество макроскопических и морфологических параметров, описывающих металлическую пену:

  • плотность,
  • распределение ячеек по размеру,
  • ориентация ячеек по размеру,
  • кривизна ячеистой стенки,
  • трещины ячеистой стенки,
  • микроструктура.

Также играют важную роль — гранулометрический состав, уровень примесей, условия старения. Лёгкое и понятное представление экспериментальных данных найти крайне трудно.

Наконец, моделирование конструкций на основе металлической пены важно для возможности интерпретации экспериментальных данных и помощи инженерам-конструкторам в плане применения материала на практике.

Обобщённая концепция для металлической пены

Металлическая пена обладает теми положительными свойствами, которые делают применение материала пригодным для автомобильной промышленности. Соответственно, именно производители автомобилей проявляют наибольший интерес к разработкам с момента первой концепции.

Возможные применения также отмечаются для областей:

  • судостроения,
  • авиации,
  • космической промышленности, .

Основные функции, между тем, необходимо выделить следующим образом:

  1. Алюминиевые металлические пены допустимо использовать для оптимизации удельной жёсткости на изгиб разных инженерных компонентов. Лёгкая конструкция использует квазиупругую и обратимую часть кривой нагрузки-деформации.
  2. Благодаря высокой пористости, алюминиевая металлическая пена поглощает большое количество механической энергии при деформации, в то время как напряжения ограничиваются пределом прочности материала на сжатие. То есть, металлическая пена действует как поглотитель энергии удара, ограничивая ускорение при столкновении.
  3. Алюминиевые металлические пены гасят вибрации и поглощают звук в определённых условиях. Кроме того, теплопроводность материалов низкая при способностях выдерживать повышенные температуры.

Металлическая пена — явно конкурентоспособный продукт, но при условии использования многих свойств материала. Подлинная многофункциональность материала, к примеру, позволит за счёт лёгкой конструкции снижать шум и поглощать энергию при авариях. Обычный пенопласт, как правило, не является оптимальным решением данной инженерной проблемы.

Оптимизация жёсткости требует использования сэндвич-панелей плотной структуры. Соответственно, металлическая пена способна действовать очень эффективно, если заполняет металлические секции или полые литые детали.

В качестве альтернативы металлическую пену допустимо армировать стальной сеткой для повышения устойчивости к натяжению. В определённых ситуациях это решение может составить конкуренцию традиционным сэндвич-панелям.

Технология AFS — сэндвич-панели и вспененный алюминий

Технология AFS, разработана компанией «Fraunhofer-IFAM» (Бремен) и немецкой автомобилестроительной компанией «Karmann GmbH». Технология является одним из примеров использования металлической пены в сочетании с плотным материалом. В частности, сочетаются сэндвич-панели, состоящие из вспененного металлического сердечника и две металлических поверхности.

Листы получают путём рулонной облицовки обычных алюминиевых листов вспененным материалом-предшественником, изготовленным из порошков. Полученному композитному материалу допустимо придать форму на необязательном этапе, например, путем глубокой вытяжки. Окончательная термообработка, при которой расширяется только вспененная сердцевина, а лицевые листы остаются плотными, приводит к образованию многослойных структур.

Металлическая пена разработка свойства применение + прототипы деталей BMW

Прототип кронштейна крепления двигателя BMW производства компании «LKR Ranshofen»

Возможность изготовления панелей трёхмерной формы и высокое отношение жёсткости к весу являются явным преимуществом перед конкурирующими технологиями, такими как сотовые конструкции. В сочетании с новыми принципами конструкции, технология AFS обещает заменить обычные штампованные стальные детали автомобилей и привести к значительному снижению веса машин.

В то же время технология AFS обещает также:

  • уменьшить количество деталей рамы автомобиля,
  • упростить сборку,
  • снизить затраты,
  • повысить производительность.

Сэндвич-детали технологии AFS поддерживают соединение с алюминиевыми профилями посредством различных методов сварки, что облегчает интеграцию деталей в кузов автомобиля.

Практический пример применения технологии

Не так давно фирма «Applied Light-weightMaterials» — дочерняя компания «Karmann» в области производства металлических пеноматериалов, построила новый подъёмный рычаг. Рычагом поддерживается ремонтная платформа, установленная на небольшом грузовике.

Задача заключалась в увеличении диапазона вертикального подъёма платформы от 20 до 25 метров при сохранении общего веса транспортного средства ниже 3,5 тонн. Идея заключалась в том, чтобы снизить эксплуатационные расходы, не допуская попадания грузовика в другую весовую категорию более 3,5 тонн, что подразумевает более высокие страховые ставки и требует привлечения более квалифицированных водителей.

Расчёт методом конечных элементов показал, что сварная конструкция на основе алюминиевых профилей не способна выдержать вес платформы, в то время как конструкция на основе стали тяжелее. Здесь панели AFS успешно применили для решения проблемы. Плоские панели AFS сварили MIG-сваркой, достигнув общего веса конструкции 105 кг, что вполне приемлемо.

Вертикальное усилие в точке поворота рычага составляет 65 кН, крутящий момент в нижней части рычага 85 кН/м. Компоненты испытывались квазистатически и циклическими испытаниями (80 000 циклов). При этом не отметилось никаких признаков повреждения.

Сейчас налажено мелкомасштабное производство деталей для производителя подъёмной системы «Teupen GmbH Gronau» (Германия). Технология AFS в этом случае успешно позволяет увеличить высоту подъёма системы, сохраняя вес ниже определённого порога, установленного законодательством.

Металлическая пена для труб и секций

Другой пример применения алюминиевой металлической пены — амортизаторы. Иностранные (европейские) страховые компании обеспечивают соблюдение правил безопасности пассажиров автомобилей на случае аварий, сводят к минимуму ущерб, нанесённый автомобилю и связанные с этим расходы на ремонт

Производители автомобилей использовали идею аварийного бокса, чтобы соответствовать этим стандартам. Такого рода краш-боксы размещаются между противоударной балкой и передним рельсом автомобиля. Устройства деформируются, поглощая энергию удара, защищая более дорогие компоненты передней части в дополнение к раме автомобиля. Один из вариантов для краш-бокса — это пустая трубка, которая пластически сжимается и поглощает энергию.

Тип отказа трубы — создание пластиковых складок по длине трубы через равные промежутки времени. Вставкой сердцевины на основе алюминиевой пены, изготовленной путём прямого вспенивания расплава в центр трубки, достигают поглощения энергии.

Наружная трубка складывается по своей длине, но количество складок увеличивается. Как результат — энергия, поглощаемая заполненной трубкой, больше, чем энергия пустой трубки. Энергия также поглощается вспененной сердцевиной, и общая энергия, поглощаемая заполненной пеной трубкой, больше, чем сумма отдельных энергий трубки и металлической пены.

Исследования, проведенные специалистами компании «FIAT» и Норвежским университетом науки и технологий, показывают — наряду с улучшенным осевым поглощением энергии также значительно улучшается поглощение энергии при внеосевых столкновениях.

Специалистами фирмы «Cymat» разработана программа совместно с инженерами «Valeo» по созданию аварийного бокса для внедрения в системы интерфейсных модулей «Valeo». Несколько иная концепция конструкции, когда металлические пены двух разных плотностей применяются для точной настройки кривой деформации поглотителя.

Металлическая пена под армирование конструкций

Амортизаторы применяют и на рельсовом транспорте, например, в конструкциях трамваев (вагонов). Опять же, движущей силой технологических инноваций здесь является безопасность. Трамвайным системам присуща противоподкатная защита. Эти и другие соображения устанавливают определённые правила проектирования. В то же время требуется эффективная защита от столкновений, например, с автомобилями.

Поскольку монтажное пространство очень ограничено, здесь полезным видится использование алюминиевой металлической пены. Немецкими специалистами разработана аварийную систему для модульной концепции трамвая, которая позволяет реализовать задаваемые заказчиком требования к конструкции.

Сердцевина на основе алюминиевой металлической пены изготовлена путём вспенивания предшественников, полученных методом экструдирования порошковых смесей и заделки металлической пены в резиновую оболочку. В настоящее время такого типа амортизаторы производятся сотнями штук, реализуются многим производителям трамваев и ремонтным депо.

Алюминиевая металлическая пена как основа для отливок

Ещё одно применение использует полезные свойства алюминиевой металлической пены внутри плотной алюминиевой оболочки, как во время производства, так и после. Основа — фасонная деталь на основе алюминиевой металлической пены «Metcomb» или «Alulight» (непрямое или прямое вспенивание).

Детали имеют плотную внешнюю оболочку и поэтому могут использоваться в качестве сердечников при литье под низким давлением. В процессе литья формируются композиты, состоящие из литой внешней поверхности и лёгкого внутреннего сердечника.

Такие композиты обладают полезными эксплуатационными характеристиками:

  • высоким уровнем жёсткости,
  • улучшенным демпфированием,

по сравнению с пустыми полыми деталями, в то время как вес лишь незначительно выше. Фирма «LKR» (Австрия) и производитель автомобилей «BMW» (Германия) совместно разработали кронштейн крепления двигателя на основе таких композитов (картинка выше). Изготовленные детали не показывают заметной инфильтрации самого сердечника «Metcomb» расплавом в процессе литья.

Композит может выдерживать большой вес автомобильного двигателя и поглощает механические колебания за счёт внутреннего рассеяния в тепловую энергию. Повышается жёсткость, стойкость к образованию трещин, соответственно, повышается безопасность при аварийных ситуациях.

Другой пример — сердцевина из алюминиевой металлической пены «Alporas» переработана в композитную деталь, где металлическая пена полностью погружена в плотную оболочку. Для изготовления использовалось литьё в песчаные формы. Обшивка сделана сплавом «AlZn10Si8Mg», тогда как сердцевина вспененного материала состоит из типичного сплава «AlCa1,5Ti1,5».

Деталь спроектирована таким образом, что частоты вибрации до 370 Гц подавляются внутренним трением и / или межфазным скольжением между сердечником и обшивкой. К настоящему времени этой композитной деталью оснащено семьсот машин. Достигнуты уровни шумоподавления до 60% в указанном диапазоне частот.

Стоимость детали лишь немногим выше стоимости традиционной заливки балок с песчаным сердечником. Таким образом, будущее этого типа применений выглядит обнадёживающим и перспективным.

Металлическая пена – заключение

Последнее десятилетие демонстрирует разработку ряда новых технологий вспенивания металлов, которые теперь предлагают широкий спектр различных форм уникального материала. По сравнению с ранними разработками 1950-1970-х годов, качество металлической пены существенно улучшилось, возможности изготовления композитов расширились. Поэтому вполне реальным видится скорое широкое применение металлической пены при сооружении автомобилей, кораблей, самолётов, а также космических аппаратов.

Читайте также: