Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Engineering

Casting Protokoller for produksjon av Open Cell Aluminum Skum av Replication Teknikk og Effekt på Porøsitet

doi: 10.3791/52268 Published: December 11, 2014

ERRATUM NOTICE

Abstract

Metallskum er interessant materiale fra både en grunnleggende forståelse og praktisk applikasjoner synspunkt. Anvendelser er blitt foreslått, og i mange tilfeller validert eksperimentelt, for lett vekt eller støtenergiabsorberende konstruksjoner, så høyt overflateområde varmevekslere eller elektroder, som implantater i kroppen, og mange flere. Selv om store fremskritt har blitt gjort i å forstå deres struktur-egenskaper forhold, det store antall forskjellige prosesseringsteknikker, som hver produserer materiale med forskjellige egenskaper og struktur, betyr at forståelse av de enkelte virkninger av alle sider av strukturen ikke er fullstendig. De replikasjonsprosess, hvor det smeltede metall er infiltrert mellom korn av en avtagbar preform materiale, gir en markert høy grad av kontroll og har vært brukt med god virkning å belyse noen av disse relasjonene. Likevel har prosessen mange skritt som er avhengig av individuelle "know-how", ogdenne artikkelen tar sikte på å gi en detaljert beskrivelse av alle stadier av en utførelse av denne behandlingsmetoden, ved hjelp av materialer og utstyr som ville være relativt enkelt å sette opp i et forskningsmiljø. Målet med denne protokollen og dens varianter er å produsere metallskum på en effektiv og enkel måte, noe som gir mulighet for å skreddersy utfallet av prøvene ved å endre enkelte trinnene i prosessen. Ved å følge denne kan åpne celler aluminiumskum med porestørrelser på 1 til 2,36 mm diameter og 61% til 77% porøsitet oppnås.

Introduction

Metallskum har tiltrukket seg en stor mengde av interesse og forskningsinnsats i de siste årene, som vist ved den store kroppen arbeid sitert i bredt alt oversiktsartikler som Banhart 1, Conde et al. 2 eller mer nylig Goodall og Mortensen tre. Blant de metoder som benyttes for fremstilling av materialet, blir replikering prosessen utmerker seg ved sin enkelhet eksperimentelle og graden av kontroll over den endelige skumstruktur som kan tilbys. Det bør bemerkes at selv om det i litteraturen slike materialer betegnes ofte som skum (og er her) som de ikke er produsert av bobler av gass i en væske er de mer hensiktsmessig kalt porøse metaller eller mikrocellulære metaller.

Den første rapporten om replikering prosessen var tidlig på 1960-tallet 4, og det har blitt videreutviklet på forskjellige stadier siden da, med bemerkelsesverdige fremskritt fra forsker gruppe Mortensen ved Ecole Polytechnique Federale de Lausanne i Sveits.

Fremgangsmåten baserer seg på støping av metall rundt en preform av partikler som definerer formen av porøsitet i det endelige materiale 2, 5. Etter avkjøling av preforma kan fjernes ved utlutning oppløsningsmiddel eller pyrolyse som fører til oksidasjon. En populær anvendelse av denne teknikken benytter NaCl som en avstandsholder for å produsere aluminium 5-10 eller aluminiumlegering skum 11-14. NaCl har flere fordeler som er lett tilgjengelige, ikke-toksisk og kan fjernes fra skummet ved oppløsning i vann. Ved å ha et smeltepunkt på 801 ° C, kan det brukes med metaller som har et smeltepunkt som er lavere enn denne verdi, vanligvis av aluminium, men også finnes eksempler på bruk med materialer som bulk metalliske glass, ved fukting av en blanding av flytende palladium-baserte bulk metallisk glass legering og NaCl granulater 15. Substitusjon av NaCl med høyere smeltepunkt materialer tillater også at production av skum fra høyere smeltepunkt metaller 16. Dette kan omfatte andre vannoppløselige materialer, eller de uløselige inkludert forskjellige typer sand. I denne form blir prosessen mer som konvensjonelt sandstøping for å fjerne sand, høytrykksvannstråler 17, 18 eller andre former for vasking 19 eller omrørings 20 er nødvendig.

Den viktige prosess 21 forløper ved å ta korn av NaCl og plassere dem i en form 4, 22, 23. Den grunnleggende fremgangsmåte er blitt brukt til å lage aluminium og aluminiumlegering-skum 24 til 26 for et bredt spekter av skum atferds undersøkelser. Andre tiltak har blitt innført for ytterligere å kontrollere tettheten og for å øke sammenkopling av porene; disse inkluderer fortetting av preforma. For å fortette emnet, har sint blitt anvendt 27, 28, og har vært brukt i forskjellige eksperimenter siden 13, med sintring oppførselenNaCl basert på temperaturen, kornstørrelse og tetthet som er beskrevet av Goodall et al., 29. En annen metode som benyttes for dette formål er kald isostatisk pressing (CIP) 5, 30; Dette er en raskere teknikk som kan oppnå et større spektrum av sammenlignbare tettheter. Fremgangsmåten kan også utføres i fast tilstand med metallpulver og NaCl-korn, og deretter noen ganger kalt sintring og løsningsprosessen 31.

En fullstendig oversikt over bruken av replikasjonsteknikken hittil og sammenligning med andre teknikker er gitt i Goodall og Mortensen 3.

I dette arbeidet rapporterer vi i detalj utstyr og eksperimentelle protokoller som har blitt brukt for behandling av metallskum ved replikering metoden, og som er relativt enkelt å implementere i et forskningslaboratorium setting. Det er viktig å erkjenne at andre versjoner av utstyr, med forskjellige evner eksisterer i annen forskning groups, og at mens utstyret som presenteres her, er egnet til å behandle materialet, er det ikke den eneste versjonen eller protokoll som kan bringes til å arbeide. I alle fall, er avgjørende for eksperimentell suksess en grundig forståelse av en bestemt metode.

De nøyaktige protokoller som brukes er beskrevet nedenfor. Protokoll variasjoner (A, B, C og D) har små endringer mellom dem, hovedsakelig ment for å endre densiteten av skum fremstilt. Porøsiteten er blitt beregnet ut fra målinger av massevekten av prøvene, deres volum og tetthet av aluminium (2,7 g / cm 3). Under utvikling av fremgangsmåter som er beskrevet for aluminiumskumproduksjon ved replikasjon, har det vært gjort forsøk på å redusere mengden av avansert utstyr til den minst mulige utstrekning, slik at fremgangsmåten er så enkel å implementere som mulig. Andre variasjoner som kan anvendes ved forskjellige trinn er diskutert senere.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

MERK: Instruksjonene nedenfor er for protokoll A (figur 1). Modifikasjoner for Protokoll B, C og D er oppført i tillegg.

1. Aluminium Bar Forberedelse

  1. Plasser et stort stykke (500 g - 1 kg) av kommersiell renhet aluminium ingot inn i en smeltedigel.
  2. Plasser digelen i en ovn ved 800 ° C i ca 1 time, inntil smeltet.
  3. Ta digelen ut av ovnen, og helle det smeltede aluminium til en sylindrisk form som er 50 mm i diameter, noe mindre enn den endelige diameter av kammeret som skal brukes for infiltrering (51 mm), noe som gir en avstand på omtrent en halv mm.
  4. Vente 1 time for baren for å kjøle seg ned.
  5. Fjerne baren fra formen.
  6. Ved hjelp av en båndsag, skjær den i fire samme størrelse stykker.
  7. Sand kantene på hver del for å sikre en god passform i infiltrasjon mold.

2. Furnace Forberedelse

  1. Programmere ovnen til å nå en 740 & #176 C platå i minst 2 timer.
  2. Still oppvarmingshastighet av ovnen på 20 ° C / min.

3. Preform Forberedelse

MERK: Avhengig av høyden på skum rettet for, varierer mengden NaCl å bruke for infiltrasjon mellom 100 g og 300 g.

  1. Velge infiltrasjon NaCl til bruk, med en diameter som tilsvarer pore-størrelsesområdet er nødvendig (for eksempel et område mellom 1,4 mm og 1,7 mm). Materialet kan oppnås fra kjemiske leverandører i høy renhet, eller supermarked kjøpt bordsalt kan benyttes (slik materiale vil ha additiver slik som jod og anti-klumpemidler, men disse er ikke i praksis påvirker prosessen i betydelig grad).
  2. Velg sikter av et passende størrelsesområde og stable på en base beholder med mindre åpningsstørrelse på bunnen.
  3. Fra leverandørenes pose med NaCl, ta ca 500 g og hell det i de stablet sikter.
  4. Agitere sikter, Enten manuelt eller ved hjelp av en siktrister i 1 min.
  5. Kast de NaCl igjen i større åpningsstørrelse sikt og bunnbeholderen, forlot NaCl i den mindre åpning sikt anvendes for infiltrering.
  6. Veie mengden av infiltrasjon NaCl erholdt.
  7. Hvis beløpet er utilstrekkelig, gjenta trinn 03.04 til 03.07.
    MERK: For Protokoller B, C eller D, får 100 g fin NaCl (<500 mm). Dette skaper en ekstra plass i formen for luft som er fanget i preforma under infiltreringen i tilfelle luften i preforma ikke slipper ut av kammeret i tilstrekkelig grad.

4. Mold Forberedelse

  1. Ved hjelp av sandpapir og laboratorium papirrull, ren mold sylinder (figur 2), ta spesielle hensyn for både topp- og bunnkanten, og holder formen uten noen merkurenheter fra tidligere bruk.
  2. Spray innsiden av formsylinderen med bornitrid aerosolspray, skaper et tynt lag som dekkerinnsiden av formen.
    MERK: Dette er oppnådd når den opprinnelige farge av formen er erstattet med et hvitt lag av spray; det er ikke nødvendig å måle den spesifikke konsentrasjon.
  3. La formen sylinder tørke i minst 5 min ved RT (oppvarming til rundt 100 ° C i opp til en time kan søkes om ytterligere tørking hvis ønskelig).
  4. Ved hjelp av et fint sandpapir, fjerner eventuelle rester av bornitrid fra kantene av formsylinderen, for å forbedre tetningen mellom formsylinderen og formbasisen.
    MERK: De neste tre trinnene er for Protokoller A og B; Protokoller for C og D kuttet bare en pakningsring for lokket.
  5. Klipp 2 pakningene fra 1 mm tykk grafitt ark (OD = 60 mm, ID = 51 mm), en for unionen mellom den øvre kanten av formen sylinder og formen lokket frem til ventilsystemet, den andre for foreningen mellom den nedre kant av formsylinderen og formbasisen.
  6. Plasser en av pakningene i formen basen groove.
  7. Plasser bottom av formsylinderen inn i sporet med pakningen.
  8. Tapp lett med en hammer på toppen av formsylinderen for å feste bunnen til basissporet.
    MERK: For Protokoll B, C eller D, legg til følgende trinn.
    1. Hell 100 g fin NaCl (<500 mm) i formen sylinder og flate toppen med en uncut aluminium bar trykke på toppen av det lett med klubbe for å sikre den fine NaCl er pakket til en høy tetthet.
      MERK: For Protocol D legge til følgende trinn.
    2. Skjær to sirkler av myk 2 mm tykk keramiske Kaowool teppe størrelsen på formen diameter (51 mm) og plassere dem på toppen av den fine NaCl, bruker uncut aluminium bar og klubbe å presse dem mot den fine NaCl.
  9. Hell NaCl som skal infiltreres inn i formsylinderen.
    MERK: For Protocol D legge til følgende trinn.
    1. Fest mold og basen til en vibrerende bord, noe som gjør at formen sylinderen beveger seg ikke fra basen groove. Vibrerei 1 min ved 50 Hz med en 0,01 m amplitude.
  10. Holder toppen av sylinderen på plass, plukke opp basen og rist lett inntil den NaCl inne formen danner en flat overflate på toppen.
  11. Plasser forberedt aluminium bar på toppen av NaCl-forma.
  12. Plasser en grafittpakning i sporet av formlokket.
  13. Hånd skru de 4 rustfritt stålstendere til basen og fest dem med 4 sett av rustfritt stål muttere og skiver på toppen av basen med en skiftenøkkel og plasser mold lokket på toppen av formen sylinder gjennom stenderne.
  14. Med en momentnøkkel innstilt på 16 N · m, skru de 4 sett av stål muttere og skiver på de fire gjengestenger skrudd inn i basen og strekker seg opp gjennom lokket, hvor mutterne strammes for å låse mold lokket på plass.
  15. Sett på toppen av lokket til ventilsystem med pakningen, klemme, bolt og vingemutteren.
  16. Lukke alle ventilene i systemet.
  17. Åpne ventilen fører til tHan vakuumpumpe og formen (ventilen 3).
  18. Slå på vakuumpumpen til måleur av ventilsystemet viser laveste trykket mulig.
  19. Slå av vakuumpumpen.
  20. Hvis tap av vakuum i systemet er lavere enn en hastighet på 50 Torr / sek for den første 10 sekunder etter nedleggelse vakuumpumpen tetningen er tilstrekkelig god for infiltrering.
  21. La lokket ventilen åpen (ventilen 3) for å holde systemet ved omgivelsestrykk og lukke vakuumpumpeventil (ventil 1).
  22. Uten å demontere ventilsystem, plassere formen i forvarmet ovn og vente på en time.

5. Infiltrasjon

  1. Lukke alle ventiler i systemet (figur 3).
  2. Åpne ventilen som fører til sylinderen argongass (ventil 2).
  3. Åpne hovedventilen på argongass tanken og sette det infiltrerende trykk med regulatorventilen (for et område på 1,4 mm til 1,7 mm NaCl partikkelstørrelse, å bruke et trykk på 3,5 bar).
    MERK: For Protokoll B, er en infiltrering trykk på 3 bar brukes. Bruke et trykk på 1 bar i Protocols C og D.
  4. I en rask måte, åpner lokket ventilen (ventil 3).
  5. Etter 1 min, fjerne mugg fra ovnen og legg den på toppen av en kjøleflate (i dette tilfellet en kobberblokk).
    MERK: Under avkjøling, vil trykket i systemet endres. For første 5 min av denne prosessen, følge nøye med på trykket indikert av regulator og justere tilbake til infiltrasjon press om nødvendig.

6. Prøve Extraction

  1. Etter 30 min, når formen er kjølig nok til å håndtere med lys varmebestandige hansker, ta av ventilsystem og plassere mold base på en arbeidsbenk skrustikke. Skru av lokket fra toppen av sylinderen.
  2. Med lokket av, lett trykk på toppen av formen sylinder med en hammer i en vinkelrett retning i forhold til skruestikken grep for å løsne formsylinderen fra basissporet.
  3. Med klubbe trykker den resterende aluminium på toppen av prøven for å skyve den ut av formsylinderen.
  4. Ved hjelp av en båndsag, skjæres den nedre delen av skumprøven, og fjerner den overskytende aluminium.
  5. Avhengig av høyden av skum som kreves, kuttet hvor ønsket, nær toppen av prøven.
  6. Plasser den infiltrerte skum i et begerglass med vann og en magnetisk rørestav på en varm plate under omrøring for å oppløse NaCl preform.
  7. Sett temperaturen på varmeplate til 60 ° C. Endre vann hvert 10. minutt inntil det ikke er noe NaCl igjen i skummet.
    MERK: For å sikre at det ikke NaCl igjen i skum, endre vann ca 10 ganger. Det er også mulig å foreta periodiske kontroller av prøvevekten etter en kort tørketrinn. Når denne opphører å endre seg betydelig med ytterligere nedsenking må NaCl fjernes helt.
  8. Endelig hjelp av en elektrisklufttørker fjerne alt vann som er igjen i skummet. Skumprøven er klar.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

I figur 4 morfologi av NaCl kornene kan sees (kantete og sfærisk), for illustrasjonsformål. Skummene som oppnås med protokoll A ble laget ved hjelp av vinkelformede korn, og resten ble gjort med de kuleformede korn. Det ble funnet at bruken av forskjellig form NaCl kornene hadde ingen observert effekt på porøsiteten oppnås i prøvene.

Fra resultatene kan vi fastslå at prøvene a, b, og c (laget med protokoll A), er i gjennomsnitt 63% porøse (figur 5), bestemt ut fra deres bulk vekt og volum. Ved å gjøre endringer i teknikken, for eksempel inkludert lommen av fine NaCl ved bunnen, gjør det mulig for prosessen å fremstille skum 5% mer porøse og tillater infiltrering trykket senkes (3,5 til 3 bar), er disse prøvene D, e og f er laget med protokoll B (figur 6). Den eneste forskjellen mellom protokoller A og B, er tilsetningen av den fine NaCl nederstav preforma.

Ved å fjerne den nederste pakning i infiltrasjon formen, slik det gjøres i protokoll C (figur 7), kan den nødvendige infiltrering trykket reduseres ytterligere (3-1 bar). Ved hjelp av denne fremgangsmåte ble prøver g, h og i ble produsert, som også viser en 5% økning i porøsitet. I protokoll C grunnen til å bruke tre forskjellige størrelser av NaCl-partiklene er å undersøke noen effekt på porøsiteten, og viser at selv med denne endringen, porøsiteten oppnås i skummene forblir svært like og endringen i partikkelstørrelse har liten eller ingen virkning på skum porøsitet sammenlignet med effekten av protokollen som brukes. Skummene fremstilles med protokoll C er tre separate prøver, hver laget med et forskjellig partikkelstørrelse. Det siste sett av prøver, j, k og l ble laget ved hjelp av protokoll D (figur 8), ved å vibrere NaCl som skal infiltreres, øke tettheten av emnet, noe som gir et stort hopp på 8% i porøsiteten av skummene. Tilfeldige observasjoner av en mislykket infiltrering er at et bestemt område eller områder av preformen ikke er skikkelig infiltrert; i løpet av infiltrering kan skje i tillegg, slik som innkapsling av flere NaCl-partikler med metall, forårsaket hovedsakelig av en høy infiltrerende trykk, hindrer vann å lekke ut av NaCl; Dette er meget tydelig når det er et stort fall i den tilsynelatende porøsitet (større enn 5%) i en prøve fremstilt ved bruk av en bestemt protokoll, selv om dette er en svært sjelden hendelse. Figur 9 viser en ikke-infiltrerte prøven på venstre side, en ordentlig infiltrert prøve i midten og en over infiltrert prøven til høyre. I figur 10 endringen i porøsitet ved modifisering av infiltrasjon trykket kan ses. Dersom en høyere infiltrering trykk påføres, er mer aluminium tvinges mellom NaCl-kuler (det høyere trykk gjør det mulig for overflatespenning må overvinnes i større grad, hvilket tillater trangere hull tilbli fylt med metall), og dermed ledig plass værende minker, redusere porøsitet. For å kontrollere resultatet av en skikkelig infiltrert prøve ved denne metode er vanskeligere sammenlignet ved bruk av en annen protokoll, da ved høyere trykk risikoen for blokkerte porer i skummet øker sterkt.

For å vurdere resultatet av en produksjons kjøres første indikator på riktig infiltrerte skum er deres tetthet, en annen ville være å observere utsiden av prøven; en helt infiltrert skum er ensartet i hele sin struktur, hvis det er feil, de er ganske merkbare (for det meste blokkerte porer eller ikke-infiltrert soner); de kan sees i figur 11. De endelige resultatene av denne fremgangsmåten, er angitt i tabell 1.

Figur 1
Figur 1. Skum Replication GeneRAL Protocol Steps.

Figur 2
Figur 2. Design Skjematisk av Foam Infiltrasjon Mold og montert Image (Metric Scale). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3. Laboratorie Skjemaer av Foam Infiltrasjon Rig.

Figur 4
Figur 4. Morfologi av NaCl Grains (Venstre: Vinkel 2 til 2,36 mm, Høyre: Kule 1.4-1.7 mm).

Figur 5
Figur 5. Protokoll A prøvene a, b og c er av åpen porøs 99,95% aluminium skum med en porestørrelse som varierer fra 1,4 mm til 1,7 mm, en gjennomsnittlig porøsitet på 63%, som måler 51 mm i diameter og 25,4 mm i høyde ( metrisk Scale). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 6
Figur 6. Protokoll B-prøvene d, e og f er laget av åpen porøs 99,95% aluminium skum med en porestørrelse som varierer fra 1,4 mm til 1,7 mm, en gjennomsnittlig porøsitet på 66%, som måler 51 mm i diameter og 25,4 mm i høyde ( metrisk Scale). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 7
Figur 7. Protokoll C prøver g, h og i er laget av åpen porøs 99,95% aluminium skum med en porestørrelse området fra 1 mm til 1,18 mm, 1,4 mm til 1,7 mm og 2 mm til 2,36 mm henholdsvis en gjennomsnittlig porøsitet på 70 %, som måler 51 mm i diameter og 25,4 mm i høyden (Metric Scale). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 8
Figur 8. Protokoll D prøver j, k en dl er laget av åpen porøs 99,95% aluminium skum med en porestørrelse spekter av 1,4 mm til 1,7 mm, en gjennomsnittlig porøsitet på 76%, som måler 51 mm i diameter og 25,4 mm i høyden (Metric Scale). Klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.

Figur 9
Figur 9. Effekt av Infiltrasjon Press på Skum (Venstre: Ikke-Infiltrasjon; Midten: Riktig Infiltrasjon, Høyre: Over Infiltrasjon). (Metric Scale) Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

700px "/>
Figur 10. REPL Foam Porøsitet Variasjon av Infiltrasjon Trykk Change bruker bare Protocol A.

Figur 11
Figur 11. Merkbare feil i Skum Produsert av denne metoden (Venstre: Tverrgående Bilde, Høyre: Side Bilde) (Metric Scale). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Protokollen Sample Partikkelstørrelse (mm) Porøsitet (%)
A en 01.04 til 01.07 63.45
A b 10,4 til 1,7 62.98
A c 01.04 til 01.07 63.09
B d 01.04 til 01.07 66.33
B e 01.04 til 01.07 66.21
B f 01.04 til 01.07 66.08
C g 1 til 1,18 69.96
C h 01.04 til 01.07 70.03
C jeg 2 til 2,36 70,75
D j 01.04 til 01.07 76,20
D k 01.04 til 01.07 75,69
D l 01.04 til 01.07 76.56

Tabell 1. Replikerte skum prøve egenskaper, porøsitet innhentet og preform størrelsen som brukes.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Den grunnleggende metode som er beskrevet her har blitt brukt i forskjellige former av andre forskere. Noen av de viktigste varianter som tillater skum av forskjellige typer som skal opprettes er omtalt. For å karakterisere disse skum har vi målt porøsitet, da dette er en hurtig og enkel vurdering for å lage, men karakterisering av andre strukturelle egenskaper, for eksempel porestørrelse, spesifikt overflateareal eller stag tykkelsen kan være nødvendig for å oppnå en full forståelse av skumkarakteristikker for ulike bruksområder. I praksis, for fremstilling av skum med replikasjon, er porestørrelsen godt kontrollert av partikkelstørrelsen av NaCl brukes, og forbindelser mellom denne, kan tettheten og de øvrige strukturelle egenskaper gjøres.

Densifiserte preforms

I denne foreliggende bidrag har vi beskrevet en NaCl-preform som er laget ved å tippe NaCl korn inn i et kammer. Mens, som omtalt, en viss grad av kontroll over density kan oppnås ved å vibrere prøven, avstands tilgjengelige restene heller begrenset, på grunn av det begrensede området for pakking av fraksjoner av NaCl som kan oppnås. For å fremstille skum med høyere porøsitet, kan tettheten av preforma økes ved å komprimere det mekanisk (for eksempel i kaldt isostatisk pressing for å bevare isotropisk struktur), eller ved sintring, der fortetting er drevet av flateareal reduksjon. Begge disse fremgangsmåter vil være forventet å være mer effektive for mindre NaCl partikkelstørrelse (sub millimeter), som mindre korn er mindre tilbøyelig til å sprekke, og har et større overflateareal til volumforhold. Som porestørrelsen anvendt i eksperimentene beskrevet i dette papir er større, og enten prosess ville kreve ekstra utstyr, med fokus på en enkel og lett implementert fremgangsmåte, har de ikke vært brukt.

Formet preforms

I Goodall og Mortensen 14 en fremgangsmåte innføres ikontrollere størrelsen pore og form lenger enn det som er mulig å bruke enkelt NaCl korn. I denne fremgangsmåten greit NaCl-pulver blandes med et bindemiddel (for enkelhets skyld, mel og vann kan benyttes), og deretter formet til den ønskede form før en varmebehandling anvendes for å fjerne termisk bindemiddel. Selv om det ikke eksperimentelt kompleks, har denne fremgangsmåte ikke vært brukt i våre eksperimenter som det ikke er nødvendig å danne et skum og krever noe mer nøyaktige trykk-kontroll for å sikre at den fine skala porøsitet i preforma i seg selv ikke er infiltrert.

Alternative preforms til NaCl

Selv NaCl viser mange ønskelige egenskaper som en preform materiale (inkludert relativt høy smeltetemperatur, høy grad av oppløselighet i vann og lav toksisitet og kostnad), er det ikke alltid egnet. Et spesielt tilfelle er når høyere smeltepunkt metallene som skal behandles, og i denne situasjonen kan den erstattes med andre materialer, slik som natrium aluminumspiste 16. Disse materialene forbedrer temperaturevne, men er generelt mer kostbare og vanskelig å løse opp, og er ikke nødvendig for å behandle skum fra forholdsvis lavt smeltepunkt, metaller, slik som aluminium, det mest vanlige metall fra hvilke skum er gjort.

Kald vegg / delvis kald vegg trykkammer

For å infiltrere metall i finere partikkelstørrelse preformer, for å produsere mindre porestørrelse skum, vil høyere trykk være nødvendig. Testriggen er beskrevet i dette arbeidet er egnet for bruk opp til 6 atm trykk, men som trykket øker sannsynligheten for lekkasje fra tetningene går opp. Dette kan løses ved alternative utførelser av trykk-kammeret, hvor de forseglede områder er adskilt fra den oppvarmede sonen, vanligvis beskyttet ved hjelp av kjølevann. Mens evnen til slikt utstyr blir økt over den som er beskrevet her, er utformingen og fremstillingen betydelig mer kompleks, og det har ikke vært implemented i denne versjonen.

Karakteristika for denne utførelsesform av fremgangs

Selv om støping av smeltet aluminium i bar form, vil en defekt rør danner ved toppen, på grunn av størkningskrymping. De beste resultatene oppnås med fullt solide ingots, slik at denne delen skal destrueres eller resirkuleres.

Det har blitt funnet at for at prosessen skal fungere, må tetningen mellom det smeltede metall og formveggen være god (ellers argon vil omgå metall og ingen infiltrering vil skje). Av denne grunn ved anvendelse infiltrasjonstrykk på 3 bar eller høyere, blir de beste resultatene oppnådd med en stor mengde av aluminium, tilstrekkelig til å fylle støpeformen, selv om målet er å skaffe korte skum, ettersom dette øker trykket av det flytende metall rundt formen på toppen av preforma og forbedrer tetningen. En liten åpning i en halv centimeter har blitt funnet å være ideell høyde mellom aluminium piece og formlokk for det aktuelle utstyr. For infiltrasjonstrykk på 2,5 bar eller mindre størrelsen av gapet er irrelevant, det eneste aluminiummengde som trengs det nok til fullstendig å fylle preform.

Når du strammer mutterne på boltene bruke et stjernemønster (stramme motsatte par i en trinnvis mote) for å sikre at trykket rundt pakningen er jevn og tetning oppnås. For å unngå skader på ventilene på lukking, er dette alltid gjøres manuelt.

Av og til kan det være feil eller regioner av dårlig infiltrasjon. Dette er mest sannsynlig å danne i bunnen, hvor det smeltede metall har lengst for, eller på toppen, nær grenseflaten med tett metall. Derfor er den mest stabile del av prøven er i midten av regionen okkupert av NaCl preform. De øverste og nederste deler av skummet kan skjæres bort og kastes. Når det er nødvendig å kutte skum for å produsere en prøve, er det best å gjøre det viddh NaCl fremdeles er tilstede i den. Hvis kuttene er gjort etter utvasking, uansett hvor snittet er gjort, vil det skade og blokkere strukturen i skum. Hvor kutte prøven etter utvasking er nødvendig, er en vellykket metode for å bruke en ikke-lasting teknikk som Electro-utladning maskinering (EDM, også kalt gnisterosjon).

Det er mange variabler i prosessen som kan modifiseres for forskjellig effekt, men for å endre porøsiteten de mest egnede kontrollvariabler er enten preforma tetthet eller infiltrasjon trykket som benyttes.

Hensikten med å bruke forskjellige protokoller (A, B, C og D) er å fremstille skum med forskjellige porøsiteter, fra 61% til 77%. Påføring Protocol En vil produsere prøver med 63% porøsitet på gjennomsnittet; Protokoll B produserer prøver med 66% porøsitet; Protokoll C produserer prøver med 70% porøsitet og protokoll D produserer prøver med 76% porøsitet. Ved tilsetning av den fine NaCl i bunnen av formen i ProtocolsB, C og D det skaper et tilfluktssted for luft som er fanget i preforma under infiltrering hvis evakuering av kammeret ikke er perfekt. NaCl er mye finere vil motstå infiltrering av aluminium til høyere trykk er nådd, slik at preforma er fullstendig infiltrert. Uten denne tilstedeværende luft vil bli komprimert, ikke eliminert og uønsket ytterligere porøsitet vil være tilstede, mest sannsynlig som uninfiltrated regioner. Protokoller C og D ble utviklet for å tillate infiltrering oppnås med mye lavere trykk. For prøvene som er representert på figur 6 en annen partikkelstørrelse preform ble brukt, kan det bemerkes at denne endringen ikke har en signifikant effekt i forhold til den protokoll som brukes.

Ved å ikke bruke den nederste pakning i Protocols C og D en liten strøm av gass gjennom bunnen av formen er mulig, noe som betyr at innestengt gass fra preformen kan evakueres uten å komprimeres til høyere trykk. OmDette ble gjort uten den fine NaCl og deretter aluminium kan også bli presset ut, men ettersom dette lag motstår gjennomtrengning av det flytende aluminium ved de trykk påføres det vil hindre rømning av aluminium.

I protokoll D, ved å vibrere preform, en høyere porøsitet skum kan oppnås; omtrent 9-10% mer porøs i forhold til protokollen C. Dette skjer siden NaCl korn i preformen er nærmere hverandre, og etterlater mindre plass for å bli fylt med aluminium. Det keramiske ark tilsettes i Protokoll D for å forhindre at de fine NaCl for å blandes med infiltrasjon NaCl under vibrasjon, ble ingen signifikant effekt funnet i sluttproduktene ved tilsetning av den keramiske arket til protokoll C.

Den viktigste begrensning for skumbehandlingsteknikk som er beskrevet er porøsiteten av skummet; den laveste oppnådd så langt med riggen og protokoller som er beskrevet her er rundt 61% og den høyeste nær 77%. Men det er en billig og lett å bruke teknikken sammenlignetmer kompliserte og kostbare metoder som investeringsstøping, sintring eller additiv produksjon. En annen begrensning er de metaller som kan brukes; hvilket som helst metall som har et smeltepunkt for nær eller over NaCl smeltepunkt (801 ° C), kan ikke bli infiltrert med denne preform. Aluminium, magnesium og tinn er blitt behandlet av denne teknikken.

Utstyr og flere vellykkede protokoller for fremstilling av aluminiumskum er vist i detalj. Ved hjelp av denne metoden er det mulig å lage aluminium åpencellet skum med porøsitet av 61-77% (tilsvarende tetthet i området fra 1,053 til 621 kg / m 3), og med porestørrelser på 1 til 2,36 mm diameter området. Videre er det kjent at med variasjoner i betingelsene som brukes, og noen av dem relativt små, kan disse områder bli utvidet betraktelig, og andre variabler, slik som pore form kan endres. Replikering teknikken er godt egnet for forskningslaboratorium bruk for megtal skum produksjon.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Den tilsvarende Forfatteren ønsker å erkjenne den meksikanske regjeringens National Council of Science and Technology CONACYT for levering av et stipend.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Salt Hydrosoft Granular Salt 25 kg 855754 http://www.travisperkins.co.uk/p/hydrosoft-granular-salt-25kg/855754/3893446
Aluminum William Rowland Aluminum Ingots 99.87% pure 25 kg drum http://www.william-rowland.com/products/high-purity-metals#product-id-1
Crucible Morgan Advance Materials Syncarb Crucible http://www.morganmms.com/crucibles-foundry-products/crucibles/syncarb/
Furnace Elite Thermal Systems TLCF10/27-3216CP & 2116 O/T http://www.elitefurnaces.com/eng/products/furnaces/1200%20Top%20Loading%20Furnaces.php
Bar Mold The University of Sheffield Custom Made Stainless Steel 304, 15 cm height, 5 cm inner diameter, 6 cm outer diameter
Band Saw Clarke CBS45MD (6" x 4 1/2") 370W 060710025 http://www.machinemart.co.uk/shop/product/details/cbs45md-41-2in-x-6in-metal-cutting-ban
Sandpaper Wickes Specialist wet & dry sandpaper 501885 http://www.wickes.co.uk/Specialist-Wet+Dry-Sandpaper-PK4/p/501885
Sieves Fisher Scientific Fisherbrand test sieves 200 mm diamater http://www.fisher.co.uk/product/brand_listing.php/F/Fisherbrand/Sieve
Balance Precisa XB 6200C http://www.precisa.co.uk/precision_balances.php
Boron Nitride Kennametal 500 ml spray can http://www.kennametal.com/content/dam/kennametal/kennametal/common/Resources/Catalogs-Literature/Advanced%20Materials%20and%20Wear%20Components/B-13-03401_ceramic_powders
_brochure_EN.pdf
Infiltration Mold, Base and Lid The University of Sheffield Custom Made Stainless Steel 304, 15 cm height, 5.1 cm inner diameter, 6 cm outer diameter
Cylindrical Mold The University of Sheffield Custom Made Low carbon steel 1020, 15 cm height, 5 cm inner diameter, 6 cm outer diameter
Graphite Gasket Gee Graphite Geegraf Stainless Steel Reinforced Graphite 1 mm thick http://www.geegraphite.com/steel_reinforced.html
Mallet Thor Hammer Co. Ltd. Round Solid Super Plastic Mallet http://www.thorhammer.com/Mallets/Round/
Wrench Kennedy Professional 13 mm Ratchet Combination Wrench KEN5822166K https://www.cromwell.co.uk/KEN5822166K
Nuts Matlock M8 Steel hex full nut galvanized https://www.cromwell.co.uk/CTL6400068J
Washers Matlock M8 Form-A steel washer bzp https://www.cromwell.co.uk/CTL6451208H
SS Nuts Matlock M8 A2 st/st hex full nut https://www.cromwell.co.uk/CTL6423008F
SS Washers Matlock M8 A2 st/st Form-A washer https://www.cromwell.co.uk/CTL6464008H
Stainless Steel Studding Cromwell M8 x 1 Mtr A2 Stainless Steel Studding QFT6397080K https://www.cromwell.co.uk/QFT6397080K
Valves Edwards C33205000 SP16K, Nitrile Diaphragm https://www.edwardsvacuum.com/Products/View.aspx?sku=C33205000
Fitting Cross Edwards C10512412 NW16 Cross Piece Aluminum https://www.edwardsvacuum.com/Products/C10512412/View.aspx
Fitting T Edwards C10512411 NW16 T-Piece Aluminum https://www.edwardsvacuum.com/Products/C10512411/View.aspx
Vacuum Pump Edwards A36310940 E2M18 200-230/380-415V, 3-ph, 50 Hz http://www.edwardsvacuum.com/Products/View.aspx?sku=A36310940
Dial Gauge Edwards D35610000 CG16K, 0-1,040 mbar http://www.edwardsvacuum.com/Products/View.aspx?sku=D35610000
Argon Gas BOC Pureshield Argon Gas http://www.boconline.co.uk/en/products-and-supply/industrial-gases/inert-gases/pureshield-argon/pureshield-argon.html
Stainless Steel Hose BOC Stainless Steel Hose http://www.boconline.co.uk/en/products-and-supply/speciality-equipment/hoses-and-pigtails/index.html
Regulator BOC HP 1500 Series Regulator http://www.boconline.co.uk/en/products-and-supply/speciality-equipment/regulators/single-stage-regulators/hp1500-series/hp1500-series.html
Copper Block William Rowland Copper Ingot 25 kg http://www.william-rowland.com/products/high-purity-metals#product-id-18
Vise Record T84-34 H/Duty Eng Vice 4 1/2" Jaws REC5658326K https://www.cromwell.co.uk/REC5658326K
Beaker Fisher Scientific 11567402 - Beaker, squat form, with graduations and spout 800 ml https://webshop.fishersci.com/insight2_uk/getProduct.do;jsessionid=16D5812
D71B8CB37B475E94281E2BEA
5.ukhigjavappp11?productCode=11567402&resultSet
Position=0
Stirring Hot Plate Corning Corning stirring hot plate Model 6798-420d http://www.corning.com/lifesciences/us_canada/en/technical_resources/product_guid/shp/shp.aspx
Name Company Catalog Number Comments
Stir Bar Fisher Scientific 11848862 - PTFE Stir bar + Ring 25x6 mm https://webshop.fishersci.com/insight2_uk/getProduct.do;jsessionid=16D5812
D71B8CB37B475E94281E2BEA
5.ukhigjavappp11?productCode=11848862&resultSet
Position=0
Air dryer V05 V05 Max Air Turbo Dryer DR-120-GB http://reviews.boots.com/2111-en_gb/1120627/v05-v05-max-air-turbo-hair-dryer-dr-120-gb-reviews/reviews.htm
Ceramic Sheet Morgan Advance Materials Kaowool Blanket 2 mm thick http://www.morganthermalceramics.com/downloads/datasheets?f[0]=field_type%3A84
Vibrating Table Peveril Machinery Pevco Vibrating Table 1.25 m x 0.625 m x 0.6 m https://peverilmachinery.co.uk/equipment/vibrating-tables

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Banhart, J. Manufacture, characterisation and application of cellular metals and metal foams. Progress in Materials Science. 46, 559-632 (2000).
  2. Conde, Y., Despois, J. -F., Goodall, R., Marmottant, A., Salvo, L., San Marchi, C., Mortensen, A. Replication processing of highly porous materials. Advanced Engineering Materials. 8, (9), 795-803 (2006).
  3. Goodall, R., Mortensen, A. Chapter 24. Porous Metals. Physical Metallurgy. Laughlin, D. E., Hono, K. 5th Ed, 2399-2595 (2014).
  4. Polonsky, L., Lipson, S., Markus, H. Lightweight Cellular Metal. Modern Castings. 39, 57-71 (1961).
  5. San Marchi, C., Mortensen, A. Chapter 2.06. Infiltration and the Replication Process for Producing Metal Sponges. Handbook of Cellular Metals. Degischer, H. P., Kriszt, B. Wiley-VCH. 44-56 (2002).
  6. Galliard, C., Despois, J. F., Mortensen, A. Processing of NaCl powders of controlled size and shape for the microstructural tailoring of aluminium foams. Materials Science and Engineering A. 374, (1-2), 250-262 (2004).
  7. Despois, J. F., Mortensen, A. Permeability of open-pore microcellular materials. Acta Materialia. 53, (5), 1381-1388 (2005).
  8. Goodall, R., Despois, J. F., Marmottant, A., Salvo, L., Mortensen, A. The effect of preform processing on replicated aluminium foam structure and mechanical properties. Scripta Materialia. 54, 2069-2073 (2006).
  9. Goodall, R., Marmottant, A., Salvo, L., Mortensen, A. Spherical pore replicated microcellular aluminium: Processing and influence on properties. Materials Science and Engineering A. 465, (1-2), 124-135 (2007).
  10. Despois, J. F., Marmottant, A., Salvo, L., Mortensen, A. Influence of the infiltration pressure on the structure and properties of replicated aluminium foams. Materials Science and Engineering A. 462, 68-75 (2007).
  11. San Marchi,, Despois, C., F, J., Mortensen, A. Uniaxial deformation of open-cell aluminium foam: the role of internal damage. Acta Materialia. 52, (10), 2895-2902 (2004).
  12. Goodall, R., Weber, L., Mortensen, A. The electrical conductivity of microcellular metals. Journal of Applied Physics. 100, 044912 (2006).
  13. Kadar, C., Chmelik, F., Kendvai, J., Voros, G., Rajkovits, Z. Acoustic emission of metal foams during tension. Materials Science and Engineering A. 462, 316-319 (2007).
  14. Goodall, R., Mortensen, A. Microcellular aluminium. Child’s Play! Advanced Engineering Materials. 9, (11), 951-954 (2007).
  15. Wada, T., Inoue, A. Fabrication, Thermal Stability and Mechanical Properties of Porous Bulk Glassy Pd-Cu-Ni-P Alloy. Materials Transactions. 44, (10), 2228-2231 (2003).
  16. DeFouw, J. D., Dunand, D. C. Processing and compressive creep of cast replicated IN792 Ni-base superalloy foams. Materials Science & Engineering A. 558, 129-133 (2012).
  17. Berchem, K., Mohr, U., Bleck, W. Controlling the Degree of Pore Opening of Metal Sponges, Prepared by the Infiltration Preparation Method. Materials Science and Engineering A. 323, (1-2), 52-57 (2002).
  18. Lu, T. J., Ong, J. M. Characterization of closed-celled cellular aluminum alloys. J. Mater. Sci. 36, 2773-2786 (2001).
  19. Chou, K. S., Song, M. A. A Novel Method for Making Open-cell Aluminum Foams with Soft Ceramic Balls. Scripta Materialia. 46, (5), 379-382 (2002).
  20. Dairon, J., Gaillard, Y., Tissier, J. C., Balloy, D., Degallaix, G. Parts Containing Open-Celled Metal Foam Manufactured by the Foundry Route: Processes, Performances and Applications. Advanced Engineering Materials. 13, (11), 1066-1071 (2011).
  21. LeMay, J. D., Hopper, R. W., Hrubesh, L. W., Pekala, R. W. Low-Density Microcellular Materials. Materials Research Society Bulletin. 15, (12), 19-20 (1990).
  22. Seliger, H., Deuther, U. Die Herstellung von Schaum- und Zellaluminium. Feiburger Forschungshefte. 103-129 (1965).
  23. Kuchek, H. A. Method of Making Porous Metallic Article. US patent. 3,236,706 (1966).
  24. Han, F., Cheng, H., Wang, J., Wang, Q. Effect of pore combination on the mechanical properties of an open cell aluminum foam. Scripta Materialia. 50, (1), 13-17 (2004).
  25. Cao, X. -q, Wang, Z. -h, Ma, H. -w, Zhao, L. -m, Yang, G. -t Effects of cell size on compressive properties of aluminum foam. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 16, 351-356 (2006).
  26. Abdulla, T., Yerokhin, A., Goodall, R. Effect of plasma electrolytic oxidation coating on the specific strength of open-cell aluminium foams. Materials & Design. 32, 3742-3749 (2011).
  27. San Marchi, C., Mortensen, A. Fabrication and Comprehensive Response of Open-cell Aluminum Foams with Sub-millimeter Pores. Euromat99. Clyne, T. W., Simancik, F. 5, DGM/Wiley-VCH. Munich, Germany. 34 (1999).
  28. San Marchi, C., Mortensen, A. Deformation of open-cell aluminium foam. Acta Materialia. 49, (19), 3959-3969 (2001).
  29. Goodall, R., Despois, J. F., Mortensen, A. Sintering of NaCl powder: Mechanisms and first stage kinetics. Journal of the European Ceramic Society. 26, (16), 3487-3497 (2006).
  30. Despois, J. F., Conde, Y., San Marchi, C., Mortensen, A. Tensile Behaviour of Replicated Aluminium Foams. Advanced Engineering Materials. 6, (6), 444-447 (2004).
  31. Zhao, Y. Y. Stochastic Modelling of Removability of NaCl in Sintering and Dissolution Process to Produce Al Foams. Journal of Porous Materials. 10, (2), 105-111 (2003).

Erratum

Formal Correction: Erratum: Casting Protocols for the Production of Open Cell Aluminum Foams by the Replication Technique and the Effect on Porosity
Posted by JoVE Editors on 08/03/2015. Citeable Link.

A journal reference was corrected in the publication of Casting Protocols for the Production of Open Cell Aluminum Foams by the Replication Technique and the Effect on Porosity. Reference 21 and 22 were originally merged together as one reference. They have been separated into references 21 and 22 in the article. The reference numbers have been updated in the article to reflect this additional reference citation. It has been updated from:

  1. LeMay, J.D., Hopper, R.W., Hrubesh, L.W., & Pekala, R.W. Low-Density Microcellular Materials. Materials Research Society Bulletin. 15 (12), 19–20 (1990).Seliger, H., & Deuther U. Die Herstellung von Schaum- und Zellaluminium. Feiburger Forschungshefte. 103–129 (1965).

to:

  1. LeMay, J.D., Hopper, R.W., Hrubesh, L.W., & Pekala, R.W. Low-Density Microcellular Materials. Materials Research Society Bulletin. 15 (12), 19–20 (1990).
  2. Seliger, H., & Deuther, U. Die Herstellung von Schaum- und Zellaluminium. Feiburger Forschungshefte. 103–129 (1965).

Casting Protokoller for produksjon av Open Cell Aluminum Skum av Replication Teknikk og Effekt på Porøsitet
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Elizondo Luna, E. M., Barari, F., Woolley, R., Goodall, R. Casting Protocols for the Production of Open Cell Aluminum Foams by the Replication Technique and the Effect on Porosity. J. Vis. Exp. (94), e52268, doi:10.3791/52268 (2014).More

Elizondo Luna, E. M., Barari, F., Woolley, R., Goodall, R. Casting Protocols for the Production of Open Cell Aluminum Foams by the Replication Technique and the Effect on Porosity. J. Vis. Exp. (94), e52268, doi:10.3791/52268 (2014).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter