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Fundição protocolos para a Produção de Abra a pilha de alumínio Espumas pela técnica de replicação e o Efeito da porosidade

doi: 10.3791/52268 Published: December 11, 2014

ERRATUM NOTICE

Abstract

Espumas metálicas são materiais interessantes, tanto uma compreensão fundamental e aplicações práticas ponto de vista. Utilizações têm sido propostos, e em muitos casos validado experimentalmente, por peso luz ou energia de impacto de estruturas absorventes, como permutadores de calor de superfície elevadas ou área de eléctrodos, como implantes para o corpo, e muitos mais. Apesar de grandes progressos feitos na compreensão suas relações estrutura-propriedades, o grande número de técnicas de processamento diferentes, cada material de produção com diferentes características e estrutura, significa que a compreensão dos efeitos individuais de todos os aspectos da estrutura não é completa. O processo de replicação, onde o metal fundido é infiltrada entre os grãos de um material pré-forma amovível, permite que um marcadamente elevado grau de controlo e tem sido usado com bons resultados para elucidar alguns destes relacionamentos. No entanto, o processo tem muitas etapas que são dependentes indivíduo "know-how", eeste trabalho tem como objetivo fornecer uma descrição detalhada de todas as fases de uma concretização deste método de processamento, utilizando materiais e equipamentos que seria relativamente fácil de configurar em um ambiente de pesquisa. O objetivo deste protocolo e suas variantes é produzir espumas metálicas de uma forma eficaz e simples, dando a possibilidade de adaptar os resultados das amostras, modificando certas etapas dentro do processo. Seguindo este, as espumas de célula aberta de alumínio, com dimensões de poros de 1-2,36 mm de diâmetro e 61% a 77% de porosidade pode ser obtido.

Introduction

Espumas metálicas têm atraído uma grande quantidade de interesse e esforço de pesquisa nos últimos anos, como o demonstra o grande corpo de trabalho citado em ampla revisão de artigos, tais como Banhart 1, Conde et al. 2 ou mais recentemente Goodall e Mortensen 3. Entre os métodos utilizados para a produção do material, o processo de replicação se distingue pela sua simplicidade experimental e o grau de controle sobre a estrutura da espuma final que pode ser oferecido. Deve notar-se que, embora na literatura tais materiais são geralmente descritos como espumas (e aqui), como eles não são produzidos por bolhas de gás dentro de um líquido que é mais adequadamente chamada metais porosos ou metais microcelulares.

O primeiro relatório do processo de replicação foi no início dos anos 1960 4, e que tem sido desenvolvido em diferentes fases, desde então, com notáveis ​​avanços por parte do grupo de pesquisa Mortensen na Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, na Suíça.

O processo baseia-se na fundição do metal em torno de um pré-molde de partículas que define a forma da porosidade do material final, em 2, 5. Depois de arrefecer a pré-forma pode ser removido por lixiviação de solvente ou de pirólise, que provoca a oxidação. Um uso popular dessa técnica utiliza NaCl como um suporte de espaço para produzir alumínio 5-10 ou ligas de alumínio espumas 11-14. NaCI tem várias vantagens, tais como serem facilmente acessíveis, não tóxico e pode ser removido a partir da espuma por dissolução em água. Por ter um ponto de fusão de 801 ° C, que pode ser usado com metais que têm um ponto mais baixo do que este valor, mais geralmente de alumínio de fusão, mas existem também exemplos do uso com materiais tais como os vidros metálicos a granel, por humidificação de uma mistura de líquido liga vidro metálico em massa-base de paládio e NaCl grânulos 15. Substituição do NaCl com materiais de ponto de fusão mais elevada também permite a produção de espumas a partir de metais de ponto de fusão mais elevado 16. Isto pode incluir outros materiais solúveis em água, ou insolúveis, incluindo os diferentes tipos de areia. Nesta forma, o processo torna-se mais como areia de fundição convencional como para remover a areia, jatos de água de alta pressão 17, 18 ou diferentes formas de lavagem 19 ou agitação 20 são obrigatórios.

O processo prossegue por 21 essencial tendo grãos de NaCl e colocando-os num molde 4, 22, 23. O método básico foi usado para fazer espumas de alumínio e de ligas de alumínio 24-26 para uma vasta gama de investigações do comportamento de espuma. Passos adicionais foram introduzidas para controlar ainda mais a densidade e para aumentar a interconectividade dos poros; estes incluem a densificação do pré-molde. Para densificar o pré-molde, de sinterização foi utilizado 27, 28, e tem sido utilizado em experiências diferentes, desde 13, com o comportamento de sinterizaçãoNaCl com base na temperatura, o tamanho do grânulo e a densidade descrito por Goodall et ai. 29. Outro método utilizado para esta finalidade é prensagem isostática a frio (CIP) 5, 30; esta é uma técnica mais rápida que pode atingir um maior espectro de densidades comparáveis. O procedimento também pode ser realizado no estado sólido com metal em pó e grãos de NaCl, e, em seguida, é por vezes chamado de sinterização e Dissolução do Processo 31.

Um levantamento completo da utilização de uma técnica de replicação de data e comparação com outras técnicas é apresentado em Goodall e Mortensen 3.

Neste trabalho descrevemos em detalhe equipamento e protocolos experimentais que têm sido utilizados para o processamento de espumas metálicas pelo método de replicação, e que são relativamente fáceis de implementar em um ambiente de laboratório de pesquisa. É importante reconhecer que as outras versões do equipamento, com diferentes capacidades existem em outras pesquisas gs grupos, e que, embora o equipamento aqui apresentada é adequada para processar o material, não é a única versão ou protocolo que pode ser posto a funcionar. Em qualquer caso, uma compreensão completa de qualquer método particular é essencial para o sucesso experimental.

Os protocolos precisos utilizados são detalhados a seguir. As variações no protocolo (A, B, C e D) têm pequenas alterações entre eles, principalmente destinado a alterar a densidade das espumas produzidas. A porosidade foi calculada a partir de medições do peso das amostras de grandes quantidades, o seu volume e a densidade de alumínio (2,7 g / cm 3). No desenvolvimento dos métodos descritos para a produção de espuma de alumínio por replicação, têm sido feitas tentativas para reduzir a quantidade de equipamento avançado para a menor medida do possível, de tal forma que o método é tão fácil quanto possível para implementar. Outras variações que podem ser utilizadas em diferentes estágios são discutidos mais tarde.

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Protocol

NOTA: As instruções abaixo são para protocolo A (Figura 1). Modificações para Protocolo B, C, e D estão indicadas.

1. Aluminum Bar Preparação

  1. Coloque um pedaço grande (500 g - 1 kg) de pureza comercial lingote de alumínio em um cadinho.
  2. Colocar o cadinho num forno a 800 ° C durante cerca de 1 hora, até fundir.
  3. Tirar o cadinho do forno e despeje o alumínio fundido no interior de um molde cilíndrico que é de 50 mm de diâmetro, ligeiramente menor que o diâmetro final da câmara a ser utilizados para a infiltração (51 mm) dando uma folga de cerca de ½ mm.
  4. Aguarde 1 hora para o bar para se refrescar.
  5. Remover a barra a partir do molde.
  6. Usando uma serra de fita, corte em 4 pedaços do mesmo tamanho.
  7. Areia das extremidades de cada pedaço de assegurar um bom encaixe no molde infiltração.

2. Preparação Furnace

  1. Programar o forno para atingir um 740 & #176; planalto C durante pelo menos 2 horas.
  2. Definir a taxa de aquecimento do forno para 20 ° C / min.

3. Preparação Preform

NOTA: Dependendo da altura da espuma destinado para, variar a quantidade de NaCl ao usar para a infiltração entre 100 g e 300 g.

  1. Escolha a infiltração de NaCl de usar, com um diâmetro correspondente ao intervalo de tamanho de poro requerido (por exemplo, uma gama entre 1,4 mm e 1,7 milímetros). O material pode ser obtido a partir de fornecedores de produtos químicos, em elevado grau de pureza, ou comprados supermercado sal de mesa pode ser usado (tal material irá ter aditivos tais como agentes de iodo e anti-aglomeração, mas estes não influência na prática o processo de forma significativa).
  2. Escolha de peneiras de um intervalo de tamanho apropriado e da pilha de um recipiente de base com o tamanho da abertura menor na parte inferior.
  3. De saco de NaCl dos fornecedores, levar aproximadamente 500 g e derramá-lo nas peneiras empilhadas.
  4. Agitar os crivos, Quer manualmente ou utilizando um agitador de peneiro, durante 1 min.
  5. Descartar o NaCl deixado no maior tamanho de crivo de abertura e o recipiente inferior, o NaCl deixado no menor peneira de abertura é utilizada para a infiltração.
  6. Pesar a quantidade de obtida a infiltração de NaCl.
  7. Se a quantidade for insuficiente, repita os passos de 3,4-3,7.
    NOTA: Para protocolos B, C ou D, obter 100 g de multa NaCl (<500 mm). Isto cria um espaço extra no molde para o ar retido no pré-molde durante a infiltração no caso de o ar dentro do pré-molde não escape da câmara de forma adequada.

Preparação 4. Mold

  1. Usando uma lixa e rolo de papel de laboratório, limpe o cilindro de molde (Figura 2), tendo especial atenção para as bordas superior e inferior, e mantendo o molde livre de quaisquer impurezas visíveis de uso anterior.
  2. Pulverizar o interior do cilindro de molde de nitreto de boro com o pulverizador de aerossol, a criação de um revestimento de camada finao interior do molde.
    NOTA: Este é alcançado quando a cor original do molde é substituída por uma camada branca do spray; não é necessário medir a sua concentração específica.
  3. Deixar secar o cilindro de molde durante pelo menos 5 min à temperatura ambiente (aquecimento para cerca de 100 ° C durante até 1 hora pode ser aplicado para a secagem adicional, se desejado).
  4. Usando uma lixa fina, remover qualquer resíduo de nitreto de boro a partir das bordas do cilindro de molde, para melhorar a vedação entre o cilindro de molde e a base do molde.
    NOTA: As próximas três etapas são para Protocolos A e B; Protocolos para C e D cortar apenas um anel de vedação para a tampa.
  5. Corte 2 anéis de vedação de um milímetro de espessura folha de grafite (OD = 60 mm, ID = 51 mm), uma para a união entre a borda superior do cilindro molde e a tampa do molde que antecederam o sistema de válvula, o outro para a união entre o bordo inferior do cilindro de molde e a base do molde.
  6. Coloque uma das juntas na ranhura da base do molde.
  7. Coloque o Bottom o cilindro de molde para dentro da ranhura com a junta de vedação.
  8. Toque levemente com um martelo sobre o topo do cilindro de molde para fixar a parte inferior do sulco de base.
    NOTA: Para Protocolo B, C, ou D, adicione o seguinte passo.
    1. Despeje a 100 g de multa NaCl (<500 mm) no cilindro molde e alise a parte superior com uma barra de alumínio sem cortes tocando no topo da-o levemente com o martelo para garantir a multa NaCl é embalado a uma alta densidade.
      NOTA: Para Protocol D adicione o seguinte passo.
    2. Corte 2 círculos de SOFT 2 mm de espessura de cerâmica Kaowool cobrir o tamanho do diâmetro do molde (51 mm) e colocá-los em cima da multa NaCl, use a barra de alumínio sem cortes e o martelo para pressioná-los contra a multa NaCl.
  9. Verter a NaCl a ser infiltrada no cilindro de molde.
    NOTA: Para Protocol D adicione o seguinte passo.
    1. Fixe o molde e base para uma mesa vibratória, certificando-se de cilindro do molde não se move a partir da ranhura base. Vibrardurante 1 min a 50 Hz, com uma amplitude de 0,01 m.
  10. Segurando o topo do cilindro no lugar, pegar a base e agitar levemente até que o NaCl no interior do molde forma uma superfície plana na parte superior.
  11. Coloque a barra de alumínio preparado no topo do pré-molde de NaCl.
  12. Colocar uma junta de vedação de grafite na ranhura da tampa do molde.
  13. Ao lado do parafuso 4 pregos de aço inoxidável para a base e fixá-los com quatro conjuntos de porcas e anilhas de aço inoxidável sobre a parte superior da base, com uma chave e colocar a tampa do molde no topo do cilindro de molde por meio de pernos.
  14. Com uma chave de torque fixado em 16 N · m, aperte os 4 conjuntos de porcas e arruelas de aço sobre os quatro parafusos sem parafusados ​​na base e que se estende até através da tampa, onde as porcas são apertados para travar a tampa do molde no lugar.
  15. Fixar a parte superior da tampa, para o sistema de válvula com o anel de vedação, pinça, parafuso e porca de borboleta.
  16. Fechar todas as válvulas do sistema.
  17. Abra a válvula levando a tque bomba de vácuo e o molde (válvula 3).
  18. Ligue a bomba de vácuo até que o relógio de medição do sistema de válvula indica a pressão mais baixa possível.
  19. Desligue a bomba de vácuo.
  20. Se a perda de vácuo no sistema é inferior a uma taxa de 50 Torr / seg para os primeiros 10 segundos depois de desligar a bomba de vácuo a vedação é suficientemente bom para a infiltração.
  21. Deixar a válvula de tampa aberta (válvula 3) para manter o sistema à pressão ambiente e fechar a válvula da bomba de vácuo (válvula 1).
  22. , Sem desmontar o sistema de válvula, coloque o molde no forno pré-aquecido e esperar durante 1 h.

5. Infiltração

  1. Fechar todas as válvulas do sistema (Figura 3).
  2. Abrir a válvula que conduz à garrafa de gás árgon (válvula 2).
  3. Abrir a válvula principal no tanque de gás árgon e ajustar a pressão de infiltração com a válvula reguladora (por uma gama de 1,4 mm a 1,7 mm de tamanho de partícula de NaCl, usar uma pressão de 3,5 bar).
    NOTA: Para Protocolo B, uma pressão de infiltração de 3 bar é usado. Use uma pressão de 1 bar para Protocolos C e D.
  4. De uma maneira rápida, abra a válvula da tampa (válvula 3).
  5. Após 1 min, remover o molde do forno e colocá-lo em cima de uma superfície de arrefecimento (neste caso um bloco de cobre).
    NOTA: Durante o arrefecimento, a pressão no sistema será alterado. Pela primeira 5 min deste processo, preste muita atenção para a pressão indicada pelo regulador e ajuste de volta para a pressão de infiltração, se necessário.

Extração 6. Amostra

  1. Após 30 minutos, quando o molde é legal o suficiente para lidar com luvas resistentes ao calor luz, desligar o sistema de válvula e coloque a base do molde em um torno de bancada. Abrir a tampa da parte superior do cilindro.
  2. Com a tampa, bata levemente o topo do cilindro molde com um martelo numa direcção perpendicular ao aperto do torno para soltar o cilindro de molde a partir da base de ranhura.
  3. Com o martelo bater o alumínio restante no topo da amostra para empurrá-lo para fora do cilindro molde.
  4. Usando uma serra de fita, corta a parte inferior da amostra de espuma, removendo o excedente de alumínio.
  5. Dependendo da altura da espuma necessário, cortar, quando desejado, próximo do topo da amostra.
  6. Coloque a espuma infiltrada num copo com água e uma barra de agitação magnética numa placa quente agitada para dissolver o pré-molde de NaCl.
  7. Definir a temperatura da placa quente a 60 ° C. Mudar a água a cada 10 min até que não haja NaCl deixado na espuma.
    NOTA: Para assegurar que não haja NaCl deixado na espuma, alterar a água de aproximadamente 10 vezes. É também possível fazer verificações periódicas do peso da amostra após uma breve fase de secagem. Quando esta cessa a mudar significativamente com mais de imersão, o NaCl deve ser completamente removido.
  8. Finalmente utilizando um elétricoar mais seco retire toda a água deixada na espuma. A amostra de espuma é preparada.

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Representative Results

Na Figura 4, a morfologia dos grãos de NaCl pode ser visto (angular e esférica), para fins ilustrativos. As espumas obtidas com o Protocolo A foram feitas com grãos em forma angular e os outros foram feitos com os grãos esféricos. Verificou-se que o uso de forma diferente grãos de NaCl não teve nenhum efeito observado sobre a porosidade obtida nas amostras.

A partir dos resultados pode-se determinar que as amostras a, b, e c (feito com o protocolo A), são, em média, 63% de porosidade (Figura 5), determinada a partir de seu peso e volume a granel. Ao fazer alterações com a técnica, por exemplo, incluindo o bolso de NaCl fino na parte inferior, permite que o processo de produzir espumas de 5% mais porosa e permite que a pressão de infiltração deve ser reduzido (de 3,5 até 3 bar), estas são amostras D, e e f fez com Protocolo B (Figura 6). A única diferença entre os protocolos A e B é a adição de NaCl fino na parte inferiorda pré-forma.

Ao remover a junta inferior do molde de infiltração, como é feito no Protocolo C (Figura 7), a pressão de infiltração necessária pode ser ainda mais reduzidos (de 3 para 1 bar). Usando este método, as amostras de g, h e i foram produzidos, mostrando também um aumento de 5% em porosidade. Em Protocolo C a razão para a utilização de três tamanhos diferentes de partículas de NaCl é o de investigar qualquer efeito sobre a porosidade, e demonstram que, mesmo com esta alteração, a porosidade obtida nas espumas permanece muito semelhante e a alteração no tamanho das partículas tem pouco ou nenhum efeito em espuma de porosidade, quando comparado com o efeito do protocolo utilizado. As espumas produzidas com o Protocolo C são três amostras separadas, cada um feito com um tamanho de partícula diferente. O conjunto final de amostras, j, k e l foram feitas utilizando o Protocolo D (Figura 8), o NaCl por meio de vibração que deve ser infiltrada, aumentando a densidade da pré-forma, que dá um grande salto de 8% na porosidade das espumas. Observações ocasionais de uma infiltração vencida são de que uma determinada região ou regiões da pré-forma não são devidamente infiltrado; sobre a infiltração pode ocorrer também, tais como encapsulação de várias partículas de NaCl por o metal, causada principalmente por uma elevada pressão de infiltração, impedindo que a água para lixiviar o NaCl para fora; isto é muito evidente quando há uma grande queda da porosidade aparente (superior a 5%) em uma amostra produzida utilizando um determinado protocolo, embora este seja um evento muito raro. A Figura 9 mostra um exemplo não infiltrada no lado esquerdo, uma corretamente infiltrada amostra no meio e uma amostra de mais de infiltrou pela direita. Na Figura 10, a mudança da porosidade pela modificação da pressão de infiltração pode ser visto. Se uma pressão de infiltração mais alta é aplicada, mais de alumínio é forçado entre as esferas de NaCl (a pressão mais elevada permite que a tensão superficial para ser superada para um grau maior, permitindo aberturas estreitas paraser preenchida com metal), assim, o espaço livre restante diminui, diminuindo a porosidade. Para controlar o resultado de uma amostra adequadamente infiltrada por este método é mais difícil quando comparado com a utilização de um protocolo diferente, uma vez que as pressões mais elevadas em o risco de bloqueio dos poros nas espuma aumenta consideravelmente.

Para avaliar o resultado de uma campanha de produção, o primeiro indicador de espumas adequadamente infiltradas é a sua densidade, uma outra seria observado do exterior da amostra; uma espuma completamente infiltrada é uniforme em toda a sua estrutura, se houver erros, eles são bastante perceptíveis (poros em sua maioria bloqueadas ou zonas não infiltradas); que pode ser visto na Figura 11. Os resultados finais deste processo são indicados na Tabela 1.

Figura 1
Figura 1. Espuma de replicação General do Protocolo de etapas.

Figura 2
Figura 2. Esquema projeto do molde e Foam Infiltração Imagem Montado (escala métrica). Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3
Figura 3. Laboratório Esquema do Rig Foam infiltração.

Figura 4
Figura 4. Morfologia do NaCl Grains (Esquerda: Angular 2-2,36 mm; direita: esféricas 1,4-1,7 mm).

Figura 5
Figura 5. As amostras de Protocolo A a, b e c são feitos de espuma porosa aberta de alumínio 99,95% com um intervalo de tamanho de poro de 1,4 mm a 1,7 milímetros, uma porosidade média de 63%, medindo 51 milímetros de diâmetro e 25,4 mm de altura ( escala métrica). Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6
Figura 6. amostras Protocolo B d, e e f são feitos de espuma porosa de 99,95% de alumínio aberto, com uma gama de tamanho de poro de 1,4 mm a 1,7 milímetros, uma porosidade média de 66%, medindo 51 milímetros de diâmetro e 25,4 mm de altura ( escala métrica). Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 7
Figura 7. Protocolo C, amostras de g, h e i são feitos de espuma porosa de 99,95% de alumínio aberto, com uma gama de tamanho de poro de 1 mm, a 1,18 mm, de 1,4 milímetros a 1,7 mm e 2 mm a 2,36 milímetros, respectivamente, uma porosidade média de 70 %, medindo 51 milímetros de diâmetro e 25,4 mm de altura (escala métrica). Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 8
Figura 8. Protocolo D amostras j, k uma dl são feitos de espuma porosa aberta de alumínio 99,95%, com um intervalo de tamanho de poro de 1,4 mm a 1,7 mm, um porosidade média de 76%, medindo 51 milímetros de diâmetro e 25,4 mm de altura (escala métrica). Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 9
Figura 9. Efeito da pressão de infiltração no Espumas (esquerda: Non-Infiltração; Oriente: Infiltração correta; direita: Mais de infiltração). (Escala métrica) Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Figura 10. replicado Foam porosidade Variação por infiltração Pressão Mudança usando apenas Protocolo A.

Figura 11
Figura 11. Erros visíveis em espumas produzidos por este método (Esquerda: Transversal Imagem; Direita: imagem ao lado) (escala métrica). Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Protocolo Amostra Tamanho de Partículas (mm) Porosidade (%)
A um 1,4-1,7 63,45
A b 10,4-1,7 62,98
A c 1,4-1,7 63,09
B d 1,4-1,7 66.33
B e 1,4-1,7 66,21
B f 1,4-1,7 66.08
C g 1-1,18 69,96
C h 1,4-1,7 70,03
C Eu 2-2,36 70,75
D j 1,4-1,7 76.20
D k 1,4-1,7 75,69
D l 1,4-1,7 76.56

Tabela 1. características da amostra de espuma replicado, porosidades obtidas e tamanho pré-forma utilizada.

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Discussion

O método básico aqui descrito foi usado em diferentes formas por outros investigadores. Algumas das variantes fundamentais que permitem que as espumas de diferentes tipos de ser criado são discutidos. Ao caracterizar estas espumas medimos a porosidade, pois esta é uma avaliação rápida e fácil de fazer, mas a caracterização de outras características estruturais, tais como o tamanho dos poros, área superficial específica ou escorar espessura pode ser necessária para se obter um entendimento completo de características da espuma para diferentes aplicações. Na prática, para a produção de espumas de replicação, o tamanho do poro é também controlado pelo tamanho da partícula do NaCl utilizado, e as ligações entre esta, a densidade e as outras características estruturais podem ser feitas.

Preformas densificada

No presente contribuição descrevemos um pré-molde de NaCl que é feita por depósito grãos de NaCl para uma câmara. Embora, como discutido, um certo grau de controlo sobre o Density pode ser conseguida por meio de vibração da amostra, os restos acessíveis gama bastante restrita, devido à gama limitada de fracções de NaCl a que pode ser conseguida de embalagem. De modo a produzir espumas de maior porosidade, a densidade da pré-forma pode ser aumentada através da compactação mecanicamente (por exemplo, na prensagem isostática a frio para preservar a estrutura isotrópico), ou por sinterização onde densificação é accionado por redução da área da superfície. Ambos estes métodos seriam esperados para ser mais eficaz para a menor dimensão da partícula de NaCl (sub milímetro), como grãos menores são menos susceptíveis de quebrar e tem uma maior área superficial em relação ao volume. Como o tamanho de poro utilizado nas experiências descritas no presente documento é maior, e qualquer um dos processos que requerem equipamento adicional, com o foco de um processo simples e facilmente implementada, eles não têm sido utilizados.

Pré-formas em forma

Em Goodall e Mortensen 14 um método é introduzidocontrolar o tamanho dos poros e forma ainda mais do que é possível utilizando os grãos individuais de NaCl. Neste método de NaCl fino pó é misturado com um aglutinante (por simplicidade, farinha e água pode ser usada), em seguida, foi dada a forma desejada antes de um tratamento de calor é usado para remover o ligante termicamente. Embora não experimentalmente complexo, este método não tem sido utilizado nas nossas experiências, uma vez que não é essencial para produzir uma espuma e requer um controlo preciso da pressão um pouco mais para assegurar a porosidade fina escala da pré-forma em si não está infiltrada.

Pré-formas alternativas para NaCl

Embora NaCl exibe muitas características desejáveis ​​como um material de pré-molde (incluindo a temperatura de fusão relativamente alta e com grau elevado de solubilidade em água e baixa toxicidade e custo), que nem sempre é apropriada. Um caso particular é quando os metais de ponto de fusão mais elevados são para ser processado, e, nesta situação, pode ser substituído por outros materiais, tais como sódio alumincomeu 16. Estes materiais de melhorar a capacidade de temperatura, mas é geralmente mais caro e difícil de dissolver, e não são necessários para processar espumas de metais de ponto de fusão relativamente baixo, tais como o alumínio, o metal mais comum do qual são feitas as espumas.

Parede fria / câmaras de pressão de parede fria parciais

Para infiltrar metal em pré-formas de tamanho de partículas mais finas, para produzir espumas de tamanho de poros mais pequenos, pressões mais elevadas serão necessárias. O dispositivo de ensaio descrito neste trabalho é adequado para o uso até 6 atm de pressão, mas a pressão é aumentada a probabilidade de fugas dos selos sobe. Isto pode ser resolvido por modelos alternativos de câmara de pressão, em que as regiões são seladas separada da zona aquecida, geralmente protegido por água de arrefecimento. Embora a capacidade de tal equipamento é aumentada em relação à descrita aqui, o desenho e fabricação é significativamente mais complexo, e por isso não tem sido implemtura orientada nesta versão.

As características desta forma de realização do processo

Embora a fundição de alumínio fundido para dentro do molde de barras, um defeito de tubo irá formar na parte superior, devido à solidificação encolhimento. Os melhores resultados são obtidos com lingotes completamente sólidos, de modo que esta parte deve ser descartado ou reciclado.

Verificou-se que, para que o processo funcione, a vedação entre o metal fundido e a parede do molde deve ser bom (caso contrário árgon vai contornar o metal e qualquer infiltração ocorrerá). Por esta razão, quando se aplica pressão de infiltração de 3 bares ou mais elevados, os melhores resultados são obtidos com uma grande quantidade de alumínio, suficiente para encher o molde, mesmo se o objectivo for a obtenção de espumas de curta duração, o que aumenta a pressão do metal líquido em torno o molde no topo do pré-molde e melhora a vedação. Um pequeno intervalo de meio centímetro foi encontrado para ser a altura ideal entre o alumínio piece e a tampa do molde para o equipamento actual. Para pressões de infiltração de 2,5 bar ou menos o tamanho do intervalo é irrelevante, a única quantidade de alumínio necessária é a suficiente para encher completamente o pré-molde.

Ao apertar as porcas nos pernos usar um padrão de estrela (aperto pares opostos de uma forma passo a passo) para garantir que a pressão em torno da junta é mesmo e um selo é obtido. Para evitar danos às válvulas de fechamento, isto é sempre feito manualmente.

Ocasionalmente, pode haver defeitos ou regiões de fraca infiltração. Estas são mais propensos a formar, na parte inferior, onde o metal fundido tem de viagens mais distante, ou na parte superior, perto da interface com o metal denso. Por conseguinte, a parte mais consistente da amostra está no centro da região ocupada por o pré-molde de NaCl. As partes superior e inferior de espuma pode ser cortada e eliminada. Sempre que seja necessário para cortar a espuma para produzir uma amostra, é melhor fazê-lo with do NaCl ainda presente nela. Se os cortes são feitos após lixiviação, onde quer que o corte é feito, que pode danificar e obstruir a estrutura da espuma. Onde o corte da amostra após a lixiviação é necessária, um método bem sucedido é usar uma técnica não-loading como Usinagem por eletroerosão (EDM, também chamado de eletroerosão).

Há muitas variáveis ​​do processo que podem ser modificados para efeitos diferentes, mas, a fim de alterar a porosidade das variáveis ​​de controlo mais adequados são, quer a densidade do pré-molde ou a pressão de infiltração utilizado.

A finalidade da utilização de diferentes protocolos (A, B, C e D) é produzir espumas com diferentes porosidades, de 61% para 77%. Aplicando Protocolo A irá produzir amostras com 63% de porosidade, em média; Protocolo B produz amostras com 66% de porosidade; Protocolo C produz amostras com 70% de porosidade e Protocolo D produz amostras com 76% de porosidade. Ao adicionar o NaCl fino na parte inferior do molde em ProtocolosB, C e D, que cria um refúgio para ar aprisionado no pré-molde durante a infiltração se a evacuação da câmara não é perfeito. O NaCl sendo muito mais fina vai resistir a infiltração pelo alumínio até pressões mais elevadas são atingidas, garantindo que a pré-forma é completamente infiltrado. Sem isso o ar presente serão compactados, não eliminados e porosidade adicional indesejado estará presente, mais provável como regiões não infiltrados. Protocolos C e D foram desenvolvidos para permitir a infiltração de ser conseguida com pressões muito baixas. Para as amostras representadas na Figura 6, um tamanho de partícula pré-forma diferente foi utilizada, pode notar-se que esta alteração não tem um efeito significativo quando comparado com o protocolo utilizado.

Ao não utilizar a junta inferior em Protocolos C e D um pequeno fluxo de gás através da parte inferior do molde é possível, o que significa que a partir de gás aprisionado no pré-molde pode ser evacuada sem ter de ser comprimida a pressões mais elevadas. Seisso foi feito sem a multa NaCl seguida de alumínio também pode ser forçado para fora, mas como esta camada resiste à penetração pelo alumínio líquido nas pressões aplicadas ele irá impedir a fuga de alumínio.

No Protocolo D, por meio de vibração da pré-forma, uma espuma de maior porosidade pode ser alcançado; cerca de 9-10% mais porosa quando comparada com Protocolo C. Isto acontece uma vez que os grãos de NaCl no pré-molde estão mais próximos, deixando menos espaço a ser preenchido pelo alumínio. A folha de cerâmica é adicionado no Protocolo D para prevenir a fina NaCl para misturar com a infiltração de NaCl, durante a vibração, nenhum efeito significativo foi encontrado nos produtos finais, quando a folha de adição de cerâmica de Protocolo C.

A principal limitação para a técnica de processamento de espuma descrito é a porosidade das espumas; o menor até agora alcançados com o equipamento e os protocolos descritos aqui são em torno de 61% e o mais alto perto de 77%. No entanto, é um barato e fácil de usar a técnica em comparação commétodos mais complicados e caros, como fundição de precisão, sinterização ou aditivo de fabricação. Outra limitação é que os metais podem ser utilizados; qualquer metal que tem um ponto de fusão muito próximo ou acima do ponto de fusão de NaCl (801 ° C) não pode ser infiltrado com esta pré-forma. De alumínio, magnésio e estanho foram processados ​​utilizando esta técnica.

Equipamento e vários protocolos de sucesso para a produção de espumas de alumínio são apresentados em detalhe. Usando este método é possível criar de alumínio abertas espumas de células com porosidades de 61-77% (o que corresponde a uma densidade na gama de 1,053 a 621 kg / m 3) e com tamanhos de poro na gama de 1 a 2,36 milímetros de diâmetro. Além disso, sabe-se que com as variações nas condições utilizadas, alguns deles relativamente menor, estas gamas podem ser significativamente alargada, e outras variáveis, tais como a forma dos poros pode ser alterado. A técnica de replicação é altamente adequado para uso em laboratório de pesquisa para mimprodução de espumas tal.

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Acknowledgments

O autor correspondente gostaria de reconhecer Conselho Nacional de Ciência e Tecnologia CONACYT do Governo do México para a prestação de uma bolsa de estudos.

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

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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).

Fundição protocolos para a Produção de Abra a pilha de alumínio Espumas pela técnica de replicação e o Efeito da porosidade
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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).

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