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.
СОДЕРЖИМОЕ ПУБЛИКАЦИИ :
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.
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:
- 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»).
- Путём предварительного прессования порошковых смесей в заготовки, нагревания этих заготовок до полутвердого состояния с последующим тиксолитьём в формованные заготовки.
- 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»).
- 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.
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,
- гражданского строительства.
Основные функции, между тем, необходимо выделить следующим образом:
- Алюминиевые металлические пены допустимо использовать для оптимизации удельной жёсткости на изгиб разных инженерных компонентов. Лёгкая конструкция использует квазиупругую и обратимую часть кривой нагрузки-деформации.
- 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.
- 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.
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.
При помощи информации: UniversitiesPress