Casting Protokoller til produktion af åbne celler Aluminum Skum af replikering Teknik og effekten på Porøsitet
Summary
Replication is one of the processing techniques used for the production of porous metal sponges. In this paper one implementation of the method for the production of open celled porous aluminum is shown in detail.
Abstract
Metalskum er interessante materialer fra både en grundlæggende forståelse og praktisk anvendelse synspunkt. Er blevet foreslået anvendelser, og i mange tilfælde valideret eksperimentelt, for let eller slagenergi absorberende strukturer, som stort overfladeareal varmevekslere eller elektroder, som implantater til kroppen, og mange flere. Selv om der er gjort store fremskridt med at forstå deres struktur-egenskaber relationer, det store antal forskellige behandlingsteknikker, der hver producerer materiale med forskellige egenskaber og struktur betyder, at forståelsen af de individuelle virkninger af alle aspekter af strukturen er ikke komplet. Replikationsprocessen, hvor smeltet metal infiltreret mellem korn af en aftagelig præform materiale, tillader en markant høj grad af kontrol og er blevet anvendt med god virkning at belyse nogle af disse relationer. Processen har dog mange trin, der er afhængige af individuel "know-how", ogdette papir til formål at give en detaljeret beskrivelse af alle faser af en udformning af denne behandling metode, ved hjælp af materialer og udstyr, der ville være relativt let at sætte op i et forskningsmiljø. Målet med denne protokol og dens varianter er at producere metal skum på en effektiv og enkel måde, der giver mulighed for at skræddersy resultaterne af prøverne ved at modificere visse trin i processen. Ved at følge denne kan der opnås åbencellet aluminium skum med porestørrelser på 1-2,36 mm diameter og 61% til 77% porøsitet.
Introduction
Metal skum har tiltrukket en stor mængde af interesse og forskningsindsats i de seneste år som det fremgår af den store mængde arbejde citeret i omfattende oversigtsartikler som Banhart 1, Conde et al. 2 eller senere Goodall og Mortensen 3. Blandt de metoder, der anvendes til fremstilling af materialet, er replikationsprocessen kendetegnet ved sin eksperimentelle enkelhed og graden af kontrol over det endelige skum struktur, der kan tilbydes. Det skal bemærkes, at selv om der i litteraturen sådanne materialer er ofte beskrevet som skum (og her), da de ikke er fremstillet af bobler af gas i en væske, de er mere passende kaldes porøse metaller eller mikrocellulære metaller.
Den første rapport af replikering proces var i begyndelsen af 1960'erne 4, og det er blevet videreudviklet på forskellige stadier siden da, med bemærkelsesværdige fremskridt ved forskningsgruppen for Mortensen ved École Polytechnique Federale de Lausanne i Schweiz.
Fremgangsmåden bygger på støbning af metal rundt om en præform af partikler, der definerer formen af porøsitet i det endelige materiale 2, 5. Efter afkøling præformen kan fjernes ved opløsningsmiddel udvaskning eller pyrolyse, der forårsager oxidation. En populær brug af denne teknik anvender NaCl som et rum til at producere aluminium 5-10 eller aluminiumlegeringer skum 11-14. NaCl har flere fordele, såsom at være let tilgængelige, ikke-toksisk og kan fjernes fra skummet ved opløsning i vand. Ved at have et smeltepunkt på 801 ° C, kan det anvendes med metaller, der har et smeltepunkt lavere end denne værdi, mest almindeligt aluminium, men eksempler findes også i anvendelse med materialer såsom metalglasser ved befugtning af en blanding af flydende palladium-baserede bulk-metallisk glas legering og NaCl granulat 15. Substitution af NaCl med højere smeltepunkt materialer tillader også produktion af skum fra højere smeltepunkt metaller 16. Dette kan omfatte andre vandopløselige materialer eller uopløselige, herunder forskellige typer af sand. I denne form for proces bliver mere som konventionel sandstøbning at fjerne sand, højt tryk vandstråler 17, 18 eller forskellige former for vask 19 eller omrystning 20 er påkrævet.
Den væsentlige proces 21 foregår ved at tage kerner af NaCl og anbringe dem i en støbeform 4, 22, 23. Den grundlæggende fremgangsmåde er blevet anvendt til at gøre aluminium og aluminiumlegeringer skum 24-26 for en bred vifte af skum adfærd undersøgelser. Der er indført yderligere skridt til yderligere at kontrollere tæthed og øge sammenkobling af porerne; disse omfatter fortætning af præformen. At fortætte præformen, er sintring blevet anvendt 27, 28 og har været anvendt i forskellige eksperimenter siden 13 med sintring adfærdNaCl baseret på temperatur, kornstørrelse og massefylde af Goodall et al. 29. En anden metode, der anvendes til dette formål er kold isostatisk presning (CIP) 5, 30; dette er en hurtigere teknik, der kan opnå et større spektrum af sammenlignelige tætheder. Proceduren kan også udføres i fast form med metal pulver og NaCl korn, og derefter nogle gange kaldet sintringen og opløsningsprocessen 31.
En fuld undersøgelse af anvendelsen af replikation teknik til dato og sammenligning med andre teknikker er givet i Goodall og Mortensen 3.
I dette arbejde rapporterer vi detaljeret udstyr og eksperimentelle protokoller, der har været anvendt til behandling af metalskum ved replikation metoden, og som er relativt let at gennemføre i en laboratorium indstilling. Det er vigtigt at erkende, at andre versioner af udstyret, med der findes forskellige evner i anden forskning groups, og at mens udstyret præsenteres her, er egnet til at bearbejde materialet, er det ikke den eneste version eller protokol, der kan bringes til at fungere. Under alle omstændigheder er afgørende for eksperimentel succes en grundig forståelse af en bestemt metode.
De præcise protokoller, der anvendes, er beskrevet nedenfor. Protokollen variationer (A, B, C og D) har små ændringer mellem dem, der hovedsagelig er beregnet til at ændre densiteten af skum produceret. Porøsiteten er beregnet ud fra målinger af bulk vægt af prøverne, deres volumen og massefylde af aluminium (2,7 g / cm3). Ved udviklingen af metoder, der er beskrevet for aluminium skum ved replikation er der gjort forsøg på at reducere mængden af avanceret udstyr til den mindst mulige udstrækning, således at fremgangsmåden er lige så let at gennemføre som muligt. Andre variationer, der kan anvendes på forskellige stadier diskuteres senere.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den grundlæggende metode beskrevet her har været anvendt i forskellige former af andre forskere. Nogle af de vigtigste varianter, der tillader skum af forskellige typer, der skal oprettes diskuteres. Ved karakteriseringen disse skum har vi målt porøsitet, da dette er en hurtig og nem vurdering at gøre, men karakterisering af andre strukturelle karakteristika, såsom porestørrelse, specifikt overfladeareal eller spankulere tykkelsen kan være nødvendigt for at opnå en fuld forståelse af skum egenskaber til forsk…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Den tilsvarende Forfatteren vil gerne anerkende den mexicanske regerings nationale råd for Videnskab og Teknologi CONACYT for levering af et stipendium.
Materials
| Name of Reagent/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| 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, 50Hz | http://www.edwardsvacuum.com/Products/View.aspx?sku=A36310940 |
| Dial Gauge | Edwards | D35610000 CG16K, 0-1040mbar | 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 800mL | 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 |
| Stir Bar | Fisher Scientific | 11848862 – PTFE Stir bar + Ring 25×6 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 | Pevco | Pevco Vibrating Table 1.25m x 0.625m x 0.6m | http://www.peverilmachinery.co.uk/equipment/vibrating-tables |
References
- Banhart, J. Manufacture, characterisation and application of cellular metals and metal foams. Progress in Materials Science. 46, 559-632 (2000).
- 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).
- Goodall, R., Mortensen, A., Laughlin, D. E., Hono, K. Chapter 24. Porous Metals. Physical Metallurgy. , 2399-2595 (2014).
- Polonsky, L., Lipson, S., Markus, H. Lightweight Cellular Metal. Modern Castings. 39, 57-71 (1961).
- San Marchi, C., Mortensen, A., Degischer, H. P., Kriszt, B. Chapter 2.06. Infiltration and the Replication Process for Producing Metal Sponges. Handbook of Cellular Metals. , 44-56 (2002).
- 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).
- Despois, J. F., Mortensen, A. Permeability of open-pore microcellular materials. Acta Materialia. 53 (5), 1381-1388 (2005).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Goodall, R., Weber, L., Mortensen, A. The electrical conductivity of microcellular metals. Journal of Applied Physics. 100, 044912 (2006).
- 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).
- Goodall, R., Mortensen, A. Microcellular aluminium. Child’s Play! Advanced Engineering Materials. 9 (11), 951-954 (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
- Lu, T. J., Ong, J. M. Characterization of closed-celled cellular aluminum alloys. J. Mater. Sci. 36, 2773-2786 (2001).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kuchek, H. A. Method of Making Porous Metallic Article. US patent. , (1966).
- 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).
- 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).
- 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).
- San Marchi, C., Mortensen, A., Clyne, T. W., Simancik, F. Fabrication and Comprehensive Response of Open-cell Aluminum Foams with Sub-millimeter Pores. Euromat99. 5, 34 (1999).
- San Marchi, C., Mortensen, A. Deformation of open-cell aluminium foam. Acta Materialia. 49 (19), 3959-3969 (2001).
- 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).
- Despois, J. F., Conde, Y., San Marchi, C., Mortensen, A. Tensile Behaviour of Replicated Aluminium Foams. Advanced Engineering Materials. 6 (6), 444-447 (2004).
- 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).
