1.2 Производство металлических пен из металлических порошков

Для изготовления пористых металлических структур вместо расплавленного металла могут быть использованы металлические порошки. Опять же, существует несколько различных методов. В некоторых из них обработка порошков идёт от сжатого исходного материала до фактического вспенивания, в других способах порошки используются для непосредственной обработки.

1) Процесс Фраунгофера. Металлическая пена может быть получена из порошка металлургическим методом, который был разработан и запатентован Фраунгоферовским институтом в Германии. Производственный процесс начинается со смешивания металлических порошков - простого металла, сплавов или порошкообразных смесей - с пенообразователем, после чего смесь спрессовывают, до получения плотного полуфабриката.

В принципе, изготовление полуфабриката может быть осуществлено любым способом, который обеспечивает внедрение пенообразователя в металлические матрицы. Примеры такого метода уплотнения - это одноосновное сжатие, экструзия или прокатка порошка. Метод уплотнения выбирается в зависимости от требуемой формы исходного материала. Экструзия наиболее экономичный способ на данный момент и, следовательно, самый предпочтительный. Как правило, таким способом получают прямоугольные профили с различным сечением, из которых обкаткой получают листы разной толщины.

Следующий шаг - это термическая обработка при температуре плавления основного металла. Во время этого процесса пенообразователь, который равномерно распределяется в объеме расплава, разлагается. Выделяющийся газ вынуждает исходный материал расширяться, формируя высокопористую структуру. Перед вспениванием исходные материалы могут быть переработаны в листы, стержни, профили и другие формы обычными методами, например прокаткой, обжимкой, экструзией для того чтобы создать лучшие условия во время вспенивания.

Плотность получаемой металлической пены можно контролировать путем регулирования количества пенообразователя, температуры и скорости нагрева. Если в качестве пенообразователя использовать гидрид металла, то его содержания менее 1% более чем достаточно Banhart J., Baumeister J. Production methods for metallic foams//Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 1998. №521.. Например, в качестве металлического порошка может быть использован порошок Cu, Fe, Ti, Ni, а в качестве пенообразователя K2CO3 (так как при разложении выделяется CO2 и температура разложения выше температуры спекания основного металла): . Размеры порошкового карбоната должны быть выбраны в соответствии с предполагаемым размером пор, а частицы металлического порошка должны быть значительно меньше их.

Порошки Cu и K2CO3 смешиваются в соотношении 1:6. Во время смешивания добавляют небольшое количество этанола для связывания. Порошковую смесь выливают в мягкие стальные трубы, а концы запечатывают слоем железного порошка для защиты меди от окисления. Потом под гидравлическим прессом при 200 МПа смесь уплотняют. Температура плавления карбоната калия 891°С, при ней он начинает разлагаться, поэтому была выбрана температура 950°С. Порошковую смесь нагревают до 950°С и держат при данной температуре в течение 2-х часов, а затем охлаждают до комнатной температуры. Данным способом можно получить пену с пористостью от 70% до85%. Zhao Y.Y. Lost carbonate sintering process for manufacturing metal foams// Scripta Materialia.2005.№52.P.295-298.

2) Газовое окружение. Металлическая пена может быть получена путём сжатия порошка исходного материала и газа, который внедряется в металлическую структуру во время сжатия. Нагревание исходного материала приводит к расширению металла за счёт внутреннего давления, создаваемого газовым окружением. Процесс в основном предназначен для изготовления пористой структуры титана. Для этого порошок титана помещают в сосуд, затем вакуумируют и заполняют аргоном. Содержимое сосуда уплотняют, путём горячего изостатического сжатия, после соответствующей термообработки образуется пена.

3) Вспенивание суспензии. Металлические пены могут быть получены с помощью смешивания суспензии металлического порошка с пенообразователем. После смешивания суспензию перемещают в форму и высушивают при повышенных температурах. Суспензия становится более вязкой и начинает вспениваться, как только из пенообразователя начнёт выделяться газ.

Если были предприняты достаточные меры по стабилизации, то пористую суспензию высушивают, получая таким образом металлическую пену. Для получения алюмопены в качестве пенообразователя используют ортофосфорную кислоту с гидроксидом алюминия или соляную кислоту. Таким образом, получаем пену, у которой плотность на 7% ниже, чем у исходного металла. Но у этого метода есть недостаток - образование трещин во вспененном металле.

Итак, изучив вышеизложенные механизмы получения металлической пены, можно сделать вывод, что на сегодняшний день разработано много различных методов. Каждый процесс имеет как преимущества, так и недостатки. И только несколько методов могут быть использованы при массовом производстве большого объема металлической пены.