CC BY
46
УДК 539.374.
Г.Г. Крушенко
Институт вычислительного моделирования СО РАН, г. Красноярск
КОНСТРУКЦИОННЫЕ ПЕНОЯЧЕИСТЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Описаны технологии, способы и средства получения и применение ячеистых пористых металлических материалов в технике
Несмотря на имеющуюся информацию об отрицательном влиянии присутствующих в отливках пустот, существуют и технологии получения из литейных сплавов материалы, в которых, напротив, специально формируют пустоты/ячейки/поры. Такие материалы получили название «пенометаллы» (metallic foams - от способа их получения путем вспенивания расплава [1]) или «ячеистые металлы» - (cellular metals - от формы пустот (ячейки).
Современное состояние производства «пено/поро/ячеистых» металлических материалов, их характеристики и применение представлено в обширной публикации [1].
Пенометаллы (ПМ) и другие пористые материалы с ячеистой структурой обладают благоприятным сочетанием физических и механических характеристик, таких как высокая жесткость в сочетании с низкой плотностью (низким удельным весом). В сочетании с низкой плотностью и высокой жесткостью, способностью поглощать энергию удара и вибрацию, а также с высокой степенью звукопоглощения, и, что очень важно, высокой технологичностью, допускающей возможность формировать из ПМ объемные конструкции, изделия из этого материала, применяют различных отраслях машиностроения [2-4] - в автомобильной промышленности в виде конструктивных элементов (бамперы и др.), в аэрокосмической отрасли в виде титановых и алюминиевых «сэндвичей», а также некоторых деталей турбин, в судостроении для изготовления корпусов пассажирских судов, элеваторных и антенных платформ и др., в общественном городском транспорте; в строительной индустрии, в конструкциях металлорежущих станков. Типичный вид пенометалла (пеноалюминий) представлен на Рис. 1 [1], а на Рис. 2 - конструкция - передняя кромка крыла самолета, изготовленного из
152
листа деформируемого алюминиевого сплава, до и после заполнения полости пеной сплава Al-10 %Si (плотность р ~0,90 г/см3). В качестве порофора применяли 0,8% гидрида титана TiH2; средний диаметр пор составлял 1,2 мм, толщина стенок ячеек - 0,15 мм. [5]. Толщина листа пустотелой кромки составляет 2,5 мм (а), при заполнении пенометаллом толщина листа была уменьшена до 1,5 мм (б). При этом в результате испытаний на удар было установлено, что деформация пустотелой кромки составляет 9,8 ± 0,4%, тогда как заполненной пенос-плавом Al-10%Si - 2,5 ± 0.1% (в 3,92 раза меньше)
/Л ,
Рис. 1. Блоки пеноалюминия с разной плотностью и величиной ячеек, полученные с применением газовой инжекции (samples Hydro Aluminium, Norway) [1]
Полость до заполнения Пеносплав Al-10%Si
а б
Рис. 2. Передняя кромка крыла самолета: до (а) и после (б) заполнения пеносплавом Al-10%Si [5]
Существует ряд технологий получения пенометаллов. Например, путем прямого введения газа (воздух, азот, аргон) в жидкий металл [6].По другой технологии ПМ получают введением в расплав реагентов-порофоров - (вспенивающее вещество, обеспечивающее образование пор в металлическом материале), например, соединения TiH2, MgH, ZrH2 [7], CaCO3. мрамор [8].
Исходя из анализа имеющейся информации на первом этапе по аналогии с работой [8], в которой для получения пенометаллических изделий применялся порошок белого мрамора (white marble), нами была проведена работа по получению пеноалюминия с использованием в качестве порофора крошку Саяногорского мрамора. Согласно сертификату качества по минералогическому составу Саяногорские мрамора являются кальцитовыми (52-55,2% CaO). Мраморную крошку предварительно измельчали до частиц порядка 100 мкм.
153
Технология получения пеноалюминия заключалась в выполнении следующих операций: расплавление алюминия марки А7 в печи сопротивления в шамотно-графитовом тигле ^ нагрев расплава до 8000С ^ выемка тигля из печи ^ засыпание на зеркало металла мра-
перемешивание расплава 3 мин. ^ установка тигля в печь ^ выдержка 15 выемка тигля из печи ^ затвердевание пеноалюминия на воздухе непоср После затвердевания металла полученную заготовку удаляли из тигля.
На рисунке 2 приведена фотография типичного образца пеноалюм сферическая форма пор с размерами в интервале 0,5...10,0 мм, при этом распределены по объему металла. Кажущаяся плотность образцов (масс материала, включая и объем закрытых пор; рассчитывают как отношение всему занимаемому им объему; чем ниже кажущаяся плотность, тем боль риале) составляет 0,83 г/см3, пористость ~ 70%.
морного порошка в количестве 5 масс. % от массы металла при одновременном его замешивании в расплав ^ установка тигля в печь ^ выдержка 10 мин. при 8000С ^ выемка тигля и
мин. при 8500С ^ едственно в тигле.
иния. Преобладает поры равномерно а единицы объема массы вещества ко ше пустот в мате-
Рис. 2. Сечение образца (размер 40 х 35 х 35 мм.) из пеноалюминия марки А7
Из-за специфики структуры пенометаллов качество изделий из них оценивается по прочности при испытании на сжатие, на прогиб и на пробой. При этом механические свойства пенометаллов определяются количеством, размерами, формой и характером распределения пор по объему. Но так как процесс порообразования не поддается управлению техноло-
гическими параметрами, то невозможно получить пеноизделия с одинаковыми размерами пор и их закономерного распределения в объеме металла, а, следовательно, и изделия с близкими характеристиками механических свойств.
Тем не менее, представляется возможным спрогнозировать свойства ПМ с использованием математически точного метода случайных секущих [9] для подсчета количества и размеров пор, что можно определить на шлифе пеноматериала. В результате оценки пористости на нескольких сечениях образцов можно оценить количество, размеры и распределение пор в объеме металла.
На втором этапе с использованием полученных данных с применением метода конечных элементов в программном пакете MSC NASTRAN можно выполнить численное моделирование механических свойств пористых металлов с закрытыми порами [10]. При этом при моделировании испытаний на растяжение, сжатие и сдвиг в качестве исследуемого образца пористого металла принималась модель «элементарного объема» в виде куба со сферическими порами. Были рассмотрены три типа образцов с разным количеством пор. Испытаниям на растяжение, сжатие и сдвиг подвергались 15 образцов. В результате численных эксперимен-
тов были получены математические зависимости модуля упругости, модуля сдвига и модуля объемного сжатия от количества пор и их размера. На основе анализа полученных результатов был сделан вывод о том, что они могут быть использованы при моделировании деформирования пористых тел с закрытыми сферическими порами при заданной пористости.
Библиографический список
1. Banhart, J. Manufacture, characterisation and application of cellular metals and metal foams / J. Banhart // Progress in Materials Science. - 2001, V. 46. - P. 559-632.
2. Aluminium foams as a filler for leading edges: Improvements in the mechanical behavior under bird strike impact tests / J. A. Reglero [and ot.] // Materials and design. - 2011. - V. 32. -№ 2. - P. 907-910.
3. Авдеенко, А. М. Сильнопористые структуры - новый класс конструкционных материалов / А. М. Авдеенко, Ю. А. Крупин // Тяжелое машиностроение. - 2008. - № 7. -С. 18-21.
4. Ершов, М. Ю. Вспененный алюминий в автомобилестроении / М. Ю. Ершов, И. А. Лепешкин // Автомобильная промышленность. - 2010. - № 10. - С. 36-39.
5. Aluminium foams as a filler for leading edges: Improvements in the mechanical behaviour under bird strike impact tests / J. A. Reglero [and ot.] // Materials and Design, Issue 2 February. -2011. - V. 32. - P. 907-910.
6. Asholt, P. Metal foams and porous metal structures/ P. Asholt ; In: Banhart J., Ashby M.F, Fleck N.A., editors // Intern. Conf., 14-16 June 1999. - Germany : MIT Press-Verlag. - P.133.
7. Kovacik, J. Comparison of zinc and aluminium foam behaviour / J. Kovacik, F. Simancik // Kovove materialy. - 2004. - V. 42, № 2. - P. 79-90.
8. Manufacturing of Al-Mg-Si alloy foam using calcium carbonate as foaming agent / Cam-bronero L .E. G. [and ot.] // J. of material processing technology, February 2009. - V. 209, issue 4.
- P. 1803-1809.
9. Салтыков, С. А. Стереометрическая металлография / С. А. Салтыков. - М. : Металлургия, 1976. - 270 с.
10. Золотухин, А. В. Численное моделирование свойств пористых металлов / А. В. Золотухин, В. М. Садовский // Актуальные проблемы авиации и космонавтики : материалы Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых специалистов / СибГАУ : в 2 т.
- Т. 1.- Красноярск, 2011. - С. 138-139.
