Научная статья на тему 'Конструкционные пеноячеистые металлические материалы'

Конструкционные пеноячеистые металлические материалы Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
210
44
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Конструкционные пеноячеистые металлические материалы»

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.