Porózus szerkezetű fémes anyagok Kerámiák és kompozitok ORBULOV IMRE 2006.11.07.
Az előadás során megismerjük......a porózus szerkezetű fémes anyagok fogalmát...az előállítási lehetőségeiket...az alapvető tulajdonságaikat...és a potenciális alkalmazási területeiket
Porózus szerkezetű fémes anyagok Morfológiai csoportosítás... Kompozitok, társított anyagok Szálerősítés Rövid szálas Hosszú szálas Whiskerek... Részecskeerősítés Speciális részecskeerősítésű kompozitok Vagyis: porózus szerkezetű fémek olyan kompozitok, ahol az erősítés levegő
Porózus szerkezetű fémes anyagok Csoportosítás felépítés alapján Nyitott cellás Zárt cellás Vegyes porozitás alapján Százalékosan megadva a porozitás mértékét Előállítási mód alapján Alkalmazási területük alapján...
Csoportosítás a felépítés alapján Lehetnek nyílt- és zárt cellásak Ez alapvető megkülönböztetési mód Ez utáni legfontosabb jellemző a porozitás
Előállítási módszerek Gázátbuborékoltatás Habképző anyaggal Ömledékmetallurgiai habosító eljárás Hő hatására kiolvadó anyaggal Folyamatos, kisajtolásos eljárás Kémiai reakció segítségével Fémgömbhéjak felhasználásával Üreges töltőanyaggal Kioldódó töltőanyaggal
Gázátbuborékoltatás Miskolc Bécs együttműködés probléma: buborékstabilitás megoldás: stabilizáló részek Munkafolyamat: az alapfém és az adalék megolvasztása gázátbuborékoltatás a folyékony fémen keresztül a formába hűtés a forma segítségével
Példa az iparból
Habképző anyaggal Habképző: titánhidrid (TiH 2 ) Porkohászati módszer
A habosodás folyamata
Egy félgyártmány
Példa az iparból
Ömledékmetallurgiai habosító eljárás Hasonló módszer Fémolvasztás Habképző közvetlenül az ömledékbe juttatva Gáz, vagy por habosító anyag Habképződés az ömledék felületén
Hő hatására kiolvadó anyaggal Poliuretán (PUR) habra hordják fel a fémet Physical Vapour Deposition (PVD) A PUR habot kiolvasztják Legporózusabb >80% Ni, Al, Zn, Cu
Folyamatos, kisajtolásos eljárás Precursor előállítása az ismertetett módon Fém+habképző Hevítés hatására a szerszámban habosodás indul meg A szerszámból kész fémhab távozik Az anyagáram irányítható
Kémiai reakció segítségével Ti B 4 C TiB 2 TiC Ti C B 4 C
Fém gömbhéjak felhasználásával Gömbhéjak (hollow spheres) Ø0,5-10 [mm] s20-1000 [µm] Diffúz hegesztés Tetszőleges alak és szerkezet rakható ki a gömbökből
Fém gömbhéjak felhasználásával
Üreges töltőanyaggal Fizikai tulajdonságok Kémiai összetétel, [%] Átmérő 10 350 µm Szilícium 55 65 Sűrűség 365 450 kg/m 3 Alumíniumoxid Nyomószilárdsá g 25 35 20-35 MPa Vasoxid 1 5 Olvadáspont ~1000 C Titánoxid 0,5 1 Forma Szín gömbhéj szürke csontfehér
Kioldódó töltőanyaggal töltés szorítás felöntés olvadt fémmel túlhevítés túlnyomásos átitatásos öntés nyomás fenntartása szilárdulásig megmunkálás töltőanyag kioldása
Általánosan alkalmazott berendezések
Berendezések az üreges töltőanyaggal történő gyártáshoz
Berendezések az kioldódó töltőanyaggal történő gyártáshoz
Alapvető tulajdonságok Sűrűség Nyílt <1000 [kg/m 3 ] Zárt ~1300 [kg/m 3 ] Térkitöltés Nyílt ~60-70 [%] Zárt ~60 [%] energiaelnyelés mechanikai ütközés rezgés akusztikus termikus elektromágneses
A mechanikai energiaelnyelés folyamata Hosszú platós szakasz Sorozatosan összeroppanó cellák A görbe alatti terület arányos az elnyelt energiával Optimális sűrűség meghatározása Ütközők deformációja
Porózus fémek termikus és egyéb tulajdonságai hőcserélő (nyílt cella, λ~κ) nagy fajlagos felület (katalizátorok) lángfogó előnyös réteges kompozit maganyag (magasabb hőmérsékleten) kevésbé érzékeny a szennyeződésekre különleges megmunkálást igényel szűrő (nyílt cella) áramlási jelleg változtatás esztétikus
Mikroszkópi vizsgálat A nyílt cellás fémhabokat nem vizsgáltuk Si tartalomtól és a T-től, t-től függően reakció alakulhat ki A reakció mechanikailag káros Teljes infiltráció, néhány törött gömbhéj
Elektronmikroszkópi vizsgálat Kősó lerakódás a felületeken, mindenhol
Elektronmikroszkópi vizsgálat
Röntgendiffrakciós vizsgálat
Szakítóvizsgálat R mnyílt AlSi12Mg 0,15 R malsi12mg R m nyílt Al99,5 0,1 R mal99,5 R m zárt AlSi12Mg 0,2 R m AlSi12Mg R m zárt Al99,5 0,2 R mal99,5 25 NA3 próbatest 50 ZB1 próbatest Feszültség, [MPa] 20 15 10 Feszültség, [MPa] 40 30 20 5 10 0 0 1 2 3 Elmozdulás, [mm] 0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 Elmozdulás, [mm]
Zömítővizsgálat W/m nyílt AlSi12Mg 8...42 [J/g] W/m nyílt Al99,5 8 [J/g] W/m zárt AlSi12Mg 35 [J/g] W/m zárt Al99,5 19...31 [J/g] Energiaelnyelés módja Ütközés-, rezgés csillapítás 30 NH1 próbatest 180 160 ZA5 próbatest Feszültség, [MPa] 25 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 60 Fajlagos hosszváltozás, [%] Feszültség, [MPa] 140 120 100 80 60 40 20 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Fajlagos hosszváltozás, [%]
A zömítővizsgálat eredményeinek rendszerezése Fajlagos munka, [J/g] w = W m = Nyílt cellás fémhabok zömítési fajlagos munkája (AlSi12Mg alapanyag) 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0,28 0,30 0,32 0,34 0,36 0,38 0,40 0,42 0,44 0,46 Relatív sûrûség, [1] a + b ρ + c ρ + d ρ 2 3 3 3 rel 3 rel 3 rel Fajlagos munka, [J/g] Nyílt cellás fémhabok zömítési fajlagos munkája (Al99,5 alapanyag) 20 15 10 5 0 0,360 0,365 0,370 0,375 0,380 Relatív sûrûség, [1] a 3 b 3 c 3 d 3 AlSi12Mg -3266,9 28456,5-81469,4 76955,5 Al99,5-4988,4 26961,6-36260,7 -
Hajlítóvizsgálat Hajlítómerevség (fajlagos is) D nyílt AlSi12Mg 0,25 D AlSi12Mg D zárt AlSi12Mg 0,45 D AlSi12Mg D nyílt Al99,5 0,2 D Al99,5 D zárt Al99,5 0,8 D Al99,5 500 NE1 próbatest 900 800 ZB1/2 próbatest 400 700 Erõ, [N] 300 200 100 0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 Elmozdulás, [mm] Erõ, [N] 600 500 400 300 200 100 0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Elmozdulás, [mm]
A hajlítóvizsgálat eredményeinek rendszerezése 14 12 D = a Nyílt cellás fémhabok hajlítómerevsége (AlSi12Mg alapanyag) + b ρ + c ρ 2 2 2 rel 2 rel 5 Nyílt cellás fémhabok hajlítómerevsége (Al99,5 alapanyag) Hajlítómerevség, [Nm 2 ] 10 8 6 4 2 Hajlítómerevség, [Nm 2 ] 4 3 2 1 0 0,28 0,30 0,32 0,34 0,36 0,38 0,40 0,42 0,44 0,46 Relatív sûrûség, [1] 0 0,360 0,365 0,370 0,375 0,380 Relatív sûrûség, [1] a 2 b 2 c 2 AlSi12Mg -84,8 524,7-712,7 Al99,5-1331,1 7235,0-9800,0
Modellezés Rúd-elem modell Voxel-elem modell Tetraéder-elem modell
Modellezés Gibson Ashby modell nyílt- és zártcellás esetben Elemi cella modellek
Alkalmazási területek
Egyéb alkalmazások Orvosi implantátumok, csontszövet irányultság terhelés nélkül Szűrők, zagyleválasztás (könnyen tisztítható égetéssel) Hőátadó felületek, hőcserélők Szendvicsszerkezetű kompozitok távtartó eleme nagyobb hőmérsékleten Stabilitásnövelés üreges szerkezetekben Nagy merevségű tartópanelek űralkalmazásokban Modern elemek elektródája