RU2759459C2 - Method for producing highly porous foam metal - Google Patents
Method for producing highly porous foam metal Download PDFInfo
- Publication number
- RU2759459C2 RU2759459C2 RU2019142775A RU2019142775A RU2759459C2 RU 2759459 C2 RU2759459 C2 RU 2759459C2 RU 2019142775 A RU2019142775 A RU 2019142775A RU 2019142775 A RU2019142775 A RU 2019142775A RU 2759459 C2 RU2759459 C2 RU 2759459C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- granules
- carbamide
- highly porous
- urea
- powder
- Prior art date
Links
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 32
- 239000002184 metal Substances 0.000 title claims abstract description 32
- 239000006260 foam Substances 0.000 title abstract description 21
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title abstract description 7
- XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N Urea Chemical compound NC(N)=O XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 66
- 239000004202 carbamide Substances 0.000 claims abstract description 35
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 32
- 239000008187 granular material Substances 0.000 claims abstract description 30
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims abstract description 17
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims abstract description 9
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 claims abstract description 7
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 claims abstract description 7
- 239000002966 varnish Substances 0.000 claims abstract description 7
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 30
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 5
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 5
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims description 5
- 239000006262 metallic foam Substances 0.000 claims description 4
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 3
- 235000013877 carbamide Nutrition 0.000 abstract description 31
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 abstract description 13
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 abstract description 9
- 239000000956 alloy Substances 0.000 abstract description 9
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 8
- 229910000601 superalloy Inorganic materials 0.000 abstract description 6
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 abstract description 4
- 239000011148 porous material Substances 0.000 abstract description 3
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 abstract description 3
- 238000013016 damping Methods 0.000 abstract description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 5
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 5
- 238000005979 thermal decomposition reaction Methods 0.000 description 5
- 239000004604 Blowing Agent Substances 0.000 description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 238000005187 foaming Methods 0.000 description 4
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 4
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 3
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 3
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920005830 Polyurethane Foam Polymers 0.000 description 2
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 description 2
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 2
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 2
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 229910001119 inconels 625 Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 2
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 2
- 239000011496 polyurethane foam Substances 0.000 description 2
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 2
- 239000012798 spherical particle Substances 0.000 description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O Ammonium Chemical compound [NH4+] QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O 0.000 description 1
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004972 Polyurethane varnish Substances 0.000 description 1
- 229910000883 Ti6Al4V Inorganic materials 0.000 description 1
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N acrylic acid group Chemical group C(C=C)(=O)O NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- 239000007900 aqueous suspension Substances 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007664 blowing Methods 0.000 description 1
- 210000003850 cellular structure Anatomy 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 1
- 238000005056 compaction Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 239000012799 electrically-conductive coating Substances 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 description 1
- 229910001026 inconel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 210000003739 neck Anatomy 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000193 polymethacrylate Polymers 0.000 description 1
- 239000006254 rheological additive Substances 0.000 description 1
- 239000012266 salt solution Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 titanium hydride Chemical compound 0.000 description 1
- 229910000048 titanium hydride Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/10—Sintering only
- B22F3/11—Making porous workpieces or articles
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
- C22C1/08—Alloys with open or closed pores
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения высокопористых пенометаллов, которые могут использоваться при изготовлении сверхлегких конструкционных изделий и сандвич-панелей, а также в качестве демпфирующих элементов в системах пассивной защиты от динамических нагрузок.The invention relates to powder metallurgy, in particular to methods for producing highly porous foamed metals that can be used in the manufacture of ultra-lightweight structural products and sandwich panels, as well as damping elements in passive protection systems against dynamic loads.
Известен способ получения высокопористого пенометалла, основанный на электролитическом дублировании структуры пенополиуретана [Патент BY 17642, А.с. SU 1640208 А1]. В этом способе на поверхности структурных элементов заготовки из открыто ячеистого пенополиуретана (ППУ) формируют электропроводное покрытие путем последовательной обработки в специальных растворах солей, а затем электролитическим осаждением в водных электролитах наносят металлическое покрытие требуемой толщины. После этого заготовку промывают, сушат, термообрабатывают при 500°С на воздухе для выжигания ППУ и спекают в защитной атмосфере при 1000-1150°С. Способ позволяет получать пенометаллы с равномерной поровой структурой и пористостью 90-97%. Однако, способ ограничен получением пенометаллов главным образом на основе меди, никеля, железа и непригоден для получения пенометаллов из многокомпонентных легированных сплавов, а также таких металлов, как титан и алюминий.A known method of obtaining highly porous metal foam, based on electrolytic duplication of the structure of polyurethane foam [Patent BY 17642, A.S. SU 1640208 A1]. In this method, an electrically conductive coating is formed on the surface of the structural elements of an open-cell polyurethane foam (PPU) blank by sequential processing in special salt solutions, and then a metal coating of the required thickness is applied by electrolytic deposition in aqueous electrolytes. After that, the workpiece is washed, dried, heat treated at 500 ° C in air to burn out PUF and sintered in a protective atmosphere at 1000-1150 ° C. The method allows to obtain foam metals with a uniform pore structure and porosity of 90-97%. However, the method is limited to the production of foam metals mainly based on copper, nickel, iron and is unsuitable for the production of foam metals from multicomponent alloyed alloys, as well as metals such as titanium and aluminum.
Известен способ получения высокопористого пенометалла, основанный на дублировании структуры ППУ суспензиями на основе металлических порошков [Li J. P., Li S. H., Van Blitterswijk C. A., de Groot, K. A novel porous Ti6Al4V: Characterization and cell attachment // Journal of Biomedical Materials Research. - 2005. - V. 73A. - №2. - P. 223-233.]. В этом способе перемешиванием готовят водную суспензию, содержащую титановый порошок, связующее и реологические добавки. Суспензией заполняют поры ППУ заготовки, и затем удаляют излишки суспензии многократным сжатием. Полученную заготовку сушат при 80°С, термообрабатывают при 500°С на воздухе для выжигания ППУ и спекают в вакууме при 1250°С. Способ позволяет получать пенометаллы с пористостью до 89-91%, в том числе возможно использование порошков из сложнолегированных сплавов. Недостатком способа являются ограничения изделий по размеру. Это связано с тем, что после пропитки ППУ заготовки суспензией на поверхности формируется рыхлое порошковое покрытие, что приводит к значительным (более 20%) линейным усадкам в процессе уплотнения при спекании. В результате неизбежно коробление и растрескивание крупногабаритных изделий.A known method of obtaining highly porous foam metal, based on duplicating the structure of PUF with suspensions based on metal powders [Li J. P., Li S. H., Van Blitterswijk C. A., de Groot, K. A novel porous Ti6Al4V: Characterization and cell attachment // Journal of Biomedical Materials Research. - 2005. - V. 73A. - No. 2. - P. 223-233.]. In this method, stirring is used to prepare an aqueous suspension containing titanium powder, binder and rheological additives. The pores of the PUF blank are filled with the suspension, and then the excess suspension is removed by repeated compression. The resulting workpiece is dried at 80 ° C, heat treated at 500 ° C in air to burn out PUF and sintered in vacuum at 1250 ° C. The method allows to obtain foam metals with a porosity of up to 89-91%, including the use of powders from complex alloyed alloys. The disadvantage of this method is the limitation of products in size. This is due to the fact that after impregnation of the PUF billet with a suspension, a loose powder coating is formed on the surface, which leads to significant (more than 20%) linear shrinkage during compaction during sintering. As a result, warping and cracking of large-sized items is inevitable.
Известны способы получения высокопористых пенометаллов, основанные на вспенивании расплава либо продувкой газом, либо введением порофора - разлагающегося с образованием газа при нагреве [Raj R. Е., Daniel В. S. S. Aluminum Melt Foam Processing for Light-Weight Structures // Materials and Manufacturing Processes. - 2007. - V. 22. - №4. - P. 525-530.]. Например, в расплав из алюминиевого сплава, нагретый в тигле до 750°С, добавляют порошок SiC для повышения вязкости, перемешивают, затем в расплав вводят сопло из нержавеющей стали и осуществляют вспенивание подачей сжатого воздуха. После образования устойчивой пены тигель извлекают из печи и охлаждают. Формирование пены также может быть обеспечено за счет термического разложения специально введенного гидрида титана. Для этого в алюминиевый расплав, нагретый до 750°С, добавляют для повышения вязкости Al2O3, СаО, перемешивают, а затем добавляют 1-2 масс. % порошка TiH2 и перемешивают пропеллерной мешалкой при высоких скоростях (1000 об/мин.). После этого в течение 100-180 с происходит пенообразование за счет интенсивного выделения водорода при разложении TiH2, затем тигель извлекают из печи и охлаждают. Способы, основанные на вспенивании, высокопроизводительны, но технически сложно осуществимы для получения пенометаллов из высокотемпературных и более реакционно-способных сплавов (титановые сплавы, суперсплавы), которые после расплавления активно взаимодействуют с материалами футеровки и атмосферными газами.Known methods for obtaining highly porous foamed metals, based on foaming the melt either by blowing gas, or by introducing a porophore - decomposing with the formation of gas upon heating [Raj R. E., Daniel B. SS Aluminum Melt Foam Processing for Light-Weight Structures // Materials and Manufacturing Processes ... - 2007. - V. 22. - No. 4. - P. 525-530.]. For example, SiC powder is added to an aluminum alloy melt heated in a crucible to 750 ° C to increase the viscosity, mixed, then a stainless steel nozzle is introduced into the melt and foaming is carried out by supplying compressed air. After a stable foam has formed, the crucible is removed from the furnace and cooled. Foam formation can also be achieved by thermal decomposition of the specially introduced titanium hydride. To do this, Al 2 O 3 , CaO are added to an aluminum melt heated to 750 ° C to increase the viscosity, stirred, and then 1-2 wt. % TiH 2 powder and mixed with a propeller stirrer at high speeds (1000 rpm). After that, foaming occurs within 100-180 s due to the intense release of hydrogen during the decomposition of TiH 2 , then the crucible is removed from the furnace and cooled. Methods based on foaming are highly productive, but technically difficult to implement for obtaining foam metals from high-temperature and more reactive alloys (titanium alloys, superalloys), which, after melting, actively interact with lining materials and atmospheric gases.
Решение, наиболее близкое к предлагаемому, описано в работе [Патент BY 19033]. В этом способе порообразователь (сферические гранулы карбамида) смешивают в течение 2 мин во вращающемся барабане с водным раствором связующего (поливиниловый спирт, полиметакрилат аммония), в результате чего на поверхности гранул формируется тонкий слой связующего. Затем в барабан добавляют расчетное количество металлического порошка или смеси порошков и проводят перемешивание в течение 5 мин, в результате чего на поверхности гранул карбамида формируется покрытие из металлического порошка. Полученные композиционные гранулы прессуют в пресс-форме при давлении 300-500 МПа. Заготовки сушат до постоянной массы при 110°С, затем удаляют карбамид термическим разложением в защитной атмосфере при 500°С в течение 4 ч и спекают в восстановительной атмосфере либо в вакууме в зависимости от состава пенометалла. Способ позволяет получать пенометаллы с равномерно распределенной по объему пористостью до 90% и структурой, представляющей плотно упакованные ячейки контролируемого размера. Способ позволяет получать пенометаллы на основе широкого спектра металлов и сплавов. Однако, существенным недостатком данного способа является невозможность получения пенометаллов из трудно деформируемых порошков, например, сферических порошков сплава Ti6A14V или никелевых суперсплавов. При использовании таких порошков не происходит сцепление частиц, обеспечивающее образование ячеистого каркаса с достаточной сырой прочностью. В результате в процессе термического разложения карбамида заготовка растрескивается или разрушается. Другим важным недостатком способа является необходимость проведения дорогостоящей операции промежуточной термообработки в токе инертного газа для термического разложения карбамида в случае, когда пенометалл изготавливается из сплавов, содержащих легирующие добавки с высоким сродством к кислороду (титан, хром, алюминий), и требуется вакуумное спекание.The solution closest to the proposed one is described in [Patent BY 19033]. In this method, a blowing agent (spherical carbamide granules) is mixed for 2 minutes in a rotating drum with an aqueous solution of a binder (polyvinyl alcohol, ammonium polymethacrylate), as a result of which a thin layer of binder is formed on the surface of the granules. Then, a calculated amount of metal powder or a mixture of powders is added to the drum and mixing is carried out for 5 minutes, as a result of which a coating of metal powder is formed on the surface of the urea granules. The resulting composite granules are pressed in a mold at a pressure of 300-500 MPa. The workpieces are dried to constant weight at 110 ° C, then the carbamide is removed by thermal decomposition in a protective atmosphere at 500 ° C for 4 hours and sintered in a reducing atmosphere or in a vacuum, depending on the composition of the foam metal. The method makes it possible to obtain foam metals with a porosity uniformly distributed over the volume of up to 90% and a structure representing tightly packed cells of a controlled size. The method makes it possible to obtain foam metals based on a wide range of metals and alloys. However, a significant disadvantage of this method is the impossibility of obtaining foam metals from hard-to-form powders, for example, spherical powders of the Ti6A14V alloy or nickel superalloys. When using such powders, no adhesion of the particles occurs, which ensures the formation of a cellular framework with sufficient wet strength. As a result, in the process of thermal decomposition of urea, the workpiece is cracked or destroyed. Another important disadvantage of the method is the need for an expensive operation of intermediate heat treatment in an inert gas flow for thermal decomposition of carbamide in the case when the foam metal is made from alloys containing alloying additives with high affinity for oxygen (titanium, chromium, aluminum), and vacuum sintering is required.
Техническая задача, которую решает предлагаемое изобретение, заключается в получении бездефектного высокопористого пенометалла из трудно деформируемых порошков, а также упрощение процесса за счет замены операции удаления порообразователя (карбамида) термическим разложением в токе инертного газа на его удаление путем растворения.The technical problem that the present invention solves is to obtain a defect-free highly porous metal foam from hard-to-deform powders, as well as to simplify the process by replacing the operation of removing the blowing agent (carbamide) by thermal decomposition in a stream of inert gas for its removal by dissolution.
Поставленная задача решается следующим образом.The task is solved in the following way.
Способ получения высокопористого пенометалла включает перемешивание жидкого связующего с гранулами карбамида, добавление в полученную смесь металлического порошка, перемешивание, прессование полученных композиционных гранул, сушку, удаление карбамида, и спекание. При этом в качестве жидкого связующего используется полиуретановый водо-дисперсионный лак, который вводится в количестве 1.2-1.8% от массы гранул карбамида, а удаление карбамида осуществляется растворением.A method of obtaining a highly porous foam metal includes mixing a liquid binder with urea granules, adding a metal powder to the resulting mixture, mixing, pressing the resulting composite granules, drying, removing urea, and sintering. In this case, a polyurethane water-dispersion varnish is used as a liquid binder, which is introduced in an amount of 1.2-1.8% of the mass of carbamide granules, and the removal of carbamide is carried out by dissolution.
Сферические гранулы карбамида смешивают со связующим (полиуретановый водо-дисперсионный лак) в барабанном смесителе для формирования равномерной пленки связующего на поверхности гранул. К смоченным гранулам добавляют металлический порошок и продолжают перемешивание; количество добавляемого порошка зависит от требуемой пористости конечного изделия и определяется расчетным путем. В результате на поверхности гранул формируется равномерный слой порошка. Далее из полученных композиционных гранул двусторонним прессованием в стальной пресс-форме изготавливают заготовки, которые после извлечения из пресс-формы сушат на воздухе до постоянной массы. Давление прессования зависит от используемого металлического порошка. Далее заготовки помещают в емкость с проточной водой, в результате чего карбамид растворяется. Затем заготовку извлекают из воды, сушат до постоянной массы и спекают в защитной атмосфере. Вода является предпочтительным растворителем из-за доступности и дешевизны, что значительно упрощает процесс удаления карбамида, но удаление карбамида может осуществляться любым известным способом (например, с использованием других растворителей, например, метанола или этанола). Настоящий метод обеспечивает возможность получения бездефектного высокопористого пенометалла на основе трудно деформируемых порошков - таких, как сферические порошки титанового сплава Ti6A14V или никелевого суперсплава типа Inconel. В тоже время метод позволяет использовать другие типы порошков, включая те, которые использовались в способе-прототипе. В этом случае предпочтительные температуры и атмосферы спекания могут быть иными.Spherical carbamide granules are mixed with a binder (polyurethane water-dispersion varnish) in a drum mixer to form a uniform binder film on the surface of the granules. The metal powder is added to the moistened granules and stirring is continued; the amount of added powder depends on the required porosity of the final product and is determined by calculation. As a result, a uniform layer of powder is formed on the surface of the granules. Further, from the obtained composite granules by double-sided pressing in a steel mold, blanks are made, which, after being removed from the mold, are dried in air to constant weight. The pressing pressure depends on the metal powder used. Next, the workpieces are placed in a container with running water, as a result of which the urea dissolves. Then the workpiece is removed from the water, dried to constant weight and sintered in a protective atmosphere. Water is the preferred solvent due to its availability and low cost, which greatly simplifies the urea removal process, but urea removal can be carried out by any known method (for example, using other solvents such as methanol or ethanol). This method makes it possible to obtain a defect-free high-porous metal foam based on hard-to-form powders, such as spherical powders of titanium alloy Ti6A14V or nickel superalloy of the Inconel type. At the same time, the method allows the use of other types of powders, including those used in the prototype method. In this case, the preferred sintering temperatures and atmospheres may be different.
Принципиальными особенностями предлагаемого способа является использование полиуретанового водо-дисперсионного лака в качестве связующего и удаление карбамидного порообразователя из спрессованной заготовки растворением. Связующие, использованные в способе-прототипе (акриловые дисперсии, водный раствор поливинилового спирта), обеспечивают главным образом фиксацию порошкового слоя на поверхности гранулы карбамида, но не обеспечивают необходимую сырую прочность порошковой структуре, сформированной после прессования композиционных гранул с металлическим покрытием и удаления карбамида; целостность ячеистого каркаса в способе-прототипе достигается за счет прочного сцепления между частицами. Если для получения пенометалла используются трудно деформируемые порошки, в процессе удаления карбамида термодеструкцией происходит формирование микро- и макротрещин в заготовке, поскольку одновременно происходит и термодеструкция связующего, и поэтому карбамид необходимо удалять растворением при невысоких температурах. Экспериментально было установлено, что связующие из способа-прототипа не обеспечивают устойчивость «сырой» высокопористой структуры после вымывания карбамида; высока вероятность деформации и оседания заготовок либо сразу после их извлечения из емкости с водой, либо в процессе сушки заготовки с удаленным карбамидным порообразователем. Было установлено, что водо-дисперсионный полиуретановый лак полностью смачивает поверхность частиц порошка и обеспечивает образование прочных шеек между ними по всему объему, причем связность не нарушается при нагреве влажных неспеченных заготовок.The principal features of the proposed method is the use of polyurethane water-dispersion varnish as a binder and the removal of the urea blowing agent from the compacted workpiece by dissolution. The binders used in the prototype method (acrylic dispersions, an aqueous solution of polyvinyl alcohol) mainly ensure the fixation of the powder layer on the surface of the carbamide granule, but do not provide the necessary raw strength to the powder structure formed after pressing the metal-coated composite granules and removing the carbamide; the integrity of the cellular framework in the prototype method is achieved due to strong adhesion between the particles. If hard-to-deform powders are used to obtain foam metal, micro- and macrocracks are formed in the workpiece during the removal of carbamide by thermal destruction, since thermal destruction of the binder also occurs simultaneously, and therefore carbamide must be removed by dissolution at low temperatures. It was experimentally found that the binders from the prototype method do not provide the stability of the "raw" highly porous structure after washing out the urea; there is a high probability of deformation and subsidence of the workpieces either immediately after they are removed from the container with water, or in the process of drying the workpiece with the urea blowing agent removed. It was found that the water-dispersion polyurethane varnish completely wets the surface of the powder particles and ensures the formation of strong necks between them throughout the entire volume, and the cohesion is not disturbed when the moist green blanks are heated.
Количество вводимого связующего (1.2-1.8% от массы гранул карбамида) определяется следующим. При содержании связующего менее 1.2% не обеспечивается полное и равномерное смачивание гранул карбамида, и нанесенное порошковое покрытие имеет островковый характер. При содержании связующего выше 1.8% гранулы карбамида связываются в агломераты, и не удается нанести равномерное порошковое покрытия по поверхности всех гранул. В результате становится невозможным получение пенометалла с равномерной ячеистой структурой.The amount of added binder (1.2-1.8% of the mass of urea granules) is determined as follows. When the binder content is less than 1.2%, complete and uniform wetting of urea granules is not ensured, and the applied powder coating has an island character. At a binder content above 1.8%, the urea granules are bound into agglomerates, and it is not possible to apply a uniform powder coating on the surface of all the granules. As a result, it becomes impossible to obtain a foam metal with a uniform cellular structure.
Пример 1.Example 1.
В барабанном смесителе объемом 10 л смешивают 371.2 г сферических гранул карбамида диаметром -3+2 мм и 5.9 г полиуретанового водо-дисперсионного лака в течение 1-2 минут при скорости вращения барабана 50-60 об/мин. Затем в барабан к смоченным гранулам добавляют 228,6 г порошка титанового сплава Ti6A14V с частицами сферической формы размером 40 мкм и перемешивают в течение 2-3 минут со скоростью вращения барабана 50-60 об/мин. Полученные гранулы прессуют в стальной пресс-форме при давлении 400 МПа. Прессовки сушат при 110°С в течении суток, помещают в ванну с проточной водой и удаляют карбамид в течении 32 часов. Далее полученную пористую заготовку извлекают из воды, сушат при 110°С в течение 8 ч. и спекают в вакуумной печи при температуре 1350°С с изотермической выдержкой 2 ч. В результате получают высокопористый пенометалл из сплава Ti6A14V с пористостью 80-82%.In a 10 l drum mixer 371.2 g of spherical carbamide granules with a diameter of -3 + 2 mm and 5.9 g of polyurethane water-dispersion varnish are mixed for 1-2 minutes at a drum rotation speed of 50-60 rpm. Then, 228.6 g of powder of titanium alloy Ti6A14V with spherical particles of 40 microns in size are added to the drum to the moistened granules and mixed for 2-3 minutes at a drum rotation speed of 50-60 rpm. The resulting granules are pressed in a steel mold at a pressure of 400 MPa. The compacts are dried at 110 ° C during the day, placed in a bath with running water, and the urea is removed within 32 hours. Next, the resulting porous workpiece is removed from water, dried at 110 ° C for 8 hours and sintered in a vacuum furnace at a temperature of 1350 ° C with isothermal exposure for 2 hours. As a result, a highly porous foam metal is obtained from the Ti6A14V alloy with a porosity of 80-82%.
Пример 2.Example 2.
В барабанном смесителе объемом 10 л смешивают 371,2 г. сферических гранул карбамида диаметром -3+2 мм и 6.8 г полиуретанового водо-дисперсионного лака в течение 1-2 минут при скорости вращения барабана 50-60 об/мин. Затем в барабан к смоченным гранулам добавляют 358.5 г порошка суперсплава Inconel 625 (NiCrMoNb сплав) с частицами сферической формы размером 50 мкм и перемешивают в течение 2-3 минут со скоростью вращения барабана 50-60 об/мин. Полученные гранулы прессуют в стальной пресс-форме при давлении 450 МПа. Прессовки сушат при 110°С в течении суток, помещают в ванну с проточной водой и удаляют карбамид в течение 32 часов. Далее полученную пористую заготовку извлекают из воды, сушат при 110°С в течение 8 ч и спекают в вакуумной печи при температуре 1320°С с изотермической выдержкой 1 ч. В результате получают высокопористый пенометалл из суперсплава Inconel 625 с пористостью 80-81%.In a 10 liter drum mixer 371.2 g of spherical carbamide granules with a diameter of -3 + 2 mm and 6.8 g of polyurethane water-dispersion varnish are mixed for 1-2 minutes at a drum rotation speed of 50-60 rpm. Then 358.5 g of Inconel 625 superalloy powder (NiCrMoNb alloy) with spherical particles of 50 microns in size is added to the drum to the moistened granules and mixed for 2-3 minutes at a drum rotation speed of 50-60 rpm. The resulting granules are pressed in a steel mold at a pressure of 450 MPa. The compacts are dried at 110 ° C for 24 hours, placed in a bath with running water, and the urea is removed for 32 hours. Next, the resulting porous workpiece is removed from water, dried at 110 ° C for 8 hours and sintered in a vacuum furnace at a temperature of 1320 ° C with isothermal exposure for 1 hour. As a result, a highly porous foam metal is obtained from Inconel 625 superalloy with a porosity of 80-81%.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019142775A RU2759459C2 (en) | 2019-12-17 | 2019-12-17 | Method for producing highly porous foam metal |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019142775A RU2759459C2 (en) | 2019-12-17 | 2019-12-17 | Method for producing highly porous foam metal |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2019142775A RU2019142775A (en) | 2021-06-17 |
| RU2019142775A3 RU2019142775A3 (en) | 2021-09-27 |
| RU2759459C2 true RU2759459C2 (en) | 2021-11-15 |
Family
ID=76377053
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019142775A RU2759459C2 (en) | 2019-12-17 | 2019-12-17 | Method for producing highly porous foam metal |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2759459C2 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115780810A (en) * | 2022-09-09 | 2023-03-14 | 东北大学 | Preparation method of powder metallurgy foam steel |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003015963A1 (en) * | 2001-08-16 | 2003-02-27 | National Research Council Of Canada | Method of making open cell material |
| RU2360020C2 (en) * | 2007-05-28 | 2009-06-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" | Method of semi-finished product receiving for manufacturing of products made of foamed metal |
| RU2508962C1 (en) * | 2012-11-29 | 2014-03-10 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Method of making high-porosity cellular material |
| RU2582846C2 (en) * | 2014-07-25 | 2016-04-27 | ООО "Электрический гранулятор пенометаллов" (ООО ЭГПМ) | Method of producing granules of foam metals |
| CN105907998A (en) * | 2016-05-06 | 2016-08-31 | 陈昌 | Porous metal material and preparation method thereof |
| CN107988527B (en) * | 2017-11-30 | 2019-11-12 | 沈阳理工大学 | A kind of foam TiMoCu alloy and powder metallurgy preparation method thereof |
-
2019
- 2019-12-17 RU RU2019142775A patent/RU2759459C2/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003015963A1 (en) * | 2001-08-16 | 2003-02-27 | National Research Council Of Canada | Method of making open cell material |
| RU2360020C2 (en) * | 2007-05-28 | 2009-06-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" | Method of semi-finished product receiving for manufacturing of products made of foamed metal |
| RU2508962C1 (en) * | 2012-11-29 | 2014-03-10 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Method of making high-porosity cellular material |
| RU2582846C2 (en) * | 2014-07-25 | 2016-04-27 | ООО "Электрический гранулятор пенометаллов" (ООО ЭГПМ) | Method of producing granules of foam metals |
| CN105907998A (en) * | 2016-05-06 | 2016-08-31 | 陈昌 | Porous metal material and preparation method thereof |
| CN107988527B (en) * | 2017-11-30 | 2019-11-12 | 沈阳理工大学 | A kind of foam TiMoCu alloy and powder metallurgy preparation method thereof |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2019142775A3 (en) | 2021-09-27 |
| RU2019142775A (en) | 2021-06-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kulshreshtha et al. | Preparation of metal foam by different methods: A review | |
| US3066391A (en) | Powder metallurgy processes and products | |
| US6849230B1 (en) | Mixture of two particulate phases used in the production of a green compact that can be sintered at higher temperatures | |
| Hassan et al. | A review of different manufacturing methods of metallic foams | |
| EP1755809B1 (en) | Method of production of porous metallic materials | |
| JP5826219B2 (en) | Method for making a metal article having other additive components without melting | |
| RU2124418C1 (en) | Method of producing composite materials | |
| Rak et al. | Porous titanium foil by tape casting technique | |
| US20080171218A1 (en) | Metal Foam Body Having An Open-Porous Structure As Well As A Method For The Production Thereof | |
| Lemster et al. | Activation of alumina foams for fabricating MMCs by pressureless infiltration | |
| US3181947A (en) | Powder metallurgy processes and products | |
| US6254998B1 (en) | Cellular structures and processes for making such structures | |
| EP1667808B1 (en) | Method for manufacturing components with a nickel base alloy as well as components manufactured therewith | |
| DE102008000100A1 (en) | Lightweight green and molded body of a ceramic and / or powder metallurgical material and method for its preparation | |
| CN105803239B (en) | A kind of preparation method of micropore diameter, high porosity Ni-Cr-Mo porous material | |
| RU2759459C2 (en) | Method for producing highly porous foam metal | |
| CN118652120B (en) | Method for preparing porous TaC ceramic by using organic foam template method | |
| JP2009228025A (en) | Precursor, foam metal molded body, and their production method | |
| JP2008542547A (en) | Titanium, titanium alloy and NiTi foam with high ductility | |
| RU2193948C2 (en) | Method for making porous metal and articles of such metal | |
| JP3858096B2 (en) | Method for producing foam sintered body containing metal or ceramics | |
| CN119684026A (en) | Method for preparing foamed ceramic by foam impregnation process | |
| Guo et al. | Novel polymer–metal based method for open cell metal foams production | |
| CN113172224B (en) | Preparation method of titanium-based composite structure material | |
| US3083109A (en) | Composite metal refractory |