Способ получения пористого металлического тела из алюминиевого сплава

Изобретение относится к металлургии, а именно к области получения пористых металлических материалов, может быть использовано в различных отраслях промышленности: судостроение, автомобилестроение, авиастроение.

Известен способ получения пористых полуфабрикатов из порошков алюминиевых сплавов [RU патент №2085339]. Способ включает смешивание порошков алюминиевых сплавов с порошками порофоров, засыпку смеси в емкость с последующим нагреванием и горячее ее прессование в плотную заготовку, горячую деформацию заготовки, охлаждение и последующую термообработку. Смешивание порошков алюминиевых сплавов ведут с порошками порофоров с температурой разложения, засыпку смеси осуществляют в неразборную емкость из алюминиевого сплава, нагрев неразборной емкости со смесью порошков производят перед ее прессованием до температуры ниже температуры солидуса порошка алюминиевого сплава с последующим прессованием при этой температуре порошковой смеси в плотную заготовку, перед термообработкой заготовку помещают в форму из материала, химически не взаимодействующего с материалом заготовки и сохраняющей геометрию и размеры при температуре термообработки. Способ не позволяет получить слоистой структуры с наличием сплошного участка со 100% относительной плотностью, его отличает узкая номенклатура получаемых полуфабрикатов. Кроме того, вследствие многостадийности процесса способ отличается дороговизной.

Известен способ получения пористого металла и изделий из него [RU патент №2193948]. Способ включает смешивание металла с порофором, получение плотной заготовки, высокотемпературную термообработку и охлаждение. Перед смешиванием металл расплавляют и сливают в распылитель с одновременным введением в расплав порофора, полученную смесь распыляют с последующим охлаждением, при этом смешивание, распыление и охлаждение частиц ведут в течение времени, исключающего термическое разложение порофора. Способ не позволяет получить слоистой структуры с наличием сплошного участка со 100% относительной плотностью. Кроме того, вследствие многостадийности процесса способ отличается дороговизной.

Известен способ получения пористого металлического тела, выбранный за прототип [RU патент №2281980]. Способ включает постепенную плавку части исходного металлического материала с высокой степенью растворимости газа в жидкой фазе и низкой степенью растворимости газа в твердой фазе при продвижении этого материала через нагревательное средство с применением плавки методом плавающей зоны в газовой атмосфере для растворения газа в получаемой зоне расплавленного металла и постепенным отверждением зоны расплавленного металла при контролируемых температуре и давлении. Недостатками являются:

1) размер металлического тела и его форма ограничены внутренней емкостью нагревательного средства;

2) не обеспечивает точечного плавления металлического тела с неполным проплавлением насквозь (высокой локализации зоны расплавленного металла), что не позволяет обеспечить градиента расположения пор во всех направлениях материала заготовки, т.е., например, невозможно получить сэндвич, состоящий из двух и более слоев с различной пористостью по диагонали металлического тела.

Задачей является получение пористого металлического тела любой формы и размера с изменяемой пористостью в одном или нескольких направлениях вдоль тела, а также в поперечном его сечении.

Для решения поставленной задачи предложен способ получения пористого металлического тела из алюминиевого сплава. Способ заключается в том, что источник тепла, совместно с порообразующим газом воздействует на поверхность металлического тела, расплавляя металл. В качестве источника тепла выбирают подвижную электрическую дугу переменного тока. При этом над поверхностью металлического тела осуществляют движение электрической дуги совместно с соплом, подающим порообразующий газ. Совместно с двигающимся источником тепла может двигаться ванна расплавленного металла. Скорость движения источника тепла над пластиной 0,1-10 мм/с, напряжение 20-40 В, ток 20-500 А. В зону локального воздействия источника тепла в жидкий металл подают порообразующий газ в смеси с защитным газом аргоном, причем расход защитного газа-аргона составляет ≥5 л/мин и парциальное давление порообразующего газа - 20 Па-2,0 МПа, а парциальное давление защитного газа - 202 кПа-2,0 МПа. При этом жидкий металл затвердевает по мере удаления электрической дуги от него, параллельно происходят процессы порообразования в нем.

Выбор подвижной электрической дуги и подача смеси газов непосредственно в зону плавления при соответствующих режимах позволяют получать пористые металлические тела любой формы и размера. Глубина залегания пор может регулироваться за счет изменения мощности источника тепла, а также за счет изменения скорости его движения. При этом также возможно изменение количества пор и их размеров, так как количество растворенного газа в жидком металле зависит от его температуры, а размер пор от скорости затвердевания металла. Кроме того, на размеры пор и их количество влияет давление воздействующего на жидкий металл порообразующего газа. Чем больше давление, тем больше количество пор и их размеры. Расположение пор вдоль поверхности металлического тела задается направлением движения источника тепла. При этом пористость также может задаваться за счет изменения параметров скорости и мощности источника тепла, а также изменением давления подаваемого порообразующего газа.

Только совокупность отличительных признаков позволяет решить поставленную задачу.

Для дуги должны быть заданы параметры тока и напряжения, которые обеспечивают глубину проплавления и, соответственно, глубину залегания пор, а также скорость движения дуги над поверхностью металлического тела. Скорость движения дуги над материалом варьируют в диапазоне 0,1-10 мм/с, минимальная скорость ограничивается возможностью прожога при переплавлении исходного материала, максимальная - скоростью растворения порообразующего газа. Диапазон напряжений 20-40 В обусловлен вольт-амперной характеристикой горения дуги, а также расстоянием между материалом и электродом. Ток 20-500 А - минимальное значение обусловлено необходимостью расплавить металл (меньшее значение не позволит его расплавить), максимальное - необходимостью глубокого проплавления (до 20 мм). Соотношение порообразующего газа в смеси с защитным регулируется при помощи давления газов. Количество пор (плотность пористой части материала) в соответствии с законами растворимости зависит от температуры и давления. При этом необходимо осуществлять защиту жидкого металла от воздействия атмосферы. Расход защитного газа должен быть ≥5 л/мин. Минимальное значение обуславливается минимальным расходом, при котором осуществляется защита, максимальное - целесообразностью, давлением в системе и размерами области воздействия. Максимальное парциальное давление порообразующего газа 2,0 МПа, так как при этом давлении плотность полученного материала будет меньше 1 г/см³, соответственно, максимальное давление защитного газа также 2,0 МПа для обеспечения отсутствия взаимодействия порообразующего газа с воздухом. При подготовке газовой смеси должно выполняться правило, что давление водорода не превышает давление защитного газа. Минимальное давление порообразующего газа обуславливается возможностью получить поры в металле, а именно при давлении менее 20 Па порообразующий газ полностью растворится в исходном материале, порообразование не произойдет.

Минимальное давление защитного газа 202 кПа обуславливает защиту жидкого металла, при давлении ниже жидкий металл будет интенсивно подвергаться воздействию атмосферы.

Примеры

В качестве металлического тела выбрана пластина из алюминиевого сплава АМг5 с размерами 200⋅150⋅2 мм, а в качестве источника тепла - электрическая дуга, переменный ток 20 А, напряжение 20 В, частота 50 Гц. В зону расплавленного металла подавали смесь газов аргона с водородом, при этом все металлическое тело находилось на воздухе. Расход аргона для приготовления смеси газов составлял 5 л/мин. Парциальное давление аргона на входе в смесительную систему 202 кПа, парциальное давление водорода - 20 Па. После воздействия источника тепла с подачей смеси газов в зону расплавленного металла, вдоль длинной стороны тела, при скорости передвижения источника тепла 0,1 мм/с были получены одиночные поры в поверхностном слое. Максимальный диаметр пор составил 50 мкм.

В качестве исходного металлического тела использовали пластину из алюминиевого сплава АМг5 с размерами 200⋅150⋅20 мм. В качестве источника тепла - электрическую дугу, переменный ток 500 А, напряжение 40 В, частота 50 Гц. В зону расплавленного металла подавалась смесь газов аргона с водородом, при этом все металлическое тело находилось на воздухе. Расход аргона для приготовления смеси газов не определялся из-за обеспечения защиты расплавленного металла благодаря высокому давлению. Давление аргона на входе в смесительную систему 2,0 МПа, давление водорода - 2,0 МПА. После воздействия описанного источника тепла с подачей смеси газов в зону расплавленного металла вдоль длинной стороны тела, при скорости передвижения источника тепла 10 мм/с был получен участок с пористой структурой на всю толщину исходного металлического тела. Плотность полученного участка составила 0,98 см³/100 г. Средний диаметр пор составил 150-200 мкм.

В качестве исходного металлического тела использовали пластину из алюминиевого сплава Д16 с размерами 4⋅200⋅150 мм. В качестве источника тепла - электрическую дугу, переменный ток 150 А, напряжение 24 В, частота 50 Гц. В зону расплавленного металла подавалась смесь газов аргона с водородом, при этом все металлическое тело находилось на воздухе. Расход аргона для приготовления смеси газов составлял 10 л/мин. Давление аргона на входе в смесительную систему 607 кПа, давление водорода - 607 кПа. После воздействия описанного источника тепла с подачей смеси газов в зону расплавленного металла, вдоль длинной стороны пластины, при скорости передвижения источника тепла 5 мм/с был получен участок с пористой структурой. Полученный участок имел сплошную часть с противоположной стороны от места воздействия толщиной 1 мм. Пористость (площадь пор по отношению к площади сплошной части в поперечном сечении) в центральной части участка составила 32%.

Воздействие подвижного локального источника тепла совместно с подачей порообразующего газа непосредственно в область расплавленного металла позволяет обрабатывать металлические тела больших размеров с заданной исходной формой. Благодаря изменению мощности источника тепла возможно образование пор на различной глубине залегания и, соответственно, получение изменяемой пористости по толщине получаемого пористого металлического тела. В совокупности, возможно изменение пористости во всех направлениях тела, а также получение 100% сплошности необходимых участков этого тела.