BRPI0807646A2

BRPI0807646A2 - Processo para produzir artigo de metal ou liga, pré-forma, artigo de metal altamente poroso

Info

Publication number: BRPI0807646A2
Application number: BRPI0807646-4A
Authority: BR
Inventors: Andreas Mortensen; Russel Goodall
Original assignee: Ecole Polytecnique Federale De Lausanne Epfl
Priority date: 2007-02-16
Filing date: 2008-02-15
Publication date: 2014-06-03
Also published as: ATE502128T1; US8151860B2; DE602008005559D1; WO2008099014A1; EP2118328B1; CN101646790B; EP2118328A2; PL2118328T3; CN101646790A; WO2008099014A8; US20100021758A1; JP2010518258A; JP5469465B2

Description

PROCESSO PARA PRODUZIR ARTIGO DE METAL OU LIGA, PRÉ-FORMA, ARTIGO

DE METAL ALTAMENTE POROSO

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção refere-se à produção de corpos metálicos altamente porosos, 5 incluindo materiais designados como espumas de metal, metais microcelulares, esponja de metal, ou estruturas de treliça de reticulado metálico, sendo todas estas estruturas metálicas com, como orientação, pelo menos 10% (e geralmente muito mais) de porosidade. Uma vasta faixa de rotas de processamento tem sido desenvolvida para tornar tais materiais metálicos porosos (como descrito, por exemplo, Metal Foams: A 10 Design Guide, M F Ashby, A G Evans, N A Fleck, L J Gibson, J W Hutchinson, HNG Wadley, 2000, Butterworth-Heinemann, [J Banhart, Progress in Materials Science 46 (2001) 559-632], http://www.metalfoam.net/).

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

Mais especificamente, a invenção se refere à produção de tais materiais e estruturas por um processo de fundição que envolve a infiltração do metal fundido em torno de um molde refratário removível ou retentor espacial que define a estrutura de espuma. Já existem várias rotas de processamento de espumas de metal que se enquadram nesta categoria, revistas, por exemplo, em [M F Ashby, A G Evans, N A Fleck, L J Gibson, J W Hutchinson, HNG Wadley "Metal Foams: A Design Guide" Butterworth-Heinemann, Boston, (2000)], [J Banhart, Progress in Materials Science 46 (2001) 559- 632] , [Y Conde, J-F Despois, R Goodall, A Marmottant, L Salvo, C San March! & A Mortensen, Advanced Engineering Materials 8(9) 795-803 (2006)]. Devido à porosidade interconectada do complexo, normalmente superior a 40% do volume total do artigo, os requisitos de tal molde um ou do retentor espacial e, portanto, métodos pelos quais eles são feitos geralmente são diferentes daqueles usados para moldar peças fundidas ocas. Um método que utiliza fundição de investimento com um precursor de polímero é divulgado em [Y Yamada, K Shimojima, Y Sakaguchi , M Mabuchi , N Nakamura, T Asahina, T Mukai , H Kanahashi & K Higashi, Journal of Materials Science Letters, 18 (1999) 1477-1480]; é também estimado que este é o método utilizado para produzir "espumas de metal Duocel" atualmente comercializadas pela ERG Materials and Aerospace Corporation (http://www.ergaerospace.com/), [M F Ashby, A G Evans, N A Fleck, L J Gibson, J W Hutchinson, HNG Wadley "Metal Foams: A Design Guide" Buttenworth- Heinemann, Boston, (2000)]. Nesse método, uma espuma orgânica de célula aberta de, por exemplo, poliuretano é preenchida com um cimento refratário, normalmente um composto de modelagem de fundição de investimento, que é curado após um tratamento térmico ser usado para adensar o molde e remover o precursor de polímero inicial. O metal é fundido no molde assim formado, e o material do molde, então, será removido através de métodos convencionais, por exemplo, por agitação mecânica ou com um jato de água.

Patente US. No. 3052967 citada por [J Banhart, Progress in Materials Science 46 (2001) 559-632] divulga um método de fabricação de espuma usando uma pré-forma de partículas de areia mantida em conjunto com um aglutinante que se decompõe em altas temperaturas, permitindo que a areia seja sacudida.

Se a fundição for suficientemente rápida, então, granulados de polímero sinterizados podem ser utilizados como pré-forma com alumínio. Após a fundição, o tratamento de pirólise térmico é utilizado para remover o polímero. Este método é, por exemplo, descrito pelo Fraunhofer Institute in Bremen, http: //www, ifam. fraunhofer . de/index.php?seite=/2801/Ieich tbauwerkstoffe/offenporoese-strukturen/&lang=en .

Alternativamente, a sinterização do pó metálico em torno de retentores espaciais removíveis pode ser usada. O pó do metal desejado é misturado com uma quantidade 15 suficiente de partículas de um material que pode ser removido ou por água ou por um tratamento térmico adequado, antes da sinterização do pó para produzir um material coeso. Durante este estágio as partículas do retentor de espaço retêm a porosidade da espuma. Exemplos de retentores de espaço utilizados incluem sal [Y Y Zhao1 D X Sun, Scripta Mater. 44 (2001)] e uréia [B Jiang1 N Q Zhao C S Shi1 J J Li, Scripta Mater. 53 20 (2005) 781-785] (ambos removidos pela dissolução em água).

Um método relativamente simples usa grãos de sal de mesa normal para definir a porosidade da espuma, conforme descrito na Patente US No. 3236706. Se os grãos percolarem, então, após a infiltração dos espaços intergranulares com metal fundido e solidificação deste último o sal pode ser removido pela dissolução em água. Pesquisas 25 desenvolveram este processo para variar a porosidade da espuma (na faixa de 0.6-0.9), o formato do poro (usando formatos diferentes dentro do conjunto de formas de cristais de sal possíveis), e tamanho do poro (na faixa de 5 μιη - 2 mm), veja [C San Marchi & A Mortensen, Acta Materialia 49 3959 (2001); C San Marchi, J-F Despois & A Mortensen, Acta Materialia 52 2895 (2004); J-F Despois, Y Conde, C San Marchi & A Mortensen, 30 Advanced Engineering Materials 6(6) 444 (2004); C Gaillard1 J-F Despois1 & A Mortensen, Materials Science and Engineering A 374(1-2) 250 (2004); R Goodall, A Marmottant, L Salvo & A Mortensen, Materials Science and Engineering A 465 (1-2) 124 (2007)]. No entanto, o método é limitado pelo tamanho e formato dos cristais de sal disponíveis, o fato de que os grão de sal maiores que cerca de 0,5 mm de diâmetro não podem ser 35 compactados da mesma forma como os grãos menores, e a taxa lenta da remoção da pré-forma pela dissolução. SUMÁRIO DA PRESENTE INVENÇÃO

O objetivo da invenção é produzir um artigo com pelo menos 10%, preferivelmente de 40% ou mais, porosidade interconectada usando um formato de retentor de espaço que combina (i) a facilidade de modelagem, (ii) força suficiente a temperaturas de fusão 5 do metal combinada com a inércia química em contato com metal, e (iii) possibilidade de remoção rápida e fácil, econômica e sem qualquer estágio de produção de resíduos prejudiciais ao ambiente, ou emissões.

As modalidades da presente invenção fornecem um processo para produzir um artigo de liga ou metal contendo pelo menos 10% de porosidade interconectada, através de uma pré-forma, este processo compreendendo:

- mistura de um algutinante orgânico, um agente umectante e um material granular, para obter uma pasta moldável que combina 10 % em volume ou mais do referido material granular, tal material granular dissolvendo facilmente em um solvente líquido, e tal algutinante orgânico sendo termo-degradável, modelagem da pasta

moldável em uma pré-forma ventilada e fornecimento de um espaço de poro aberto para ser infiltrado pelo metal ou liga;

- evaporação de tal agente umectante e cozimento de tal pré-forma a uma temperatura suficiente para degradar o aglutinante orgânico, e criar uma rede interconectada de porosidade aberta na pré-forma, - preenchimento de tal espaço de

poros aberto com um metal líquido ou uma liga de metal.

O processo vantajosamente usa uma pasta ou massa moldável contendo um material refratário, preferivelmente molhado em água e solúvel em água, fino, e um aglutinante orgânico, preferivelmente, formando um material carbonizável para ajudar a ligação. Esta pasta ou massa pode ser formada usando muitos métodos possíveis, 25 incluindo, por exemplo, técnicas de modelagem da massa da indústria de alimentos ou métodos de formação livre tridimensional controlada por computador, na forma e tamanho desejados dos artigos de metal porosos. Em seguida, é cozido para endurecer enquanto mantém esta forma. Isso o torna adequado para uso como um retentor de espaço solúvel a ser colocado em um molde para o metal da fundição. Por exemplo, a 30 massa pode ser moldada em várias pequenas esferas de um tamanho controlado, que são então combinadas por embalagem simples em uma pré-forma com a porosidade de fração de volume correto e tamanho do poro. O detentor do espaço ou pré-forma é então aquecida no ar para provocar o endurecimento do material de modelagem, com um tratamento térmico adicional para remover as substâncias voláteis que seriam 35 introduzidas de outra forma na fundição e para reduzir a quantidade total da fase do aglutinante presente. Em seguida, é colocada em um molde e o metal é fundido, sob pressão, se oportuno, esta pressão permanecendo suficientemente pequena que os poros dentro da pasta ou massa cozida fazendo a pré-forma não são preenchidos com metal. Após a solidificação e trabalho à máquina (se necessário), a pré-forma é removida pelo contato com um solvente líquido, preferivelmente água, para deixar um artigo de 5 metal contendo 40% ou mais em volume de porosidade interconectada. A natureza do retentor de espaço produzido pela presente invenção provoca uma melhoria significativa na velocidade desta última operação por uma combinação do tamanho do grânulo constituinte fina, molhabilidade da água e porosidade interconectada do material do retentor de espaço divulgado aqui. Outro líquido que não a água (por exemplo, álcool ou 10 outros solventes) poderia ser utilizado. O solvente e o material granular podem ser escolhidos de modo que o material granular seja bem molhado pelo solvente.

De acordo com uma característica particular, o tamanho dos poros abertos dentro do material da pré-forma é mais fino por um fator igual ou superior a três comparado ao tal espaço de poro aberto.

De acordo com uma característica especial, a pré-forma ventilada é colocada em

um molde e, posteriormente tal espaço de poro aberto é preenchido, preferivelmente por um método de baixa pressão, com o metal líquido ou uma liga de metal, por exemplo, alumínio ou uma de suas ligas, e depois da solidificação do metal ou liga, todo o material da pré-forma é lavado do metal solidificado ou liga solidificada por lavagem com um 20 solvente líquido, como a água. Com tal método, uma espuma metálica tendo tamanhos de poros maiores que 1 mm pode ser obtida com um alto grau de controle. Acima deste tamanho com os métodos convencionais, as partículas de sal tendem a rachar ao invés de deformar durante o estágio de compactação da pré-forma, o que torna difícil controlar o formato do poro ou fração de volume do poro. O aglutinante orgânico e o agente 25 umectante superam essa limitação dos métodos convencionais.

De acordo com outra característica, a massa moldável, essencialmente, consiste em partículas de NaCI solúveis e um aglutinante contendo carbono. Carboidratos, preferivelmente uma mistura de farinha de grão moído são compostos exemplares para o aglutinante. A pasta, incluindo tais partículas de NaCI ou material granular similar que 30 pode suportar o contato com o metal fundido durante a fundição pode ser moldada, que é outra vantagem importante da presente invenção.

Partículas de sal podem ser moídas ao diâmetro inferior a 150 pm mas, usando este método, as partículas da pasta maiores podem ser usadas para produzir pré-formas maiores (tendo dimensões de alguns centímetros ou mais).

No processo divulgado aqui, artigos de metal de alta porosidade podem ser

obtidos após a dissolução do material da pré-forma. Tempos de dissolução são muito curtos no processo atual em comparação com os processos convencionais, onde o processo de lixiviação é limitado em taxa pela difusão em distâncias da ordem de vários diâmetros do poro.

A razão pela qual a dissolução pode ser obtida tão rapidamente (em vez de vários dias com os métodos convencionais por pedaços de uns poucos centímetros de largura) é a porosidade interna do corpo cozido da pré-forma. Essa porosidade interna é criada pela evaporação do agente umectante e/ou pela pirólise do aglutinante. A evaporação e pirólise podem ser realizadas através de um tratamento térmico, normalmente a temperaturas de 400-500°C para pré-formas concebidas para produzir alumínio altamente poroso. O aglutinante orgânico, por exemplo, um componente de farinha, torna-se pirolisado e grande parte do carbono remanescente é removido pela reação com o oxigênio. Isso deixa para trás uma pré-forma de sal moldada, que contém muitos poros finos. De acordo com outra característica, a mistura para obter tal pasta moldável contém 5-20% em peso do aglutinante orgânico, 50-80% em peso do material granular e 15-25% em peso de água como agente umectante. Tal composição é adaptada para facilitar a modelagem de um material de pré-forma e aumentar a taxa de remoção da pré-forma por dissolução.

De acordo com outra característica, a evaporação compreende o aquecimento da pasta por 1-5 horas em pelo menos uma temperatura entre IOO0C e 500°C para causar o endurecimento. A pré-forma pode ser aquecida a 100-200°C primeiro, após o que a pré- forma endurecida é aquecida a 400-500°C por até um máximo de 16 horas para reduzir os resíduos de carbono remanescentes do aglutinante.

De acordo com outra característica, a modelagem compreende a modelagem da massa moldável em esferas discretas que são pressionadas em conjunto para produzir tal pré-forma ventilada. Alternativamente, a pasta moldável pode ser moldada em cilindros discretos ou outras formas apropriadas que são pressionadas em conjunto para produzir tal pré-forma ventilada.

De acordo com outra característica o metal altamente poroso produzida pela presente invenção é combinado com pelo menos um material de gerenciamento térmico de mudança de fase, por exemplo, parafina. O material composto resultante combina boa condutividade térmica (devido ao metal poroso) com uma alta capacidade de armazenamento térmico (devido ao material de mudança de fase) e pode ser útil em aplicações de gerenciamento térmico.

Mais genericamente, o artigo de metal poroso pode ser usado para muitas aplicações, tais como filtragem, troca de calor, aplicações acústicas (na absorção do som, por exemplo), catálise (como materiais de suporte de catalisador), ou uma combinação dos mesmos. Dutos ou componentes semelhantes também podem ser alojados no artigo de metal poroso.

De acordo com outro recurso, um artigo de metal poroso produzido de acordo com o processo é perfeitamente combinado com um artigo de metal denso, simplesmente pela 5 fundição do metal em um molde que deixa o espaço aberto próximo à pré-forma preparada de acordo com o presente método. A fundição resultante, em seguida, apresenta duas regiões, uma densa e uma altamente porosa, perfeitamente ligadas, o que garante maior resistência e maior condutividade na interface entre os materiais porosos e densos. Tais características podem ser de grande vantagem, por exemplo, 10 aplicações de transferência de calor dos materiais produzidos pela presente invenção.

As modalidades da presente invenção fornecem ainda uma pré-forma adequada para a produção de um artigo de metal ou liga contendo pelo menos 10% de porosidade interconectada, caracterizada por compreender: um corpo cozido contendo espaços ocos e, essencialmente, compreendendo partículas de um material granular e um aglutinante 15 contendo carbono, tal corpo cozido sendo solúvel em água, uma primeira porosidade aberta definida pelos espaços ocos do tal corpo e concebida para ser infiltrada com um metal líquido ou liga de metal, e uma segunda porosidade aberta correspondendo a uma rede de espaços finos entre partículas do corpo adjacentes fazendo a pré-forma e concebida para ser preenchida com água.

Através da utilização de um aglutinante contendo carbono adequado, a pré-forma

pode ser facilmente moldada de forma a obter um artigo de metal ou liga contendo um nível elevado de porosidade interconectada. Além disso, a presente porosidade aberta fina no interior do corpo cozido torna a operação de lixiviação muito mais rápida.

De acordo com outra característica, os espaços de maiores espaços interpartículas no corpo são da ordem de 100 pm. Dessa forma, a porosidade aberta fina não é infiltrada em todas pelo metal ou liga fundida.

A invenção também fornece um artigo de metal altamente poroso contendo espaços ocos, de formato definida regular produzido pelo metal fundido de fundição em um molde, produzido usando tal processo, que se caracteriza pelo fato de que os poros 30 têm um diâmetro de 3-7 mm e a porosidade representa 60-95% do volume do artigo. Um artigo poroso tendo tais poros não pode ser facilmente obtido com métodos convencionais, porque as partículas de sal grandes são muitas vezes irregulares na forma e racham quando pressionadas juntas, em vez da deformação, e assim produzem poros com pequenas janelas somente entre eles. Além disso, artigos de grandes 35 tamanhos podem ser obtidos com tal porosidade aberta. Por exemplo, um artigo com comprimento L>5cm e outra dimensão característica D>4 cm pode ser produzido (D pode ser o diâmetro ou o lado mais longo de uma seção) . Artigos metálicos porosos de tais dimensões e contendo espaços ocos de formato regular definida não podem ser produzidos industrialmente com os métodos convencionais, devido à dificuldade em controlar o formato dos poros e também o longo tempo que é então necessário para a 5 etapa de dissolução. Outras características e vantagens da invenção se tornarão visíveis para aqueles versados na técnica durante a descrição seguinte, dada por meio de exemplos não-limitantes, com referência aos desenhos anexos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

FIG. 1 é um diagrama esquemático de um processo exemplar de acordo com a invenção;

FIG. 2 é uma imagem de microscópio eletrônico de varredura de uma secção transversal através de uma esfera produzida pelo processo, após o tratamento térmico,

FIG. 3 apresenta uma série de imagens ilustrando o colapso rápido de uma esfera de diâmetro de 5 mm de porosidade, como mostrado na figura 2, quando introduzida em um béquer de água de torneira a temperatura ambiente.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Em várias figuras, as mesmas referências são usadas para designar elementos idênticos ou semelhantes.

A presente invenção trata de um método de fundição de um artigo de metal poroso 10. Com referência à Fig. 1, o processo é realizado usando uma pré-forma 11, que define o formato e distribuição espacial da porosidade interna 12. A fim de que o tamanho e formato dos poros do material sejam bem controlados, esse processo precisa que a pré-forma 11 seja feita a partir de uma pasta 20 ou massa que, depois da formação adequada 21 e tratamento térmico (22a, 22b), deixa para trás um padrão refratário com resistência mecânica suficiente e inércia química a altas temperaturas para resistir ao contato com o metal fundido 23 durante a fundição, e uma rede de poro interna interconectada que, combinada com a boa molhabilidade e solubilidade em água, faz com que esta dissolva rapidamente. A velocidade desta última etapa é significativamente aumentada em relação a outros retentores de espaço solúveis pelo fato de que a pré- forma 11 também contém uma rede muito mais fina de porosidade interconectada e é molhada pelo solvente 24, que é, portanto, rapidamente projetado por forças capilares na pré-forma 11. Isso faz com que a fase solúvel para dissolver rapidamente no solvente 24, de tal forma que a pré-forma 11 se colapsasse logo depois.

A pasta 20 será feita a partir de partículas 25 de um material refratário solúvel em um solvente adequado 24, uma pequena quantidade deste solvente 24 e um aditivo orgânico 26 para auxiliar a formação da pasta. A quantidade de solvente a 24 pode ser inferior a 20% vol, e ainda menor que 5%. O aditivo orgânico 26 pode conter o solvente 24. As partículas refratárias 25 podem ser, entre outras, NaCI1 NaAIO2, AI2(SO4)3, Bas, K2SO4 ou Na2S. O sal é preferivelmente o componente principal da massa 20. O solvente é 24, na modalidade preferida, a água, mas muitos outros líquidos podem ser utilizados.

Ainda na modalidade preferida, o aditivo orgânico 26 pode ser farinha de grão de trigo moída, xarope ou outros materiais, incluindo farinhas derivadas de outras plantas. O aditivo orgânico 26 é termo-degradável e forma um aglutinante facilitando a formação 21. Bolas B tendo um diâmetro superior a 5 mm podem ser montadas para construir a pré- forma. A pasta 20 pode em particular ser utilizada para fazer as esferas ou bolas B que 10 podem ser montadas em uma pré-forma de uma espuma metálica relativamente "clássica", ou outros formatos, como os cilindros, que podem ser construídos em pré- formas alinhadas para produzir materiais porosos tendo poros alongados com direções preferenciais para o transporte de líquidos ou de calor - muitos outros formatos de poros são, naturalmente possível. Sendo pastosa, a pré-forma 11 pode ser ainda comprimida 15 de forma a diminuir a fração de metal ou da liga e/ou abrir as janelas que ligam poros individuais no artigo final 10. Essa flexibilidade com relação ao tamanho do poro e formato é uma vantagem importante deste processo.

Na modalidade exemplar da Fig. 1, a fabricação de espumas de alumínio é realizada utilizando uma mistura de NaCI, água e farinha de grãos, os componentes principais da pré-forma 11.0 solvente 24 usado como um agente umectante é evaporado durante o tratamento térmico (22a, 22b). Preferencialmente, o agente umectante tem um ponto de ebulição na faixa de 50-1OO0C.

A fim de fazer uma pasta ou massa 20 moldável, partículas 25 de NaCI moído ou outro material granular adequado são misturados com o aditivo orgânico 26, como farinha de grão moído e solvente 24, geralmente água; normalmente a farinha de trigo grau confeiteiro é adequada. Como mostrado na Fig. 1, esta pasta 20 é formada então por qualquer operação adequada para modelagem da massa, por exemplo, laminação, extrusão, corte ou outras operações de modelagem, para a forma desejada para a porosidade 12 no pedaço final. Um tratamento térmico 22a transforma a pasta 20 em um sólido que pode ser tratado, e o tratamento térmico 22b reduz a quantidade de aglutinante remanescente e endurece-o, deixando uma pré-forma porosa solúvel 11 com força suficiente para resistir às forças exercidas durante a fundição e suficientemente inerte em contato com o metal fundido para reter sua integridade durante a operação de fundição, e contendo uma segunda rede de porosidade interna que é deixado para trás pela água e o aglutinante (por exemplo, farinha). O tratamento térmico adicional 22b é feito a temperaturas mais elevadas (em uma modalidade não limitante: 400-500°C) após as partes moldadas terem perdido a sua água ou solvente similar 24. O aditivo orgânico 26, por exemplo, componente de farinha, torna-se então pirolisado e a maioria do carbono remanescente é removido pela reação com o oxigênio. Isso deixa para trás uma pré-forma de sal moldada 11, contendo muitos poros finos. A infiltração 27 do alumínio 5 fundido ou liga na pré-forma 11 pode ser feita pela fundição por gravidade, se os espaços 28 a serem infiltrados forem suficientemente grandes, se não com o auxílio de uma pressão aplicada em qualquer um dos vários processos de fundição por pressão, tal pressão aplicada permanecendo suficientemente baixa que os poros mais finos na pré- forma não são infiltradas com metal (infiltração por pressão de gás, fundição em 10 molde,...). Dessa forma, o volume do metal infiltrado (23) não é superior ao volume total definido pelos espaços 28 entre as bolas B. A infiltração 27 pode ser realizada para obter a igualdade entre estes dois volumes. Tal volume total pode ser estimado anteriormente, para adaptar-se então a pressão a ser aplicada durante a infiltração 27.

Depois do metal ou liga ser solidificado a pré-forma 11 pode ser rapidamente 15 removida por imersão do pedaço 30 em água: a água, então, penetra nos poros mais finos da pré-forma 11, dissolvendo seus componentes solúveis, que provoca por sua vez o colapso rápido da pré-forma 11 deixando um artigo de metal 10 com porosidade 12 definida pelo formato original da pré-forma 11. Antes da lixiviação 31, um trabalho à máquina opcional pode ser realizado, como mostrado na Fig. 1. De fato, uma vez que o 20 metal ou liga tiver solidificado dentro de poros maiores da pré-forma 11, uma etapa de trabalho à máquina 40 pode ser realizada, se necessário (embora o processamento “near net-shape” seja possível), seguida pela dissolução em água.

Deve-se compreender que a pré-forma 11 pode ser infiltrada com metal fundido 23 como o alumínio ou qualquer outro material/liga tendo ponto de fusão inferior ao das partículas refratárias 25 (para NaCI, 8010C). Um controle da pressão de infiltração é realizado para que os espaços abertos 28 entre as partes de sal feitos a partir da pasta estão infiltrados, mas não os buracos finos remanescentes dentro do material da pré- forma em si. A análise simples de imagens SEM (imagens de Microscópio Eletrônico de Varredura) de secções transversais através de estruturas de sal feitas usando esse método, como o mostrado na Fig. 2, indica que as partículas refratárias 25 ocupam cerca de 60% do volume (como seria de se esperar, a priori) e os espaços interpartículas maiores são da ordem de 100 μηη. Como o alumínio não molha o sal, a não infiltração do material da pré-forma é realmente relativamente fácil, já que os espaços maiores 28 serão preenchidos com metal, a uma pressão aplicada significativamente menor do os poros finos na pré-forma 11 tratada com calor. Os espaços 28 projetados para serem infiltrados com metal fundido 23 são suficientemente grandes, normalmente, pelo menos, superior a 0,3 mm e preferivelmente superior a 0,6 mm, se um material poroso com poros de 3mm de diâmetro ou acima está para ser produzido.

A lixiviação 31 é executada rapidamente por causa da infiltração do solvente 24 na segunda rede de porosidade interna. Esta é uma vantagem adicional do processo. Todos ou parte das pré-formas cozidas podem ser facilmente Iixiviadas através da rede de poros finos mostrada na Fig. 2.

FIG. 3 apresenta uma série de imagens de uma esfera de 5 mm de diâmetro 41 do sal feito de acordo com a modalidade mostrada na figura 1. A esfera 41 é solta em um béquer 42 de água de torneira a temperatura ambiente. Como visto, o tempo entre a imersão e o colapso completo da esfera 41 é inferior a 15 segundos. Um grão de sal sólido de mesmo tamanho não seria dissolvido tão rapidamente: o tempo necessário para que um grão de 5 mm diâmetro de sal sólido se dissolva é maior do que uma ordem de grandeza. Bem como esta diferença na velocidade de dissolução, uma observação interessante é que as estruturas do sal feitas por esse processo entrará em colapso mesmo quando imersas em uma solução de sal saturada, apenas levemente mais lento do que com água destilada.

Parte da explicação para essa diferença é a porosidade fina que é deixada na pré- forma 11 feita pela rota da massa. Na modalidade exemplar, estes poros permanecem quando primeiro a água, e então a maioria da farinha são expulsos pelo tratamento térmico (22a, 22b). Quando a pré-forma 11 é posteriormente colocada em contato com a água, a água molha o sal e é arrastada para esses poros finos por capilaridade, e é assim rapidamente tomada ao longo da pré-forma 11. A dissolução seria a mesmo com qualquer solvente tendo propriedades semelhantes em relação às partículas refratárias da pasta 20. Outra parte da explicação pode ser relacionada ao colapso da pré-forma

11, mesmo em solução de sal saturada, o que mostra que não é puramente a dissolução dos pontos de contato entre os grão de sal que leva a pré-forma a colapsar (embora esta provavelmente desempenhe um papel). Pelo contrário, a água tem um ângulo diedral muito baixo com sal, e assim "corta" a maioria das fronteiras de grão de sal levando ao colapso da pré-forma. O aumento na velocidade de remoção da pré-forma permitida por este colapso no sal sólido (que exige a dissolução completa) é uma vantagem significativa do processo.

Embora uma avaliação detalhada do impacto ambiental do processo em escala industrial ainda não tenha sido realizado, a priori, também deve ser atraente a este respeito. Todos os ingredientes da pré-forma 11 podem ser naturais: água, sal e farinha na modalidade da Fig. 1. Já que a pressão parcial do sal em temperaturas de cozimento seja muito baixa (um valor de 1.5X1 CT22 Pa é uma estimativa razoável), deve ser fácil evitar a libertação para a atmosfera. Os estágios finais de cozimento, nos quais a farinha é pirolisada, causam algumas emissões, no entanto, estas são não tóxicas e susceptíveis a serem fáceis de filtrar (essencialmente, estas são as que saem quando alguém queima uma torrada). E já que a lixiviação 31 pode ser realizado na água sem qualquer adição, 5 resulta na liberação de nada mais do que NaCI. Isso não deve ser problemático para as zonas costeiras, e para sistemas fechados de produção interna onde poderiam ser projetados onde a ebulição da água recuperada do sal para reutilização após uma etapa de esmaga006Dento. A presente invenção é ilustrada ainda abaixo usando exemplos específicos de sua utilização, há, claro, ilustrações e muitas variações da invenção básica 10 que podem ser concebidas.

EXEMPLO 1

15,2 g de farinha de trigo moída foram misturados com 30g (30 ml) de água para formar uma pasta fina. À esta pasta 108.2g de partículas de NaCI moídas (todas abaixo de 150 μιτι de diâmetro) foram progressivamente misturados. Isso mudou a mistura para uma pasta dura 20 que poderiam ser facilmente moldada. A pasta 20 foi moldada (à mão) em uma etapa de modelagem 21 em esferas ou bolas B de cerca de 6 mm de diâmetro, que foram, então, enroladas em uma pequena quantidade de sal para secá-las ainda mais e reduzir a mudança do formato pela deformação da pasta antes da cura. As esferas foram acondicionadas em um molde revestido com sal M1 de 30 mm de diâmetro e 70 mm de altura, e deixadas por 2 horas para secar. O molde M1 foi então aquecido a 200°C por 2 horas, após as quais as esferas foram observadas por terem se transformado em marrons ou pretas, a temperatura foi então aumentada a 500°C. Depois de 16 horas nesta temperatura as esferas foram observadas por terem se tornado cinzas/brancas, e as pré-formas 11 como um todo poderiam ser removidas do molde M1. A pré-forma 11 foi colocada em outro molde M2 com um lingote de liga de AI-12SÍ (composição eutética) na parte de cima. Esta foi aquecida a 600°C, sob vácuo, de modo que o metal fundido 23 formou uma cabeça líquida de cerca de 15 cm acima da pré- forma 11, causando infiltração 27. Após a solidificação o metal denso em excesso foi removido, e a parte com a pré-forma 11 foi colocada sob uma torneira de água corrente. Após 20 segundos, o artigo 10 foi retirado da água e seco, e a pré-forma 11 foi encontrada por ter sido dissolvida e lavada completamente.

EXEMPLO 2

15. 15,1g de farinha de grãos de trigo moídos foram misturados com 30.3g de água. À esta mistura, 103.8g de sal foram adicionados para formar uma pasta lisa 20. A pasta 20 foi moldada em esferas ou bolas B de cerca de 7 mm de diâmetro, que foram, então, enroladas em uma pequena quantidade de sal para secá-las ainda mais e reduzir a mudança do formato por deformação da pasta 20, antes da secagem. As esferas foram acondicionadas em um molde revestido de sal M1 de 30 mm de diâmetro e 70 mm de altura, com um tubo de liga de Al 6060 de 8 mm de diâmetro, colocado verticalmente atravessando o centro da pré-forma. A pré-forma foi seca a 70°C por 3 horas, e foi, então, 5 aquecido a 200°C por 16 horas, após as quais as esferas foram observadas por terem ficado negras e a temperatura foi aumentada para 400°C por mais 4 horas até que as esferas fossem observadas por terem virado cinzas/brancas. A pré-forma 11 foi então retirada do molde M1. O retentor de espaço do tubo de alumínio foi removido e limpo, e selado nas extremidades antes de ser substituído, e a pré-forma 11 foi colocada em um 10 cadinho formando o molde M2 e aquecido a 600°C no ar. A liga de AI-12SÍ fundida 23 a 600°C foi derramada no molde M2, formando uma cabeça líquida de cerca de 20 cm acima da pré-forma 11. Após a solidificação o metal denso em excesso foi removido, e a parte com a pré-forma 11 cortada em fatias de 5 mm de espessura. Várias dessas fatias foram colocadas sob uma torneira de água corrente. Após 10 segundos elas foram 15 retiradas da água e secas, e a pré-forma 11 foi encontrada por ter dissolvido, deixando uma estrutura de espuma de metal de células abertas ao redor de um tubo.

EXEMPLO 3

8.03g de farinha de grãos de trigo moída foram misturados com 20.47g de água e a esta mistura 88.76g de NaCI moído foram adicionados para formar uma pasta lisa 20. A pasta 20 foi formada em esferas ou bolas B de cerca de 6 mm de diâmetro, e estas foram colocadas em um molde M1. A pré-forma foi aquecida a 200°C por 2 horas. A temperatura foi aumentada para 500°C e a pré-forma foi deixada por um período de 16 horas. A pré-forma 11 foi então colocada em um cadinho formando o molde M2 debaixo de um lingote de 99,99% de alumínio puro. Esta foi aquecida sob vácuo a 710°C e, uma vez que o metal 23 foi derretido, 20 mbar de argônio foi permitido dentro do forno, causando infiltração da pré-forma 11 pelo metal 23. Após o resfriamento o metal denso em excesso foi cortado da pré-forma 11 deixando um cilindro de 36 mm de diâmetro e 28 mm de altura. O pedaço da amostra 30 foi então colocado sob uma torneira de água corrente. Após 45 segundos, foi examinado e todo o material da pré-forma foi encontrado para ser removido. A medição da massa permitiu que a porosidade fosse calculada a 78%.

EXEMPLO 4

Duas pastas 20 diferentes foram preparadas. A pasta n° 1 foi preparada com relativamente pouco sal, primeiro pela mistura de 18,8 g de farinha de trigo moída com 20,9 g de água. A esta mistura 54g de sal foram misturados. Esta pasta n° 1 foi muito fácil de moldar, e foi feita em esferas de aproximadamente 6 mm de diâmetro. A pasta n° 10

15

20

25

30

35

2 foi preparada com uma quantidade relativamente grande de sal, primeiro pela mistura de 6.2 g de farinha de trigo moída com 20.5g de água. A esta mistura, 99.1g de sal foram adicionados. A pasta produzida não sofreu grandes deformações sem ruptura. Foi feita também em esferas de cerca de 6 mm de diâmetro.

Ambos os tipos de esfera foram colocados em um forno a 200°C por 2,5 horas, quando a temperatura foi aumentada a 500°C por um período de 3 horas. As amostras foram deixadas a 500°C por 15 horas. Após o resfriamento, a força e a velocidade de dissolução das esferas foram examinadas. Esferas feitas usando a pasta n° (pouco sal) eram frágeis e poderiam ser facilmente esmagados pela mão. Quando colocadas em um béquer 42 de 200 ml de água elas quebraram-se em uma dispersão de partículas finas antes de chegarem ao fundo do béquer 42 (tendo um tempo de cerca de 1 segundo). As esferas feitas usando a pasta n° 2 (muito sal) eram significativamente mais fortes, e não poderiam ser esmagadas pela mão. Quando colocadas em um béquer 42 de 200 ml de água, as bolas B quebraram-se em partículas finas durante um período de 5 segundos.

EXEMPLO 5

8.03g de farinha de grãos de trigo moídos foram misturados com 20.86g de água. A esta mistura, 88.94g de sal foi adicionado para formar uma pasta lisa 20. A pasta foi moldada em esferas de cerca de 4 mm de diâmetro, que foram então colocadas em um molde M1 em torno de um tubo de diâmetro de 8 mm. Todo o molde M1 foi então colocado em um forno a 200°C por 3 horas, antes que o tubo fosse removido e a temperatura aumentou para 500°C. Depois de mais 4 horas, a esta temperatura, a pré- forma 11 foi removida do molde M1. Este exemplo demonstra que os tempos de tratamento térmico, não precisam ser tão longos como nos exemplos anteriores.

EXEMPLO 6

A pasta foi preparada usando NaAIO2 ao invés de NaCI. O aluminato de sódio é um sal muito solúvel em água e com um ponto de fusão de 1650°C, tornando-o adequado para a infiltração 27 com metais de ponto de fusão mais elevado 23, por exemplo, cobre. 4.06g de farinha de grãos de trigo moído foram misturados com 6.31 g de água. A esta mistura 15.98g de NaAIO2 foram adicionados. A pasta 20 formada foi muito fácil de moldar, e foi feita em esferas ou bolas B de diâmetro de cerca de 7 mm.

As esferas foram colocadas em um forno a 200°C por 1,5 horas, quando a temperatura foi aumentada para 400°C e mantidas por um período de 16 horas. A temperatura foi, então, aumentada ainda para 600°C por 8h e então a 800°C por 16h.

Após o resfriamento, a força e a velocidade de dissolução das esferas foram examinadas. As esferas foram encontradas por serem fortes o suficiente que esmagá-las a mão não era fácil. Quando colocadas em um béquer 42 de 200 ml de água da torneira, elas quebraram-se em partículas finas durante um período de 5-15 segundos.

EXEMPLO 7

A pasta foi preparada usando xarope de açúcar em vez de farinha de grãos de 5 trigo moída. 2.71 g de xarope de açúcar foram misturados com 1.55g de água. À esta mistura 16.98g de sal foram adicionados e misturados até a pasta 20 ser formada. A pasta 20 foi moldada em esferas de aproximadamente 4 mm de diâmetro, que foram aquecidas a 100°C por 2 horas e depois deixada durante a noite (aproximadamente 16 h) a 500°C. Quando colocadas em 200 ml de água à temperatura ambiente observou-se 10 que as esferas resultantes quebraram durante um período de 1-2 segundos.

Como é aparente a partir deste último exemplo, não é indispensável que o agente umectante (água neste caso) esteja fisicamente misturado ao aglutinante (xarope, neste caso) no processo, se os dois podem ser encontrados naturalmente combinados. Um xarope mais diluído poderia ter sido usado neste exemplo, como poderia um fluido 15 orgânico de viscosidade adequada já contendo um agente umectante que é posteriormente evaporado.

Como mostrado pelos exemplos acima mencionados, artigos de metal altamente porosos 10, também chamados de espumas metálicas, contendo espaços ocos, de formato definido podem ser obtidos pelo processo. Tais espumas metálicas são 20 interessantes para uma variedade de aplicações. Sendo de células abertas, eles têm maior probabilidade de encontrar usos em áreas onde há uma necessidade de algum transporte de calor entre um sólido (para o qual a espuma é colocada em contato íntimo) e um fluido (o qual atravessa os poros da espuma). Do ponto de vista da maximização do transporte térmico, é interessante notar que esse método pode produzir espumas de 25 pureza excepcionalmente elevada, como (i) não há nenhuma interação química ou liga entre a pré-forma (feita de NaCI mais resíduos a base de carbono de pirólise de farinha) e alumínio e (ii) não há necessidade de adicionar elementos de liga ou partículas de cerâmica ao metal para ajudar com a fundição ou estabilidade da espuma. A análise química da composição de uma amostra de laboratório de espuma feita utilizando matéria 30 prima de 99,99% de Al neste processo indicou que o teor dos elementos Ti, B, Fe, Si, Cu, Mn, Zn, Mg, Pb, Cr, Li, Ni, V, K, Sr e Zr foi cada abaixo do limite de detecção de 0,01% em peso (0,005% em peso, no caso do Li). Os únicos elementos metálicos presentes no alumínio em um nível mensurável foram Sn e Ca, dos quais havia apenas 0,01% em peso de cada um.

A substituição de sal com massa de sal pirolisada no processo de replicação,

portanto, abre novas possibilidades de tratamento e indica uma nova forma de fabricação de espumas de alumínio de células abertas a baixo custo. O processo apresenta grande flexibilidade no projeto de ambas as espuma e a arquitetura do componente. A presente invenção foi descrita em conexão com as configurações preferidas. Essas modalidades, no entanto, são meramente para exemplo e a invenção não é restrita aos mesmos. Será 5 compreendido por aqueles versados na técnica que outras variações e modificações podem ser facilmente feitas dentro do escopo da invenção, tal como definido pelas reivindicações anexas, portanto, a presente invenção só deve ser limitada pelas reivindicações seguintes.

Claims

1. Processo para produzir artigo de metal ou liga, contendo pelo menos 10% de porosidade interconectada (12), usando uma pré-forma (11), caracterizado pelo fato de que compreende: - misturar um aglutinante orgânico (26), um agente umectante e um material granular (25), para obter uma pasta moldável (20) que combina 10 por cento em volume ou mais do dito material granular (25), o dito material granular (25) dissolvendo facilmente em um solvente líquido (24), e o dito aglutinante orgânico (26) sendo termodegradável; - modelar a pasta moldável (20) em uma pré-forma ventilada e fornecer um espaço de poro aberto (28) a ser infiltrado pelo metal ou liga; - evaporar o dito agente umectante e cozinhar a dita pré-forma a uma temperatura suficiente para degradar o aglutinante orgânico (26) e criar uma rede de porosidade aberta interconectada na pré-forma (11); - preencher o dito espaço de poro aberto (28) com um metal líquido ou uma liga de metal (23).

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o tamanho dos poros abertos dentro do material de pré-forma é mais fino por um fator igual a ou maior do que três comparado com o dito espaço de poro aberto (28).

3. Processo, de acordo com reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a dita pré-forma ventilada é colocada em um molde (M2) e subsequentemente o dito espaço de poro aberto (28) é preenchido por um método de baixa pressão com o dito metal líquido ou a dita liga de metal (23), preferivelmente alumínio ou uma de suas ligas, e após uma solidificação do metal ou a liga, todo o material de pré-forma é lavado fora do metal solidificado ou a liga solidificada lavada com o solvente líquido (24).

4. Processo, de acordo com uma das reivindicações 1-3, caracterizado pelo fato de que a pasta moldável (20) consiste essencialmente em partículas solúveis de NaCI e um aglutinante contendo carbono.

5. Processo, de acordo com uma das reivindicações 1-4, caracterizado pelo fato de que o aglutinante (26) consiste essencialmente em carboidratos, preferivelmente uma mistura de farinha de grão moído.

6. Processo, de acordo com uma das reivindicações 1-5, caracterizado pelo fato de que o dito material granulado (25) consiste essencialmente nas partículas de sal que são moídas abaixo do diâmetro de 150 μιτι.

7. Processo, de acordo com uma das reivindicações 1-6, caracterizado pelo fato de que a mistura para obter a dita pasta moldável (20) contém de 5-20% em peso de aglutinante orgânico (26), 50-80% em peso de material granular (25) e 15-25% em peso de água como o agente umectante.

8. Processo, de acordo com uma das reivindicações 1-7, caracterizado pelo fato de que a dita evaporação compreende aquecer a pasta por 1-5 horas a pelo menos uma temperatura entre IOO0C e 500°C para causar o endurecimento.

9. Processo, de acordo com reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a pré-forma é aquecida a 100-200°C no início, após a pré-forma endurecida é aquecida a 400-500°C até umas 16 horas adicionais para reduzir o resíduo de carbono que permanece do aglutinante.

10. Processo, de acordo com uma das reivindicações 1-9, caracterizado pelo fato de que a dita modelagem compreende modelar a pasta moldável (20) nas esferas discretas (B) que são pressionadas juntas para produzir a dita pré-forma ventilada.

11. Processo, de acordo com uma das reivindicações 1-9, caracterizado pelo fato de que a dita modelagem compreende modelar a pasta moldável (20) nos cilindros discretos que são pressionados juntos para produzir a dita pré-forma ventilada.

12. Processo, de acordo com uma das reivindicações 1-9, caracterizado pelo fato de que um artigo de metal poroso (10) produzido de acordo com o processo é combinado com pelo menos um material de gerenciamento térmico de mudança de fase para criar um material composto.

13. Processo, de acordo com uma das reivindicações 1-9, caracterizado pelo fato de que um artigo de metal poroso (10) produzido de acordo com o processo é conectado sem emenda com um artigo de metal denso ou liga que seja moldado simultaneamente com o artigo de metal poroso (10).

14. Pré-forma, apropriada para produzir um artigo de metal ou liga contendo pelo menos 10% de porosidade interconectada, caracterizada pelo fato de que compreende: - um corpo cozido contendo os espaços ocos (28) e compreendendo essencialmente partículas de um material granular (25) e um aglutinante contendo carbono (26), o dito corpo cozido sendo solúvel em água, - uma primeira porosidade aberta definida pelos espaços ocos (28) do dito corpo e projetada para ser infiltrada com um metal líquido ou liga de metal (23); e - uma segunda porosidade aberta correspondendo a uma rede de espaços finos entre partículas adjacentes do corpo e projetada para ser preenchida com água.

15. Pré-forma, de acordo com a reivindicação 14, caracterizada pelo fato de que os espaços de interpartículas maiores no corpo são da ordem de 100 μιτι.

16. Artigo de metal altamente poroso, contendo espaços ocos de forma definida produzida por moldagem de metal fundido em um molde, usando o processo de uma das reivindicações 1-13, caracterizado pelo fato de que os pores têm um diâmetro de 3-7 mm e a porosidade (12) representa 60-95% do volume do artigo (10).