DE10131041A1

DE10131041A1 - Herstellung von Strukturen aus Metallschaum

Info

Publication number: DE10131041A1
Application number: DE10131041A
Authority: DE
Inventors: Oludele Olusegun Popoola; Ray Jahn; Robert Corbly Mccune
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2000-06-29
Filing date: 2001-06-29
Publication date: 2002-01-24
Anticipated expiration: 2021-06-30
Also published as: US6464933B1; GB0115168D0; GB2366298B; GB2366298A; DE10131041C2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Struktur aus aufgeschäumtem Metall unter Verwendung eines Pulvervorrats von Metallpartikeln, umfassend: DOLLAR A (a) Einleiten des Pulvervorrats zusammen mit Schaumbildnerpartikeln in ein Treibgas, um einen Strom aus Gas-Partikel-Gemisch zu bilden; DOLLAR A (b) Aufschleudern des Gemischstroms mit einer kritischen Geschwindigkeit von mindestens Schallgeschwindigkeit auf ein metallisches Substrat, um eine Auflage von pressgeschweißten Metallpartikeln, die den zugemischten Schaumbildner enthalten, zu erzeugen; und DOLLAR A (c) zumindest die Beschichtung des Substrats einem thermischen Durchlauf aussetzen, der bewirkt, dass eine Ausdehnung des Schaumbildners aktiviert wird, während die Metallpartikel unter dem Einfluss der sich ausdehnenden Gase zur plastischen Verformung weich gemacht werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Struktur aus aufgeschäumtem Metall unter Verwendung eines Pulvervorrats von Metallpartikeln.

Aufgeschäumte Metalle sind bis jetzt hergestellt worden, indem im wesentlichen dem geschmolzenen Metall eine gasentwickelnde Verbindung beigemischt und die Mischung anschließend erhitzt wurde, um diese Verbindung abzubauen, was das Ausdehnen des entwickelten Gases und Aufschäumen des geschmolzenen Metalls bewirkt (siehe US-Patente 3 940 262, 5 281 251, 5 622 542). Um das Beimischen der gasentwickelnden Verbindung in eine geschmolzene Metallmasse zu vermeiden, können feste Partikel des Metalls, die mit einer gasentwickelnden Verbindung gemischt sind, warm gepresst oder komprimiert und dann anschließend nahe der Schmelztemperatur des Metalls oder in den Bereich der Solidus-Liquidus-Linie des Metalls erhitzt werden, um eine Aufschäumung für eine zellartige Struktur zu erzeugen (siehe US- Patent 5 151 246). Das Gießen von geschmolzenem Metall um Körner herum, die dann herausgelöst eine poröse Struktur hinterlassen, ist ein weiteres Verfahren, um Metalle mit zellartigen Strukturen zu erzeugen.

Keine der oben genannten technischen Ausführungsarten ist mit der Bereitstellung eines vorgeformten Substrats mit einer Beschichtung aus aufgeschäumtem Metall vereinbar. Unter den technischen Ausführungsarten, die zur Erzielung von dicken Beschichtungen auf Metallteilen verwendet werden, befinden sich thermische Spritzbeschichtungen wie das Metallspritzverfahren mit Plasmastrahl oder Lichtbogen, das mehrere Nachteile hat:
Ungünstig hohe thermische und dynamische Wirkungen auf das Substrat; ungünstige Veränderung der physikalischen Eigenschaften der Beschichtung während des Spritzens; ungünstige Phasenumwandlung der aufgetragenen Partikel, Überhitzung des Substrats, mit der Folge des Verschleißes oder Blockierens der Spritzgeräte.

Dynamisches Spritzen von Metallen mit Kaltgas wurde vor kurzem in Russland eingeführt und ist in US-Patent 5 302 414 offenbart worden. Das Patent lehrt weder wie eine aufgeschäumte Struktur zu erzielen ist, noch werden geeignete Parameter gelehrt, um ein Verschweißen von Metallpartikeln entsprechend der Anforderung an das Aufschäumen von Metall zu erzielen.

Von daher liegt der Erfindung das Problem zugrunde, ein Spritzverfahren mit einer relativ niedrigen Temperatur bereit zu stellen, bei dem eine gute Verdichtung der aufgespritzten Metallpartikel erzielt wird und das eine Zusammensetzung aufweist, die das Aufschäumen unterstützt, um eine zellartige Auflage zu erzielen.

Das Problem wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen erfasst.

Das Verfahren gemäß der Erfindung erzeugt hier eine zellartige oder aufgeschäumte Metallstruktur, indem erstens eine Beschichtung aus kaltverdichteten Metallpartikeln, die einen Schaumbildner enthalten, auf ein geeignetes Substrat dadurch aufgetragen wird, dass diese Partikel mindestens mit Schallgeschwindigkeit aufgeschleudert werden, und zweitens die Beschichtung thermisch behandelt wird, um den Schaumbildner zu entgasen und die verschweißten Metallpartikel thermisch in einen kunststoffähnlichen Zustand, dadurch, dass die Temperatur etwas über der Schmelztemperatur des Metalls oder über der eutektischen Temperatur des Metalls liegt, falls es eine solche Legierung ist, umzuwandeln.

Damit wird eine neue Technologie der Herstellung von zellartigen Leichtmetallstrukturen und insbesondere die Verwendung von Kaltgas- Spritzverfahren, um solche metallische, zellartige Strukturen zu erzielen, vorgestellt.

In einer endgültigeren Ausführungsform ist die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer aufgeschäumten Metallstruktur, bei dem ein Vorrat von Metallpartikeln verwendet wird, umfassend:

a) Einleiten eines Vorrats von Partikeln aus Pulvermetall und Partikeln eines Schaumbildners in ein Treibgas, um eine Mischung aus Gas und Partikeln zu bilden;
b) Aufschleudern der Mischung mit einer kritischen Geschwindigkeit von mindestens Schallgeschwindigkeit oder darüber auf ein metallisches Substrat, um eine Auflage aus druckverdichteten Metallpartikeln zu erzeugen, die den beigemischten Schaumbildner enthalten; und
c) zumindest die Beschichtung auf dem Substrat einem thermischen Durchlauf aussetzen, der bewirkt, dass eine Ausdehnung des Schaumbildners aktiviert wird, während die Metallpartikel unter dem Einfluss der sich ausdehnenden Gase zur plastischen Verformung weich gemacht werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll mittels Zeichnung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein schematisches Ablaufdiagramm des erfinderischen Verfahrens, mit dem eine aufgeschleuderte Auflage von druckverdichteten Partikeln, die ein Ausdehnungsreaktionsmittel enthalten, erzielt wird;

Fig. 2 schematisch das Spritzgerät, das bei einem Verfahren gemäß Fig. 1 verwendet wird;

Fig. 3 eine vergrößerte, schematische Darstellung von Partikeln aus Metall und Schaumbildnern, die auf ein Substrat aufprallen und dort eine druckverdichtete oder verschweißte Auflage erzeugen;

Fig. 4 eine schematische Ansicht der Auflage, die einer thermischen Behandlung unterzogen wird, und die Verwendung einer Wärmesenke;

Fig. 5 eine Ansicht der Auflage in Fig. 3 nach der thermischen Behandlung, um den Schaumbildner zu aktivieren und dadurch die zellartige Metallstruktur zu erzeugen;

Fig. 6 und 7 Ansichten von unterschiedlichen Produkten, die mit der Erfindung herstellbar sind; und

Fig. 8 eine grafische Darstellung, die das Verhältnis zwischen dem prozentualen Anteil der Partikelauflage als Funktion der Geschwindigkeit der Aufschleuderdüse für unterschiedliche Metalle zeigt.

Gemäß Fig. 1 beginnt das Verfahren mit der Einleitung einer Mischung aus Feststoffpartikeln 10 und einem Träger oder Treibgas 11 in die Vorkammer 12 (Eintritt) einer Überschalldüse 13 zum Aufschleudern der Mischung von Partikeln und Gas mit einer kritischen Geschwindigkeit, um eine pressgeschweißte Auflage 18 auf einem Substrat 19 zu erzielen. Die Feststoffpartikel 10 können aus einer Kombination von festen Metallpartikeln 14, dem Grundmassepulver, festen Partikeln 15 eines Schaumbildners und beliebigen Verstärkungsmitteln oder -partikeln 16 wie Si, SiC, TiC, SiO₂ oder Graphit gebildet sein, die getrennt beigemischt werden oder direkt in die Matrix der festen Metallpartikel einbezogen sind. Die Feststoffpartikel 10 werden in eine Teilchenmischer- und -dosier-Zuführvorrichtung 17 gegeben, in der, wie in Fig. 2 gezeigt ist, der Mischer die unterschiedlichen Partikel miteinander zu einer im allgemeinen homogenen Mischung 24 vermischt, wobei die Zuführvorrichtung eine zylindrische Trommel 20 mit Oberflächenvertiefungen 21 aufweist, die eine vorgegebene Menge der Mischung 24 aus festen Partikeln aufnimmt, um sie entsprechend einer Pulversteuereinrichtung 22 in die Vorkammer 12 der Düse zu übertragen. Die übertragenen Partikel werden mit dem Treibgas 11 in einem Verhältnis von Gas zu Partikeln von etwa 20 : 1 beigemischt. Durch Änderung des prozentualen Anteils von Komponenten und/ oder der Temperatur des Treibgases kann die Geschwindigkeit des Gasstrahls 23 und dadurch die Geschwindigkeit der Mischung 24 verändert werden. Wichtig ist die Geschwindigkeit der Mischung. Die Mischung muss mit einer kritischen Geschwindigkeit oder darüber aufgeschleudert werden, um eine druckverdichtete oder pressgeschweißte Auflage 18 zu erzielen.

Die "kritische Geschwindigkeit" wurde durch Fachleute des Kaltspritzverfahrens als die Partikelgeschwindigkeit definiert, bei der alle auf die Oberfläche des Substrats auftreffenden Partikel an der Oberfläche zur Bildung einer Beschichtung oder Auflage anhaften werden. Allgemein variiert die kritische Geschwindigkeit mit der Art des gespritzten Materials, der Partikelgröße des Materials und dem Zustand des Substrats.

Um sicherzustellen, dass die kritische Geschwindigkeit für einen speziellen Werkstoff erreicht wird, kann es vorteilhaft sein, wenn das Treibgas durch einen Erhitzer 25 auf eine Temperatur im Bereich von 300°C bis 600°C erhitzt wird und mit einem Druck von 689.10³ Nm^-2 bis 3445.10³ Nm^-2 in die Vorkammer 12 der Düse geleitet wird, um die kritische Geschwindigkeit der Mischung als Folge einer Ausdehnung des Gases und des Kühlens durch die Düsenverengung leichter zu erreichen. Eine solche Erhitzung kann durch Verwendung von dünnwandigen Rohren - in denen das Gas transportiert wird - im Erhitzer 25, einer beliebigen geeigneten Vorrichtung wie ein Heizkörper oder widerstandsbeheizte Metallelemente, durchgeführt werden. Es kann wünschenswert sein, in der Vorkammer der Düse 13 eine Membran 26 mit Öffnungen 27 zu nutzen, um die Eintrittsgeschwindigkeit des Gases anzugleichen.

Das Substrat 19 kann ein beliebiges Strukturmaterial sein, das den Drücken und Temperaturen der Auftragung der Partikel und der Wärmebehandlung standhalten kann. Das Substrat ist vorzugsweise aus Aluminium- oder Stahlblech zusammengesetzt. Die Metallpartikel 29 bestehen vorzugsweise aus einer Aluminium-Silizium-Legierung, die beispielsweise 6 bis 12 Gew.-% Si enthält, wegen der Fähigkeit, die Schmelztemperatur als Folge einer eutektischen Legierungsbildung zu reduzieren, wobei jedoch solche Metallpartikel als ein beliebiges Metall mit einem relativ niedrigen Schmelzpunkt wie Aluminium, Aluminium-Legierungen, Magnesium, Magnesium-Legierungen, Zink oder Bronze ausgewählt werden können, die alle den Schritt der Wärmebehandlung erleichtern. Die Metallpartikel haben wie gewünscht eine Partikelgröße im Bereich von 10 bis 40 µm, wobei es keine Partikel unterhalb von 10 µm gibt. Die Partikel des Schaumbildners bestehen vorzugsweise aus Titanhydrid, können jedoch andere gleichwertige Reaktionsmittel, die bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen thermisch zerfallen, wie Carbonate, Nitrate oder Sulfate, oder ein beliebiger von mehreren organischen Feststoffen sein, die bei Temperaturen verdampft werden, die im Verhältnis zum Schmelzpunkt des Metalls, das aufgeschäumt wird, niedrig sind. Der Träger oder das Treibgas werden ausgewählt, um eine geeignete kritische Geschwindigkeit für das aufzutragende Material und sein Substrat zu erzeugen. In vielen Fällen können kritische Geschwindigkeiten für leicht verformbare Metalle wie Aluminium und Kupfer mit Luft oder trockenem Stickstoff erzielt werden. Für härtere Metalle wie Eisen und Stahl können kritische Geschwindigkeiten nur durch Verwendung von entweder reinem Heliumgas mit einer höheren Schallgeschwindigkeit als Luft oder Stickstoff, oder von Mischungen mit normalerweise 50% Luft oder Stickstoff und 50% Helium erzielt werden. Die Vorwärmung und Druckbeaufschlagung der stromaufwärts gerichteten Zuführung von Gas erhöht die Gasgeschwindigkeit durch die sich verjüngende und erweiternde Düse, die verwendet wird, wobei dies im allgemeinen ein Mittel wird, um dem Teilchenstrom höhere Geschwindigkeiten zu verleihen.

Das Treibgas wird aus einer Druckversorgung 30 mit einem Druck von mindestens 2413.10³ Nm^-2 vorzugsweise 2553.10³ Nm^-2 2 bis 2760.10³Nm^-2 angesaugt. Das Treibgas wird vorzugsweise durch den Erhitzer 25 auf eine Temperatur von 149°C bis 260°C erhitzt, um auf höhere Überschallgeschwindigkeiten zu beschleunigen. An der Auslasskante 31 der Düse 13 liegt der Gasdurchsatz erwünscht im Bereich von 30 bis 40 Gramm/ Sekunde. Die Ausführung der Düse weist einen kritischen Verengungsbereich 32 auf, dem ein sich erweiternder Kanal 33 folgt, dessen Länge 34 wesentlich länger ist als irgendeine Querschnittsabmessung der Düse an der Auslasskante 31. Der Pulverdurchsatz durch die Düse liegt vorteilhafter Weise bei etwa 0,1-20 Gramm/Sekunde. Wichtig sind die Ausführung der Düse, die Abstandsentfernung und durch resultierende aerodynamische Widerstandskräfte mitgerissene beliebige Teilchen.

In den meisten Fällen werden kritische Geschwindigkeiten von praktisch verwendbaren Werkstoffen für die meisten Ausführungen von Treibgas und Düse im Überschallbereich liegen. Daten von Gilmore und anderen zeigen zum Beispiel, dass die kritische Geschwindigkeit für Kupferpartikel mit einem Durchmesser von 20 µm bei etwa 640 m/s liegt (D. L. Gilmore, R. C. Dykhuisen, R. A. Neiser, T. J. Roemer und M. F. Smith, Journal of Thermal Spray Technology, Band 8 [4], Seiten 576 bis 582, Dezember 1999). Schätzungen der kritischen Geschwindigkeit für zum Beispiel Aluminium scheinen über 1000 m/s zu liegen.

Dadurch, dass mit kritischen Geschwindigkeiten oder darüber Partikel auf ein Substrat geschleudert werden, bilden die Partikel eine Auflage 18 gemäß Fig. 3, wobei die Metallpartikel 24 sowohl gegen das Substrat 19 als auch gegeneinander plastisch verformt werden, wenn sie sich anlagern, indem der Schaumbildner im allgemeinen gleichmäßig homogen dazwischen eingeschlossen wird. Pressschweißen der Metallpartikel tritt als Folge von kinetischem Druck des Aufpralls und des Wärmeinhalts der Auflage auf Grund der Erhitzung durch ein beliebiges Treibgas und Energiezerstreuung bei physikalischem Aufprall auf.

Die Massenauflage oder Beschichtung muss anschließend einem thermischen Durchlauf ausgesetzt werden, der bewirkt, dass der Schaumbildner gemäß Fig. 5 aktiviert wird und sich ausdehnt. Die Metallpartikel, die miteinander pressgeschweißt worden sind, erzeugen abgedichtete Kammern um die zusammengemischten Schaumbildnerpartikel 28, so dass beim Erhitzen eines solchen Reaktionsmittels die entwickelten gasförmigen Produkte oder Blasen 38 aus dem Zerfall das umgebende Metall plastisch verformen werden, um Zellen 37 zu erzeugen. Das Erhitzen im thermischen Durchlauf zur Beeinflussung des Aufschäumens des Metalls kann durch Verwendung einer Strahlungsquelle, Mikrowelle oder Induktionsheizung oder äquivalenter Mittel durchgeführt werden. Die Temperatur, auf die die Metallpartikel und der Schaumbildner erhitzt werden, sollte ausreichend sein, z. B. oberhalb der eutektischen Temperatur für Legierungen, um das Metall leicht plastisch werden zu lassen. Für Aluminium-Silizium-Stoffe liegt diese bei etwa 577°C. Der thermische Durchlauf kann durch eine Zufuhr von Wärme in kurzen Impulsen im wesentlichen auf die Auflageschicht lokalisiert werden, so dass die Schicht einem höheren Wärmeinhalt ausgesetzt ist, um die Gase des Schaumbildners freizugeben, während das Substrat auf Grund der über der Auflage pulsierenden Wärme (siehe Fig. 6) auf einer niedrigeren Temperatur bleibt. Es kann Hochfrequenzerwärmung genutzt werden, um ein differentielles Erhitzen zu erzielen, das besonders nützlich ist, wenn die Metallstruktur aus Eisen/Aluminium besteht, die unterschiedliche Frequenzverhalten aufweisen. Eine Wärmezufuhr 40 in Impulsen von der Oberseite führt gemäß Fig. 4 zu einem Temperaturgradienten über der aufgeschäumten Metallstruktur und dem Substrat. Im Diagramm ist die Temperatur T der Metallpartikel MP über der Dicke Z der Auflage 18 qualitativ dargestellt.

Ein solcher Temperaturgradient kann auch verändert werden, indem eine Wärmesenke 42 mit der Rückseite 28 des Substrats in Kontakt gebracht wird. Das Erhitzen mit einem Konvektionsofen ist wegen einer fehlenden Steuerung der differentiellen Erwärmung zwischen der Beschichtung und dem Substrat, während außerdem mehr Energie verbraucht wird, kein wirksames Verfahren.

Die Schaumstruktur 39 kann auf einem einlagigen Blech mit einer aufgeschäumten metallischen Lage auf einer Seite ausgebildet werden, wobei die Bleche anschließend gegeneinander verbunden werden können, um eine Anordnung gemäß Fig. 7 zu erzeugen. Eine solche Schichtanordnung bewirkt gute Verbesserungen der Knickfestigkeit und Deformationsenergie für Fahrzeugkonstruktionen. Bessere Formen können auch gebildet werden, indem die Mischung nach dieser Erfindung in vorgeformte Gegenstände oder Kanäle 41 gemäß Fig. 8 kaltgespritzt wird. Solche Gegenstände oder Kanäle bieten ausgezeichnete Festigkeit und Aufnahmevermögen für Deformationsenergie mit viel geringerem Konstruktionsgewicht.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Struktur aus aufgeschäumtem Metall unter Verwendung eines Pulvervorrats von Metallpartikeln, umfassend:

a) Einleiten des Vorrats aus metallischen Pulverpartikeln zusammen mit Schaumbildnerpartikeln in ein Treibgas zur Bildung einer Gas/ Teilchenmischung;
b) Aufschleudern der Mischung mit mindestens einer kritischen Teilchengeschwindigkeit auf ein metallisches Substrat, um eine Auflage aus pressgeschweißten Metallpartikeln zu erzeugen, die diesen zugemischten Schaumbildner enthalten; und
c) gleichzeitiges oder nachfolgendes Aussetzen zumindest der Beschichtung auf dem Substrat einem thermischen Durchlauf, der bewirkt, dass eine Ausdehnung des Schaumbildners aktiviert wird, während die Metallpartikel unter dem Einfluss der sich ausdehnenden Gase zur plastischen Verformung weich gemacht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die kritische Teilchengeschwindigkeit im Bereich von 300 bis 1200 m/s liegt und ausreichend ist, um zumindest einen Wirkungsgrad der Partikelauflage von 80% zu erzielen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Metallpartikel ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Aluminium, Aluminium- Legierungen, Magnesium, Magnesium-Legierungen, Zink, Bronze und anderen Metallen der gleichen Klasse mit niedrigem Schmelzpunkt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Schaumbildner ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Titanhydrid, Calziumcarbonat und thermisch zersetzlichen Carbonaten, Nitraten, Sulfaten, die Zersetzungsgase entwickeln.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Treibgas ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Stickstoff, Luft und Helium oder Mischungen davon.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufschleudern mit einer Überschalldüse durchgeführt wird, die ein strahlförmiges Profil mit im allgemeinen rechteckförmigem Querschnitt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibgas auf eine Temperatur im Bereich von 149°C bis 260°C vorgewärmt und mit einem Druck von mindestens 2413.10³ Nm^-2 beaufschlagt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallpartikel und Schaumbildungspartikel einen Größenbereich von 10 bis 40 µm aufweisen.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchsatz der Metallpartikel und Schaumbildungspartikel, wenn sie aus der Düse austreten, im Bereich von 0,05-17 Gramm/Sekunde liegt.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Durchlauf durchgeführt wird, ohne die Temperatur des Substrats über 70°C zu erhöhen.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Durchlauf durch impulsweisen Einsatz von Wärmeenergie durchgeführt wird, um die Erhitzung auf das aufgetragene Material zu lokalisieren.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallpartikel aus Aluminium-Silizium sind, und der Schritt des thermischen Durchlaufs bei einer Oberflächentemperatur von 577°C ausgeführt wird.