WO2014191155A1 - Verfahren zum herstellen eines metallschaums sowie verfahren zum herstellen von für das vorgenannte verfahren geeigneten partikeln - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines metallschaums sowie verfahren zum herstellen von für das vorgenannte verfahren geeigneten partikeln Download PDF

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WO2014191155A1
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metal
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propellant
substrate
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Jens Dahl Jensen
Ralph Reiche
Daniel Reznik
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/02—Coating starting from inorganic powder by application of pressure only
    • C23C24/04—Impact or kinetic deposition of particles
    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22F3/1134—Inorganic fillers
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a metal foam, wherein the metal-containing particles are deposited together with a solid propellant-containing particles by cold gas injection as a layer on a substrate. Thereafter, the blowing agent is activated, wherein the pores of the metal foam form in the layer.
  • Akti ⁇ vation can be done for example by means of a heat treatment. The layer is heated to the point that the
  • Propellant from the solid into a gaseous state passes.
  • the associated pressure increase leads to the formation of pores in the metallic matrix.
  • the heat treatment is carried out in temperature ranges in which the metallic matrix is softened so far that the pores can form.
  • the invention relates to a method for producing coated particles.
  • the production of metal foams by cold gas spraying is known from US Pat. No. 6,464,933 B1 and US Pat. No. 7,402,277 B2.
  • particles are processed from the metal, which is to form the metallic matrix of the metal foam.
  • the ⁇ sem material are admixed particles of the blowing agent, which are deposited in the metallic matrix.
  • the rate of deposition of the blowing agent is as ⁇ by limited such that it is suitable for deposition by cold gas spraying regards its characteristics in principle limited.
  • the object of the invention is therefore to provide a method for producing a metal foam by cold gas spraying and a method for producing suitable particles for the method of cold gas spraying, with which metal foams are produced, their pore density and
  • Pore is variable over the largest possible range.
  • Blowing agent and a metallic shell can be used.
  • the metal-containing particles contain in particular exclusively metal.
  • the advantage of a mantle of the propellant with a metallic material is that these coated particles behave similar to the particles of a metal during processing.
  • the shells provide a reserve of ductility in terms of Ver ⁇ holding the jacketed particles available, so that the deformation of the shells in the forming layer ensures an improved installation of the particles.
  • concentrations of the particles containing the propellant can be adjusted between 0 and 100% (the percentage indication represents the numerical proportion of the particles).
  • Cold spraying is a method known per se, are preferably accelerated at the foreseen for the coating particles by means of a convergent-divergent nozzle onto Matterschallge ⁇ speed, so that they stick to the surface to be coated due to their impressed kinetic energy.
  • the kinetic energy of the particles Ener ⁇ is used, which leads to a plastic deformation thereof, whereby the coating particles are fused only on its surface upon impingement. Therefore, this method is referred to as cold gas spraying in comparison to other thermal spraying methods, because it is carried out at comparatively low temperatures at which the coating particles remain substantially fixed.
  • cold gas spraying which is also called kinetic spraying
  • using a cold gas spraying installation having a gas heating means to overheat He ⁇ a gas To the gas heater a stagnation chamber is connected, which is connected on the output side with the convergent-divergent nozzle, preferably a Laval nozzle.
  • Convergent-divergent nozzles have a merging section and a flared section connected by a nozzle throat. On the output side, the convergent-divergent nozzle generates a powder jet in the form of a gas stream with particles in it at high speed, preferably at supersonic speed.
  • the proportion of the propellant enthal ⁇ border particles can be advantageously selected very high.
  • less ductile materials can be inventively increase the range of variation of the possible proportion of the propellant-containing particles also, in which case a range of variation between 0 and 100% is not achieved.
  • the available ductile materials have diverse constructive Aufga ⁇ ben can be managed.
  • aluminum can be used to produce metal foams for lightweight construction. This metal has a low density anyway, but can be used by forming pores for the production of even lighter components. Copper and silver have beneficial ⁇ way a high thermal and electrical conductivity.
  • ⁇ se materials may thus for example be used as a heat exchanger material, the pores in the formation of the inner channel structures for the passage of a fluidically which is to be heated or cooled the suitable.
  • Iron and steel are common construction materials, which are also inexpensive.
  • ver ⁇ different design components can be produced, which can be improved by a Schierstoff in the formed pore systems, for example, the lubricating properties.
  • the material of the shell is equal to the material of the exclusively metal-containing particles.
  • a metal foam is generated, which forms a metallic matrix of only one metallic material.
  • the material of the shell is built into this metallic matrix, so to speak.
  • the material of the sheaths could also be a catalytically active material which is deposited into the pore surfaces while the metal foam is forming.
  • the exclusively metal-containing particles would only be the support framework for such a catalytic structure. This structure could be exploited catalytically in the formation of an open metal foam (to the production possibilities of open and closed metal foams in the following even more).
  • the material of the core is a metal hydride, in particular magnesium hydride or titanium hydride, or a carbonate, in particular calcium carbonate or magnesium carbonate.
  • a metal hydride in particular magnesium hydride or titanium hydride
  • a carbonate in particular calcium carbonate or magnesium carbonate.
  • the mixing ratio between the particles containing the blowing agent and exclusively metal-containing particles is varied during the coating.
  • different tasks of the trainees metal foam can take into account the ⁇ . It is possible to produce gradient layers with variable density of the pores. It is also possible that the density of the pores by properly adjusting the blend ratio in the ⁇ adjacent to the substrate interface layer, ie the layer portion, which lies directly on the substrate, and / or in the obe phytonahen boundary layer, so
  • Layer portion which is involved in the formation of the surface, only the metal-containing particles are processed.
  • This has the advantage that a pore-free surface of the layer can be generated and also a po ⁇ renarme boundary layer can be formed to the substrate.
  • the surface properties of the layer can be influenced in the desired manner and it is possible to maximize the adhesion between the layer and the substrate.
  • the density of the pores in the boundary layer adjacent to the substrate can be maximized by processing exclusively the particles containing the blowing agent. This causes in the training of the Metal foam the adhesion of the layer on the substrate is largely lifted ⁇ . After the metal foam has been produced, therefore, the layer can be detached from the substrate without problems.
  • the substrate provides its surface only as a basis for producing a discrete component in the form of the layer.
  • the layer becomes a self-supporting, independent component.
  • This may be a heat exchanger plate in ⁇ play, whose mass can be optimized before ⁇ part adhesive by peeling the substrate after manufacture of the metal tallschaums.
  • the metal foam is generated by following the coating on completion of which heat ⁇ treatment of the layer.
  • the first layer is completed and then performed a planteo ⁇ action, in which the metal foam.
  • the energy input of the cold gas spraying is therefore too low that it is insufficient to activate the blowing agent during the deposition of the layer.
  • This method is preferred for closed metal foams herzustel ⁇ len. Even with a large proportion of propellant-containing particles walls will form between the individual pores due to the deformation of the envelopes.
  • the energieein ⁇ contract during cold gas spraying and / or an energy input in the substrate are chosen so high that the particles containing the blowing agent are heated upon impinging on the substrate to a temperature above the reaction temperature of the blowing means.
  • the energy input during the cold gas fuel ⁇ zen can be increased for example by a pre-heating of the propellant gas. This is then transferred to the particles to varying degrees by a different residence time of the particles in the stagnation chamber, which is upstream of the cold spray nozzle. If the heat input into the particles containing the blowing agent and into the particles consisting solely of metal should be of different heights, it is possible to control the feed points of these particles. in the stagnation chamber at different distances to the cold spray nozzle.
  • Two different feed points for the particles containing the blowing agent as well as the exclusively metallic particles are in any case advantageous if the concentration of the particles containing the blowing agent is to be varied.
  • an independent feed of both types of particles of advantage since not powder with different mixing ratios ⁇ must be réelle sen.
  • the energy input into the substrate can be done, for example, by preheating the same. Another possibility is to achieve local heating of the substrate (and of the substrate provided with the layer under construction) by irradiating the point of impact of the cold gas jet with a laser beam.
  • the additional energy input means that the blowing agent is already activated when the particles containing the blowing agent strike the substrate.
  • the metal pores form as it were in situ and increase at the impact of these particles, the porosity of the substrate, so the formation of pores. In this case, since the pore formation occurs at the time of severe plastic deformation of the particles, the shells of the particles containing the blowing agent are destroyed during the reaction.
  • open-cell metal foams can be produced if the concentration of particles containing the blowing agent is chosen to be sufficiently high so that sufficient particles containing the blowing agent are deposited directly adjacent in the constituent layer and in this way ensures a connection of the forming pores with each other is.
  • the object is achieved by a procedural ⁇ ren for the preparation of the jacketed particles, which consists of cores are composed of a blowing agent, created by these cores are surrounded by sleeves made of a metal.
  • the coating of the cores with the Envelope be carried out by a current-free electrochemical process.
  • FIG. 2 to 9 different embodiments of the porous layers before and after each
  • FIG. 10 shows an embodiment of the erfindungsge ⁇ MAESSEN method for producing the coated particles.
  • a substrate 11 is coated by means of a cold spray system ⁇ 12th Only a stagnation chamber 13 and connected to the stagnation chamber convergent-divergent nozzle of the cold spray system are exempla ⁇ driven Darge 14 provides ⁇ .
  • the nozzle 14 generates a cold gas jet 15, with the particles 16 are deposited on the substrate 11, whereby the layer 17 is formed.
  • the substrate 11 is preheated by a heater 18.
  • a laser beam is directed at the impact site of the cold gas jet ⁇ 15 19 by means of a laser 21st
  • the carrier gas can be preheated in the Stag ⁇ tion chamber 13 by means of a heater 20.
  • the layer 17 is shown in section. It can be seen that on the substrate 11 particles 22, which are ⁇ finally made of a metal, as well as jacketed particles 23, which have a core 24 of a blowing agent and a shell of the metal, are deposited. After this Cold gas spraying of the layer, the coated substrate is subjected to a heat treatment in which the propellant of the cores 24 is activated. The layer result after the heat ⁇ treatment is shown in Figure 3. It can be seen that pores 26 have formed in the metallic matrix of the layer 17. This creates a metal foam.
  • the particles 23 containing the blowing agent are uniform over the entire length
  • pores can form an interface to the upper surface of the substrate ⁇ 11, as can be seen in the pore 26a. It is also possible that the pores are open to the surface 27 of the layer, as can be seen in the pore 26b.
  • the layer 17 in three stages makesschie ⁇ the.
  • a stage I only metallic particles 22 are deposited.
  • a stage II a mixture of the propellant-containing particles 23 and metallic particles 22 is deposited.
  • a stage III again only metallic particles 22 are deposited.
  • a layer 17 with pores 26, which are formed only in the interior of the layer, is formed in this way.
  • the surface 27 and an interface 28 to the substrate 11 are pore-free because of the deposition phases I and III.
  • the adhesion of the layer 17 to the substrate 11 is therefore not affected by the pores 26, just as the surface quality of the surface 27 of the layer 17.
  • propellant gas-containing particles 23 were deposited in such a low concentration that the pores 26 forming are self-contained, ie that these pores are completely separated from the matrix material Layer 17 are surrounded. This creates a
  • the layer 17 is separated into two phases I, II, which correspond to the phases I, II according to FIG.
  • the upper surface of the deposited ⁇ according to FIG 6 layer partially containing also by the propellant particles is dispensed to the phase III, 23availablebil is ⁇ det.
  • the particles, the propellant-containing gas are larger than the metal particles 22.
  • the openings of the pores 26 are partially also in the surface 27, so that an open-pore metal foam is formed in the layer 17, wherein the channels are accessible from the surface 27.
  • these pores for example, a liquid
  • the layer 17 thus represents an independent plate-shaped component after the heat treatment. This could for example be used as a heat exchanger plate. Phases II and IV lead to this plate-shaped component having a closed surface.
  • Gradient layer deposited in phase III causes an open-pored channel system to be formed inside the layer 17, which more or less results in a continuous cavity and columnar
  • This channel system could be used for the passage of a fluid which is to exchange heat with another fluid beyond the surfaces 27 of the layer 17.
  • a particle 23 is produced in a bath 30 by electroless deposition of the casing 25 on the core 24.
  • the electroless deposition of metals is known per se. For example, copper or nickel can be deposited electrolessly.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Metallschaums, bei dem Metall enthaltende Partikel (22) und Treibmittel enthaltende Partikel (23) durch Kaltgasspritzen abgeschieden werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine so ausgebildete Schicht (17) aus metallischen Partikeln (22) und Treibmittel (24) enthaltenden Partikeln (23) ausgebildet wird, wobei das Treibmittel den Kern gemantelter Partikel (23) bildet. Die Hülle (25) dieser Partikel ist ebenfalls metallisch, weswegen es einfacher ist, diese Partikel zusammen mit den metallischen Partikeln (22) abzuscheiden. Vorteilhaft kann daher eine höhere Konzentration an Treibmittel in der Schicht (17) erzeugt werden. Hierdurch entstehen vorteilhaft größere Möglichkeiten, die porösen Schichten mit geforderten Porenprofilen auszustatten. Außerdem betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung der Partikel mit einem Kern (24) aus Treibmittel und einer Hülle (25) aus Metall.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Herstellen eines Metallschaums sowie Verfahren zum Herstellen von für das vorgenannte Verfahren geeigneten Partikeln
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Metallschaums, bei dem Metall enthaltende Partikel zusammen mit ein festes Treibmittel enthaltenden Partikeln durch Kaltgas- spritzen als Schicht auf einen Substrat abgeschieden werden. Danach wird das Treibmittel aktiviert, wobei sich die Poren des Metallschaums in der Schicht ausbilden. Eine solche Akti¬ vierung kann beispielsweise mittels einer Wärmebehandlung erfolgen. Dabei wird die Schicht soweit erwärmt, dass das
Treibmittel vom festen in einen gasförmigen Zustand übergeht. Die damit verbundene Druckerhöhung führt zur Ausbildung von Poren in der metallischen Matrix. Die Wärmebehandlung wird in Temperaturbereichen durchgeführt, bei denen die metallische Matrix soweit erweicht ist, dass sich die Poren ausbilden können.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von gemantelten Partikeln. Die Herstellung von Metallschäumen durch Kaltgasspritzen ist aus der US 6,464,933 Bl sowie der US 7,402,277 B2 bekannt. Hierbei werden Partikel aus dem Metall verarbeitet, welches die metallische Matrix des Metallschaums ausbilden soll. Die¬ sem Material werden Partikel aus dem Treibmittel beigemischt, wobei diese in der metallischen Matrix abgeschieden werden. Allerdings ist die Rate der Abscheidung des Treibmittels da¬ durch begrenzt, dass dieses hinsichtlich seiner Eigenschaften grundsätzlich nur eingeschränkt zur Abscheidung durch Kaltgasspritzen geeignet ist. Es ist allgemein bekannt, dass spröde Werkstoffe, wie es sich bei den Materialien des Treib¬ mittels handelt, nur in einem derartigen Umfang in der durch die wesentlich duktileren metallischen Partikel gebildeten metallischen Matrix abgeschieden werden können, wie die Ver- formung der Partikel beim Auftreffen einen Einbau der spröderen Partikel erlaubt. Daher ist die Porendichte bei der Ab- scheidung der Partikel des Treibmittels begrenzt. Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zum Herstellen eines Metallschaums durch Kaltgasspritzen sowie ein Verfahren zur Herstellung von geeigneten Partikeln für das Verfahren des Kaltgasspritzens anzugeben, mit denen Metallschäume hergestellt werden, deren Porendichte und
Porenart über ein möglichst großes Spektrum variierbar ist.
Diese Aufgabe wird mit dem eingangs genannten Verfahren er¬ findungsgemäß dadurch gelöst, dass die Treibmittel enthalten¬ den Partikel gemantelte Partikel mit einem Kern aus dem
Treibmittel und einer metallischen Hülle verwendet werden.
Diese können dann zusammen mit den Metall enthaltenden Partikeln abgeschieden werden, wobei die Metall enthaltenden Partikel insbesondere ausschließlich Metall enthalten. Der Vorteil einer Mantelung des Treibmittels mit einem metallischen Material liegt darin, dass sich diese gemantelten Partikel bei der Verarbeitung ähnlich den Partikeln aus einem Metall verhalten. Beim Aufschlagen der gemantelten Partikel stellen die Hüllen eine Reserve an Duktilität hinsichtlich des Ver¬ haltens der gemantelten Partikel zur Verfügung, so dass die Verformung der Hüllen einen verbesserten Einbau der Partikel in die sich ausbildende Schicht gewährleistet. Dies hat den Vorteil, dass der Konzentrationsbereich der das Treibmittel enthaltenden Partikel in der sich ausbildenden Schicht in einem größeren Umfang variiert werden kann. Dabei hängt es vor- rangig von der Dicke der Hüllen, den Verfahrensparametern sowie dem gewünschten Schichtergebnis ab, wie hoch der Anteil an das Treibmittel enthaltenden Partikeln im Spritzpulver sein soll. Hierbei können Konzentrationen der das Treibmittel enthaltenden Partikel zwischen 0 und 100 % eingestellt werden (die prozentuale Angabe stellt den zahlenmäßigen Anteil der Partikel dar) . Insofern ist es auch möglich, 100 % der das Treibmittel enthaltenden Partikel zu verarbeiten, wenn die Hülle aus dem Metall genügend dick ist. In dem Fall wird also nur eine Art von Partikeln abgeschieden, welche sowohl die Eigenschaft der Treibmittel enthaltenden Partikel wie auch die Eigenschaft der Metall enthaltenden Partikel aufweisen. Das Kaltgasspritzen ist ein an sich bekanntes Verfahren, bei dem für die Beschichtung vorgesehene Partikel mittels einer konvergent-divergenten Düse vorzugsweise auf Überschallge¬ schwindigkeit beschleunigt werden, damit diese aufgrund ihrer eingeprägten kinetischen Energie auf der zu beschichtenden Oberfläche haften bleiben. Hierbei wird die kinetische Ener¬ gie der Teilchen genutzt, welche zu einer plastischen Verformung derselben führt, wobei die Beschichtungspartikel beim Auftreffen lediglich an ihrer Oberfläche aufgeschmolzen werden. Deshalb wird dieses Verfahren im Vergleich zu anderen thermischen Spritzverfahren als Kaltgasspritzen bezeichnet, weil es bei vergleichsweise tiefen Temperaturen durchgeführt wird, bei denen die Beschichtungspartikel im Wesentlichen festbleiben. Vorzugsweise wird zum Kaltgasspritzen, welches auch als kinetisches Spritzen bezeichnet wird, eine Kaltgas- Spritzanlage verwendet, die eine Gasheizeinrichtung zum Er¬ hitzen eines Gases aufweist. An die Gasheizeinrichtung wird eine Stagnationskammer angeschlossen, die ausgangsseitig mit der konvergent-divergenten Düse, vorzugsweise einer Lavaldüse verbunden wird. Konvergent-divergente Düsen weisen einen zu- sammenlaufenden Teilabschnitt sowie einen sich aufweitenden Teilabschnitt auf, die durch einen Düsenhals verbunden sind. Die konvergent-divergente Düse erzeugt ausgangsseitig einen Pulverstrahl in Form eines Gasstroms mit darin befindlichen Partikeln mit hoher Geschwindigkeit, vorzugsweise Überschall- geschwindigkeit .
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Materialien der Hülle Aluminium, Kupfer, Nickel, Eisen, Stahl oder Silber zum Einsatz kommen. Diese Materialien sind vorteilhaft sehr duktil, weswegen sich bei
Wahl dieser Materialien der Anteil an das Treibmittel enthal¬ tenden Partikeln vorteilhaft sehr hoch gewählt werden kann. Bei weniger duktilen Materialien lässt sich erfindungsgemäß die Variationsbreite des möglichen Anteils an das Treibmittel enthaltenden Partikeln auch vergrößern, wobei in diesen Fällen eine Variationsbreite zwischen 0 und 100 % nicht erreicht wird. Mit den zur Verfügung stehenden duktilen Materialien lassen sich allerdings schon vielfältige konstruktive Aufga¬ ben bewältigen. Beispielsweise kann Aluminium verwendet werden, um Metallschäume für den Leichtbau zu erzeugen. Dieses Metall weist ohnehin eine geringe Dichte auf, kann jedoch durch Bildung von Poren für die Herstellung noch leichterer Bauteile verwendet werden. Kupfer und Silber haben vorteil¬ haft eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit. Die¬ se Materialien können also beispielsweise als Wärmetauschermaterialien verwendet werden, wobei die Poren zur Ausbildung von inneren Kanalstrukturen für die Durchleitung eines Flui- des, welches erwärmt oder abgekühlt werden soll, geeignet sind. Eisen und Stahl sind gebräuchliche Konstruktionswerkstoffe, die überdies kostengünstig sind. Hiermit können ver¬ schiedene Konstruktionsbauteile hergestellt werden, wobei durch einen Schierstoff in den ausgebildeten Porensystemen beispielsweise die Schmiereigenschaften verbessert werden können .
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Material der Hülle gleich dem Material der aus- schließlich Metall enthaltenden Partikel ist. Hierdurch wird ein Metallschaum erzeugt, der eine metallische Matrix nur eines metallischen Materials ausbildet. Das Material der Hülle wird sozusagen in diese metallische Matrix eingebaut. Dies ist jedoch nicht zwangsläufig erforderlich. Beispielsweise könnte das Material der Hüllen auch ein katalytisch wirksames Material sein, welches in die Porenoberflächen abgeschieden wird, während sich der Metallschaum bildet. Dann wären die ausschließlich Metall enthaltenden Partikel lediglich das Stützgerüst für eine solche katalytische Struktur. Diese Struktur könnte katalytisch bei der Ausbildung eines offenen Metallschaums ausgenutzt werden (zu den Herstellungsmöglichkeiten von offenen und geschlossenen Metallschäumen im Folgenden noch mehr) . Eine wieder andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Material des Kerns ein Metallhydrid, insbesondere Magnesiumhydrid oder Titanhydrid, oder ein Carbonat, insbe- sondere Calciumcarbonat oder Magnesiumcarbonat , ist. Bei die¬ sen Treibmitteln handelt es sich um gebräuchliche Treibmittel für die Herstellung von Metallschäumen. Diese stellen einen sinnvollen Temperaturbereich bei ihrer Aktivierung zur Verfügung, so dass in Abhängigkeit von den Erweichungstemperaturen der metallischen Matrix ein geeignetes Treibmittel ausgewählt werden kann. Dies ist mit Hilfe des allgemeinen Fachwissens und z. B. unter Hinzuziehung der oben genannten US 6,464,933 Bl und US 7,402,277 B2 möglich.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Mischungsverhältnis zwischen den das Treibmittel enthaltenden Partikeln und ausschließlich Metall enthaltenden Partikeln während des Beschichtens variiert wird. Hierbei können unterschiedliche Aufgaben des auszubildenden Metallschaums berücksichtigt wer¬ den. Möglich ist es, Gradientenschichten mit veränderlicher Dichte der Poren zu erzeugen. Auch ist es möglich, dass die Dichte der Poren durch geeignetes Einstellen des Mischungs¬ verhältnisses in der dem Substrat benachbarten Grenzschicht, also dem Schichtanteil, der direkt auf dem Substrat liegt, und/oder in der obeflächennahen Grenzschicht, also dem
Schichtanteil, der an der Bildung der Oberfläche beteiligt ist, ausschließlich die aus Metall enthaltenden Partikel verarbeitet werden. Dies hat den Vorteil, dass eine porenfreie Oberfläche der Schicht erzeugt werden kann und auch eine po¬ renarme Grenzschicht zum Substrat erzeugt werden kann. Hier¬ durch lassen sich die Oberflächeneigenschaften der Schicht in der gewünschten Weise beeinflussen und es ist möglich, die Haftung zwischen Schicht und Substrat zu maximieren. Auch ist es vorteilhaft möglich, dass die Dichte der Poren in der dem Substrat benachbarten Grenzschicht maximiert wird, indem ausschließlich die Treibmittel enthaltenden Partikel verarbeitet werden. Dies bewirkt, dass bei der Ausbildung des Metallschaums die Haftung der Schicht auf dem Substrat weit¬ gehend aufgehoben wird. Nach Erzeugen des Metallschaums lässt sich daher die Schicht ohne Probleme von dem Substrat lösen. In diesem Fall stellt das Substrat seine Oberfläche lediglich als Grundlage für die Erzeugung eines eigenständigen Bauteils in Form der Schicht zur Verfügung. Aus der Schicht wird ein selbsttragendes, eigenständiges Bauteil. Dieses kann bei¬ spielsweise eine Wärmetauscherplatte sein, deren Masse vor¬ teilhaft durch Ablösen des Substrats nach Herstellung des Me- tallschaums optimiert werden kann.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn der Metallschaum durch eine auf die Beschichtung nach deren Abschluss folgende Wärme¬ behandlung der Schicht erzeugt wird. Mit anderen Worten wird die Schicht zunächst fertiggestellt und dann eine Wärmebe¬ handlung durchgeführt, bei der der Metallschaum entsteht. Der Energieeintrag des Kaltgasspritzens ist also zu gering, dass dieser nicht ausreicht, um das Treibmittel während der Ab- scheidung der Schicht zu aktivieren. Dieses Verfahren eignet sich bevorzugt dafür, geschlossene Metallschäume herzustel¬ len. Selbst bei einem großen Anteil an Treibmittel enthaltenden Partikeln werden sich aufgrund der Verformung der Hüllen Wände zwischen den einzelnen Poren ausbilden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass der Energieein¬ trag beim Kaltgasspritzen und/oder ein Energieeintrag in das Substrat so hoch gewählt werden, dass die das Treibmittel enthaltenden Partikel beim Auftreffen auf das Substrat auf eine Temperatur oberhalb der Reaktionstemperatur des Treib- mittels erwärmt werden. Der Energieeintrag beim Kaltgassprit¬ zen kann beispielsweise durch eine Vorwärmung des Treibgases erhöht werden. Dieses wird dann durch eine unterschiedliche Verweildauer der Partikel in der Stagnationskammer, die der Kaltspritzdüse vorgeschaltet ist, in unterschiedlichem Maße auf die Partikel übertragen. Wenn der Wärmeeintrag in die das Treibmittel enthaltenden Partikel und in die ausschließlich aus Metall bestehenden Partikel unterschiedlich hoch sein soll, so ist es möglich, die Einspeisungsstellen dieser Par- tikel in der Stagnationskammer in unterschiedlicher Entfernung zur Kaltspritzdüse zu wählen. Zwei unterschiedliche Ein- speisungsstellen für die das Treibmittel enthaltenden Partikel sowie die ausschließlich metallischen Partikel ist ohne- hin von Vorteil, wenn die Konzentration der das Treibmittel enthaltenden Partikel variiert werden soll. Hierfür ist nämlich eine unabhängige Einspeisung beider Partikelarten von Vorteil, da nicht Pulver mit verschiedenen Mischungsverhält¬ nissen gelangert werden müssen.
Der Energieeintrag in das Substrat kann beispielsweise durch eine Vorwärmung desselben erfolgen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine lokale Erwärmung des Substrats (und des mit der im Aufbau befindlichen Schicht versehenen Substrates) durch Bestrahlung der Auftreffstelle des Kaltgasstrahls mit einem Laserstrahl zu erreichen. In jedem Falle führt der zusätzliche Energieeintrag dazu, dass das Treibmittel bereits beim Auftreffen der das Treibmittel enthaltenden Partikel auf das Substrat aktiviert wird. Die Metallporen bilden sich so- zusagen in situ und vergrößern an den Auftreffstellen dieser Partikel die Porosität des Substrats, also die Ausbildung von Poren. Da die Porenausbildung in diesem Fall im Zeitpunkt der starken plastischen Verformung der Partikel erfolgt, werden die Hüllen der das Treibmittel enthaltenden Partikel während der Reaktion zerstört. Auf diesem Wege lassen sich auch offenporige Metallschäume erzeugen, wenn die Konzentration an das Treibmittel enthaltenden Partikeln genügend hoch gewählt wird, damit genügend das Treibmittel enthaltende Partikel in der sich aufbauenden Schicht direkt benachbart abgeschieden werden und auf diesem Wege eine Verbindung der sich ausbildenden Poren untereinander gewährleistet ist.
Weiterhin wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfah¬ ren zur Herstellung der gemantelten Partikel gelöst, wobei diese aus Kernen, bestehend aus einem Treibmittel, erzeugt werden, indem diese Kerne mit Hüllen aus einem Metall umgeben werden. Vorteilhaft kann das Beschichten der Kerne mit der Hülle durch ein stromfreies elektrochemisches Verfahren durchgeführt werden. Diese Verfahren sind allgemein bekannt.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszei¬ chen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsge¬ mäßen Verfahrens schematisch, die
Figuren 2 bis 9 verschiedene Ausführungsbeispiele der po- rösen Schichten jeweils vor und nach der
Aktivierung des Treibmittels und
Figur 10 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsge¬ mäßen Verfahrens zur Herstellung der gemantelten Partikel.
Gemäß Figur 1 wird ein Substrat 11 mittels einer Kaltspritz¬ anlage 12 beschichtet. Von der Kaltspritzanlage sind exempla¬ risch nur eine Stagnationskammer 13 und eine an die Stagnati- onskammer angeschlossene konvergent-divergente Düse 14 darge¬ stellt. Die Düse 14 erzeugt einen Kaltgasstrahl 15, mit dem Partikel 16 auf dem Substrat 11 abgeschieden werden, wodurch die Schicht 17 entsteht. Währenddessen wird das Substrat 11 durch eine Heizung 18 vorgewärmt. Außerdem wird mittels eines Lasers 21 ein Laserstrahl 19 auf die Auftreffstelle des Kalt¬ gasstrahls 15 gerichtet. Auch kann das Trägergas in der Stag¬ nationskammer 13 mittels einer Heizung 20 vorgewärmt werden.
Gemäß Figur 2 ist die Schicht 17 geschnitten dargestellt. Zu erkennen ist, dass auf dem Substrat 11 Partikel 22, die aus¬ schließlich aus einem Metall bestehen, sowie gemantelte Partikel 23, die einen Kern 24 aus einem Treibmittel und eine Hülle aus dem Metall aufweisen, abgeschieden sind. Nach dem Kaltgasspritzen der Schicht wird das beschichtete Substrat einer Wärmebehandlung unterzogen, bei der das Treibmittel der Kerne 24 aktiviert wird. Das Schichtergebnis nach der Wärme¬ behandlung ist Figur 3 zu entnehmen. Es zeigt sich, dass sich Poren 26 in der metallischen Matrix der Schicht 17 ausgebildet haben. Auf diese Weise entsteht ein Metallschaum.
Bei der Schicht 17 gemäß Figur 2 sind die das Treibmittel enthaltenden Partikel 23 gleichmäßig über die gesamte
Schichtdicke verteilt. Wie Figur 3 zu entnehmen ist, kommt es dabei zur Ausbildung von Poren auch im Randbereich der
Schicht. Dies bedeutet, dass Poren eine Grenzfläche zur Ober¬ fläche des Substrats 11 ausbilden können, wie dies bei der Pore 26a zu erkennen ist. Auch ist es möglich, dass die Poren zur Oberfläche 27 der Schicht offen sind, wie dies bei der Pore 26b zu erkennen ist.
Gemäß Figur 4 wird die Schicht 17 in drei Stadien abgeschie¬ den. In einem Stadium I werden nur metallische Partikel 22 abgeschieden. In einem Stadium II wird eine Mischung aus das Treibmittel enthaltenden Partikeln 23 und metallischen Partikeln 22 abgeschieden. In einem Stadium III werden wieder nur metallische Partikel 22 abgeschieden. Wie sich Figur 5 entnehmen lässt, entsteht auf diesem Wege eine Schicht 17 mit Poren 26, die nur im Inneren der Schicht ausgebildet sind. Die Oberfläche 27 sowie eine Grenzfläche 28 zum Substrat 11 sind wegen der Abscheidungsphasen I und III porenfrei. Die Haftung der Schicht 17 auf dem Substrat 11 wird daher durch die Poren 26 nicht beeinträchtigt, genauso wenig wie die Oberflächengüte der Oberfläche 27 der Schicht 17.
In der Phase II gemäß Figur 4 wurden Treibgas enthaltende Partikel 23 in so geringer Konzentration abgeschieden, dass die sich ausbildenden Poren 26 in sich abgeschlossen sind, d. h. dass diese Poren vollständig vom Matrixmaterial der Schicht 17 umgeben sind. Auf diese Weise entsteht ein
geschlossenporiger Metallschaum.
Gemäß Figur 6 wird die Schicht 17 in zwei Phasen I, II abge- schieden, die den Phasen I, II gemäß Figur 4 entsprechen. Allerdings wird auf die Phase III verzichtet, so dass die Ober¬ fläche der gemäß Figur 6 abgeschiedenen Schicht teilweise auch durch das Treibmittel enthaltende Partikel 23 ausgebil¬ det wird. Außerdem sind die das Treibgas enthaltenden Parti- kel größer als die metallischen Partikel 22. Betrachtet man nun das Schichtergebnis gemäß Figur 7 nach der Wärmebehand¬ lung, so zeigt sich, dass die das Treibgas enthaltenden Partikel 23 aufgrund ihrer höheren Konzentration und ihre Größe dazu bewirkt haben, dass gemeinsamen Poren ausgebildet wur- den. Die Hüllen 25 sind dabei zerstört worden. Da auf die Phase III bei der Abscheidung verzichtet wurde, liegen die Öffnungen der Poren 26 teilweise auch in der Oberfläche 27, so dass ein offenporiger Metallschaum in der Schicht 17 entsteht, wobei die Kanäle von der Oberfläche 27 aus zugänglich sind. In diese Poren kann beispielsweise ein flüssiger
Schmierstoff eingebracht werden. Eine andere Möglichkeit wäre die Einbringung von katalytischen Partikeln (nicht dargestellt) . Gemäß Figur 8 wird die Schicht 17 in vier Phasen abgeschie¬ den. Die Konzentration der das Treibgas enthaltenden Partikel 23 ist über die Schichtdicke schraffiert schematisch darge¬ stellt. In einer Phase I werden ausschließlich Treibgas enthaltende Partikel abgeschieden (Konzentration = 100 %) . In einer Phase II werden ausschließlich metallische Partikel ab¬ geschieden (Konzentration der Treibgas enthaltenden Partikel = 0 %) . In einer Phase III wird ein Gradientenschicht herge¬ stellt, indem die Konzentration der Treibmittel enthaltenden Partikel 23 von 0 auf 80 % gesteigert und dann auf 0 % zu- rückgefahren wird. In einer Phase IV werden wieder ausschließlich metallische Partikel abgeschieden (Konzentration der Treibgas enthaltenden Partikel = 0 %) . Das Schichtergebnis nach der Wärmebehandlung lässt sich Figur 9 entnehmen. Die Abscheidung von Treibmittel enthaltenden Partikeln in der Phase I führen dazu, dass sich die Schicht 17 bei der Wärmbehandlung von dem Substrat 11 ablöst. Es ent- steht sozusagen eine einzige große Pore zwischen Sicht und
Substrat. Die Schicht 17 stellt also nach der Wärmebehandlung ein eigenständiges plattenförmiges Bauteil dar. Dieses könnte beispielsweise als Wärmetauscherplatte Verwendung finden. Die Phasen II und IV führen dazu, dass dieses plattenförmige Bau- teil eine geschlossene Oberfläche aufweist. Die Endkonzentra¬ tion von 80 % Treibmittel enthaltender Partikel in der
Gradientenschicht, die in Phase III abgeschieden wurde, führt dazu, dass sich im Inneren der Schicht 17 ein offenporiges Kanalsystem ausgebildet hat, welches mehr oder weniger einen zusammenhängenden Hohlraum ergibt und durch säulenartige
Strukturen 29 gestützt wird. Dieses Kanalsystem könnte für die Durchleitung eines Fluides Verwendung finden, welches Wärme mit einem anderen Fluid jenseits der Oberflächen 27 der Schicht 17 austauschen soll.
Gemäß Figur 10 wird exemplarisch ein Partikel 23 in einem Bad 30 durch stromloses Abscheiden der Hülle 25 auf den Kern 24 erzeugt. Die stromlose Abscheidung von Metallen ist an sich bekannt. Beispielsweise können Kupfer oder Nickel stromlos abgeschieden werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines Metallschaumes, bei dem
- Metall enthaltende Partikel (22) zusammen mit ein festes Treibmittel enthaltenden Partikeln (23) durch Kaltgasspritzen als Schicht (17) auf einem Substrat (11) abge¬ schieden werden und
- das Treibmittel aktiviert wird, wobei sich die Poren
(17) des Metallschaumes in der Schicht (17) ausbilden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass als das Treibmittels enthaltende Partikel (23)
gemantelte Partikel mit einem Kern (24) aus dem Treibmittel und einer metallischen Hülle (25) verwendet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass als Materialien der Hülle (25) Aluminium, Kupfer, Nickel, Eisen, Stahl oder Silber zum Einsatz kommen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass das Material der Hülle (25) gleich dem Material der aus¬ schließlich Metall enthaltenden Partikel (22) ist.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass das Material des Kerns (24) ein Metallhydrid, insbeson¬ dere Magnesiumhydrid oder Titanhydrid, oder ein Carbonat, insbesondere Calciumcarbonat oder Magnesiumcarbonat, ist.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass das Mischungsverhältnis zwischen den das Treibmittel enthaltenden Partikeln (23) und ausschließlich Metall enthal- tenden Partikeln (22) während des Beschichtens variiert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine Gradientenschicht +19 mit veränderlicher Dichte der Poren (26) hergestellt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Dichte der Poren (26) in der dem Substrat benachbarten Grenzschicht und/oder in der oberflächennahen Grenzschicht auf Null abgesenkt wird, indem dort ausschließlich die ausschließlich Metall enthaltenden Partikel (22) verar- beitet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 5,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Dichte der Poren (26) in der dem Substrat benachbar- ten Grenzschicht maximiert wird, indem ausschließlich die Treibmittel enthaltenden Partikel verarbeitet werden.
9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Metallschaum durch eine auf die Beschichtung nach deren Abschluss folgende Wärmebehandlung der Schicht (17) erzeugt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Energieeintrag beim Kaltgasspritzen und/oder ein Energieeintrag in das Substrat so hoch gewählt werden, dass die das Treibmittel enthaltenden Partikel (23) beim Auftref¬ fen auf das Substrat (11) auf eine Temperatur oberhalb der Reaktionstemperatur des Treibmittels erwärmt werden.
11. Verfahren zum Herstellen von gemantelten Partikeln (23) d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass diese aus Kernen (24), bestehend aus einem Treibmittel, erzeugt werden, indem diese Kerne (24) mit Hüllen (25) aus einem Metall umgeben werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass für das Beschichten der Kerne (24) mit der Hülle (25) ein stromfreies elektrochemisches Verfahren zum Einsatz kommt .
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