Un procedimiento para producir un artículo de metal o de aleación (10) que contiene al menos el 10 % de porosidad interconectada (12),

usando una preforma (11) y usando un metal líquido o una aleación de metal (23), comprendiendo el procedimiento el lavado con agua del material de preforma del metal solidificado o la aleación solidificada mediante lavado con un disolvente líquido (24), caracterizado porque comprende: - mezclar un ligando orgánico (26), un agente humectante y un material granular (25), para obtener una pasta moldeable (20) que combina el 10 % en vol o más de dicho material granular (25), disolviéndose dicho material granular (25) fácilmente en un disolvente líquido (24), y siendo dicho ligando orgánico (26) termodegradable; - dar a la pasta moldeable (20) la forma de una preforma aireada y proporcionar un espacio de poro abierto (28) para que el metal o la aleación se infiltren; - evaporar dicho agente humectante y hornear dicha preforma hasta una temperatura suficiente para degradar el ligando orgánico (26) y crear una red de porosidad abierta interconectada en la preforma (11); - llenar dicho espacio de poro abierto (28) con un metal líquido o una aleación de metal (23)

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un procedimiento para la producción de cuerpos metálicos altamente porosos, incluyendo materiales denominados espumas metálicas, metales microcelulares, esponja metálica, o estructuras de armaduras reticulares metálicas, siendo todas estas estructuras metálicas, a modo de orientación, con al menos el 10 % (y normalmente mucho más) de porosidad. Se han desarrollado un intervalo amplio mejor de vías de procesamiento para preparar tales materiales metálicos porosos (como se describe en, por ejemplo, Metal Foams: A Design Guide, M F Ashby, A G Evans, N A Fleck, L J Gibson, J W Hutchinson, H N G Wadley, 2000, Butterworth-Heinemann, [J Banhart, Progress in Materials Science 46 (2001) 559 -632], http: //www.metalfoam.net/).

Antecedentes de la invención

Más específicamente, la invención se refiere a la producción de tal material o estructuras mediante un procedimiento de fundición que implica la infiltración de metal fundido alrededor de un molde refractario separable o soporte espacial que define la estructura de espuma. Existen ya varias vías de procesamiento para espumas de metal que caen en esta clase, revisado por ejemplo en [M F Ashby, A G Evans, N A Fleck, L J Gibson, J W Hutchinson, H N G Wadley "Metal Foams: A Design Guise" 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 Marchi & A Mortensen, Advanced Engineering Materials 8 (9) 795 -803 (2006)]. Debido a la porosidad interconectada del complejo, que excede normalmente un 40 % del volumen total del artículo, los requerimientos de tal molde o soporte espacial y por lo tanto procedimientos mediante los que están hechos en general diferentes de los usados para dar forma a las fundiciones huecas.

Un procedimiento que usa fundición con cera con un precursor polimérico se describe en [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]; también se supone que este es el procedimiento usado para producir "Espumas metálicas Duocel " comercializados actualmente por ERG Materials and Aerospace Corporation (http://www.ergaerospace.com/), [M F Ashby, A G Evans, N A Fleck, L J Gibson, J W Hutchinson, H N G Wadley "Metal Foams: A Design Guide" Butterworth-Heinemann, Boston, (2000)]. En este procedimiento, una espuma orgánica de celda abierta, por ejemplo, poliuretano se carga con una suspensión refractaria, normalmente un compuesto de moldeado de fundición con cera, que se cura después de lo cual se usa un tratamiento térmico para hacer denso el molde y retirar el precursor polimérico inicial. El metal se funde en el molde así formado, y el material del molde se retirará después usando procedimientos convencionales, por ejemplo, mediante agitación mecánica o con un chorro de agua.

La patente de Estados Unidos Nº 3052967 citada por [J Banhart, Progress en Materials Science 46 (2001) 559 632] describe un procedimiento de fabricación de una espuma que usa una preforma de partículas de arena mantenidas juntas con un ligando que se decompone a altas temperaturas, permitiendo que la arena se desplace.

Si la fundición es suficientemente rápida, después se pueden usar granulados de polímeros sinterizados como la preforma con aluminio. Después de la fundición, se usa un tratamiento de pirólisis térmica para retirar el polímero. Este procedimiento, por ejemplo, se describe por Fraunhofer Institute en Bremen, http: //www.ifam.fraunhofer.de/ index.php?seite=/ 2801/leich tbauwerkstoffe/offenporoese-strukturen/&lang=en.

De manera alternativa, se puede usar la sinterización de polvo de metal alrededor de los soportes de espacio separables. El polvo de metal deseado se mezcla con una cantidad suficiente de partículas de un material que se puede separar o bien mediante agua o un tratamiento térmico adecuado, antes de la sinterización del polvo para producir un material cohesivo. Durante esta fase las partículas de soporte espacial mantienen la porosidad en la espuma. Ejemplos de soportes espaciales usados incluyen sal [Y Y Zhao, D X Sun, Scripta Mater. 44 (2001)] y urea [B Jiang, N Q Zhao C S Shi, J J Li, Scripta Mater. 53 (2005) 781 -785] (ambos eliminados mediante disolución en agua).

Un procedimiento relativamente simple usa granos de sal de mesa normal para definir la porosidad de la espuma, como se describe en las Patente de Estados Unidos Nº 3236706 y US 3210166. Si los granos se percolan, entonces después de la infiltración de los espacios intergranulares con metal fundido y y solidificación de esto último la sal se puede eliminar mediante disolución en agua. La investigación ha desarrollado este procedimiento para variar la porosidad de la espuma (en el intervalo 0,6 -0,9), forma de poro (usando diferentes formas dentro del conjunto de formas de cristal posibles), y tamaño de poro (en el intervalo 5 µm -2 mm), véase [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, Advanced Engineering Materials 6 (6) 444 (2004); C Gaillard, J-F Despois, & 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)]. Sin embargo, el procedimiento está limitado por el tamaño y la forma de los cristales de sales disponibles, el hecho que los granos de sal mayores de aproximadamente 0,5 mm de diámetro no se puedan compactar de la misma forma que los granos más pequeños, y la baja tasa de eliminación de la preforma mediante disolución.

Sumario de la presente invención

El propósito de la invención es proporcionar un procedimiento para producir un artículo con al menos el 10 %, preferiblemente el 40 % o más, de porosidad interconectada que use un soporte de forma que combine (i) facilidad de dar forma; (ii) suficiente resistencia a las temperaturas de fusión de metal combinada con la inactividad química en contacto con metal, y (iii) eliminación fácil y rápida, de manera económica y que en ninguna momento produzca contaminación o emisiones de daño ecológico.

Las realizaciones de la presente invención proporcionadas en la reivindicación 1 proporcionan un procedimiento para producir un artículo de metal o aleación que contiene al menos un 10 % porosidad interconectada, usando una preforma, comprendiendo este procedimiento:

- mezclar un ligando orgánico, un agente humectante y un material granular, para obtener una pasta moldeable que combina un 10 % en vol o más de dicho material granular, disolviéndose dicho material granular fácilmente en un disolvente líquido, y siendo dicho ligando orgánico termodegradable;

- dar a la pasta moldeable la forma de una preforma aireada y proporcionar un espacio de poro abierto para que el metal o la aleación se infiltren;

- evaporar dicho agente humectante y hornear dicha preforma hasta una temperatura suficiente para degradar el ligando orgánico y crear una red de porosidad abierta interconectada en la preforma;

- llenar dicho espacio de poro abierto con un metal líquido o una aleación metálica.

El procedimiento de manera ventajosa usa una pasta o masa moldeable o que contiene un material fino, preferiblemente humedecido por agua y soluble en agua, material refractario, y un ligando orgánico preferiblemente formando un material que se puede carbonizar para ayudar a la unión. Esta pasta o masa se puede formar usando muchos procedimientos posibles, incluyendo por ejemplo técnicas de dar forma a una masa de la industria alimentaria o procedimientos de dar una forma libre tridimensional controlada por ordenador, en la forma y tamaño deseado de la porosidad en el artículo metálico poroso. Después se hornea para endurecer mientras se mantiene esta forma. Esto lo hace adecuado para uso como un soporte espacial soluble para colocarse en un molde para la fundición de metal. Por ejemplo, a la masa se le puede dar la forma de numerosas esferas pequeñas de un tamaño controlado, que después se combinan mediante empaquetado simple en una preforma con la porosidad y tamaño de poro de fracción de volumen correctos.

El soporte espacial o preforma se calienta después al aire para provocar el endurecimiento del material de moldeado, con un tratamiento térmico adicional para retirar las sustancias... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento para producir un artículo de metal o de aleación (10) que contiene al menos el 10 % de porosidad interconectada (12), usando una preforma (11) y usando un metal líquido o una aleación de metal (23), comprendiendo el procedimiento el lavado con agua del material de preforma del metal solidificado o la aleación solidificada mediante lavado con un disolvente líquido (24), caracterizado porque comprende:

- mezclar un ligando orgánico (26), un agente humectante y un material granular (25), para obtener una pasta moldeable (20) que combina el 10 % en vol o más de dicho material granular (25), disolviéndose dicho material granular (25) fácilmente en un disolvente líquido (24), y siendo dicho ligando orgánico (26) termodegradable;

- dar a la pasta moldeable (20) la forma de una preforma aireada y proporcionar un espacio de poro abierto (28) para que el metal o la aleación se infiltren;

- evaporar dicho agente humectante y hornear dicha preforma hasta una temperatura suficiente para degradar el ligando orgánico (26) y crear una red de porosidad abierta interconectada en la preforma (11);

- llenar dicho espacio de poro abierto (28) con un metal líquido o una aleación de metal (23).

2. El procedimiento de la Reivindicación 1, en el que el tamaño de poros abiertos dentro del material de preforma es más fino en un factor igual o mayor que tres comparado con dicho espacio de poro abierto (28).

3. El procedimiento de la Reivindicación 1 ó 2, en el que dicha preforma aireada se coloca en un molde (M2) y posteriormente dicho espacio de poro abierto (28) se llena mediante un procedimiento de baja presión con dicho metal líquido o aleación de metal (23), preferiblemente aluminio o una de sus aleaciones, y después de una solidificación del metal o la aleación, todo el material de la preforma se retira del metal solidificado o de la aleación solidificada por medio de lavado al lavarlo con el disolvente líquido (24).

4. El procedimiento de una de las Reivindicaciones 1 -3, en el que la pasta moldeable (20) esencialmente consta de partículas de NaCl solubles y un ligando que contiene carbono.

5. El procedimiento de una de las Reivindicaciones 1 -4, en el que el ligando (26) esencialmente consta de carbohidratos, preferiblemente una mezcla de harina de grano molido.

6. El procedimiento de una de las Reivindicaciones 1 -5, en el que dicho material granular (25) esencialmente consta de partículas de sal que están molidas hasta un diámetro inferior a 150 µm.

7. El procedimiento de una de las Reivindicaciones 1 -6, en el que la mezcla para obtener dicha pasta moldeable

(20) contiene el 5 -20 % en peso de ligando orgánico (26), el 50 -80 % en peso de material granular (25) y el 15 25 % en peso de agua como agente humectante.

8. El procedimiento de una de las Reivindicaciones 1 -7, en el que dicha evaporación comprende calentar la pasta durante 1-5 horas al menos a una temperatura de entre 100 °C y 500 °C para provocar endurecimiento.

9. El procedimiento de la Reivindicación 8, en el que la preforma se calienta a 100 -200 °C al principio, después de lo cual la preforma endurecida se calienta a 400 -500 °C durante hasta 16 horas adicionales para redu cir el resto de carbono que queda procedente del ligando.

10. El procedimiento de una de las reivindicaciones 1 -9, en el que dicho proceso de dar forma comprende la formación de la pasta moldeable (20) dentro de elementos discretos que se comprimen conjuntamente para producir dicha preforma aireada.

11. El procedimiento de la Reivindicación 10, en el que dicho proceso de dar forma comprende la formación de la pasta moldeable (20) dentro de bolas discretas (B) que forman dichos elementos.

12. El procedimiento de la Reivindicación 10, en el que dich proceso de dar forma comprende la formación de la pasta moldeable (20) dentro de cilindros discretos que forman dichos elementos.

13. El procedimiento de una de las Reivindicaciones 1 -9, en el que un artículo de metal poroso (10) producido de acuerdo con el procedimiento se combina con al menos un material de tratamiento térmico de cambio de fase para crear un material compuesto.

14. El procedimiento de una de las Reivindicaciones 1 -9, en el que un artículo de metal poroso (10) producido de acuerdo con el procedimiento está conectado sin costuras con un metal denso o un artículo de aleación que se funde de manera simultánea con el artículo de metal poroso (10).