Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, Институт новых материалов и технологий, кафедра литейного производства и упрочняющих технологий, Екатеринбург, Россия:

А. Б. Финкельштейн, профессор, докт. техн. наук, эл. почта: avinkel@mail.ru
С. Н. Злыгостев, доцент, канд. техн. наук, эл. почта: zgres@bk.ru

Технология производства пористого литого алюминия (ПЛА) предусматривает пропитку водорастворимого наполнителя NaCl расплавом алюминиевого сплава. Диапазон пористости изделий из ПЛА составляет 40–70 %, при этом их себестоимость высока. Они не могут конкурировать в качестве конструкционного материала с пеноалюминием, пористость которого 80–95 %, а себестоимость невысокая. Вместе с тем ПЛА отлично зарекомендовал себя как функциональный материал для перемещения жидкостей и газов, изделия из него применяют в качестве фильтров. Важным эксплуатационным параметром фильтроэлемента является ресурс его работы до очистки. Он определяется пористостью, которую можно повысить использованием мультифракционного наполнителя. В целях прогнозирования характеристик фильтроэлемента число фракций было ограничено двумя, что позволяет повысить пористость на 10–15 %. Использовали мелкие фракции наполнителя (200–400, 400–630 и 1000–1600 мкм) в пропорции 30, 50, 70 % к объему крупной фракции 2500–4000 мкм. Подготовка наполнителя предусматривает смешивание двух фракций в определенной пропорции, нагрев наполнителя в камерной печи сопротивления, засыпку в металлическую форму и заливку расплавом сплава АК7. Пропитка наполнителя расплавом была обеспечена вакуумированием формы. После кристаллизации отливки проведена механическая обработка: из нижней части композитной отливки вырезан образец цилиндрической формы, а наполнитель растворен в воде. В ходе эксперимента нестационарным методом определен коэффициент проницаемости ПЛА, полученного с применением наполнителя, состоящего из двух фракций. Показана аддитивная зависимость коэффициента проницаемости от долей монофракций и их коэффициентов проницаемости. Коэффициенты проницаемости монофракций рассчитаны по модели концентрации единичных сопротивлений. Выполнен обзор моделей проницаемости наполнителя, состоящего из двух фракций, и показано, что модель Каземи наиболее соответствует полученным экспериментальным данным. Расхождение данных модели и эксперимента наблюдается только при значительной разнице размеров фракций (малой доле мелкой фракции), что обусловлено эффектом разрыхления. Полученные результаты позволяют проектировать фильтроэлементы повышенной пористости.

1. Wan T., Liu Y., Zhou C., Chen X., Li Y. Fabrication, properties, and applications of open-cell aluminum foams: A review // J. Mater. Sci. Technol. 2021. Vol. 62. P. 11–24.
2. Tripathi O., Singh D. P., Dwivedi V. K., Agarwal M. A focused review on aluminum metallic foam: processing, properties, and applications // Mater. Today Proc. 2021. Vol. 47. P. 6622–6627.
3. Ashby M., Evans A., Fleck N. A., Gibxon L. J., Wadley H. N. Metal Foams: A Design Guide. — Boston; Butterworth-Heinemann: MA, USA, 2000. — 263 p.
4. Degischer H. P., Kriszt B. Handbook of Cellular Metals: Production, Processing, Applications. — Weinheim; Wiley-VCH: Germany, 2002. — 398 p.
5. Liu P. S., Chen G. F. Porous Materials: Processing and Application. 1st ed. Elsevier : Waltham, MA, USA, 2014. — 576 p.
6. Alupor. Официальный сайт компании «Алюпор». URL : https://alupor.com/.
7. Bracconi M., Ambrosetti M., Okafor O., Sans V., Zhang X. et al. Investigation of pressure drop in 3D replicated open-cell foams: Coupling CFD with experimental data on additively manufactured foams // Chem. Eng. J. 2019. Vol. 377. P. 120–123.
8. Furman E. L., Finkelstein A. B., Cherny M. L. Permeability of aluminium foams produced by replication casting // Metals. 2013. Vol. 3. P. 49–57.
9. Despois J. F., Mortensen A. Permeability of open-pore microcellular materials // Acta Mater. 2005. Vol. 53. P. 1381–1388.
10. Abdulrazak J. Otaru. The permeability of replicated microcellular structures in the Darcy regime // AlChE journal. 2020. Vol. 1. DOI: 10.1002/aic.16915
11. Despois J.-F. Replicated aluminium foam: processing and properties: Candidate of Technical Sciences. Thesis, École Polytechnique Fédérale De Lausanne, Lausanne, Switzerland, 2005.
12. Yang H., Li Y., Ma B., Zhu Y. review and a theoretical approach on pressure drop correlations of flow through open-cell metal Foam // Materials. 2021. Vol. 14. 3153.
13. Moutassem F. Assessment of packing density models and optimizing concrete mixtures // J. Civ. Mech. Energy Sci. 2016. Vol. 2. P. 29–36.
14. De Larrard F. Concrete mixture proportioning: a scientific approach. — London, New York : E & FN Spon. 1999. — 448 p.
15. Finkelstein A., Husnullin D., Borodianskiy K. Design and fabrication of highly porous replicated aluminum foam using double-granular space holder // Materials. 2021. Vol. 14. 1619.
16. Kou D. P., Li J. R., Yu J. L., Cheng H. F. Mechanical behavior of open-cell metallic foams with dual-size cellular structure // Scr. Mater. 2008. Vol. 59, Iss. 5. P. 483–486.
17. Li J. R., Cheng H. F., Yu J. L., Han F. S. Effect of dual-size cell mix on the stiffness and strength of open-cell aluminum foams // Mater. Sci. Eng. A. 2003. Vol. 362, Iss. 1-2. P. 240–248.
18. Furman E. L., Finkelstein A. B., Cherny M. L. The Anisotropy of replicated aluminum foams // Advances in material Science and Engineering. Vol. 2014. Article ID 230767. DOI: 10.1155/2014/230767
19. Фурман Е. Л., Чечулин А. В., Казанцев С. П., Финкельштейн А. Б. Поверхностное натяжение литейных алюминиевых сплавов и смачивание ими неорганических порообразующих наполнителей // Расплавы. 1995. № 3-4. С. 27–31.

20. Barenblatt G. E., Zheltov I. P., Kochina I. N. Basic concepts in the theory of homogeneous liquids in fissured rocks // J. Appl. Math. Mech. 1960. Vol. 24, Iss. 5. P. 1286–1303.
21. Лейбензон Л. С. Движение природных жидкостей и газов в пористой среде. — М. : Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1947. — 244 с.
22. Worren J. E., Root P. J. The behavior of naturally fractured reservoirs // Soc. Petrel End. J. 1963. Vol. 3. P. 245–255.
23. Kazemi H., Seth M. S., Thomas G. W. The interpretion of interference tests in naturally fractured reservoirs with uniform fractured distribution // SPER. 1969. Vol. 9, Iss. 4. P. 463–472.
24. Serra K., Reynolds A. S., Raghavon R. New presseire transient analysis methods for naturally fractured reservoirs (includes associated papers 12940 and 13014) // Journal of Petroleum Technology. 1983. Vol. 35, Iss. 12. P. 2271–2283.