Камера для динамического химического протравливания спеченных металлических пеноматериалов в форме трубы и определения их проницаемости жидкостям

Полезная модель относится к порошковой металлургии, а именно к созданию полезной модели для устройства для динамического химического протравливания спеченных металлических пеноматериалов трубчатой формы и определения их проницаемости жидкостями. Материалы трубчатой формы после обработки с использованием предлагаемой полезной модели могут быть использованы в медицине, в качестве костных имплантатов, и в других отраслях техники, в качестве фильтровальных элементов.
Известно устройство для травления мало- и крупногабаритных изделий со сложными поверхностями (RU 148141 U1, опублик. 27.11.2014), которое содержит реакционную камеру, соединенную с емкостями для обрабатывающих растворов, и низкочастотную систему пульсации. Основными отличиями в сравнении с предлагаемым изобретением являются отсутствие измерительных приборов (датчики давления и скорости потока) и закрепление образца в реакционной камере, в которой не осуществляется контролируемое сквозное протекание жидкостей через образец.
Недостатками этого устройства являются отсутствие возможности осуществлять контролируемое сквозное пропускание травителя под давлением через образец в форме трубы и измерять его проницаемость жидкостями.
Известно устройство травления поверхности для металлографического анализа (RU 2537488 С2, опублик. 10.01.2015), которое содержит ячейку для протравливания и средства, изолирующие протравливаемую зону от окружающих областей поверхности. В ячейку включены средства для крепления к протравливаемому объекту, указанные изолирующие средства выполнены в виде эластичной прокладки, а также к ячейке присоединен резервуар с протравливающим раствором, резервуар с промывочным раствором и выпускной шланг для сбора отработанных растворов. Основными отличиями в сравнении с предлагаемым изобретением являются отсутствие измерительных приборов (датчики давления и скорости потока) и невозможность травления пористых материалов путем контролируемого сквозного протекания жидкостей через образец.
Недостатками этого устройства являются отсутствие возможности осуществлять контролируемое сквозное пропускание травителя под давлением через образец в форме трубы и измерять его проницаемость жидкостями.
В качестве наиболее близкого аналога выбрано устройство для осуществления динамического химического протравливания спеченных металлических пеноматериалов и определения их проницаемости жидкостями (RU 2631782 С1, опублик. 26.09.2017), в котором описано устройство для динамического химического протравливания и определения проницаемости спеченных металлических пеноматериалов, содержащее емкости для воды и травителя, параллельно подключенные к переключающему крану первым и вторым трубчатыми каналами, последовательно соединенными третьим трубчатым каналом с насосом, датчиком измерения скорости потока, камерой для закрепления образца, состоящей из последовательно герметично закрепленных и формирующих продолжение третьего трубчатого канала входной крышки с отверстием, в котором установлен входной датчик давления, корпуса, в котором установлены два держателя и прижимная гайка для закрепления образца, выходной крышки с отверстием, в котором установлен выходной датчик давления, и выходного канала.
Предлагаемое устройство отличается от прототипа тем, что состоит из последовательно герметично закрепленных и формирующих сплошной цилиндрический канал, имеющий искривление на 90°, входной крышки с отверстием, в котором установлен датчик давления, корпуса, в котором установлены два держателя и прижимная гайка для закрепления образца, выходной крышки с отверстием, в котором установлен датчик давления и боковой крышки без отверстий.
Основным недостатком аналога является то, что он предназначен для осуществления динамического химического протравливания и измерение проницаемости жидкостями пористых образцов только в форме цилиндра, конструкция устройства не позволяет осуществлять динамическое химическое протравливание и измерение проницаемости жидкостями образцов в форме трубы.
Техническим результатом является создание полезной модели в виде камеры для устройства для осуществления двух процессов: контролируемого увеличения размеров пор, пористости и проницаемости спеченных металлических пеноматериалов трубчатой формы с использованием ДХП; и измерения проницаемости жидкостями. Путем пропускания активных растворов на основе кислот можно управлять параметрами пористой структуры (размеров пор, пористость и проницаемость) пеноматериалов. Контролируемое применение метода ДХП позволит получать спеченные металлические пеноматериалы с высокой пористостью (более 50%), размером пор от 100 до 800 мкм, высоким пределом прочности на сжатие (не менее 100 МПа) и низкими значениями модуля Юнга (2-15 ГПа), близкими к таковым у трабекулярной костной ткани человека.
Технический результат достигается следующим образом. Камера для динамического химического протравливания и определения проницаемости металлических пеноматериалов в форме трубы, которая состоит из последовательно герметично закрепленных и формирующих сплошной цилиндрический канал, имеющий искривление на 90°, входной крышки с отверстием, в котором установлен датчик давления, корпуса, в котором установлены два держателя и прижимная гайка для закрепления образца, выходной крышки с отверстием, в котором установлен датчик давления и боковой крышки без отверстий. Камера обеспечивает протекание процесса динамического химического протравливания путем сквозного контролируемого попеременного пропускания растворов на основе кислот и воды через образцы в форме трубы из пористых структур и процесса измерения проницаемости.
На фиг. 1 представлен продольный разрез камеры для крепления образца по каналу течения жидкостей. Полезная модель состоит из камеры 1 для закрепления образца, образующей сплошной цилиндрический канал, имеющий искривление на 90°; из герметично закрепленных: входной крышки 2 с отверстием, в котором фиксируется датчик давления; корпуса 3; выходной крышки 4 с отверстием, в котором фиксируется датчик давления и боковой крышки 5 без отверстий. В корпусе 3 камеры 1 образец в форме трубы 6 герметично закреплен между держателем 7 образца на входе и блокирующем движение потока жидкости держателем 8 образца, которые прижимается фиксирующей гайкой 9. Герметичность системы обеспечена наличием резиновых прокладок 10. Все элементы устройства изготовлены из химически стойких материалов.
В камере с плотно закрепленным образцом спеченного металлического пеноматериала в форме трубы из сверхупругого сплава Ti-Nb-Zr при помощи перистальтического насоса устанавливется стабильное течение дистиллированной воды со скоростью 150 мл/мин. Затем на определенное режимом время (5, 15 и 25 мин) в поток путем переключения крана добавляют травитель. В качестве травителя используют раствор на основе кислоты HCl. В результате химической реакции меду внутренней поверхностью пеноматериала и травителя происходит растворение элементов сплава. Таким образом достигается увеличение размеров пор и их соединений в объеме пеноматериала. После истечения установленного времени травитель в потоке заменяют на воду путем переключения крана. Это способствует удалению продуктов реакции из пористого образца. Для исследований и испытаний можно выбирать образцы, пористость которых составляет ≥30%.
1
2
ν
i
Измерения проницаемости пеноматериала до и после ДХП проводятся по стандарту ISO4022, не вынимая образец из камеры, оснащенной датчиками измерения давления (на входе (p) и на выходе (р)) и объемной скорости течения (Q). Проницаемость характеризуется коэффициентами вязкостной (ψ) и инерционной (ψ) проницаемости, которые являются параметрами формулы (1), описывающей соотношение между падением давления (ΔР), объемной скоростью течения, динамической вязкостью (η) и плотностью (ρ) жидкости для испытания и размерами (площадь (А) и толщина (е)) пористого металлического испытуемого образца.
где .
Это уравнение переписывали в виде у=ах+b, где
;
.
ν
i
Значения x и у вычисляют для каждого уровня перепада давления и скорости течения. Полученные значения наносят на график и методом наименьших квадратов проводят среднюю линию. По пересечению этой линии с осью у определяли обратную вязкостную проницаемость (1/ψ). Тангенс угла наклона этой линии дает величину, обратную инерционной проницаемости (1/ψ).
Показания датчиков поступают на компьютер в программу на платформе LabVIEW (National Instruments), в которой проводится расчет на основе описанного в ISO4022 алгоритма.
В исходном состоянии структура пеноматериала из сплава Ti-Nb-Zr представляет собой смесь большого количества мелких пор и соединений, и малого количества крупных пор ≥100 мкм. ДХП в течение 15 мин приводит к заметному увеличению размера мелких пор и соединений. При повышении времени ДХП до 25 мин наряду с увеличением размера мелких пор и их соединений, наблюдается и значительное (примерно в 2 раза) увеличение размеров крупных пор. Эти изменения согласуются с закономерным увеличением пористости пеноматериала до 60-70%.
ν
ν
-11
2
-11
2
Образцы в исходном состоянии обладают низкой проницаемостью (ψ=1.24×1m). Динамическое химическое протравливание приводит к существенному увеличению проницаемости (ψ=19.2×10m) до уровня современных пористых биоматериалов.
ν
ν
-11
2
-11
2
Таким образом, в результате применения камеры для осуществления динамического химического протравливания спеченных металлических пеноматериалов и определения их проницаемости жидкостями к пеноматериалам на основе сплава Ti-Nb-Zr определена проницаемость образцов и они подвергнуты их ДХП по разным режимам. В результате применения ДХП достигается повышение пористости с 45-50% до 60-70% и проницаемости (с ψ=1.24×10m до ψ=19.2×10m), а также общего увеличение размеров пор и их соединений.