2014.03.31.
Fémmátrixú kompozitok és fémhabok
A mai napon szó lesz • Fémmátrixú kompozitok – Fogalom – Tulajdonságok – Gyártás
• Fémhabok – – – – –
Definíció Típusok Tulajdonságok Gyártás Felhasználás
FÉMMÁTRIXÚ KOMPOZITOK
1
2014.03.31.
Gépészeti anyagok Jellemző
Fém
Olvadáspont Keménység Forgácsolhatóság Szakítószilárdság Nyomószilárdság Rug. modulus Kúszási ellenállás Hőtágulás Hővezetés Hősokktűrés Vill. ellenállás Korrózióállóság
2 - 16(g/cm3) Sn 232, W 3400 közepes jó 2500 MPa 2500 MPa 40-400 GPa rossz közepes és nagy közepes jó vezető gyenge-közepes
Hőállóság
gyenge-közepes
Sűrűség
Kerámia
Polimer
2 - 17
0,5 - 2
4000 °C nagy rossz 400 5000 150 - 450 kiváló kicsitől közepesig közepes, gyorsan csökken T-vel általában rossz szigetelő / fél- és szupravezető kiváló oxidok: kiváló, SiC és Si3N4 jó
kicsi kicsi jó ?? 120 350 0.001 - 3.5 - ?? nagyon nagy nagyon kicsi szigetelő ?? általában jó -
Anyagcsoportok
Mi a kompozit? • Társított (hibrid) anyagok • Két vagy több anyag egyesítésével jön létre – Mátrixanyag (befoglaló anyag) – Erősítőanyag – Határréteg (interfész)
• Speciális variánsok – Cellás anyagok, habok – Réteges anyagok – Kötegelt, vagy rétegelt anyagok
2
2014.03.31.
Miért kompozit? • Előnyös tulajdonságok célszerű társítása • Cél: – – – – – –
– – – – – –
Szilárdság (T) Törési szívósság Merevség Tömeg Hőtágulás Kopásállóság
Hőszigetelés Energiaelnyelés Biofunkcionalitás Korrózióállóság Villamos tulajdonságok Technológiai alkalmasság
Mi a cél?
Mátrixanyagok • Terhelésfelvétel • Az esetek többségében könnyűfémek – Alumínium ötvözetek • Olcsó, jól kezelhető, könnyű, szilárdsága növelhető
– Magnézium ötvözetek • Könnyű, szilárdsága növelhető
• Egyéb fémek – Elsősorban célfelhasználás esetén • Pl. réz hőcserélők esetén
Erősítőanyagok • Teherviselés • Részecskék – Kisebb-nagyobb, változatos alakú és anyagú szemcsék
• Szálerősítés – Kerámia-, fém- és szénszálak – Rövid-, vagy hosszúszál-erősítés
• Szövetek – Különböző szövésű, akár kevert szövetek
• Tűkristályok
3
2014.03.31.
Átmeneti réteg • Terhelésátadás a mátrix és az erősítőanyag között • Legalább annyira meghatározza a kompozit tulajdonságait, mint maga a mátrix és az erősítőanyag
Részecskeerősítésű kompozit • Lehetőségek – Bekeverés (stir casting), infiltráció (pressure infiltration), kémiai reakció (in-situ)
• Hatásmechanizmus – Diszlokációk mozgásának akadályozása – Felületi kopásálló réteg biztosítása
• Cél: szilárdságnövelés, kopásállóságnövelés, önsúly csökkentés és ezek kombinációja
Nyomásos infiltrálás
4
2014.03.31.
Szálerősítésű kompozitok • Rövidszálerősítés – Gyártás: hasonlóan a részecskerősítéshez – Cél: szilárdság és törési szívósság növelése
• Hosszúszálerősítés – Gyártás • Diffúziós módszer, nagy T, nagy p • Folyamatos infiltrálás (ultrahang és/vagy nyomás)
– Cél: szilárdság és merevség növelés
• Szövetek – Cél: erősítés kitüntetett irányokban
Anyag Kevlar Karbonszál Bór szál Üvegszál Kvarcüveg szál 58AI2O3 15Si02 szál 9 AI2O3 20m Acél (0,8%) huzal W-szál SiC szál Nicalon Siw tűkristály Karbon tűkristály Few tűkristály AI2O3 tűkristály Si3N4 tűkristály SiCw tűkristály
g/cm3 1,45 1,95 2,3 2,5 2,5 3,2 3,95 7,8 19,3 3,2 2,3 2,2 7,8 3,9-4 3,2 3,2
E GPa 125 390 550 98 105 250 380 210 360 410 180 690 210 430-580 380 700
Rm MPa 2700 2200-2700 3800-10000 4500 10000 2600 1450 4000 5500 3800 7000 15000-20000 12000 10000-21000 10000-14000 20000
5
2014.03.31.
6
2014.03.31.
7
2014.03.31.
Fontos kérdés a nedvesítés
8
2014.03.31.
Tűkristályok • Más néven whiskerek • Tökéletes rácsú, igen rövid szálak • Tulajdonságok – Igen nagy szilárdság – Nagy merevség
• Kísérleti fázis • Drága előállítás • Øn μm × m∙100 μm
Réteges anyagok
9
2014.03.31.
Többréteges kivitelek • • • •
Szabadalmak 2000-től Alcoa Köfém
Rétegelt / kötegelt anyagok
10
2014.03.31.
FÉMHABOK
Biomimetika ‚When modem man builds large load-bearing structures, he uses dense solids: steel, concrete, glass. When nature does the same, she generally uses cellular materials: wood, bone, coral. There must be good reasons for this.’ -M. F. Ashby
11
2014.03.31.
A szerkezet mint a kenyéré
• Porózus szerkezet – kis sűrűség – Nyílt és/vagy zárt cellás felépítés – Jó fajlagos mechanikai tulajdonságok (R/ρ, E/ρ) – Energiaelnyelés, sérüléslokalizáció
Mint a kenyér – gépész értelmezés
12
2014.03.31.
Csoportosítás • Zárt- vagy nyíltcellás (esetleg vegyes) • Alapfém – általában könnyűfém • Porozitás – ~30…90%
A fémhabok tulajdonságai • Hosszú platós szakasz • Sorozatosan összeroppanó cellák • A görbe alatti terület arányos az elnyelt energiával • Optimális sűrűség meghatározása • Ütközők deformációja
Alkalmazási területek
13
2014.03.31.
Gyártási eljárások • Habosító anyaggal – TiH2 – CaCO3
• Gázátbuborékoltatással – N2, Ar – Stabilizátor
• Kiolvadó anyaggal • Kioldódó anyaggal • Üreges gömbhéjakkal
Habosító anyaggal
Habosodás
14
2014.03.31.
Folyamatos kisajtolás • Prekurzor előállítása az ismertetett módon • Fém + habképző • Hevítés hatására a szerszámban habosodás indul meg • A szerszámból kész fémhab távozik • Az anyagáram irányítható
Habosító anyaggal
15
2014.03.31.
Ipari példa
Gázátbuborékoltatás
Gázátbuborékoltatás
16
2014.03.31.
Hő hatására kiolvadó anyaggal
Kioldódó töltőanyaggal • • • • • • • •
töltés szorítás felöntés olvadt fémmel túlhevítés túlnyomásos átitatásos öntés nyomás fenntartása szilárdulásig megmunkálás töltőanyag kioldása
17
2014.03.31.
Fém gömbhéjak felhasználásával • Gömbhéjak (hollow spheres) – Ø0,5-10 mm – s20-1000 μm
• Diffúz hegesztés • Tetszőleges alak és szerkezet rakható ki a gömbökből • HSS – Hollow Sphere Structure
Üreges gömbhéjak felhasználásával
SZINTAKTIKUS FÉMHABOK
18
2014.03.31.
Bevezetés •Szintaktikus hab, 1960-as évek, ~110 db •Szintaktikus fémhab, 1990, ~25 db •Alumíniumötvözet mátrix és kerámia Fémek (mikro)gömbhéj erősítés Polimerek Kerámiák Kompozitok
Szálerősítés
Tömör
Fémhab
Részecskeerősítés
Üreges
Szintaktikus fémhab
Szendvicsszerkezet
…
…
…
19
2014.03.31.
4Al+3SiO2=3Si+2Al2O3
50 μm
50 μm
Jel Al-SL150 Al-SLG Al-SL300 AlSi-SL150 AlSi-SLG AlSi-SL300
Al 67 63 78 72 72 72
Si 8 6 0 7 7 7
Mullit 11 14 11 13 13 12
50 μm
50 μm
γ-Al2O3 11 11 0 0 0 0
α-Al2O3 3 4 0 0 0 0
Üveg 0 0 11 8 8 8
20 μm
50 μm
20
2014.03.31.
A
A
C
B
C
B
D
A
B C
A
B
D
C
D
D
200 μm
200 μm
200 μm
50 μm
200 μm
Nyomóvizsgálat
Szerzők Rohatgi et al. Wu et al. Dou et al.
Mátrixanyag A356 (7% Si) A356 (7% Si) Al Al Al Al
Gömbhéj átmérő, (μm) 75-106 106-150 92 150 90 150
Vmg (%) 64 64 70 65 70 65
H/D 2 2 1,5 1,5 1,5 1,5
σ1max, (MPa) 15 24 70 44,8 74,72 44,8
Saját ekvivalens AlSi-SL150 AlSi-SLG Al-SL150 Al-SL300 Al-SL150 Al-SL300
σ1max, (MPa) 158 150 177 174 177 174
21
2014.03.31.
Nyomóvizsgálat
Szerzők Rohatgi et al. Wu et al. Dou et al.
Mátrixanyag A356 (7% Si) A356 (7% Si) Al Al Al Al
Gömbhéj átmérő, (μm) 75-106 106-150 92 150 90 150
Vmg (%) 64 64 70 65 70 65
H/D
εσmax, (%)
2 2 1,5 1,5 1,5 1,5
2,2 3,6 8 3 8,5 4
Saját ekvivalens AlSi-SL150 AlSi-SLG Al-SL150 Al-SL300 Al-SL150 Al-SL300
εσmax, (%) 6,5 5,27 7,69 7,64 7,69 7,64
2 mm
2 mm
2 mm
2 mm
2 mm
2 mm
22
2014.03.31.
2 mm
2 mm
2 mm
Összehasonlítás
ÖSSZETETT PÉLDA
23
2014.03.31.
Ti-35Nb-7Zr-5Ta
24
