Fémmátrixú kompozitok és fémhabok. A mai napon szó lesz FÉMMÁTRIXÚ KOMPOZITOK. Fémmátrixú kompozitok Fogalom Tulajdonságok Gyártás

Átírás

1 Fémmátrixú kompozitok és fémhabok A mai napon szó lesz Fémmátrixú kompozitok Fogalom Tulajdonságok Gyártás Fémhabok Definíció Típusok Tulajdonságok Gyártás Felhasználás FÉMMÁTRIXÚ KOMPOZITOK 1

2 Gépészeti anyagok Jellemző Fém Kerámia Polimer Sűrűség 2-16(g/cm3) ,5-2 Olvadáspont Sn 232, W C kicsi Keménység közepes nagy kicsi Forgácsolhatóság jó rossz jó?? Szakítószilárdság 2500 MPa Nyomószilárdság 2500 MPa Rug. modulus GPa Kúszási ellenállás rossz kiváló -?? Hőtágulás közepes és nagy kicsitől közepesig nagyon nagy Hővezetés közepes közepes, gyorsan csökken T-vel nagyon kicsi Hősokktűrés jó általában rossz - Vill. ellenállás vezető szigetelő / fél- és szupravezető szigetelő?? Korrózióállóság gyenge-közepes kiváló általában jó Hőállóság gyenge-közepes oxidok: kiváló, SiC és Si3N4 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

3 Miért kompozit? Előnyös tulajdonságok célszerű társítása Cél: Szilárdság (T) Törési szívósság Merevség Tömeg Hőtágulás Kopásállóság Mi a cél? Hőszigetelés Energiaelnyelés Biofunkcionalitás Korrózióállóság Villamos tulajdonságok Technológiai alkalmasság 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

4 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

5 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 g/cm3 E GPa Rm MPa Kevlar 1, Karbonszál 1, Bór szál 2, Üvegszál 2, Kvarcüveg szál 2, AI2O3 15Si02 szál 9 3, AI 2O 3 20 m 3, Acél ( 0,8%) huzal 7, W-szál 19, SiC szál Nicalon 3, Siw tűkristály 2, Karbon tűkristály 2, Few tűkristály 7, AI 2O 3 tűkristály 3, Si 3N 4 tűkristály 3, SiCw tűkristály 3,

6 6

7 7

8 Fontos kérdés a nedvesítés 8

9 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

10 Többréteges kivitelek Szabadalmak 2000-től Alcoa Köfém Rétegelt / kötegelt anyagok 10

11 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

12 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

13 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

14 Gyártási eljárások Habosító anyaggal TiH 2 CaCO 3 Gázátbuborékoltatással N 2, Ar Stabilizátor Kiolvadó anyaggal Kioldódó anyaggal Üreges gömbhéjakkal Habosító anyaggal Habosodás 14

15 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

16 Ipari példa Gázátbuborékoltatás Gázátbuborékoltatás 16

17 Hő hatására kiolvadó anyaggal Kioldódó töltőanyaggal töltés szorítás felöntés olvadt fémmel túlhevítés túlnyomásos átitatásos öntés nyomás fenntartása szilárdulásig megmunkálás töltőanyag kioldása 17

18 Fém gömbhéjak felhasználásával Gömbhéjak (hollow spheres) Ø0,5-10 mm s μm Diffúz hegesztés Tetszőleges alak és szerkezet rakható ki a gömbökből HSS Hollow Sphere Structure Üreges gömbhéjak felhasználásával SZINTAKTIKUS FÉMHABOK 18

19 Fémek Polimerek Kerámiák Kompozitok Szálerősítés Részecskeerősítés Szendvicsszerkezet Bevezetés Szintaktikus hab, 1960-as évek, ~110 db Szintaktikus fémhab, 1990, ~25 db Alumíniumötvözet mátrix és kerámia (mikro)gömbhéj erősítés Tömör Üreges Fémhab Szintaktikus fémhab 19

20 4Al+3SiO 2 =3Si+2Al 2 O 3 50 μm 50 μm Jel Al Si Mullit γ-al 2 O 3 α-al 2 O 3 Üveg Al-SL Al-SLG Al-SL AlSi-SL AlSi-SLG AlSi-SL μm 20 μm 50 μm 50 μm 20

21 A B C D A B C D A B C D A B C D 200 μm 200 μm 200 μm 50 μm 200 μm Nyomóvizsgálat Szerzők Rohatgi et al. Wu et al. Dou et al. Mátrixanyag Gömbhéj V mg σ H/D 1max, Saját σ 1max, átmérő, (μm) (%) (MPa) ekvivalens (MPa) A356 (7% Si) AlSi-SL A356 (7% Si) AlSi-SLG 150 Al ,5 70 Al-SL Al ,5 44,8 Al-SL Al ,5 74,72 Al-SL Al ,5 44,8 Al-SL

22 Nyomóvizsgálat Szerzők Rohatgi et al. Wu et al. Dou et al. Mátrixanyag Gömbhéj V mg Saját H/D ε átmérő, (μm) (%) σmax, (%) ekvivalens ε σmax, (%) A356 (7% Si) ,2 AlSi-SL150 6,5 A356 (7% Si) ,6 AlSi-SLG 5,27 Al ,5 8 Al-SL150 7,69 Al ,5 3 Al-SL300 7,64 Al ,5 8,5 Al-SL150 7,69 Al ,5 4 Al-SL300 7,64 2 mm 2 mm 2 mm 2 mm 2 mm 2 mm 22

23 2 mm 2 mm 2 mm Összehasonlítás ÖSSZETETT PÉLDA 23

24 Ti-35Nb-7Zr-5Ta 24