Fémmátrixú kompozitok és fémhabok A mai napon szó lesz Fémmátrixú kompozitok Fogalom Tulajdonságok Gyártás Fémhabok Definíció Típusok Tulajdonságok Gyártás Felhasználás FÉMMÁTRIXÚ KOMPOZITOK 1
Gépészeti anyagok Jellemző Fém Kerámia Polimer Sűrűség 2-16(g/cm3) 2-17 0,5-2 Olvadáspont Sn 232, W 3400 4000 C kicsi Keménység közepes nagy kicsi Forgácsolhatóság jó rossz jó?? Szakítószilárdság 2500 MPa 400 120 Nyomószilárdság 2500 MPa 5000 350 Rug. modulus 40-400 GPa 150-450 0.001-3.5 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
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
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
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 1,45 125 2700 Karbonszál 1,95 390 2200-2700 Bór szál 2,3 550 3800-10000 Üvegszál 2,5 98 4500 Kvarcüveg szál 2,5 105 10000 58AI2O3 15Si02 szál 9 3,2 250 2600 AI 2O 3 20 m 3,95 380 1450 Acél ( 0,8%) huzal 7,8 210 4000 W-szál 19,3 360 5500 SiC szál Nicalon 3,2 410 3800 Siw tűkristály 2,3 180 7000 Karbon tűkristály 2,2 690 15000-20000 Few tűkristály 7,8 210 12000 AI 2O 3 tűkristály 3,9-4 430-580 10000-21000 Si 3N 4 tűkristály 3,2 380 10000-14000 SiCw tűkristály 3,2 700 20000 5
6
7
Fontos kérdés a nedvesítés 8
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
Többréteges kivitelek Szabadalmak 2000-től Alcoa Köfém Rétegelt / kötegelt anyagok 10
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
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
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
Gyártási eljárások Habosító anyaggal TiH 2 CaCO 3 Gázátbuborékoltatással N 2, Ar Stabilizátor Kiolvadó anyaggal Kioldódó anyaggal Üreges gömbhéjakkal Habosító anyaggal Habosodás 14
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
Ipari példa Gázátbuborékoltatás Gázátbuborékoltatás 16
Hő hatására kiolvadó anyaggal Kioldódó töltőanyaggal töltés szorítás felöntés olvadt fémmel túlhevítés túlnyomásos átitatásos öntés nyomás fenntartása szilárdulásig megmunkálás töltőanyag kioldása 17
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
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
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-SL150 67 8 11 11 3 0 Al-SLG 63 6 14 11 4 0 Al-SL300 78 0 11 0 0 11 AlSi-SL150 72 7 13 0 0 8 AlSi-SLG 72 7 13 0 0 8 AlSi-SL300 72 7 12 0 0 8 50 μm 20 μm 50 μm 50 μm 20
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) 75-106 64 2 15 AlSi-SL150 158 A356 (7% Si) 106-150 64 2 24 AlSi-SLG 150 Al 92 70 1,5 70 Al-SL150 177 Al 150 65 1,5 44,8 Al-SL300 174 Al 90 70 1,5 74,72 Al-SL150 177 Al 150 65 1,5 44,8 Al-SL300 174 21
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) 75-106 64 2 2,2 AlSi-SL150 6,5 A356 (7% Si) 106-150 64 2 3,6 AlSi-SLG 5,27 Al 92 70 1,5 8 Al-SL150 7,69 Al 150 65 1,5 3 Al-SL300 7,64 Al 90 70 1,5 8,5 Al-SL150 7,69 Al 150 65 1,5 4 Al-SL300 7,64 2 mm 2 mm 2 mm 2 mm 2 mm 2 mm 22
2 mm 2 mm 2 mm Összehasonlítás ÖSSZETETT PÉLDA 23
Ti-35Nb-7Zr-5Ta 24