2017.03.21.

1

Fémmátrixú kompozitok és fémhabok

Dr. Orbulov Imre Norbert

Anyagtudomány és Technológia Tanszék

A mai napon szó lesz

• Fémmátrixú kompozitok

– Fogalom

– Tulajdonságok

– Gyártás

• Fémhabok

– Definíció

– Típusok

– Tulajdonságok

– Gyártás

– Felhasználás

FÉMMÁTRIXÚ KOMPOZITOK

2017.03.21.

2

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

2017.03.21.

3

Miért kompozit?

– Szilárdság (T)

– Törési szívósság

– Merevség

– Tömeg

– Hőtágulás

– Kopásállóság

– Hőszigetelés

– Energiaelnyelés

– Biofunkcionalitás

– Korrózióállóság

– Villamos tulajdonságok

– Technológiai alkalmasság

• Előnyös tulajdonságok célszerű társítása

• Cél:

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

2017.03.21.

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

2017.03.21.

5

Szálerősítésű kompozitok

• Rövidszálerősítés

– Gyártás: hasonlóan a részecskeerősítéshez

– 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

AI2O3 20m 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

AI2O3 tűkristály 3,9-4 430-580 10000-21000

Si3N4 tűkristály 3,2 380 10000-14000

SiCw tűkristály 3,2 700 20000

2017.03.21.

6

2017.03.21.

7

2017.03.21.

8

Fontos kérdés a nedvesítés

2017.03.21.

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

2017.03.21.

10

Többréteges kivitelek

• Szabadalmak

• 2000-től

• Alcoa

• Köfém

Rétegelt / kötegelt anyagok

2017.03.21.

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

2017.03.21.

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

2017.03.21.

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

2017.03.21.

14

Gyártási eljárások

• Habosító anyaggal – TiH2 – CaCO3

• Gázátbuborékoltatással – N2, Ar

– Stabilizátor

• Kiolvadó anyaggal

• Kioldódó anyaggal

• Üreges gömbhéjakkal

Habosító anyaggal

Habosodás

2017.03.21.

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

2017.03.21.

16

Ipari példa

Gázátbuborékoltatás

Gázátbuborékoltatás

2017.03.21.

17

Hő hatására kiolvadó anyaggal

Kioldódó töltőanyaggal

• töltés

• szorítás

• felöntés olvadt fémmel

• túlhevítés

• túlnyomásos átitatásos öntés

• nyomás fenntartása szilárdulásig

• megmunkálás

• töltőanyag kioldása

2017.03.21.

18

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

2017.03.21.

19

Fémek

Polimerek

Kerámiák

Kompozitok

Szálerősítés

Részecske-erősítés

Tömör

Üreges

Fémhab

Szintaktikus fémhab

… … Szendvics-szerkezet

…

Bevezetés

•Szintaktikus hab, 1960-as évek, ~110 db

•Szintaktikus fémhab, 1990, ~25 db

•Alumíniumötvözet mátrix és kerámia (mikro)gömbhéj erősítés

2017.03.21.

20

4Al+3SiO2=3Si+2Al2O3

Jel Al Si Mullit γ-Al2O3 α-Al2O3 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 50 μm

50 μm

50 μm 50 μm

20 μm

2017.03.21.

21

A B C D

A B C D

A B C D

A B

C D

200 μm 200 μm 200 μm

200 μm

50 μm

Nyomóvizsgálat

Szerzők Mátrixanyag Gömbhéj

átmérő, (μm) Vmg (%)

H/D σ1max, (MPa)

Saját ekvivalens

σ1max, (MPa)

Rohatgi et al. A356 (7% Si) 75-106 64 2 15 AlSi-SL150 158

A356 (7% Si) 106-150 64 2 24 AlSi-SLG 150

Wu et al. Al 92 70 1,5 70 Al-SL150 177

Al 150 65 1,5 44,8 Al-SL300 174

Dou et al. Al 90 70 1,5 74,72 Al-SL150 177

Al 150 65 1,5 44,8 Al-SL300 174

2017.03.21.

22

Nyomóvizsgálat

Szerzők Mátrixanyag Gömbhéj

átmérő, (μm) Vmg (%)

H/D εσmax, (%) Saját

ekvivalens εσmax, (%)

Rohatgi et al. 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

Wu et al. Al 92 70 1,5 8 Al-SL150 7,69 Al 150 65 1,5 3 Al-SL300 7,64

Dou et al. 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

2017.03.21.

23

2 mm

2 mm 2 mm

Összehasonlítás

ÖSSZETETT PÉLDA

2017.03.21.

24

Ti-35Nb-7Zr-5Ta