MMC kompozity s kovovou matricí

Transkript

1 MMC kompozity s kovovou matricí

2 Přednosti MMC proti kovům Vyšší specifická pevnost (ne absolutní) Vyšší specifická tuhost (ne absolutní) Lepší únavové vlastnosti Lepší vlastnosti při vysokých teplotách : vyšší mez kluzu a pevnosti menší kreep Nižší teplotní roztažnost (i nulová) Vyšší otěruvzdornost

3 Užívání MMC v EU v roce 2001 Nejpoužívanější : Hliníková matrice Částicová disperze SiC nebo Al 2 O 3

4 Metody výroby MMC Z taveniny nejpříbuznější výrobě kovů Práškovou metalurgií slinováním, jako u keramiky Usměrněnou krystalizací Speciální metody

5 Výroba z taveniny a prášku Nebezpečí : Shlukování částic obr vlevo Hromadění částic nahoře - jsou lehčí

6 Předslinutý polotovar z prášku

7 Vlastnosti kompozitu Al / SiC Pracovní diagram Vliv teploty

8 Únava při vysoké teplotě Al / SiC

9 Vzhled a struktura kompozitu MMC

10 Další typy částicových MMC Pro potlačení kreepu niklových slitin až do 1000 o C : disperze ThO 2, HfO 2 nebo ZrO 2 Pro potlačení kreepu niklchromových slitin až do 1650 o C : disperze W nebo Mo Pro reaktorovou techniku k potlačení křehnutí oceli neutrony : v ocelové matrici disperze Al 2 O 3, CrO 2 nebo ThO 2 Pro kontakty v elektrotechnice : stříbrná matrice, disperze CdO nebo SnO 2 Pro svářecí elektrody : měděná matrice, disperze Al 2 O 3, BeO nebo ThO 2 Na namáhané části raketoplánů : ocel s 20 až 30 % disperze TiB 2 mez pevnosti 1100 MPa,

11 Kompozit pro trysky raketoplánů Růst tuhosti Pokles hmotnosti

12 Vlákna pro dlouhovláknové MMC Vzhled kompozitu B/W --- BORSIC SiC/C SiC na nosném vlákně C

13 Vlákna SiC/C firmy TECTRON Vlákno Kompozit

14 Běžné dlouhovláknové MMC

15 Ukázka anizotropie vláknových MMC Vlákna V d (%) Matrice Hustota (g/cm 3 ) R m (MPa) R m (MPa) E (GPa) E (GPa) α (10-6 K -1 ) α (10-6 K -1 ) Uhlík 45 MgAl1 1, Uhlík 60 Al99,85 2, ,6 17 Al 2 O 3 +SiO 2 50 Al99,85 3, ,5 14 Al 2 O 3 +SiO 2 50 AlZnMg 3, Al 2 O 3 60 Al99,85 3,

16 Vlastnosti dlouhovláknových MMC Matrice AlMgSi Borová vlákna Matrice Ti slitina 35 % borových vláken

17 Pevnost při vysoké teplotě 3 slitina AlMgSi, 2 hliníková matrice s 30 % uhlíkových vláken, 1 slitina AlMgSi s 30 % uhlíkových vláken. Je možné nahradit drahou slitinu levným hliníkem

18 Vliv na houževnatost MMC Matrice AlMgSi Disperze ocelová vlákna Kolmo na vlákna Ve směru vláken

19 Vliv na mez tečení MMC Pro teplotu 500 o C a dobu zatížení 10 4 hodin (něco přes rok) AlMgSi + BORSIC AlMgSi + bor (difuze) TiAl6V4

20 MMC práškovou metalurgií Kompozit 26 % Ag a 74 % W na nástroje pro elektroerozivní obrábění kovů. Do slinutého wolframového prášku s větším množstvím pórů se nechá infiltrovat roztavené stříbro. Má vynikající řezné vlastnosti a stabilitu v elektrických výbojích. Místo W lze použít i CdO nebo SnO 2. Kompozit 32 % Cu a 68 % W na různé části svařovacích elektrod. Vysoká elektrická vodivost a relativně vysoká houževnatost. Vysoká pevnost až do 920 o C. Kompozit 44 % Cu a 66 % WC na svařovací elektrody pro vysoké svařovací tlaky, poněkud menší elektrická vodivost. Jako disperzi je možné použít i Al 2 O 3, BeO nebo ThO 2.

21 MMC práškovou metalurgií Pro jadernou techniku byly vyvinuty specielní kompozity s vysokou odolností proti křehnutí v proudu neutronů. Zpravidla jde o téměř čisté železo zpevněné disperzí Al 2 O 3, CrO 2, nebo Cr 2 O 3, příp ThO 2. Pro raketoplány byl vyvinut speciální kompozit s matricí z nízkouhlíkové oceli a disperzí 30 % TiB 2, který má pevnost 1100 MPa při tažnosti 25 % a Youngovu modulu 400 Gpa. Speciální žárupevné materiály - dále

22 Slitiny kovů : Niklchrom Hastelloy Nimocast 258 Žárupevné MMC Kompozity : Hastelloy + 30 % W vláken Niob + 24 % W vl. + částice Rh Slitina NASA + 70 % W vl. + část. ThO2 Nimocast % W

23 Cermety Starší označení pro kompozity vyráběné práškovou metalurgií s matricí ze středně nebo těžkotavitelných kovů a disperzí z těžkotavitelných sloučenin (nejčastěji oxidů). Množství disperze zpravidla přesahuje 50 %, takže jsou ve struktuře často ve větším měřítku póry. Některé nejznámější typy : matrice chrom, disperze 70 % Al 2 O 3 matrice chrom, disperze 85 % Cr 2 O 3 matrice nikl, disperze 70 % TiC matrice železo, disperze 70 % TiC matrice molybden, disperze 30% Al 2 O 3 a 50 % TiN

24 Slinuté karbidy Kobaltová matrice - okolo 20 % Co. WC se rozpouští v kobaltu. TiC zvyšuje řezivost a snižuje houževnatost.

25 Zajímavé vlastnosti eutektika - Jedna (zpravidla minoritní) složka eutektika se velmi často vylučuje jako jednotlivé útvary, které mají určitý tvar : vlákno, destička a p. - Velikost těchto útvarů je při konstantních podmínkách krystalizace prakticky konstantní - Rovněž vzájemná vzdálenost těchto útvarů bývá prakticky konstantní a jejich rozložení uvnitř buňky eutektika je rovnoměrné - Orientace těchto útvarů je zpravidla vázána na orientaci rozhraní pevná fáze tavenina např vlákna rostou kolmo na toto rozhraní - Složky eutektika bývají uspořádány v jednotlivých eutektických buňkách - Počet těchto buněk klesá s poklesem rychlosti ochlazování

26 Usměrněná krystalizace Chceme, aby bylo co nejméně eutektických buněk a útvary v nich měly stejnou orientaci ty tvoří disperzi. Podmínky pro usměrněnou krystalizaci : Krystalizační fronta ( rozhraní tavenina pevná fáze) musí být po celou dobu rovinná V oblasti kolem krystalizační fronty musí být velký gradient teploty, aby nemohlo dojít ke konstitučnímu podchlazení a tím degradaci krystalizační fronty Krystalizační fronta se musí pohybovat rovnoměrně a pomalu, aby byly eutektické buňky co největší.

27 Provádění usměrněné krystalizace Soustava Ni-Al-Re Usměrněná krystalizace Matrice intermetalikum NiAl Vlákna rhenia

28 Příklad vhodného systému Jehličkovitá disperze Ni3Al Vláknová disperze Al3Ni diagram nikl - hliník Usměrněné jehličkové eutektikum :

29 Příklady vhodných systémů

30 Ložiskové kompozity MMC - Hůře tavitelná kovová matrice a lehkotavitelná disperze, která při částečném natavení může zastupovat mazadlo. Příklady : Matrice uhlíková ocel, disperze 50 % částic stříbrné pájky Matrice bronz, disperze okolo 50 % částic pájky 38Pb62Sn Matrice bronz, disperze okolo 50 % částic olova nebo antimonu - Matrice z běžného kovu, např nerezoceli 0,4 % C a 13 % Cr s disperzí několika desítek procent částic tuhých mazadel (MoS 2, WSe 2 ) takto lze dosáhnout koeficientu suchého tření až 0,02 ( desetkrát lepší než šedá litina).

31 Kovoskleněné kompozity Disperzi tvoří skleněné částice, matrice je kov Železo nebo C ocel s disperzemi 1 % grafitu a 5 % skla pevnost 700 MPa při tažnosti 1 %, vysoká otěruvzdornost a minimální koeficient tření Železo nebo C ocel s 12 % skla maximální korozivzdornost, téměř o řád vyšší než u samotné matrice Železo nebo C ocel s 25 % skla maximální otěruvzdornost Speciální kompozit na suché tření ve vakuu : eutektoidní uhlíková ocel s 15 % skla koeficient tření 0,18, za stejných podmínek kov kov 0,9.

32 Kompozitní systém GLARE Vyvinutý pro AIRBUS Růst únavové trhliny : Hliníková slitina Hliníková slitina + kevlar vlákno GLARE kompozity