Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe werden entweder für das Space Shuttle, Verkehrsflugzeuge, elektronische Substrate, Fahrräder, Automobile, Golfschläger und eine Vielzahl anderer Anwendungen verwendet oder Prototyping. Während die überwiegende Mehrheit Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffe sind, erfordern eine wachsende Anzahl von Anwendungen die Matrixeigenschaften von Superlegierungen, Titan, Kupfer, Magnesium oder Eisen.
Wie alle Verbundwerkstoffe sind Aluminium-Matrix-Verbundwerkstoffe kein einzelnes Material, sondern eine Materialfamilie, deren Steifigkeit, Festigkeit, Dichte sowie thermische und elektrische Eigenschaften maßgeschneidert werden können. Die Matrixlegierung, das Verstärkungsmaterial, das Volumen und die Form der Verstärkung, die Position der Verstärkung und das Herstellungsverfahren können alle variiert werden, um die erforderlichen Eigenschaften zu erreichen. Unabhängig von den Variationen bieten Aluminiumverbundwerkstoffe jedoch den Vorteil niedriger Kosten gegenüber den meisten anderen MMCs. Darüber hinaus bieten sie eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit, hohe Scherfestigkeit, ausgezeichnete Abriebfestigkeit, Hochtemperaturbetrieb, Nichtentzündbarkeit, minimalen Angriff durch Brennstoffe und Lösungsmittel und die Fähigkeit, auf herkömmlichen Geräten geformt und behandelt zu werden.
Aluminium-MMCs werden durch Gießen, Pulvermetallurgie, In-situ-Entwicklung von Verstärkungen und Folien- und Faserpressverfahren hergestellt. Produkte von gleichbleibend hoher Qualität sind jetzt in großen Mengen erhältlich, wobei die großen Hersteller die Produktion steigern und die Preise senken. Sie werden in Bremsscheiben, Kolben und anderen Automobilkomponenten sowie in Golfschlägern, Fahrrädern, Maschinenbauteilen, elektronischen Substraten, extrudierten Winkeln und Kanälen und einer Vielzahl anderer struktureller und elektronischer Anwendungen eingesetzt.
Superlegierungsverbundwerkstoffe, die mit Wolframlegierungsfasern verstärkt sind, werden für Komponenten in Strahlturbinentriebwerken entwickelt, die Temperaturen über 1.830 ° F betreiben.
Graphit / Kupfer-Verbundwerkstoffe haben maßgeschneiderte Eigenschaften, sind für hohe Lufttemperaturen geeignet und bieten hervorragende mechanische Eigenschaften sowie eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit. Sie bieten eine einfachere Verarbeitung im Vergleich zu Titan und eine geringere Dichte im Vergleich zu Stahl. Duktile Supraleiter wurden mit einer Matrix aus Kupfer und supraleitenden Filamenten aus Niob-Titan hergestellt. Kupfer, das mit Wolframpartikeln oder Aluminiumoxidpartikeln verstärkt ist, wird in Kühlkörpern und elektronischen Verpackungen verwendet.
Mit Siliziumkarbidfasern verstärktes Titan wird als Hautmaterial für das nationale Luftfahrtflugzeug entwickelt. Rostfreie Stähle, Werkzeugstähle und Inconel gehören zu den Matrixmaterialien, die mit Titankarbidpartikeln verstärkt und zu Zugringen und anderen korrosionsbeständigen Hochtemperaturkomponenten verarbeitet werden.
Im Vergleich zu monolithischen Metallen haben MMCs:
- Höhere Festigkeit-zu-Dichte-Verhältnisse
- Höhere Steifigkeit-zu-Dichte-Verhältnisse
- Bessere Ermüdungsfestigkeit
- Bessere Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen
- — Höhere Festigkeit
- — Niedrigere Kriechrate
- Niedrigere Wärmeausdehnungskoeffizienten
- Bessere Verschleißfestigkeit
Die Vorteile von MMCs gegenüber Polymermatrix-Verbundwerkstoffen sind:
- Höhere Temperaturbeständigkeit
- Feuerbeständigkeit
- Höhere Quersteifigkeit und Festigkeit
- Keine Feuchtigkeitsaufnahme
- Höhere elektrische und thermische Leitfähigkeit
- Bessere Strahlungsbeständigkeit
- Kein Ausgasen
- Herstellbarkeit von Whisker- und partikelverstärkten MMCs mit herkömmlichen Metallbearbeitungsgeräten.
Einige der Nachteile von MMCs im Vergleich zu monolithischen Metallen und Polymermatrix-Verbundwerkstoffen sind:
- Höhere Kosten einiger Materialsysteme
- Relativ unreife Technologie
- Komplexe Herstellungsverfahren für faserverstärkte Systeme (außer Gießen)
- Begrenzte Serviceerfahrung
Seit Beginn der Arbeiten an MMC in den späten 1950er Jahren wurden zahlreiche Kombinationen von Matrizen und Verstärkungen ausprobiert. Jedoch, Die MMC-Technologie befindet sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium, und andere wichtige Systeme werden zweifellos entstehen.
Verstärkungen: MMC-Verstärkungen können in fünf Hauptkategorien unterteilt werden: endlosfasern, diskontinuierliche Fasern, Whisker, Partikel und Drähte. Mit Ausnahme von Drähten, die Metalle sind, sind Verstärkungen im Allgemeinen Keramik.
Zu den wichtigsten Endlosfasern gehören Bor, Graphit (Kohlenstoff), Aluminiumoxid und Siliziumkarbid. Borfasern werden durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) dieses Materials auf einem Wolframkern hergestellt. Es wurden auch Kohlenstoffkerne verwendet. Diese relativ dicken Monofilamente sind in den Durchmessern 4,0, 5,6 und 8,0 mil erhältlich. Um Reaktionen zu verzögern, die zwischen Bor und Metallen bei hoher Temperatur stattfinden können, werden manchmal Faserbeschichtungen von Materialien wie Siliziumkarbid oder Borcarbid verwendet.
Siliziumkarbid-Monofilamente werden ebenfalls im CVD-Verfahren unter Verwendung eines Wolfram- oder Kohlenstoffkerns hergestellt. Ein japanisches Multifilamentgarn, das vom Hersteller als Siliziumkarbid bezeichnet wird, ist ebenfalls im Handel erhältlich. Dieses Material, das durch Pyrolyse von metallorganischen Vorläuferfasern hergestellt wird, ist jedoch weit von reinem Siliziumkarbid entfernt und unterscheidet sich in seinen Eigenschaften erheblich von denen von monofilem Siliziumkarbid.
Kontinuierliche Aluminiumoxidfasern sind von mehreren Lieferanten erhältlich. Chemische Zusammensetzungen und Eigenschaften der verschiedenen Fasern sind signifikant unterschiedlich. Graphitfasern werden aus zwei Vorläufermaterialien hergestellt, Polyacrilonitril (PAN) und Erdölpech. Die Bemühungen, Graphitfasern aus kohlebasiertem Pech herzustellen, sind im Gange. Graphitfasern mit einer breiten Palette von Stärken und Modulen sind verfügbar.
Die derzeit führenden diskontinuierlichen Faserverstärkungen sind Aluminiumoxid und Aluminiumoxid-Siliziumdioxid. Beide wurden ursprünglich als Dämmstoffe entwickelt. Das wichtigste Whisker-Material ist Siliziumkarbid. Das führende US-amerikanische Handelsprodukt wird durch Pyrolyse von Reishülsen hergestellt. Siliziumkarbid und Borkarbid, die wichtigsten Partikelverstärkungen, werden aus der kommerziellen Schleifmittelindustrie gewonnen. Siliziumkarbidpartikel werden auch als Nebenprodukt des Prozesses zur Herstellung von Whiskern aus diesem Material hergestellt.
Eine Reihe von Metalldrähten einschließlich Wolfram, Beryllium, Titan und Molybdän wurden verwendet, um Metallmatrizen zu verstärken. Derzeit sind die wichtigsten Drahtverstärkungen Wolframdraht in Superlegierungen und supraleitenden Materialien, die Niob-Titan und Niob-Zinn in einer Kupfermatrix enthalten. Die oben genannten Verstärkungen sind zu diesem Zeitpunkt die wichtigsten. Viele andere wurden in den letzten Jahrzehnten ausprobiert, und noch andere werden zweifellos in Zukunft entwickelt.
Matrixmaterialien und Schlüsselverbunde: Zahlreiche Metalle wurden als Matrizen verwendet. Die wichtigsten waren Aluminium-, Titan-, Magnesium- und Kupferlegierungen und Superlegierungen.
Die wichtigsten MMC-Systeme sind:
- Aluminiummatrix
- Endlosfasern: Bor, Siliciumcarbid, Aluminiumoxid, Graphit
- Diskontinuierliche Fasern: Aluminiumoxid, Aluminiumoxid-Siliciumdioxid
- Whisker: Siliciumcarbid
- Partikel: Siliciumcarbid, Borcarbid
- Magnesiummatrix
- Endlosfasern: Graphit, Aluminiumoxid
- Whisker: Siliziumkarbid
- Partikel: Siliziumkarbid, Borkarbid
- Titanmatrix
- Endlosfasern: Siliziumkarbid, beschichtetes Bor
- Partikel: titancarbid
- Kupfermatrix
- Endlosfasern: Graphit, Siliziumkarbid
- Drähte: Niob-Titan, Niob-Zinn
- Partikel: Siliziumkarbid, Borkarbid, Titankarbid.
- Superlegierungsmatrizen
- Drähte: Wolfram
Eigenschaften und Designüberlegungen: Die überlegenen mechanischen Eigenschaften von MMCs bestimmen ihre Verwendung. Ein wichtiges Merkmal von MMCs und eines, das sie mit anderen Verbundwerkstoffen teilen, ist jedoch, dass es durch geeignete Auswahl von Matrixmaterialien, Verstärkungen und Schichtorientierungen möglich ist, die Eigenschaften eines Bauteils an die Anforderungen eines bestimmten Designs anzupassen.
Beispielsweise ist es in weiten Grenzen möglich, Festigkeit und Steifigkeit in einer Richtung, Ausdehnungskoeffizient in einer anderen usw. anzugeben. Dies ist bei monolithischen Materialien selten möglich.
Monolithische Metalle neigen dazu, isotrop zu sein, dh in allen Richtungen die gleichen Eigenschaften zu haben. Einige Prozesse wie Walzen können jedoch Anisotropie verleihen, so dass die Eigenschaften mit der Richtung variieren. Das Spannungs-Dehnungs-Verhalten monolithischer Metalle ist typischerweise elastisch-plastisch. Die meisten Strukturmetalle haben eine beträchtliche Duktilität und Bruchzähigkeit.
Die große Vielfalt an MMCs hat Eigenschaften, die sich dramatisch unterscheiden. Zu den Faktoren, die ihre Eigenschaften beeinflussen, gehören:
- Bewehrungseigenschaften, Form und geometrische Anordnung
- Bewehrungsvolumenanteil
- Matrixeigenschaften, einschließlich Auswirkungen der Porosität
- Bewehrungs-Matrix-Grenzflächeneigenschaften
- Eigenspannungen aufgrund der thermischen und mechanischen Vorgeschichte des Verbundwerkstoffs
- Mögliche Verschlechterung der Bewehrung durch chemische Reaktionen bei hohen Temperaturen und mechanische Schäden durch Verarbeitung, Stoß usw.
Partikelverstärkte MMCs neigen wie monolithische Metalle dazu, isotrop zu sein. Das Vorhandensein von spröden Verstärkungen und möglicherweise von Metalloxiden neigt jedoch dazu, ihre Duktilität und Bruchzähigkeit zu verringern. Die weitere Entwicklung kann einige dieser Mängel verringern.
Die Eigenschaften von mit Schnurrhaaren verstärkten Materialien hängen stark von ihrer Orientierung ab. Zufällig orientierte Schnurrhaare erzeugen ein isotropes Material. Prozesse wie Extrusion können Whisker jedoch orientieren, was zu anisotropen Eigenschaften führt. Whisker reduzieren auch die Duktilität und Bruchzähigkeit.
MMCs, die mit ausgerichteten Fasern verstärkt sind, haben anisotrope Eigenschaften. Sie sind in Richtung der Fasern stärker und steifer als senkrecht zu ihnen. Die Querfestigkeit und Steifigkeit von unidirektionalen MMCs (Materialien, bei denen alle Fasern parallel zu einer Achse ausgerichtet sind) sind jedoch häufig groß genug für den Einsatz in Komponenten wie Versteifungen und Streben. Dies ist einer der großen Vorteile von MMCs gegenüber PMCs, die selten ohne Querbewehrung eingesetzt werden können.
Da der Modul und die Festigkeit von Metallmatrizen im Vergleich zu denen der meisten Verstärkungsfasern signifikant sind, ist ihr Beitrag zum Verbundverhalten wichtig. Die Spannungs-Dehnungs-Kurven von MMCs zeigen oft eine signifikante Nichtlinearität, die sich aus dem Nachgeben der Matrix ergibt.
Ein weiterer Faktor, der das Verhalten von faserverstärkten Metallen maßgeblich beeinflusst, ist der häufig große Unterschied im Ausdehnungskoeffizienten zwischen den beiden Bestandteilen. Dies kann zu großen Eigenspannungen in Verbundwerkstoffen führen, wenn diese erheblichen Temperaturänderungen ausgesetzt sind. Tatsächlich sind die thermischen Spannungen der Matrix während des Abkühlens von Verarbeitungstemperaturen oft stark genug, um ein Nachgeben zu verursachen. Große Eigenspannungen können auch durch mechanische Belastung erzeugt werden.
Obwohl faserige MMCs Spannungs-Dehnungskurven aufweisen können, die eine gewisse Nichtlinearität aufweisen, sind sie im Wesentlichen spröde Materialien, ebenso wie PMCs. In Ermangelung einer Duktilität zur Verringerung der Spannungskonzentrationen wird die gemeinsame Konstruktion zu einer kritischen konstruktiven Überlegung. Es wurden zahlreiche Methoden zum Verbinden von MMCs entwickelt, einschließlich metallurgischer und polymerer Verbindungen und mechanischer Verbindungselemente.
Fertigungsmethoden: Fertigungsmethoden sind ein wichtiger Teil des Entwurfsprozesses für alle strukturellen Materialien, einschließlich MMCs. In diesem kritischen Bereich sind erhebliche Arbeiten im Gange. Signifikante Verbesserungen bestehender Prozesse und die Entwicklung neuer Prozesse erscheinen wahrscheinlich.
Aktuelle Methoden können in zwei Hauptkategorien unterteilt werden, primäre und sekundäre. Primäre Herstellungsmethoden werden verwendet, um die MMC aus ihren Bestandteilen herzustellen. Das resultierende Material kann in einer Form vorliegen, die der gewünschten endgültigen Konfiguration nahe kommt, oder es kann eine beträchtliche zusätzliche Verarbeitung erfordern, die als Sekundärherstellung bezeichnet wird, wie Umformen, Walzen, metallurgisches Kleben und Bearbeiten. Die verwendeten Verfahren hängen von der Art der Bewehrung und der Matrix ab.
Eine kritische Betrachtung sind Reaktionen, die zwischen Verstärkungen und Matrizen während der Primär- und Sekundärverarbeitung bei den hohen Temperaturen auftreten können, die zum Schmelzen und Formen von Metallen erforderlich sind. Diese schränken die Arten von Bestandteilen ein, die durch die verschiedenen Verfahren kombiniert werden können. Manchmal können Barrierebeschichtungen erfolgreich auf Verstärkungen aufgebracht werden, so dass sie mit Matrizen kombiniert werden können, die sonst zu reaktiv wären. Beispielsweise erlaubt das Aufbringen einer Beschichtung wie Borcarbid die Verwendung von Borfasern zur Verstärkung von Titan. Mögliche Reaktionen zwischen Matrizen und Verstärkungen, auch beschichteten, sind ebenfalls ein wichtiges Kriterium bei der Bewertung der Temperaturen und der entsprechenden Zeitdauer, denen MMCs im Betrieb ausgesetzt sein können.
Monofilamentfasern mit relativ großem Durchmesser, wie Bor und Siliziumkarbid, wurden durch Heißpressen einer Schicht paralleler Fasern zwischen Folien in Metallmatrizen eingearbeitet, um ein Monoschichtband zu erzeugen. Bei diesem Vorgang fließt das Metall um die Fasern herum und es kommt zu einer Diffusionsbindung. Das gleiche Verfahren kann verwendet werden, um diffusionsgebundene Laminate mit Faserschichten herzustellen, die in bestimmten Richtungen orientiert sind, um die Steifigkeits- und Festigkeitsanforderungen für ein bestimmtes Design zu erfüllen. In einigen Fällen werden Laminate durch Heißpressen von Monoschichtbändern hergestellt, was als sekundärer Vorgang angesehen werden kann.
Monoschichtbänder werden auch durch Aufsprühen von Metallplasmen auf kollimierte Fasern und anschließendes Heißpressen hergestellt. Strukturformen können durch Kriechen und superplastische Umformung von Laminaten in einer Matrize hergestellt werden. Ein alternativer Prozess besteht darin, Fasern und ungebundene Folien in eine Matrize zu legen und die Baugruppe heiß zu pressen.
Die im Space Shuttle verwendeten Bor / Aluminium-Streben werden aus Monoschichtfolien hergestellt, die um einen Dorn gewickelt und heißisostatisch gepresst werden, um die Folienschichten miteinander zu diffundieren und gleichzeitig das Verbundlaminat mit Titan-Endbeschlägen zu diffundieren.
Verbundwerkstoffe können hergestellt werden, indem flüssiges Metall in ein Gewebe oder eine vorgefertigte faserige Konfiguration infiltriert wird, die als Vorformling bezeichnet wird. Häufig werden keramische oder organische Bindemittelmaterialien verwendet, um die Fasern in Position zu halten. Letzteres wird vor oder während der Infiltration abgebrannt. Die Infiltration kann unter Vakuum, Druck oder beidem erfolgen. Die Druckinfiltration, die die Benetzung der Fasern durch die Matrix fördert und die Porosität verringert, wird häufig als Quetschguss bezeichnet.
Gegossene MMCs bieten jetzt durchweg eine Netto- oder Netz-Netz-Form, verbesserte Steifigkeit und Festigkeit sowie Kompatibilität mit herkömmlichen Fertigungstechniken. Sie sind auch in den Kosten durchweg niedriger als die, die durch andere Methoden produziert werden, sind von einer breiten Palette von Herstellern verfügbar und bieten Masshaltigkeit in den großen und kleinen Teilen an.
Zum Beispiel hat Duralcan seine „Ice Cream Mixer“ -Technologie und Prozesssteuerungen so weit entwickelt, dass es bis zu 25 Millionen Pfund Aluminium-Verbundknüppel pro Jahr produziert. Feinguss wurde bei Cercast modifiziert, um Duralcan-Knüppel in komplexe, netzförmige Teile zu gießen. Druckguss erzeugt bei Alcoa Netzformen mit außergewöhnlichen Eigenschaften, während bei Lanxide Corp. drucklose Infiltration zur Herstellung von netzförmigen Komponenten eingesetzt wird.
Derzeit wird die gängigste Methode zur Herstellung von Graphit / Aluminium- und Graphit / Magnesium-Verbundwerkstoffen durch Infiltration verwendet. Graphitgarn wird zuerst durch einen Ofen geleitet, um eine eventuell aufgetragene Leimung abzubrennen. Als nächstes durchläuft es einen CVD-Prozess, bei dem eine Beschichtung aus Titan und Bor aufgebracht wird, die die Benetzung durch die Matrix fördert. Dann passiert es sofort ein Bad oder einen Brunnen aus geschmolzenem Metall und erzeugt ein infiltriertes Faserbündel, das als „Draht“ bekannt ist.“ Platten und andere Strukturformen werden in einem sekundären Arbeitsgang hergestellt, indem die Drähte zwischen Folien gelegt und gepresst werden, wie dies bei Monofilamenten der Fall ist. Die jüngste Entwicklung von „luftstabilen“ Beschichtungen ermöglicht die Verwendung anderer Infiltrationsprozesse wie Gießen, wodurch die Notwendigkeit von „Drähten“ als Zwischenschritt entfällt. Andere Ansätze sind in der Entwicklung.
Ein besonders wichtiges sekundäres Herstellungsverfahren für Titanmatrix-Verbundwerkstoffe ist das superplastische Umformen/Diffusionsbinden (SPF/DB). Um die Herstellungskosten zu senken, werden kontinuierliche Prozesse wie Pultrusion und Hot Roll Bonding entwickelt.
Zur Herstellung von Whisker- und partikelverstärkten MMCs werden drei grundlegende Methoden angewendet. Zwei verwenden pulverförmige Metalle; Der andere verwendet einen Flüssigmetallansatz, Details davon sind proprietär.
Die beiden pulvermetallurgischen Verfahren unterscheiden sich vor allem in der Art und Weise, wie die Bestandteile gemischt werden. Eine verwendet eine Kugelmühle, die andere verwendet eine Flüssigkeit, um das Mischen zu unterstützen, die anschließend entfernt wird. Die Mischungen werden dann heiß zu Knüppeln gepresst.
Sekundärprozesse ähneln denen für monolithische Metalle, einschließlich Walzen, Extrudieren, Spinnen, Schmieden, Kriechformen und Bearbeiten. Letzteres bereitet einige Schwierigkeiten, da die Verstärkungen sehr hart sind.
