Metal-Matrix Kompositter

Metal-matrix kompositter er enten i bruk eller prototyping For Romfergen, kommersielle passasjerfly, elektroniske underlag, sykler, biler, golfkøller, og en rekke andre programmer. Mens de aller fleste er aluminium matrise kompositter, krever et økende antall applikasjoner matriksegenskapene til superlegeringer, titan, kobber, magnesium eller jern.

som alle kompositter er aluminium-matrisekompositter ikke et enkelt materiale, men en familie av materialer hvis stivhet, styrke, tetthet og termiske og elektriske egenskaper kan skreddersys. Matrikslegeringen, armeringsmaterialet, volumet og formen på armeringen, plasseringen av armeringen og fabrikasjonsmetoden kan alle varieres for å oppnå nødvendige egenskaper. Uavhengig av variasjonene, tilbyr aluminiumskompositter fordelen av lav pris over de fleste Andre Mmcer. I tillegg tilbyr de utmerket termisk ledningsevne, høy skjærstyrke, utmerket slitestyrke, høytemperaturdrift, ikke-brennbarhet, minimal angrep av drivstoff og løsningsmidler, og evnen til å bli dannet og behandlet på konvensjonelt utstyr.

Aluminium Mmc er produsert av støping, pulver metallurgi, in situ utvikling av forsterkninger og folie-og-fiber presseteknikker. Gjennomgående kvalitetsprodukter er nå tilgjengelig i store mengder, med store produsenter skalere opp produksjonen og redusere prisene. De brukes i bremsrotorer, stempler og andre bilkomponenter, samt golfklubber, sykler, maskinkomponenter, elektroniske underlag, ekstruderte vinkler og kanaler, og et bredt utvalg av andre strukturelle og elektroniske applikasjoner.

Superlegeringskompositter forsterket med wolframlegeringsfibre blir utviklet for komponenter i jet turbinmotorer som opererer temperaturer over 1,830 °F.

Grafitt/kobberkompositter har tailorable egenskaper, er nyttige for høye temperaturer i luft, og gir gode mekaniske egenskaper, samt høy elektrisk og termisk ledningsevne. De tilbyr enklere behandling sammenlignet med titan, og lavere tetthet sammenlignet med stål. Duktile superledere har blitt produsert med en matrise av kobber og superledende filamenter av niobium-titan. Kobber forsterket med wolfram partikler eller aluminiumoksid partikler brukes i kjøleribber og elektronisk emballasje.

Titan forsterket med silisiumkarbidfibre er under utvikling som hudmateriale for Det Nasjonale Luftfartsflyet. Rustfritt stål, verktøystål Og Inconel er blant matriksmaterialene forsterket med titankarbidpartikler og fremstilt i tegningsringer og andre korrosjonsbestandige komponenter med høy temperatur.

Sammenlignet med monolitiske metaller har Mmc:

• høyere styrke-til-tetthetsforhold
• Høyere stivhet-til-tetthetsforhold
• Bedre utmattingsmotstand
• Bedre forhøyede temperaturegenskaper
  • – Høyere styrke
  • – Lavere krypehastighet
• Lavere koeffisienter for termisk ekspansjon
• Bedre slitestyrke

fordelene Med MMCs over polymermatrikskompositter er:

• høyere temperaturfunksjon
• Brannmotstand
• høyere tverrstivhet og styrke
• ingen fuktabsorpsjon
• Høyere elektriske og termiske ledningsevne
• Bedre strålingsmotstand
• ingen utgassing
• fabrikabilitet av whisker og partikkelforsterkede mmc med konvensjonelt metallbearbeidingsutstyr.

noen av ulempene Med Mmc sammenlignet med monolitiske metaller og polymermatrikskompositter er:

• Høyere kostnader for noen materielle systemer
• Relativt umoden teknologi
• Komplekse fabrikasjonsmetoder for fiberforsterkede systemer (unntatt støping)
• Begrenset serviceopplevelse

Mange kombinasjoner av matriser og forsterkninger har blitt prøvd siden ARBEIDET med MMC begynte på slutten AV 1950-tallet. mmc-teknologien er fortsatt i de tidlige utviklingsstadiene, og andre viktige systemer vil utvilsomt dukke opp.

Forsterkninger: MMC forsterkninger kan deles inn i fem hovedkategorier: kontinuerlige fibre, diskontinuerlige fibre, whiskers, partikler og ledninger. Med unntak av ledninger, som er metaller, forsterkninger generelt er keramikk.

viktige kontinuerlige fibre inkluderer bor, grafitt (karbon), alumina og silisiumkarbid. Borfibre er laget av kjemisk dampavsetning (CVD) av dette materialet på en wolframkjerne. Karbonkjerner har også blitt brukt. Disse relativt tykke monofilamentene er tilgjengelige i diametre på 4,0, 5,6 og 8,0 mil. For å forsinke reaksjoner som kan finne sted mellom bor og metaller ved høy temperatur, brukes fiberbelegg av materialer som silisiumkarbid eller borkarbid noen ganger.

Silisiumkarbidmonofilamenter er også laget AV EN CVD-prosess, ved hjelp av en wolfram-eller karbonkjerne. Et Japansk multifilamentgarn, betegnet som silisiumkarbid av produsenten, er også kommersielt tilgjengelig. Dette materialet, men laget av pyrolyse av organometalliske forløperfibre, er langt fra rent silisiumkarbid, og dets egenskaper avviger vesentlig fra monofilaments silisiumkarbid.

Kontinuerlige aluminafibre er tilgjengelige fra flere leverandører. Kjemiske sammensetninger og egenskaper av de forskjellige fibre er vesentlig forskjellige. Grafitt fiber er laget av to forløper materialer, polyakrilonitril (PAN) og petroleum banen. Arbeidet med å lage grafittfibre fra kullbasert tonehøyde er i gang. Grafittfibre med et bredt spekter av styrker og moduler er tilgjengelige.

de ledende diskontinuerlige fiberforsterkningene på dette tidspunktet er alumina og alumina-silika. Begge opprinnelig ble utviklet som isolasjonsmaterialer. Det viktigste whiskermaterialet er silisiumkarbid. Det ledende amerikanske kommersielle produktet er laget av pyrolyse av risskrog. Silisiumkarbid og borkarbid, de viktigste partikkelforsterkningene, er hentet fra den kommersielle slipemiddelindustrien. Silisiumkarbidpartikler produseres også som et biprodukt av prosessen som brukes til å lage whiskers av dette materialet.

en rekke metalltråder, inkludert wolfram, beryllium, titan og molybden, har blitt brukt til å forsterke metallmatriser. For tiden er de viktigste trådforsterkningene wolframtråd i superlegeringer og superledende materialer som inkorporerer niob-titan og niob-tinn i en kobbermatrise. Forsterkningene nevnt ovenfor er de viktigste på dette tidspunktet. Mange andre har blitt prøvd de siste tiårene, og fortsatt vil andre utvilsomt bli utviklet i fremtiden.

Matrisematerialer og nøkkelkompositter: Mange metaller har blitt brukt som matriser. De viktigste har vært aluminium, titan, magnesium og kobberlegeringer og superlegeringer.

DE viktigste MMC-systemene er:

• Aluminium matrix
  • Kontinuerlige fibre: bor, silisiumkarbid, alumina, grafitt
  • Diskontinuerlige fibre :alumina, alumina-silika
  • Værhår: silisiumkarbid
  • Partikler: silisiumkarbid, borkarbid
• Magnesium matrix
  • Kontinuerlige fibre: grafitt ,alumina
  • Værhår: silisiumkarbid
  • Partikler: silisiumkarbid, borkarbid
• Titanmatrise
  • Kontinuerlige fibre: silisiumkarbid, belagt bor
  • Partikler: titan karbid
• Kobber matrix
  • Kontinuerlige fibre: grafitt, silisiumkarbid
  • Ledninger: niob-titan, niob-tinn
  • Partikler: silisiumkarbid, borkarbid, titankarbid.
• Superalloy matriser
  • Ledninger: tungsten

Egenskaper og designhensyn: de overlegne mekaniske egenskapene Til MMCs driver deres bruk. En viktig egenskap Ved MMCs, og en de deler med andre kompositter, er at ved passende utvalg av matriksmaterialer, forsterkninger og lagretninger, er det mulig å skreddersy egenskapene til en komponent for å møte behovene til en bestemt design.

for eksempel, innenfor brede grenser, er det mulig å spesifisere styrke og stivhet i en retning, ekspansjonskoeffisient i en annen, og så videre. Dette er sjelden mulig med monolitiske materialer.

Monolitiske metaller har en tendens til å være isotrope, det vil si å ha de samme egenskapene i alle retninger. Noen prosesser som rulling kan imidlertid gi anisotropi, slik at egenskapene varierer med retning. Stress-belastning oppførsel av monolittiske metaller er typisk elastisk-plast. De fleste strukturelle metaller har betydelig duktilitet og bruddseighet.

det store utvalget Av Mmc har egenskaper som varierer dramatisk. Faktorer som påvirker deres egenskaper inkluderer:

• Armeringsegenskaper, form og geometrisk arrangement
• Armeringsvolumfraksjon
• Matriseegenskaper, inkludert effekter av porøsitet
• Armerings-matrisegrensesnittegenskaper
• Restspenninger som oppstår fra komposittens termiske og mekaniske historie
• Mulig nedbrytning Av armeringen som følge av kjemiske reaksjoner ved høye temperaturer og mekanisk skade fra prosessering, påvirkning etc.

Partikkelforsterkede Mmcer, som monolittiske metaller, har en tendens til å være isotrope. Tilstedeværelsen av sprø forsterkninger og kanskje av metalloksider har imidlertid en tendens til å redusere deres duktilitet og bruddseighet. Fortsatt utvikling kan redusere noen av disse manglene.

egenskapene til materialer forsterket med whiskers er sterkt avhengig av deres orientering. Tilfeldig orienterte whiskers produserer et isotrop materiale. Prosesser som ekstrudering kan imidlertid orientere whiskers, noe som resulterer i anisotrope egenskaper. Whiskers reduserer også duktilitet og bruddseighet.

MMCs forsterket med justerte fibre har anisotrope egenskaper. De er sterkere og stivere i retning av fibrene enn vinkelrett på dem. Tverrstyrken og stivheten til enveis Mmc (materialer som har alle fibre orientert parallelt med en akse), er imidlertid ofte store nok til bruk i komponenter som stivere og stivere. Dette er en Av De store fordelene Med MMCs over PMCs, som sjelden kan brukes uten tverrforsterkning.

fordi modulen og styrken av metallmatriser er signifikante med hensyn til de fleste forsterkende fibre, er deres bidrag til komposittadferd viktig. Stress-belastning kurver Av MMCs viser ofte betydelig ikke-linearitet som følge av utbytte av matrisen.

En annen faktor som har en signifikant effekt på oppførselen til fiberforsterkede metaller, er den ofte store forskjellen i utvidelseskoeffisient mellom de to bestanddelene. Dette kan forårsake store restspenninger i kompositter når de blir utsatt for betydelige temperaturendringer. Faktisk, under nedkjøling fra behandlingstemperaturer, er matrisens termiske spenninger ofte alvorlige nok til å forårsake utbytte. Store restspenninger kan også produseres ved mekanisk belastning.

selv om fibrøse Mmc-Er kan ha spenningskurver som viser noe ikke-linearitet, er de i hovedsak sprø materialer, som Pmc-er. I fravær av duktilitet for å redusere spenningskonsentrasjoner, blir felles design en kritisk designhensyn. Mange metoder For å bli Med MMCs har blitt utviklet, inkludert metallurgisk og polymerbinding og mekaniske festemidler.

Fabrikasjonsmetoder: Fabrikasjonsmetoder er en viktig del av designprosessen for alle strukturelle materialer, inkludert MMCs. Det pågår et betydelig arbeid på dette kritiske området. Betydelige forbedringer i eksisterende prosesser og utvikling av nye synes sannsynlig.

Nåværende metoder kan deles inn i to hovedkategorier, primær og sekundær. Primær fabrikasjonsmetoder brukes til å lage MMC fra dets bestanddeler. Det resulterende materialet kan være i en form som er nær den ønskede endelige konfigurasjonen, eller det kan kreve betydelig tilleggsbehandling, kalt sekundær fabrikasjon, for eksempel forming, rulling, metallurgisk binding og maskinering. Prosessene som brukes avhenger av typen forsterkning og matrise.

en kritisk vurdering er reaksjoner som kan oppstå mellom forsterkninger og matriser under primær og sekundær behandling ved høye temperaturer som kreves for å smelte og danne metaller. Disse pålegger begrensninger på hvilke bestanddeler som kan kombineres av de ulike prosessene. Noen ganger kan barrierebelegg med hell brukes på forsterkninger, slik at de kan kombineres med matriser som ellers ville være for reaktive. For eksempel tillater anvendelsen av et belegg som borkarbid bruken av borfibre for å forsterke titan. Potensielle reaksjoner mellom matriser og forsterkninger, selv belagt seg, er også et viktig kriterium i å vurdere temperaturer og tilsvarende lengder av tid Som MMCs kan bli utsatt i tjeneste.

Relativt store diameter monofilamentfibre, som bor og silisiumkarbid, har blitt innlemmet i metallmatriser ved varmpressing av et lag parallelle fibre mellom folier for å lage et monolagsbånd. I denne operasjonen strømmer metallet rundt fibrene og diffusjonsbinding oppstår. Den samme prosedyren kan brukes til å produsere diffusjonsbundne laminater med lag av fibre orientert i spesifiserte retninger for å møte stivhets – og styrkekrav for en bestemt design. I noen tilfeller produseres laminater ved varmpressende monolagsbånd i det som kan betraktes som en sekundær operasjon.

Monolagsbånd produseres også ved å sprøyte metallplasma på kollimerte fibre, etterfulgt av varmpressing. Strukturelle former kan fremstilles ved kryp og superplastisk forming av laminater i en dør. En alternativ prosess er å plassere fibre og ubundne folier i en dør og varme trykk på forsamlingen.

bor/aluminium struts brukes på romfergen er fabrikkert fra monolayer folier pakket rundt en dorn og varmt isostatisk presset til diffusjonsbinding folielagene sammen og, på samme tid, til diffusjonsbinding kompositt laminat til titan end fittings.

Kompositter kan gjøres ved å infiltrere flytende metall i et stoff eller avtalt fibrøs konfigurasjon kalt en preform. Ofte brukes keramiske eller organiske bindemiddelmaterialer til å holde fibrene i posisjon. Sistnevnte blir brent av før eller under infiltrering. Infiltrasjon kan utføres under vakuum, trykk eller begge deler. Trykkinfiltrasjon, som fremmer fukting av fibrene ved matrisen og reduserer porøsiteten, kalles ofte pressestøping.

Cast MMCs tilbyr nå konsekvent nett-eller nettnettform, forbedret stivhet og styrke og kompatibilitet med konvensjonelle produksjonsteknikker. De er også konsekvent lavere i pris enn de som produseres av andre metoder, er tilgjengelige fra et bredt spekter av produsenter, og tilbyr dimensjonsstabilitet i både store og små deler.

For eksempel Har Duralcan utviklet sin «ice cream mixer» – teknologi og prosesskontroller til det punktet hvor den produserer opptil 25 millioner pund per år av aluminiumskompositt billets. Investment casting har blitt endret På Cercast å kaste Duralcan billets i komplekse, netto-form deler. Trykkstøping produserer nettformer med eksepsjonelle egenskaper Hos Alcoa, mens trykkløs infiltrasjon brukes hos Lanxide Corp. for å fremstille nettformkomponenter.

på nåværende tidspunkt er den vanligste metoden som brukes til å lage grafitt/aluminium og grafitt/magnesium kompositter ved infiltrasjon. Grafitt garn er først gått gjennom en ovn for å brenne av noen dimensjonering som kan ha blitt brukt. Deretter går det gjennom EN CVD-prosess som bruker et belegg av titan og bor som fremmer fukting av matrisen. Deretter går det umiddelbart gjennom et bad eller fontene av smeltet metall, produsere en infiltrert bunt av fibre kjent som en » wire.»Plater og andre strukturelle former produseres i en sekundær operasjon ved å plassere ledningene mellom folier og trykke dem, slik det gjøres med monofilamenter. Nylig utvikling av» luftstabile «belegg tillater bruk av andre infiltreringsprosesser, for eksempel støping, og eliminerer behovet for» ledninger » som et mellomliggende trinn. Andre tilnærminger er under utvikling.

en spesielt viktig sekundær fabrikasjonsmetode for titanmatrisekompositter er superplastisk forming / diffusjonsbinding (SPF/DB). For å redusere fabrikasjonskostnadene utvikles kontinuerlige prosesser som pultrusion og hot roll bonding.

Tre grunnleggende metoder brukes Til å lage whisker Og partikkelforsterkede Mmcer. To bruker pulverisert metaller; den andre bruker en flytende metall tilnærming, detaljer som er proprietære.

de to pulvermetallprosessene varierer hovedsakelig i måten bestanddelene blandes på. Man bruker en kulemølle, den andre benytter en væske for å hjelpe blanding,som deretter fjernes. Blandinger blir så varmt presset inn i billets.

Sekundære prosesser ligner de for monolitiske metaller, inkludert rulling, ekstrudering, spinning, smiing, krypeforming og maskinering. Sistnevnte gir noen vanskeligheter fordi forsterkningene er svært harde.