Metaalmatrixcomposieten

Metaalmatrixcomposieten worden gebruikt of prototypes gemaakt voor de Space Shuttle, commerciële vliegtuigen, elektronische substraten, fietsen, auto ‘ s, golfclubs en een verscheidenheid aan andere toepassingen. Terwijl de overgrote meerderheid aluminiummatrixcomposieten zijn, vereisen een groeiend aantal toepassingen de matrixeigenschappen van superlegeringen, titanium, koper, magnesium of ijzer.

zoals alle composieten zijn aluminiummatrixcomposieten geen enkel materiaal, maar een familie van materialen waarvan de stijfheid, sterkte, dichtheid en thermische en elektrische eigenschappen kunnen worden aangepast. De matrixlegering, het versterkingsmateriaal, het volume en de vorm van de versterking, de locatie van de versterking en de fabricagemethode kunnen allemaal worden gevarieerd om de vereiste eigenschappen te bereiken. Ongeacht de variaties bieden aluminium composieten echter het voordeel van lage kosten ten opzichte van de meeste andere MMC ‘ s. Bovendien bieden ze uitstekende thermische geleidbaarheid, hoge afschuifsterkte, uitstekende slijtvastheid, werking bij hoge temperatuur, niet-ontvlambaarheid, minimale aanval door brandstoffen en oplosmiddelen en de mogelijkheid om te worden gevormd en behandeld op conventionele apparatuur.

Aluminium MMC ‘ s worden geproduceerd door gieten, poedermetallurgie, in situ ontwikkeling van versterkingen en folie-en vezelperstechnieken. Constant hoogwaardige producten zijn nu in grote hoeveelheden verkrijgbaar, waarbij grote producenten hun productie opschalen en de prijzen verlagen. Ze worden toegepast in remschijven, zuigers en andere auto-onderdelen, evenals golfclubs, fietsen, machineonderdelen, elektronische substraten, geëxtrudeerde hoeken en kanalen, en een breed scala aan andere structurele en elektronische toepassingen.

Superalloy composieten versterkt met wolfraamlegering vezels worden ontwikkeld voor componenten in straalturbinemotoren die Temperaturen boven 1830 ° F.

grafiet / kopercomposieten hebben tailorable eigenschappen, zijn nuttig voor hoge temperaturen in de lucht en bieden uitstekende mechanische eigenschappen, evenals een hoge elektrische en thermische geleidbaarheid. Ze bieden eenvoudiger verwerking in vergelijking met titanium en lagere dichtheid in vergelijking met staal. Nodulaire supergeleiders zijn vervaardigd met een matrix van koper en supergeleidende filamenten van niobium-titanium. Koper versterkt met wolfraamdeeltjes of aluminiumoxide deeltjes wordt gebruikt in koellichamen en elektronische verpakking.

Titaan versterkt met vezels van siliciumcarbide is in ontwikkeling als huidmateriaal voor het nationale vliegtuig. Roestvrij staal, gereedschapsstaal en Inconel behoren tot de matrijsmaterialen die met titaniumcarbidedeeltjes worden versterkt en in trekkringen en andere corrosiebestendige componenten op hoge temperatuur worden vervaardigd.

vergeleken met monolithische metalen hebben MMC ‘ s:

• Hogere sterkte-density ratio ’s
• Hogere stijfheid-density ratio’ s
• Beter vermoeidheid weerstand
• Beter verhoogde temperatuur eigenschappen
  • — Hogere sterkte
  • — Lager kruipen tarief
• Lagere coëfficiënt van thermische uitbreiding
• Betere slijtvastheid

De voordelen van MMCs over polymeer matrix composieten zijn:

• Hogere temperatuur capaciteit
• brandwerendheid
• Hogere dwars-stijfheid en sterkte
• Geen vochtopname
• Hogere elektrische en thermische geleidbaarheid
• Betere weerstand tegen straling
• Geen outgassing
• Maakbaarheid van de snorhaar en deeltjes-versterkt MMCs met conventionele metaalbewerking apparatuur.

enkele nadelen van MMC ‘ s in vergelijking met monolithische metalen en polymeermatrixcomposieten zijn::

• hogere kosten van bepaalde materiaalsystemen
• relatief onvolgroeide technologie
• complexe fabricagemethoden voor vezelversterkte systemen (behalve voor gieten)
• beperkte ervaring in de dienstverlening

talrijke combinaties van matrices en versterkingen zijn beproefd sinds het begin van de werkzaamheden aan MMC eind jaren vijftig. MMC-technologie bevindt zich echter nog in een vroeg stadium van ontwikkeling en andere belangrijke systemen zullen ongetwijfeld ontstaan.

versterkingen: MMC-versterkingen kunnen worden onderverdeeld in vijf hoofdcategorieën: continue vezels, discontinue vezels, snorharen, deeltjes en draden. Met uitzondering van draden, die metalen zijn, zijn versterkingen meestal Keramiek.De belangrijkste continue vezels zijn boor, grafiet (koolstof), aluminiumoxide en siliciumcarbide. Boor vezels worden gemaakt door chemische damp depositie (CVD) van dit materiaal op een kern wolfraam. Er zijn ook koolstofkernen gebruikt. Deze relatief dikke monofilamenten zijn verkrijgbaar in 4,0 -, 5,6-en 8,0-mil diameters. Om reacties die kunnen plaatsvinden tussen borium en metalen bij hoge temperatuur te vertragen, worden soms vezelcoatings van materialen zoals siliciumcarbide of boriumcarbide gebruikt.Monofilamenten van siliciumcarbide worden ook vervaardigd door middel van een CVD-proces, waarbij gebruik wordt gemaakt van een kern van wolfraam of koolstof. Een Japans multifilamentgaren, door de fabrikant aangeduid als siliciumcarbide, is ook in de handel verkrijgbaar. Dit materiaal, echter, gemaakt door pyrolyse van organometaal precursor vezels, is verre van zuiver siliciumcarbide en zijn eigenschappen verschillen aanzienlijk van die van monofilament siliciumcarbide.

continu aluminiumvezels zijn verkrijgbaar bij verschillende leveranciers. Chemische samenstellingen en eigenschappen van de verschillende vezels zijn aanzienlijk verschillend. Grafietvezels zijn gemaakt van twee precursor materialen, polyacrilonitril (PAN) en petroleumpek. Er wordt gewerkt aan de vervaardiging van grafietvezels uit pek op basis van steenkool. Grafietvezels met een breed scala aan sterktes en moduli zijn beschikbaar.

de belangrijkste discontinue vezelversterkingen op dit moment zijn aluminiumoxide en aluminiumoxide-siliciumdioxide. Beide werden oorspronkelijk ontwikkeld als isolatiemateriaal. Het belangrijkste snorhaarmateriaal is siliciumcarbide. Het toonaangevende Amerikaanse commerciële product wordt gemaakt door pyrolyse van rijstdoppen. Siliciumcarbide en boriumcarbide, de belangrijkste deeltjesversterkingen, worden verkregen uit de commerciële schuurmiddelenindustrie. Siliciumcarbide deeltjes worden ook geproduceerd als een bijproduct van het proces dat wordt gebruikt om snorharen van dit materiaal te maken.

een aantal metaaldraden, waaronder wolfraam, beryllium, titaan en molybdeen, zijn gebruikt om metaalmatrices te versterken. Momenteel zijn de belangrijkste draadversterkingen wolfraamdraad in superlegeringen en supergeleidende materialen waarin niobium-titanium en niobium-tin in een koperen matrix. De hierboven genoemde versterkingen zijn op dit moment de belangrijkste. Vele andere zijn de afgelopen decennia beproefd en nog andere zullen ongetwijfeld in de toekomst worden ontwikkeld.

matrixmaterialen en belangrijke composieten: talrijke metalen zijn als matrices gebruikt. De belangrijkste zijn aluminium, titanium, magnesium en koperlegeringen en superlegeringen.

de belangrijkste MMC-systemen zijn::

• Aluminium matrix
  • Continue vezels: borium, siliciumcarbide, aluminium, grafiet
  • Discontinue vezels: aluminium, alumina-silica
  • Snorharen: siliciumcarbide
  • Fijnstof: siliciumcarbide, boriumcarbide
• Magnesium matrix
  • Continue vezels: grafiet, alumina
  • Snorharen: siliciumcarbide
  • Fijnstof: siliciumcarbide, boriumcarbide
• Titanium matrix
  • Continue vezels: siliciumcarbide, gecoate boor
  • Deeltjes: titanium carbide
• Kopermatrix
  • continuvezels: grafiet, siliciumcarbide
  • draden: niobium-titaan, niobium-tin
  • deeltjes: siliciumcarbide, boriumcarbide, titaancarbide.
• Superlegeringsmatrices
  • draad: wolfraam

kenmerken en ontwerp overwegingen: De superieure mechanische eigenschappen van MMC ‘ s rijden hun gebruik. Een belangrijk kenmerk van MMC ‘ s, echter, en een die ze delen met andere composieten, is dat door de juiste selectie van matrixmaterialen, versterkingen en laagoriëntaties, het mogelijk is om de eigenschappen van een component aan te passen aan de behoeften van een specifiek ontwerp.

bij voorbeeld is het binnen ruime grenzen mogelijk om sterkte en stijfheid in de ene richting, uitzettingscoëfficiënt in een andere, enzovoort, te specificeren. Dit is zelden mogelijk met monolithische materialen.

monolithische metalen hebben de neiging isotroop te zijn, dat wil zeggen in alle richtingen dezelfde eigenschappen te hebben. Sommige processen zoals het rollen, echter, kunnen anisotropie verlenen, zodat de eigenschappen met richting variëren. Het stress-strain gedrag van monolithische metalen is typisch elastisch-plastic. De meeste structurele metalen hebben een aanzienlijke rekbaarheid en breuk taaiheid.

de grote verscheidenheid aan MMC ‘ s heeft eigenschappen die sterk verschillen. Factoren die van invloed zijn op hun kenmerken omvatten:

• Wapeningseigenschappen, vorm en geometrische rangschikking
• Wapeningsvolumefractie
• Matrixeigenschappen, inclusief effecten van poreusheid
• Wapeningsmatrixinterfaceeigenschappen
• restspanningen als gevolg van de thermische en mechanische geschiedenis van het composiet
• mogelijke afbraak van de wapening als gevolg van chemische reacties bij hoge temperaturen, en mechanische schade door verwerking, impact, enz.

met deeltjes versterkte MMC ‘ s zijn, net als monolithische metalen, meestal isotroop. De aanwezigheid van broze versterkingen en misschien van metaaloxiden heeft echter de neiging om hun vervormbaarheid en breukvastheid te verminderen. Door verdere ontwikkeling kunnen sommige van deze tekortkomingen worden verminderd.

de eigenschappen van met snorharen versterkte materialen hangen sterk af van hun oriëntatie. Willekeurig georiënteerde snorharen produceren een isotroop materiaal. Processen zoals extrusie kunnen snorharen Oriënteren, echter, wat resulteert in anisotrope eigenschappen. Snorharen verminderen ook taaiheid en breukvastheid.

MMC ‘ s versterkt met uitgelijnde vezels hebben anisotrope eigenschappen. Ze zijn sterker en stijver in de richting van de vezels dan loodrecht op hen. De dwarse sterkte en stijfheid van unidirectionele MMC ‘ s (materialen die alle vezels evenwijdig aan één As hebben georiënteerd) zijn echter vaak groot genoeg voor gebruik in componenten zoals stiffeners en stutten. Dit is een van de belangrijkste voordelen van MMC ’s ten opzichte van PMC’ s, die zelden zonder dwarsversterking kunnen worden gebruikt.

omdat de modulus en sterkte van metaalmatrices significant zijn ten opzichte van die van de meeste versterkende vezels, is hun bijdrage aan composietgedrag belangrijk. De stress-strain curves van MMC ‘ s vertonen vaak significante niet-lineariteit als gevolg van het opleveren van de matrix.

een andere factor die een significant effect heeft op het gedrag van vezelversterkte metalen is het vaak grote verschil in uitzettingscoëfficiënt tussen de twee bestanddelen. Dit kan leiden tot grote residuele spanningen in composieten wanneer ze worden onderworpen aan significante temperatuurveranderingen. In feite, tijdens afkoeling van verwerkingstemperaturen, matrix thermische spanningen zijn vaak ernstig genoeg om opbrengst te veroorzaken. Door mechanische belasting kunnen ook grote restspanningen ontstaan.

hoewel vezelige MMC ’s stress-strain curven kunnen hebben die enige niet-lineariteit vertonen, zijn zij in wezen brosse materialen, net als PMC’ s. Bij afwezigheid van vervormbaarheid om stressconcentraties te verminderen, wordt gezamenlijk ontwerp een kritische ontwerpoverweging. Er zijn talrijke methoden voor het verbinden van MMC ‘ s ontwikkeld, waaronder metallurgische en polymere verlijming en mechanische bevestigingsmiddelen.Fabricagemethoden: fabricagemethoden vormen een belangrijk onderdeel van het ontwerpproces voor alle constructiematerialen, inclusief MMC ‘ s. Op dit kritieke gebied is nog veel werk aan de winkel. Aanzienlijke verbeteringen in bestaande processen en de ontwikkeling van nieuwe processen lijken waarschijnlijk.

de huidige methoden kunnen worden onderverdeeld in twee hoofdcategorieën, primair en secundair. De primaire vervaardigingsmethoden worden gebruikt om MMC van zijn bestanddelen tot stand te brengen. Het resulterende materiaal kan in een vorm zijn die dicht bij de gewenste uiteindelijke configuratie ligt, of het kan aanzienlijke extra verwerking vereisen, secundaire fabricage, zoals vormen, walsen, metallurgische binding en bewerking. De gebruikte processen zijn afhankelijk van het type wapening en matrix.

een kritische overweging is reacties die kunnen optreden tussen versterkingen en matrices tijdens primaire en secundaire verwerking bij de hoge temperaturen die nodig zijn om metalen te smelten en te vormen. Deze leggen beperkingen op aan de soorten bestanddelen die door de verschillende processen kunnen worden gecombineerd. Soms kunnen barrièrecoatings met succes worden aangebracht op versterkingen, waardoor ze kunnen worden gecombineerd met matrices die anders te reactief zouden zijn. Bijvoorbeeld, de toepassing van een coating zoals boriumcarbide maakt het gebruik van boriumvezels om titanium te versterken. Mogelijke reacties tussen matrices en versterkingen, zelfs beklede, zijn ook een belangrijk criterium bij de beoordeling van de temperaturen en de overeenkomstige tijdsduur waaraan MMC ‘ s tijdens het gebruik kunnen worden onderworpen.

monofilamentvezels met een relatief grote diameter, zoals boor en siliciumcarbide, zijn in metaalmatrices opgenomen door een laag parallelle vezels tussen Folies warm te persen om een monolaagband te creëren. In deze operatie, het metaal stroomt rond de vezels en diffusie binding optreedt. Dezelfde procedure kan worden gebruikt om diffusie-gebonden laminaten te produceren met lagen van vezels georiënteerd in gespecificeerde richtingen om stijfheid en sterkte eisen voor een bepaald ontwerp te voldoen. In sommige gevallen worden laminaten geproduceerd door heet persen monolaag tapes in wat kan worden beschouwd als een secundaire operatie.

monolaagbanden worden ook geproduceerd door het spuiten van metaalplasma ‘ s op gecollimeerde vezels, gevolgd door warmpersen. Structurele vormen kunnen worden vervaardigd door kruip en superplastisch vormen van laminaten in een matrijs. Een alternatief proces is om vezels en niet-gebonden folies in een matrijs te plaatsen en de assemblage heet aan te drukken.

de borium / aluminium steunen die op de space shuttle worden gebruikt, zijn vervaardigd van monolaagfolie die om een doorn is gewikkeld en heet isostatisch wordt geperst om de folielagen aan elkaar te binden en tegelijkertijd het composietlaminaat aan de hulpstukken van titanium te verlijmen.

composieten kunnen worden gemaakt door vloeibaar metaal te infiltreren in een weefsel of een vooraf bepaalde vezelconfiguratie, een voorvorm genaamd. Vaak worden keramische of organische bindmiddelen gebruikt om de vezels op hun plaats te houden. De laatste wordt verbrand voor of tijdens infiltratie. Infiltratie kan onder vacuüm, druk of beide worden uitgevoerd. Drukinfiltratie, die bevochtiging van de vezels door de matrix bevordert en de porositeit vermindert, wordt vaak squeeze casting genoemd.

gegoten MMC ‘ s bieden nu consequent net-of net-netvorm, verbeterde stijfheid en sterkte en compatibiliteit met conventionele productietechnieken. Ze zijn ook consequent lager in kosten dan die geproduceerd door andere methoden, zijn verkrijgbaar bij een breed scala van fabrikanten, en bieden dimensionale stabiliteit in zowel grote als kleine onderdelen.Zo heeft Duralcan zijn “ijsmixer” – technologie en procesbesturingen zodanig ontwikkeld dat het tot 25 miljoen pond per jaar aan aluminium samengestelde knuppels produceert. Bij Cercast is het investeringsgieten aangepast om duralcan knuppels te gieten tot complexe, netvormige delen. Pressure casting produceert netvormen met uitzonderlijke eigenschappen bij Alcoa, terwijl bij Lanxide Corp.drukloze infiltratie wordt gebruikt voor de vervaardiging van netvormcomponenten.

op dit moment is infiltratie de meest gebruikte methode om grafiet/aluminium en grafiet/magnesium composieten te maken. Grafiet garen wordt eerst doorgegeven door een oven te verbranden elke dimensionering die kan zijn toegepast. Vervolgens gaat het door een CVD-proces dat een coating van titanium en borium toepast die bevochtiging door de matrix bevordert. Dan gaat het onmiddellijk door een bad of fontein van gesmolten metaal, het produceren van een geïnfiltreerde bundel vezels bekend als een “draad.”Platen en andere structurele vormen worden geproduceerd in een secundaire bewerking door het plaatsen van de draden tussen folies en drukken ze, zoals wordt gedaan met monofilamenten. Recente ontwikkeling van “luchtstabiele” coatings maakt het gebruik van andere infiltratieprocessen, zoals gieten, waardoor de noodzaak van “draden” als tussenstap wordt geëlimineerd. Andere benaderingen zijn in ontwikkeling.

een bijzonder belangrijke secundaire fabricatiemethode voor composieten met titaniummatrices is superplastic forming / diffusion bonding (SPF / DB). Om de fabricagekosten te verlagen, worden continue processen zoals pultrusie en hot roll bonding ontwikkeld.

Er worden drie basismethoden gebruikt voor de vervaardiging van MMC ’s met snorharen en met deeltjes versterkte MMC’ s. Twee gebruiken poedervormige Metalen; de andere maakt gebruik van een vloeistof-metaal benadering, waarvan de details zijn gepatenteerd.

de twee poedermetaalprocessen verschillen voornamelijk door de wijze waarop de bestanddelen worden gemengd. De ene gebruikt een kogelmolen, de andere gebruikt een vloeistof om te helpen mengen, die vervolgens wordt verwijderd. Mengsels worden vervolgens warm geperst in knuppels.

secundaire processen zijn vergelijkbaar met die voor monolithische metalen, met inbegrip van walsen, extrusie, spinnen, smeden, kruipvorming en bewerking. Dit laatste levert wat problemen op omdat de versterkingen erg hard zijn.