Metallmatriskompositer

Metallmatriskompositer används antingen eller prototyper för rymdfärjan, kommersiella flygplan, elektroniska substrat, cyklar, bilar, golfklubbor och en mängd andra applikationer. Medan de allra flesta är aluminiummatriskompositer, kräver ett växande antal applikationer matrisegenskaperna hos superlegeringar, titan, koppar, magnesium eller järn.

liksom alla kompositer är aluminiummatriskompositer inte ett enda material utan en familj av material vars styvhet, styrka, densitet och termiska och elektriska egenskaper kan skräddarsys. Matrislegeringen, armeringsmaterialet, förstärkningens volym och form, armeringens placering och tillverkningsmetoden kan alla varieras för att uppnå erforderliga egenskaper. Oavsett variationerna erbjuder emellertid aluminiumkompositer fördelen med låg kostnad jämfört med de flesta andra MMC. Dessutom erbjuder de utmärkt värmeledningsförmåga, hög skjuvhållfasthet, utmärkt nötningsbeständighet, högtemperaturdrift, icke-brännbarhet, minimal attack av bränslen och lösningsmedel och förmågan att formas och behandlas på konventionell utrustning.

aluminium MMC produceras genom gjutning, Pulvermetallurgi, in situ utveckling av förstärkningar och folie-och fiberpressningstekniker. Konsekvent högkvalitativa produkter finns nu i stora mängder, med stora producenter som ökar produktionen och sänker priserna. De appliceras i bromsrotorer, kolvar och andra fordonskomponenter, såväl som golfklubbor, cyklar, maskinkomponenter, elektroniska substrat, extruderade vinklar och kanaler och ett brett utbud av andra strukturella och elektroniska applikationer.

superlegeringskompositer förstärkta med volframlegeringsfibrer utvecklas för komponenter i jetturbinmotorer som arbetar temperaturer över 1,830 xnumx xnumx kg F.

grafit / kopparkompositer har skräddarsydda egenskaper, är användbara för höga temperaturer i luften och ger utmärkta mekaniska egenskaper samt hög elektrisk och värmeledningsförmåga. De erbjuder enklare bearbetning jämfört med titan och lägre densitet jämfört med stål. Duktila superledare har tillverkats med en matris av koppar och superledande filament av niob-titan. Koppar förstärkt med volframpartiklar eller aluminiumoxidpartiklar används i kylflänsar och elektronisk förpackning.

Titan förstärkt med kiselkarbidfibrer är under utveckling som hudmaterial för National Aerospace-Planet. Rostfritt stål, verktygsstål och Inconel är bland matrismaterialen förstärkta med titankarbidpartiklar och tillverkade i dragringar och andra högtemperaturkorrosionsbeständiga komponenter.

jämfört med monolitiska metaller har MMC: er:

• högre styrka-till-densitet förhållanden
• högre styvhet-till-densitet förhållanden
• bättre utmattningsbeständighet
• bättre förhöjda temperaturegenskaper
  • — högre styrka
  • — lägre kryphastighet
• lägre koefficienter för termisk expansion
• bättre slitstyrka

fördelarna med MMC över polymermatriskompositer är:

• högre temperaturkapacitet
• brandmotstånd
• högre tvärstyvhet och styrka
• ingen fuktabsorption
• högre elektriska och termiska ledningsförmåga
• bättre strålningsmotstånd
• ingen avgasning
• tillverkbarhet av morrhår och partikelförstärkt MMC med konventionell Metallbearbetningsutrustning.

några av nackdelarna med MMC jämfört med monolitiska metaller och polymermatriskompositer är:

• högre kostnad för vissa materialsystem
• relativt omogen teknik
• komplexa tillverkningsmetoder för fiberförstärkta system (förutom gjutning)
• begränsad serviceupplevelse

många kombinationer av matriser och förstärkningar har testats sedan arbetet med MMC började i slutet av 1950-talet. men, MMC-tekniken är fortfarande i de tidiga utvecklingsstadierna, och andra viktiga system kommer utan tvekan att dyka upp.

förstärkningar: MMC förstärkningar kan delas in i fem huvudkategorier: kontinuerliga fibrer, diskontinuerliga fibrer, morrhår, partiklar och trådar. Med undantag för trådar, som är metaller, är förstärkningar i allmänhet keramik.

viktiga kontinuerliga fibrer inkluderar bor, grafit (kol), aluminiumoxid och kiselkarbid. Borfibrer tillverkas genom kemisk ångavsättning (CVD) av detta material på en volframkärna. Kolkärnor har också använts. Dessa relativt tjocka monofilament finns i 4,0, 5,6 och 8,0 mil diametrar. För att fördröja reaktioner som kan äga rum mellan BOR och metaller vid hög temperatur används ibland fiberbeläggningar av material som kiselkarbid eller borkarbid.

Kiselkarbidmonofilament tillverkas också genom en CVD-process med användning av en volfram-eller kolkärna. Ett japanskt multifilamentgarn, betecknat som kiselkarbid av tillverkaren, är också kommersiellt tillgängligt. Detta material, emellertid tillverkat genom pyrolys av organometalliska prekursorfibrer, är långt ifrån ren kiselkarbid och dess egenskaper skiljer sig avsevärt från monofilamentkiselkarbid.

kontinuerliga aluminiumoxidfibrer finns tillgängliga från flera leverantörer. Kemiska kompositioner och egenskaper hos de olika fibrerna är signifikant olika. Grafitfibrer är gjorda av två prekursormaterial, polyakrilonitril (PAN) och petroleum tonhöjd. Ansträngningar för att göra grafitfibrer från kolbaserad tonhöjd pågår. Grafitfibrer med ett brett spektrum av styrkor och moduler finns tillgängliga.

de ledande diskontinuerliga fiberförstärkningarna vid denna tidpunkt är aluminiumoxid och aluminiumoxid-kiseldioxid. Båda utvecklades ursprungligen som isoleringsmaterial. Det huvudsakliga morrhårsmaterialet är kiselkarbid. Den ledande amerikanska kommersiella produkten tillverkas genom pyrolys av risskrov. Kiselkarbid och borkarbid, de viktigaste partikelförstärkningarna, erhålls från den kommersiella slipmedelsindustrin. Kiselkarbidpartiklar produceras också som en biprodukt av processen som används för att göra morrhår av detta material.

ett antal metalltrådar inklusive volfram, beryllium, titan och molybden har använts för att förstärka metallmatriser. För närvarande är de viktigaste trådförstärkningarna volframtråd i superlegeringar och superledande material som innehåller niob-titan och niob-tenn i en kopparmatris. Förstärkningarna som nämns ovan är de viktigaste just nu. Många andra har prövats under de senaste decennierna, och ytterligare andra kommer utan tvekan att utvecklas i framtiden.

matrismaterial och nyckelkompositer: många metaller har använts som matriser. De viktigaste har varit aluminium, titan, magnesium och kopparlegeringar och superlegeringar.

de viktigaste MMC-systemen är:

• Aluminiummatris
  • kontinuerliga fibrer: bor, kiselkarbid, aluminiumoxid, grafit
  • diskontinuerliga fibrer: aluminiumoxid, aluminiumoxid-kiseldioxid
  • morrhår: kiselkarbid
  • partiklar: kiselkarbid, borkarbid
• Magnesiummatris
  • kontinuerliga fibrer: grafit, aluminiumoxid
  • morrhår: kiselkarbid
  • partiklar: kiselkarbid, borkarbid
• titanmatris
  • kontinuerliga fibrer: kiselkarbid, belagd bor
  • partiklar: titankarbid
• koppar matris
  • kontinuerliga fibrer: grafit, kiselkarbid
  • trådar: niob-titan, niob-tenn
  • partiklar: kiselkarbid, borkarbid, titankarbid.
• superlegering matriser
  • trådar: volfram

egenskaper och designhänsyn: MMC: s överlägsna mekaniska egenskaper driver deras användning. En viktig egenskap hos MMC, dock, och en de delar med andra kompositer, är att genom lämpligt val av matrismaterial, förstärkningar, och skiktorienteringar, det är möjligt att skräddarsy egenskaperna hos en komponent för att möta behoven hos en specifik design.

till exempel inom breda gränser är det möjligt att specificera styrka och styvhet i en riktning, expansionskoefficient i en annan och så vidare. Detta är sällan möjligt med monolitiska material.

monolitiska metaller tenderar att vara isotropa, det vill säga ha samma egenskaper i alla riktningar. Vissa processer som rullning kan emellertid ge anisotropi, så att egenskaperna varierar med riktningen. Stress-töjningsbeteendet hos monolitiska metaller är typiskt elastiskt-plast. De flesta strukturella metaller har betydande duktilitet och brottseghet.

det stora utbudet av MMC har egenskaper som skiljer sig dramatiskt. Faktorer som påverkar deras egenskaper inkluderar:

• förstärkningsegenskaper, form och geometriskt arrangemang
• Förstärkningsvolymfraktion
• matrisegenskaper, inklusive effekter av porositet
• Förstärkningsmatrisgränssnittsegenskaper
• restspänningar som härrör från kompositens termiska och mekaniska historia
• möjlig nedbrytning av förstärkningen till följd av kemiska reaktioner vid höga temperaturer och mekanisk skada från bearbetning, påverkan etc.

Partikelförstärkta MMC, som monolitiska metaller, tenderar att vara isotropa. Förekomsten av spröda förstärkningar och kanske av metalloxider tenderar emellertid att minska deras duktilitet och sprickstyrka. Fortsatt utveckling kan minska vissa av dessa brister.

egenskaperna hos material förstärkta med whiskers beror starkt på deras orientering. Slumpmässigt orienterade whiskers producerar ett isotropiskt material. Processer som extrudering kan orientera whiskers, vilket resulterar i anisotropa egenskaper. Whiskers minskar också duktilitet och sprickstyrka.

MMC förstärkta med inriktade fibrer har anisotropa egenskaper. De är starkare och styvare i riktning mot fibrerna än vinkelrätt mot dem. Tvärhållfastheten och styvheten hos enkelriktade MMC (material som har alla fibrer orienterade parallellt med en axel) är emellertid ofta tillräckligt stora för användning i komponenter som förstyvningar och stag. Detta är en av de stora fördelarna med MMC över PMC, som sällan kan användas utan tvärgående förstärkning.

eftersom modulen och styrkan hos metallmatriser är signifikanta med avseende på de flesta förstärkande fibrer är deras bidrag till kompositbeteende viktigt. Stress-töjningskurvorna för MMC visar ofta signifikant olinjäritet som härrör från att matrisen ger.

en annan faktor som har en signifikant effekt på beteendet hos fiberförstärkta metaller är den ofta stora skillnaden i expansionskoefficient mellan de två beståndsdelarna. Detta kan orsaka stora restspänningar i kompositer när de utsätts för betydande temperaturförändringar. I själva verket, under nedkylning från bearbetningstemperaturer, matrisvärmespänningar är ofta tillräckligt allvarliga för att orsaka avkastning. Stora restspänningar kan också produceras genom mekanisk belastning.

även om fibrösa MMC kan ha spännings-töjningskurvor som visar viss olinjäritet, är de i huvudsak spröda material, liksom PMC. I avsaknad av duktilitet för att minska spänningskoncentrationer blir gemensam design En kritisk designöverväganden. Många metoder för att ansluta MMC har utvecklats, inklusive metallurgisk och polymerbindning och mekaniska fästelement.

tillverkningsmetoder: tillverkningsmetoder är en viktig del av designprocessen för alla konstruktionsmaterial, inklusive MMC. Betydande arbete pågår inom detta kritiska område. Betydande förbättringar i befintliga processer och utveckling av nya verkar troligt.

nuvarande metoder kan delas in i två huvudkategorier, primär och sekundär. Primära tillverkningsmetoder används för att skapa MMC från dess beståndsdelar. Det resulterande materialet kan vara i en form som ligger nära den önskade slutliga konfigurationen, eller det kan kräva avsevärd ytterligare bearbetning, kallad sekundär tillverkning, såsom formning, rullning, metallurgisk bindning och bearbetning. De processer som används beror på typen av förstärkning och matris.

ett kritiskt övervägande är reaktioner som kan uppstå mellan förstärkningar och matriser under primär och sekundär bearbetning vid de höga temperaturer som krävs för att smälta och bilda metaller. Dessa begränsar de typer av beståndsdelar som kan kombineras med de olika processerna. Ibland kan barriärbeläggningar framgångsrikt appliceras på förstärkningar, så att de kan kombineras med matriser som annars skulle vara för reaktiva. Till exempel tillåter appliceringen av en beläggning såsom borkarbid användningen av borfibrer för att förstärka Titan. Potentiella reaktioner mellan matriser och förstärkningar, även belagda, är också ett viktigt kriterium vid utvärdering av temperaturer och motsvarande längder av tid som MMC kan utsättas för i drift.

monofilamentfibrer med relativt stor diameter, såsom bor och kiselkarbid, har införlivats i metallmatriser genom varmpressning av ett lager parallella fibrer mellan folier för att skapa ett monolagerband. I denna operation strömmar metallen runt fibrerna och diffusionsbindning sker. Samma procedur kan användas för att producera diffusionsbundna laminat med lager av fibrer orienterade i specificerade riktningar för att möta styvhet och hållfasthetskrav för en viss design. I vissa fall produceras laminat genom varmpressning av monolagerband i vad som kan betraktas som en sekundär operation.

Monolagerband produceras också genom att spruta metallplasma på kollimerade fibrer, följt av varmpressning. Strukturella former kan tillverkas genom krypning och superplastisk formning av laminat i en form. En alternativ process är att placera fibrer och obundna folier i en form och tryck på enheten.

bor/aluminiumstagarna som används på rymdfärjan är tillverkade av monolagerfolier lindade runt en dorn och heta isostatiskt pressade för att diffusionsbinda folielagren tillsammans och samtidigt diffusionsbinda kompositlaminatet till titanändbeslag.

kompositer kan tillverkas genom att infiltrera flytande metall i ett tyg eller förutbestämd fibrös konfiguration som kallas en förform. Ofta används keramiska eller organiska bindemedelsmaterial för att hålla fibrerna på plats. Den senare bränns av före eller under infiltration. Infiltration kan utföras under vakuum, tryck eller båda. Tryckinfiltrering, som främjar vätning av fibrerna genom matrisen och minskar porositeten, kallas ofta pressgjutning.

gjutna MMC erbjuder nu konsekvent nät-eller nätform, förbättrad styvhet och styrka och kompatibilitet med konventionella tillverkningstekniker. De är också konsekvent lägre i kostnad än de som produceras med andra metoder, finns tillgängliga från ett brett utbud av tillverkare och erbjuder dimensionell stabilitet i både stora och små delar.

Duralcan har till exempel utvecklat sin ”ice cream mixer” – teknik och processkontroller till den punkt där den producerar upp till 25 miljoner pund per år av aluminiumkompositbitar. Investeringsgjutning har modifierats vid Cercast för att kasta Duralcan billets i komplexa, nätformade delar. Tryckgjutning producerar nätformer med exceptionella egenskaper vid Alcoa, medan trycklös infiltration används vid Lanxide Corp.för att tillverka nätformade komponenter.

för närvarande är den vanligaste metoden som används för att göra grafit/aluminium och grafit/magnesiumkompositer genom infiltration. Grafitgarn passeras först genom en ugn för att bränna bort alla storlekar som kan ha applicerats. Därefter går det igenom en CVD-process som applicerar en beläggning av titan och bor som främjar vätning av matrisen. Sedan omedelbart passerar genom ett bad eller fontän av smält metall, producerar en infiltrerad bunt av fibrer som kallas en ”tråd.”Plattor och andra strukturella former produceras i en sekundär operation genom att placera trådarna mellan folier och pressa dem, som görs med monofilament. Den senaste utvecklingen av” luftstabila ” beläggningar tillåter användning av andra infiltrationsprocesser, såsom gjutning, vilket eliminerar behovet av ”ledningar” som ett mellansteg. Andra tillvägagångssätt är under utveckling.

en särskilt viktig sekundär tillverkningsmetod för titanmatriskompositer är superplastisk formning/diffusionsbindning (SPF/DB). För att minska tillverkningskostnaderna utvecklas kontinuerliga processer som pultrusion och varmvalsbindning.

tre grundläggande metoder används för att göra morrhår och partikelförstärkta MMC. Två använder pulverformiga metaller; den andra använder en flytande metallmetod, vars detaljer är proprietära.

de två pulvermetallprocesserna skiljer sig främst i hur beståndsdelarna blandas. Man använder en kulkvarn, den andra använder en vätska för att underlätta blandning, som därefter avlägsnas. Blandningar pressas sedan in i billets.

sekundära processer liknar dem för monolitiska metaller, inklusive valsning, extrudering, spinning, smide, krypformning och bearbetning. Det senare medför vissa svårigheter eftersom förstärkningarna är mycket svåra.