POSTUPCI PROIZVODNJE METALNIH I KERAMIČKIH KOMPOZITA

Transcript

1 Prof.dr.sc. Tomislav Filetin, Doc.dr.sc. Gojko Marić Fakultet strojarstva i brodogradnje Sveučilišta u Zagrebu Zavod za materijale POSTUPCI PROIZVODNJE METALNIH I KERAMIČKIH KOMPOZITA Napredne tehnologije materijala, 2+2

2 KOMPOZITI S METALNOM MATRICOM MMC - Metal Matrix Composites Dobra svojstva: vrlo visoka spec. čvrstoća i spec. krutost, visoka topl. i električna vodljivost i niska topl. rastezljivost, vrlo dobra otpornost na trošenje, vrlo dobra mehanička i druga svojstva pri visokim temp. Loše strane: komplicirana proizvodnja, vrlo visoka cijena nedovoljno podataka o svojstvima materijala, još uvijek nema dovoljno smjernica za konstruiranje loša recikličnost. Al, Cu, Mg i Ti i superlegure s karbidnim, oksidnim ili nitridnim fazama.

3 Al - matrica Najveći udio na tržištu Udio ojačanja u matrici i do 70 % -čestice,viskeri, kratka vlakna, kontinuirana vlakna ili nešto deblje niti. Značajno se povećava E do čak 240 GPa, čvrstoća, krutost, otpornost na trošenje, snizuje se toplinska rastezljivost i do 70 %. Čestice: oksidi, karbidi ili boridi - Al 2 O 3, SiC (najčešće) ili TiB 2.

4 Mg - matrica Mg - mala gustoća (oko 1700 kg/m 3 ). Ojačanje C-vlaknima daje: - višu krutost, - višu čvrstoću, - malu toplinsku rastezljivost, - lošu otpornost na koroziju. Mg-legure sčesticama SiC: -mala gustoća, -mala toplinska rastezljivost i -visok modul elastičnosti.

5 Ti - matrica Izuzetno visoka mehanička svojstva, vrlo dobra otpornost pri visokim temp. i otpornost na koroziju. Najčešće SiC vlakna - u jednom smjeru

6 Cu - matrica Visoka toplinska vodljivost (> 500 W/mK) Mala toplinska rastezljivost ( /K) Cu-matrica s C-vlaknima ili W-vlaknima (za visoke temperature) Infiltracija tekućeg Cu između C-vlakana, metalurgija praha i prevlačenje C- vlakana s Cu. Cu matrica + 44 % C-vlakana

7 Matrica - superlegure i čelici Superlegure Ni i Co + Mo, W, Ti i Al. Kao ojačanja se koriste vlakna od W, Mo, Ta i Nb. Primjena pri ekstremno visokim temperaturama (i do 1400 C). Mikrostruktura kompozita nastalog kombiniranjem duplex čelika i 30 %Cr3C2. Mikrostruktura nehrđajućeg čelika AISI 316 s 20 %Al2O3čestica

8 POSTUPCI PROIZVODNJE MMC Postupci u tekućem stanju: lijevanje miješanjem lijevanje u poluskrućenom stanju oblikovanje u poluskrućenom stanju (thixo) infiltracija: spontana infiltracija prisilna infiltracija infiltracija pod tlakom vakuumska infiltracija infiltracija mehaničkim pritiskom centrifugalna ultrazvučna tlačno precizno lijevanje brzo skrućivanje oblikovanje naštrcavanjem

9 Postupci u čvrstom stanju: difuzijsko spajanje metalurgija praha hladno prešanje viskotemperaturna sinteza - vruće prešanje (HP) i vruće izostatičko prešanje (HIP) Postupci prevlačenja: prevlačenje naštrcavanjem taloženje iz parne faze (PVD) elektrolitičko

10 DIFUZIJSKO SPAJANJE (DIFFUSION BONDING) Koristi se za spajanje vlakana i matrice u obliku folije koja se slaže na vlakna. Nakon toga slijedi vruće prešanje u vakuumu ili inertnom plinu. Treba kontrolirati temperaturu i vrijeme difuzije zato što znatno utječu na svojstva dobivenog kompozita. Ne mogu proizvesti dijelovi složenih oblika.

11

12 METALURGIJA PRAHA (POWDER METALLURGY) Počinje miješanjem praha legure i ojačanja (čestica ili vlakana). Slijedi proces hladnog kompaktiranja, a sve završava vrućim izostatičkim prešanjem (HIP) i ekstrudiranjem. Jedan od mogućih problema: postizanje homogene mješavine. HIP postupkom se vrlo uspješno uklanjaju zaostale poroznosti, a da pritom ne dolazi niti do makroskopskih niti do mikroskopskih grešaka. Problem može predstavljati oksidna prevlaka preko čestica praha (Al ili Mg-legura). Ona se ne uklanja u HIP postupku što značajno može oslabiti vezu između čestica praha.

13

14 TALOŽENJE NAŠTRCAVANJEM Keramičke čestice ubacuju u sloj rastaljenog metala koji se naštrcava. Dobivaju se materijali s nejednolikim rasporedom keramičkih čestica u matrici. Poroznost ovako dobivenih kompozita iznosi 5-10 %.

15 PRIMJENA MMC Klipnjača od Al-legure ojačane s Al 2 O 3 česticama. Ima puno bolja mehanička svojstva i otpornost na umor od čelične klipnjače, a uz sve to ima i 42 % manju masu Profili od Al-legure ojačane s grafitnim vlaknima. Imaju jednaku krutost kao i čelik, a masu manju od aluminija Ventili automobilskog motora od kompozita s Ti-matricom koja je ojačana SiC česticama

16 Zamašnjak napravljen od kompozita s Al-matricom i vlaknastih Al 2 O 3 ojačanja Hondin blok motora od kompozita s Al-matricom i Saffil kratkih Al 2 O 3 vlakana Klip od kompozita Al-legura + Saffil vlakna

17 Dio konstrukcije Space Shuttle-a napravljen od B/Al kompozita kojim se postigla ušteda u masi od 45 % u odnosu na Al legure Al/SiC cilindar koji je ugrađen u bolide Formule 1 Umeci mjenjačke kutije koji služe za lokalno ojačanje, a napravljeni su od Mg-legure ojačane ugljičnim vlaknima

18 KOMPOZITI S KERAMIČKOM MATRICOM (CMC) Povećanje žilavosti keramičke osnove keramičkim ojačanjima. Svojstva: stabilnost na ekstremno visokim temperaturama, otpornost na toplinske šokove, iznimna otpornost na koroziju, velika tvrdoća i otpornost na trošenje, mala masa.

19 MATRICE Oksidna keramika: Al 2 O 3, SiO 2, mulit (Al 2 O 3 /SiO 2 ), Ba-, Lii Ca-aluminoslikati. Nešto bolja toplinska i kemijska stabilnost. Neoksidna keramika: SiC, Si 3 N 4, BC, AlN itd. Nešto bolja mehanička svojstva.

20 VRSTE OJAČANJA Diskontinuirana ojačanja: čestice, viskeri, sječeni komadići vlakana - SiC, Si 3 N 4, BC, TiB 2, AlN itd. Daju nešto niža mehanička svojstva, no mogu se proizvoditi nekim od klasičnih postupaka proizvodnje monolitne keramike (jeftinije). Kontinuirana vlakna - novije. Bolja mehanička svojstva, no dobivaju se složenijim postupcima - skuplje. Vlakna: Al 2 O 3, mulit (Al 2 O 3 /SiO 2 ), C, SiC (najčešće zbog visoke čvrstoće, krutosti i toplinske stabilnosti).

21 KOMPOZITI SA SiC MATRICOM Česti u industrijskoj primjeni. Kontinuirana SiC ili C-vlakna (novije) - problem prianjanje matrice i vlakana. Neka od svojstava: visoka toplinska vodljivost, mala toplinska rastezljivost, mala masa, vrlo dobra otpornost na koroziju i trošenje. Otpornost na ekstremno visoke temperature (1500 C) - dolazi do stvaranja tankog sloja oksida na površini.

22 Novije: ojačanja s SiC nanocijevčicama (udio oko 5 %). Značajno povećanje mehaničkih svojstava. Monokristalne β-sic nanocijevčice promjera nm. CVI proizvodni proces (Chemical Vapour Infiltration kemijska infiltracija u parnoj fazi). Svaka je nanocijevčica prevučena vrlo tankim ugljičnim slojem debljine 5 nm. SiC nanocijevčice prije infiltracije

23 OJAČANJE TiB 2 ČESTICAMA Kompozit se dobiva postupkom sinteriranja praha SiC-TiO 2- B 4 C-C bez tlaka. Slijedi vruće izostatičko prešanje. Vrlo visoka savojna čvrstoća (> 800 MPa) i lomna žilavost.

24 KOMPOZITI SA Si 3 N 4 MATRICOM Svojstva su vrlo slična svojstvima SiC. Lošije: manje su toplinski stabilne, manja toplinsku vodljivost. Ojačan sa SiC viskerima - vrlo visoka čvrstoća, modul elastičnosti, te kemijska inertnost pri visokim temperaturama, dobra lomna žilavost. Mikrostrukture kompozita sa Si3N4 matricom i SiC viskerima različitih sastava Ojačanje TiB 2 česticama: povišenje tvrdoće, čvrstoće, otpornosti na trošenje i električne vodljivosti matrice. Ojačanje W 2 C nanočesticama: povišenje otpornosti na trošenje

25 KOMPOZITI S Al 2 O 3 MATRICOM Visoka čvrstoća i tvrdoća, temperaturna stabilnost, otpornost na trošenje, otpornost na koroziju na povišenim temperaturama, povišena lomna žilavost itd. Vrlo često se za ojačanje Al 2 O 3 matrice koriste Al 2 O 3 vlakna. Prevlake na vlaknima su vrlo važne jer se njima znatno smanjuje krhkost. Neke prevlake: ugljične, BN, CeO 2, ZrO 2, LaPO 4, BaZrO 3 itd.

26 UGLJIČNA MATRICA EKSTREMNI OBLICI STRUKTURA UGLJIKA: GRAFIT - HEKSAGONSKA DVODIMENZIONALNA REŠETKA SLABE VEZE IZMEĐU KLIZNIH RAVNINA DIJAMANT - JAKE VEZE (KOVALETNE) IZMEĐU ATOMA U REALNOSTI SU PRISUTNE SVE MOGUĆE KOMBINACIJE IZMEĐU GRAFITA I DIJAMANTA - OD KRISTALNIH PA SVE DO AMORFNIH STRUKTURA FULERENI I UGLJIČNE NANOCIJEVČICE

27 PROIZVODNJA UGLJIČNIH VLAKANA Poliakrilnitril PA ili katran

28 SVOJSTVA C/C KOMPOZITA Visok vlačni modul elastičnosti Visoka vlačna čvrstoća ne mijenjaju se niti pri >2000 C, Otpornost na puzanje Relativno visoka lomna žilavost - širok raspon Nmm 3/2 Mala toplinska rastezljivost Velika toplinska vodljivost W/mK mala osjetljivosti prema toplinskom šoku Nedostatak: sklonost oksidaciji pri > 450 C Nužna je zaštita od oksidacije: modifikacija matrice dodavanjem različitih inhibitora oksidacije. Inhibitori mogu biti B, Si, Zr i nanošenje keramičkih prevlaka. To su najčešće višeslojne prevlake karbida, nitrida i oksida Si, Zr, Ta, Al itd.

29 C/C KOMPOZITI - PROIZVODNI POSTUPCI

30 PROIZVODNJA C/C KOMPOZITA: IMPREGNACIJA VRLO KOMPLICIRAN I SKUP PROCES PRIPREMA PREDOBLIKA VLAKANA - 2D ILI 3D IMPREGNACIJA S VRUĆOM SMOLOM POD VISOKIM TLAKOM PEČENJE (PIROLIZA) U PEĆI DA ISPARE IZ SMOLE SVI ELEMENTI OSIM UGLJIKA - KARBONIZACIJA UGRIJAVANJE > 3000 C ČIME SE STVARAJU MALA GRAFITNA PODRUČJA I POSTIŽE KONAČNA ČVRSTOĆA OSTAJU MNOGE PORE KOJE SE ISPUNJAVAJU PONOVNOM IMPREGNACIJOM S VRUĆOM SMOLOM VIŠEKRATNO PONAVLJANJE GORNJIH KORAKA SPORO I SKUPO ALTERNATIVNI PUT: CVD, ali vrlo skupo

31 PRIMJENA UGLJIK-UGLJIK KOMPOZITA Kočioni diskovi od ugljik-ugljik kompozita Proizvodi od C-C kompozita u ortopediji

32 Umeci mlaznica od C-C kompozita Cijevi od C-C kompozita

33 POSTUPCI PROIZVODNJE KOMPOZITA S KERAMIČKOM MATRICOM CVD (Chemical Vapour Deposition) USMJERENA OKSIDACIJA METALA PROIZVODNJA SIC/SIC KOMPOZITA IMPREGNACIJOM POLIMERA I PIROLIZOM INFILTRACIJA TALJEVINE

34 CVD (Chemical Vapour Deposition) Ojačanje kontinuiranim SiC vlaknima. Vezni sloj između vlakana i matrice, kao i sama matrica, nastaju taloženjem iz plinovitog prekursora pri povišenim temperaturama. Za postignuće što veće gustoće obično je potrebno 2 do 5 ciklusa. Prva faza je prevlačenje vlaknastih ojačanja, nakon čega slijedi infiltracija matrice, završna prevlaka ili obrada odvajanjem čestica.

35 USMJERENA OKSIDACIJA METALA Najprije se CVD nanosi prevlaka na ojačanja. Nakon toga se ojačanje s prevlakom stavlja u rastaljeni metal u reaktivnoj atmosferi kisika pri čemu dolazi do stvaranja Al-Al 2 O 3 matrice.

36 PROIZVODNJA SIC/SIC KOMPOZITA IMPREGNACIJOM POLIMERA I PIROLIZOM Suspenzija od PCS (Polikarbosilan) i PVS (Polivinilsilan) impregnira se u SiC tkaninu. Nakon toga polimerni materijal umrežava pod djelovanjem snopa elektrona. Pirolizom dolazi do transformacije polimera u keramiku.

37 INFILTRACIJA TALJEVINE U prvoj varijanti prvo slijedi slaganje slojeva vlakana, Nakon toga se tako složeni slojevi prevlače, te se na njih lijeva suspenzija materijala matrice. Završna faza je infiltracija suspenzije. U drugoj varijanti najprije se nanosi CVD postupkom prevlaka na vlakna. Zatim se vlakna uranjaju u suspenziju materijala matrice, nakon čega slijedi namotavanje, slaganje slojeva polaganjem i infiltracija.

38 PRIMJENE CMC Rezni alati napravljeni od kompozita s Al 2 O 3 matricom i SiC viskerima Glave izmjenjivača topline napravljene od kompozita s Al 2 O 3 matricom koji je ojačan kontinuiranim vlaknima Kočioni diskovi Porsche-a 911 Turbo napravljeni od kompozita sa SiC matricom koji je ojačan ugljičnim vlaknima

39 Ventilator za cirkulaciju vrućeg plina napravljen od kompozita sa SiC matricom koji je ojačan kontinuiranim vlaknima Usporedba dviju cijevi nakon eksploatacije. Lijeva je napravljena od kompozita s matricom i ojačanjima od oksidne keramike, a desna je metalna Dijelovi plinske turbine napravljeni od SiC/SiC kompozita

40