1431695348 0 Suvremeni Materijali Metalnikompoziti

8/17/2019 1431695348 0 Suvremeni Materijali Metalnikompoziti

http://slidepdf.com/reader/full/1431695348-0-suvremeni-materijali-metalnikompoziti 1/20

Metalni kompoziti

Franjo Kovaiek, Irena Žmak

METALNI KOMPOZITI1

1. UVOD

Kompozit je oblikovan proizvod nainjen od kompozitnog materijala,npr. lijevanjem, laminiranjem ili istiskivanjem.

Kompozitni materijal je vrsti materijal koji se sastoji od kombinacijedvaju ili više jednostavnih (monolitnih) materijala i u kojem pojedinekomponente zadržavaju svoj zaseban identitet. Kompozitni materijal imasvojstva razliita od svojstava njegovih komponenata, jednostavnihmaterijala. Uporaba pojma kompozit esto pretpostavlja da su unaprijeena

fizikalna svojstva, jer je glavni tehnologijski interes dobivanje materijala sasuperiornim fizikalnim (obino mehanikim) svojstvima u odnosu nasvojstva komponenata. Kompozitni materijal ima takoer i heterogenustrukturu sastavljenu od dviju ili više faza koje dolaze od njegovihkomponenata. Sve faze mogu biti neprekinute (kontinuirane), ili jedna iliviše njih mogu biti disperzirane u neprekinutoj matrici. U posljednjemsluaju potrebno je utvrditi neku donju granicu za veliinu esticadisperzirane faze ispod koje se smatra da je materijal monolitan. Obino seuzima veliina reda 10-8 m, jer je to približno donja granica veliine u

proizvodnji estica. Nadalje, podruje od 10

-9

-10

-8

m obino se uzima kaorazdjelnica izmeu pravih otopina i koloidnih disperzija. Razliite vrstekompozita su ubrojene u tehnologiju polimernih materijala. Oni mogu bitisastavljeni od kombinacije polimer-polimer (polimerne mješavine) ilikombinacije polimer-plin (ekspandirani, elijasti ili pjenasti polimeri), alinaješe su dvije vrste kombinacija polimer-kruto punilo, a to su kompozitipolimer-vlakno i polimer-estice. Ovim dvjema zadnjim vrstama želi sepostii poboljšanje jednog ili više mehanikih svojstava, tj. ovršenje, dok

1 Dio teksta objavljen je u lanku I. Žmak, F. Kovaiek: “Proizvodni postupci za izradumetalnih kompozita” Zbornik radova savjetovanja MATRIB2004, Vela Luka, lipanj 2004.,s. 349-356.

83



Suvremeni materijali i postupci

jeftina punila uglavnom služe za popunjenje volumena. Za puni opis kom-pozitnog materijala treba poznavati ne samo sastav faza ve i geometriju(oblik estica, veliinu, raspodjelu i orijentaciju estica) i koncentraciju svake

disperzirane faze. Koncentracija se esto iskazuje kao volumni udio pojedinefaze. Osim toga mogu se javiti podruja s meupovršinom ija priroda možeznaajno utjecati na svojstva materijala, posebno pri uporabi vezujuihsredstava 1.

Zbog kratkoe e se u ovom tekstu i kompozitne materijale nazivatikompoziti , što je u najveem broju sluajeva i uobiajeno.

Od tri osnovne grupe kompozita s obzirom na matricu (kompoziti spolimernom, keramikom i metalnom matricom), biti e govora samo o kompozitima s metalnom matricom (MMC – Metal Matrix Composites).

Kompoziti s metalnom matricom predmet su interesa, zato što susposobni osigurati više uporabne temperaturne granice od njihovihosnovnih metala i mogu se oblikovati tako da se dobije poveana vrstoa,krutost, toplinska vodljivost, abrazijska otpornost, otpornost puzanju idimenzijska stabilnost. U MMC-u kontinuirana ili matrina faza je openitolegura, rjee isti metal, a ojaalo se sastoji od visokovrijednih ugljinih,metalnih ili keramikih dodataka. Tijekom proizvodnje kompozita miješajuse zajedno matrica i ojaalo. Nasuprot polimernim kompozitima oni sunezapaljivi, ne otplinjavaju u vakuumu i minimalno su osjetljivi na organsketekuine kao što su goriva i otapala.

Ojaala, kontinuirana ili diskontinuirana, mogu initi 10 do 60 vol.%kompozita. Kontinuirano vlakno ili vlaknasta ojaala ukljuuju ugljik (C),silicijev karbid (SiC), bor, aluminijev oksid (Al2O3) i metale visokog tališta.Diskontinuirana ojaala sastoje se uglavnom od SiC u obliku viskera (w),estica (p) SiC, Al2O3 ili titanova diborida (TiB2) i kratkih ili nasjeckanihvlakana Al2O3 ili ugljika 2.

Najistaknutije karakteristike metalnih matrica vidljive su u razliitimoblicima, posebice u tome što metalna matrica daje metalnu prirodukompozitu u smislu toplinske i elektrine vodljivosti, proizvodnih procesa i

interakcije s okolišem. Dominirajua mehanika svojstva matrice, kao modulelastinosti i vrstoe u poprenom smjeru kompozita s usmjerenimojaalima, dovoljno su visoka u nekih MMC-a da je mogue jednosmjernoslaganje u nekim inženjerskim konstrukcijama.

2. POSTUPCI PROIZVODNJE

Procesi proizvodnje MMC-a dijele se u primarne i sekundarne grupe.Primarni proces je postupak kojim se sintetiziraju kompoziti od osnovnihmaterijala, matrice i ojaala. Pritom je ukljuena ugradnja ojaala u matricu uodgovarajuoj koliini i na odgovarajua mjesta i razvoj prikladnih veza

84



Metalni kompoziti

izmeu konstituenata. Sekundarni proces se sastoji od svih dodatnihstupnjeva potrebnih za preradu primarnog kompozita u konani dio. Unekim sluajevima oba stupnja odvijaju se istodobno, ovisno o željenom

konanom proizvodu i postupcima proizvodnje korištenim u procesu.Izbor postupka za proizvodnju kompozitnog materijala ovisi o meha-

nikim i kemijskim svojstvima ojaala i matrice; dužini i veliini vlakana,slaganju vlakana i željenom razmještaju vlakana; veliini, obliku i raspodjeliestica. Nadalje, potrebno je poznavanje termodinamike i kinetike moguihreakcija matrica-ojaalo i radne temperature kojoj e kompoziti bitipodvrgnuti.

Mnoga ojaala i materijali matrice nisu kompatibilni u smislu prianjanja itakvi se materijali ne mogu preraditi u kompozite bez prilagodbe svojstava

meupovršine meu njima. U nekih kompozita povezanost ojaala i metala je slaba i mora se pojaati. Kod kompozita proizvedenih od reaktivnihkonstituenata treba izbjei prekomjernu aktivnost na meugranici, kojamože oslabiti svojstva materijala. Taj problem obino se rješava ilipovršinskom obradom ili prevlakom ojaala ili prilagodbom sastava legurematrice.

Postupci u vrstom stanju (Solid State Processing ) Ovi se postupci odvijaju kod niže temperature s mogunošu bolje kontrole termodinamike ikinetike graninih površina. Dvije glavne grupe postupaka u vrstom stanjusu difuzijsko spajanje materijala u obliku tankih slojeva i sinteriranje. Procesi

nanošenja matrice, u kojima se materijal matrice nanosi na vlakno, ukljuujuelektrokemijsko prevlaenje, plazmatsko naštrcavanje i fizikalno nanošenjeiz parne faze. Nakon procesa nanošenja, esto je potreban sljedei koraksjedinjavanja, kao npr. difuzijsko spajanje. Difuzijsko spajanje odvija se napovišenoj temperaturi i visokom tlaku. Meutim, stupanj difuzije mora bitiogranien ili e na meupovršini doi do porasta neželjenih krhkih faza.

Jedan od naina ograniavanja vremena difuzije je istiskivanje sloja vlakana imatrice kroz alat. Toplo valjanje može se takoer primijeniti, ali u tomsluaju deformacija se mora ograniiti da se smanji pomak vlakana ojaala iizbjegne ošteenje. Povišene temperature se koriste da se olakša teenjematrice, ali se mora izbjei prekomjerno zagrijavanje koje bi moglo potaknutikemijski napad na vlakna. Nedostatak ovih postupaka je što zahtijevaju vrloiste površine prije pokušaja spajanja. To obino traži prethodno išenjesastavnih materijala i postupak u vakuumu. Ovim postupkom se sjedinjujuB/Al i Borsic/Al kompoziti 2, 3, 4.

Visokotemperaturna sinteza (Self-Propagating Synthesis – SHS) toplimprešanjem (Hot Pressing, HP) je proces kojim se mogu proizvoditi kompozitis malom poroznošu i trodimenzionalne strukture izmeu intermetalnihspojeva i metalnih matrica s konkurentnom cijenom i jednostavnošu. Na taj

se nain mogu proizvesti npr. metalni kompoziti Al3Ti/Al. Kao polaznasirovina koriste se prah aluminija i titanova oksida (TiO2). Nazonost

85




aluminija u tekuoj fazi je najbolji nain za popunjavanje pora. U toj reakcijivišak Al služi za kontrolu poroznosti kompozita i olakšanje procesa sinteze.Dio metala se potroši u reakciji za stvaranje intermetalnog spoja, a ostatak,

koji je teku, popunjava pore u matrici za vrijeme sinteriranja i poveavagustou kompozita. Istovremena uporaba tlaka i reakcije sinteze omoguujesmanjenje poroznosti proizvedenog materijala reakcijama sinteze i kontrolugeometrije pora kao i ravnomjernu raspodjelu estica AlTi3 u metalnojmatrici 5, 7.

Metalurgijom praha (Powder Metallurgy – PM) se ostvaruje povezivanjepraha s esticama, ploicama ili viskerima ojaala nizom koraka. Dva ili višeodijeljena praha se miješaju, katkada uz pomo veziva. Keramike esticekoje trebaju osigurati visoku vrstou kompozita su reda veliine 5 m upromjeru, dok je veliina praha legure matrice (aluminij ili magnezij) od 20do 40 m u promjeru. Razlika u veliini estica praha omoguuje stvaranjeneprekinute mreže malih keramikih estica oko veih zrna matrice. Takonastaju mikrostrukturno nehomogena podruja. Nadalje, stvaranjem mreženastala poroznost mora se popuniti rastaljenom legurom matrice tijekomsjedinjenja (toplo prešanje). Ako se polazni prah lako oksidira, vrlo finisubmikronski oksidi mogu se koncentrirati na granicama zrna znaajnosmanjujui lomnu žilavost izvornog materijala.

Dijelovi postupka ukljuuju:

prosijavanje brzo skruenih estica, spajanje estica s fazom ili fazama za ojaavanje sa ili bez veziva,

zgušivanje smjese ojaala i matrice na oko 75 % gustoe,

otplinjavanje i završno sjedinjenje istiskivanjem, kovanjem, valjanjemili nekom drugom toplom obradom.

MMC-i proizvedeni PM tehnologijom obilježeni su visokom cijenom iznaajnim svojstvima kao što su vrstoa i krutost 4.

Postupci u tekuem stanju (Liquid Processing)

Za što bolje povezivanje matrice i vlakana poželjno je da taljevina iz

matrice tee u meuprostore nerazvrstanog vlakna da bi se osiguralopotpuno pokrivanje vlakna. Za takav postupak koriste se duboke kupke kojeznaajno olakšavaju proizvodnju, a koje se upotrebljavaju u industriji zapripremu predoblika. Razliitost izmeu potrebe ovlaživanja vlakana iizbjegavanja prevelike kemijske reakcije izmeu vlakana i matrice uvjetujepredobradu istih, i to prevlaenjem kao npr. sa spojem titanovog diborida usluaju aluminijevih MMC-a. Vlakna s prevlakom provlae se zatim krozkupku rastaljenog aluminija u kontinuiranom postupku. Prodiranjerastaljenog aluminija izmeu vlakana osigurava razdvajanje vlakana

jednako dobro kao i veznu meupovršinu izmeu vlakana i matrice.Prevlaka na vlaknu, kao što je titanov diborid, pomaže ovlaživanje i zaštituvlakana od kemijske reakcije pri povišenim temperaturama.

86



Metalni kompoziti

Aluminijevi kompoziti u velikoj mjeri proizvode se s esticama kaoojaalom. Istražuju se i ve primjenjuju razliiti postupci.

Lijevanje u kalup naješi je od svih ljevakih postupaka za proizvodnju

velike koliine dijelova uz najnižu cijenu. Pritom se koriste razliiti nainipriprave taljevine i tehnike lijevanja [19].

Lijevanje miješanjem (Stir Casting ) slino je klasinom postupku kodaluminijskih legura, ali uz blago miješanje taljevine radi osiguranjaravnomjerne raspodjele npr.SiC estica. Stalna kontrola temperaturetaljevine potrebna je radi izbjegavanja pregrijanja i naknadnog stvaranjakarbida.

Lijevanje tiskanjem (Squeeze Casting) ukljuuje ulaganje poroznogkeramikog predoblika u predgrijani kalup, koji e se kasnije ispuniti

tekuim metalom. Pomou tlaka rastaljeni metal ulazi u keramiki predobliki nastaje vrst kompozit. Postupak smanjuje utrošak materijala i energije,proizvodei dijelove na konanu mjeru i nudi sposobnost selektivnogojaavanja.

Lijevanje u poluskruenom stanju (Compocasting, Rheocasting ) jepostupak slian lijevanju miješanjem, s razlikom što se estice dodatkamiješaju u metal koji je u poluskruenom stanju. Poluskrueni metal mora sesnažno miješati, a ne blago kao kod lijevanja miješanjem [20].

Bestlana infiltracija metala (Pressureless Metal Infiltration) jepostupak, vlasništvo AM LANXIDE-a, poznat pod razliitim zaštienimimenima. Prvim razvijenim postupkom kompoziti se proizvode infiltracijomsloja estica Al2O3 rastaljenim metalom koji je izložen oksidacijskoj atmosferi.Materijal matrice nastalog kompozita je sastavljen od smjese produkataoksidacijske reakcije i neizreagirane aluminijske legure (LANXIDETM). Ovajpostupak omoguuje dobivanje gotovih oblika i svojstava kompozita kojamogu zadovoljiti primjerene specifine namjene. Novijim postupkomPRIMEX CONCENCRATETM proizvodi se materijal koji se kasnije možepretaljivati i koristiti u ljevaonicama za proizvodnju dijelova od aluminijevaMMC-a. Postupak ukljuuje bestlanu infiltraciju aluminija u masu kerami-

kih estica za ojaanje, slika1. Ta infiltracija je praena in situ stvaranjem jedinstvene površinske prevlake na esticama ojaala. Prevlaka omoguujepotpuno vlaženje estica i povoljne znaajke za teenje taljevine, važnaobilježja za daljnju ljevaoniku uporabu. Izostanak ovlaživanja može inaeuzrokovati podebljanje i nestabilnost u taljevini koja sadrži estice bezprevlake. Kod taljevina s PRIMEX CONCENTRATETM materijalom stabilnaviskoznost ostaje i tjednima kod normalne temperature lijevanja. Nastabilnost ne utjeu neoekivani toplinski ispadi koji se mogu dogodititijekom uporabe. Recikliranje uljevnog sustava i pojila u taljevinu, ako jevješto obavljeno, nema štetan utjecaj na dinamiku izdržljivost i kvalitetu

proizvoda. Tipian udio ojaala u koncentratu je 40-50 % po volumenu, aostatak je aluminijska legura matrice. Koncentrat je pripremljen za masovnu

87




ljevaoniku uporabu. Ljevaonice koje koriste ovakav koncentrat mogu gasame razrijediti jeftinijim aluminijem. Razrijeen kompozit pripremljen zalijevanje obino sadrži 10-30 % keramikih estica po volumenu, ovisno o

zahtijevanim svojstvima i primijenjenom postupku lijevanja. Tako dobivenataljevina je jednolika i stabilna. Objema tehnologijama ojaalo, legura matrice imikrostruktura kompozita se mogu varirati i potpuno kontrolirati, štoomoguuje pripremu dijelova za odreenu primjenu. Mogu se ekonominoproizvoditi dijelovi završnog ili gotovo završnog oblika, svih veliina isloženih oblika. Npr. vrlo kvalitetni koioni diskovi za automobile proizvodese sa do 75 % recikliranog materijala dobivenog ovim postupkom [6, 7].

Ove tehnologije zajedno s tehnologijama za proizvodnju dijelova odkompozita s keramikom matricom su zaštiene nizom patenata. U svijetupostoji više od 2 700 patenata s tog podruja.

Slika 1. Shema proizvodnje MMC-a PRIMEX bestlanom infiltracijom [6]

Znaajna primjena postupka bestlane infiltracije metala je u proizvodnjidijelova za pakiranje, podloge i pomone strukture za elektronike kompo-nente od SiC p/Al kompozita (slika 2). Pritom su tipini zahtjevi: mali koeficijenttoplinskog rastezanja () da bi se smanjila mehanika naprezanja usmjerenana elektroniki ureaj tijekom sklapanja ili rada, visoka toplinska vodljivostradi smanjenja iskrivljenja i mala gustoa za minimalnu težinu. U usporedbis klasinim aluminijevim legurama, kompoziti imaju, zbog oblika i udjelaestica SiC, znatno smanjen i vei modul elastinosti, s malo ili bez utjecajana toplinsku vodljivost i gustou. Zbog mogunosti projektiranja fizikalnih itoplinskih svojstava, postupak bestlane infiltracije metala pruža i više

drugih prednosti u smanjenju cijene i/ili poveanju pouzdanosti u odnosu naklasine metode izrade elektronikih komponenti:

88



Metalni kompoziti

sposobnost izrade složenih dijelova na završni ili gotovo završni oblik, oblikovanje rubova kuišta za zatvaranje laserskim snopom ili

otpornim zavarivanjem, kompatibilnost sa prevlakama zlata, kositra ili nikla i mogunost in situ povezivanja elektrinih kanala, ime se izbjegavaju

pogreške zbog lemljenih spojeva [8].Specifina krutost (modul elastinosti podijeljen s gustoom) SiC p/Al-

kompozita može biti više od 3,2 puta vea od one neovrsnutog elika,aluminijevih legura i titanovih legura. Ta svojstva, povezana s kontroliranomtoplinskom vodljivošu i malim , ine MMC-e atraktivnim za komponentekoje zahtijevaju izvanrednu krutost i dimenzijsku stabilnost, kao što suprostorne strukture, automobilske konice i komponente optikih sustava.

Aluminijevi metalni kompoziti ojaani krupnijim esticama SiC pokazujuizvanrednu otpornost na eroziju suspenzijama, a oni s esticama Al2O3 supotencijalni materijal za primjenu u proizvodima gdje se traži vea vrstoa ižilavost. Kompoziti Al2O3/Al su krui i vrši od neovrsnute izvorne legurei zadržavaju dobru lomnu žilavost unato manjoj duktilnosti.

Slika 2. Shema proizvodnje elektronikog elementa bestlanom infiltracijom [8]

Nanošenje naštrcavanjem (Spray Deposition) ukljuuje atomizaciju talje-vine (stvaranje zasebnih kapljica), naštrcavanje kapljica rastaljenog metalakroz sapnice i skupljanje i zgušnjavanje poluskruenih kapljica na podlozi. Upostupku naštrcavanja metalna legura se tali indukcijskim grijanjem iizlijeva u zagrijanu posudu. Taljevina tee kroz izlaz na dnu premaplinskom raspršivau. Plinski mlaz velike brzine rastavlja metal u sitnekapljice koje se snažno ubrzavaju prema podlozi. Na podlozi kapljice sezgušnjavaju i stvaraju talog formirajui tako izravno približno konane

oblike, za razliku od postupka metalurgije praha gdje se postupak odvija umeustupnjevima. Brzina skruivanja nije tako velika kao kod brzog skrui-

89




vanja i ima dvije prednosti: izravna proizvodnja prethodnih oblika i izravnoukljuivanje ojaala u pripadnu matricu. MMC ingoti se lijevaju uvoenjemestica za ovršenje (ugljik, Al2O3 , SiC) u metalni mlaz. Potrebna je pažljiva

kontrola uvjeta doziranja da bi se osigurala ravnomjerna raspodjela estica.Na slici 3. shematski je prikazan ureaj za naštrcavanje [9].Miješanje i zgušnjavanje dviju komponenata ovim nainom naziva se

oblikovanje naštrcavanjem kompozita s metalnom matricom. Materijal imametalnu matricu u kojoj su disperzirane druge komponente u obliku estica.Kvaliteta materijala se može prilagoditi potrebama primjene, kao npr. odkrhkog do žilavog, vrstom, udjelom, oblikom i raspodjelom estica ojaala.Glavna namjena proizvodnje MMC-a je poboljšanje otpornosti na trošenje,osobito abrazijsko, otpornosti na povišene temperature i poboljšanje modula

elastinosti, posebno aluminijevih i bakrenih legura, a u posljednje vrijeme isuperlegura. Jedan od takvih komercijalnih postupaka je Ospery postupak.

Slika 3. Shema postupka naštrcavanja [9]

Brzo skruivanje (Rapid-Solidification Processing – RSP) Na veliinuzrna kompozita dobivenih ingot tehnologijom može utjecati udaljenostizmeu estica, ako je porast zrna sputavan sudaranjem estica. Kod metalaosjetljivih na porast zrna kao što je magnezij, konana veliina zrna katkada

je prevelika, što pogoršava mehanika svojstva. Zbog toga se pri razvojuniza inženjerskih legura koristio postupak brzog skruivanja za postizanjemikrostrukture koja poboljšava visokotemperaturna svojstva kao npr.vrstou i otpornost na koroziju. Mikrostruktura ovih legura istie seujednaenijim sastavom, usitnjenim mikrokonstituentima, visokim stupnjemprezasienosti i zadržanim metastabilnim fazama. Snažno usitnjenje lijevanedendritne strukture postignuto je poveanjem brzine hlaenja ili brzine rasta

90



Metalni kompoziti

dendrita tijekom skruivanja. Poveana ujednaenost sastava postignuta jekraim difuzijskim putom izmeu podruja mikrosegregacija. Nadalje,precipitati nastali u tim podrujima teže smanjenju veliine i jednolinijoj

raspodjeli.Primjena postupka brzog skruivanja kod proizvodnje metalnih kompozita

s keramikim ojaalima dopušta uporabu visokovrstih, visokotemperaturnihlegura kao materijala matrice. To omoguuje optimiranje svojstava matrinefaze i uporabu velikih estica ojaala za poveanje lomne žilavosti bezgubitka na vrstoi.

Tri su naina korištenja brzog skruivanja u proizvodnji kompozita:atomizacija, dobivanje traka (melt-spun ribbon) i listia (meltspun flake).

Slika 4. Postupak brzog skruivanja (RSP) [10]

Ovaj posljednji nain je najperspektivniji jer dovoljno velika brzinaskruivanja omoguuje dobivanje listia debljine oko 40 do 60 m. Listii

dobiveni ovim nainom široki su i dugaki 6 do 8 mm i imaju mali omjerpovršina/volumen. Listii se mogu direktno sjediniti u kompozitni proizvod bez daljnje promjene veliine. Trake, nasuprot tom, zahtijevaju daljnjuobradu radi smanjenja njihove veliine, što može dovesti do oneišenja ioksidacije. Pri atomizaciji velika brzina skruivanja se može postii ako suatomizirane estice vrlo male. Nažalost, velika površina malih esticarezultira velikim udjelom površinskih oksida, koji su štetni za duktilnost ilomnu žilavost sjedinjenog materijala.

Potencijalna prednost proizvodnje listia je smanjenje cijene u odnosu nauobiajeni postupak metalurgije praha, PM. Npr. potrebno miješanje prahovakod PM postupka izostaje pri proizvodnji listia i za završno stapanje moguse koristiti uobiajeni postupci oblikovanja metala kao što je istiskivanje.

91




Nadalje, izostaje za PM postupak potrebno dulje vrijeme i zahtjevna opremakao što je oprema za toplo prešanje u vakuumu. Dobivanje visokokvalitetnogmetalnog praha postupkom atomizacije zamijenjeno je predlegiranim MMC

materijalom uz znatnu uštedu u cijeni polaznog materijala.Dva su kritina parametra postupka za dobivanje listia: brzina kola za

gašenje i koliina rastaljenog metala koji pada na kolo. Brzina kola, odreenaprianjanjem rastaljenog metala na bakreno kolo, utjee na brzinu skruivanja.Ako se kolo okree prebrzo, rastaljeni metal nee dovoljno dugo biti udodiru s kolom da se dobiju listii. Ako je okretanje presporo, listii e bitineprihvatljivo debeli.

Koliina materijala koja udara u kolo je odreena promjerom otvora itlakom primijenjenim na posudu unutar komore za taljenje. Optimalni tlak je

onaj koji osigurava ravnomjernu struju metala na kolo. Npr. za SiC/Mg-kompozitnu taljevinu optimalan je tlak otprilike 27 kPa uz uporabu promjeraotvora od 1,3 mm. Uz te parametre keramike estice SiC su ravnomjernorasporeene unutar gašenih listia [10].

Fizikalno prevlaenje iz parne faze (Physical Vapour Deposition – PVD)obuhvaa niz postupaka ukljuujui isparavanje elektronskim snopom.Magnetron taloženje i elektro-prevlaenje su postupci kojima se proizvodekompoziti uzastopnim nanošenjem slojeva matrice na vlakna ojaala. PVDtehnike zahtijevaju puno manje zagrijavanja vlakna od infiltracije rastaljenimmetalom. Temperature površine su obino ispod 200 °C. Ta se tehnika uvelike

koristi za proizvodnju C/Al-kompozita [4].

3. PODJELA KOMPOZITA S METALNOM MATRICOM

3.1 KOMPOZITI S ALUMINIJSKOM MATRICOM

Najvei dio istraživanja i razvoja MMC-a usmjeren je na aluminij kaometal matrice. Aluminij je najatraktivniji neželjezni metal matrice, posebno

za uporabu u zrakoplovnoj industriji, gdje je težina strukturnih kompone-nata bitan imbenik. Znaajna su toplinska svojstva aluminijevih kompozita,s vodljivošu poput metala i s koeficijentom toplinskog rastezanja koji semože sniziti gotovo do nule. Talište aluminija je dovoljno visoko dazadovolji mnoge zahtjeve u primjeni, a dovoljno nisko da proizvodnjukompozita uini prihvatljivom. Razvijeno je više vrsta MMC-a na osnovialuminija za primjenu u zrakoplovstvu. Glavni razlog dodavanja ojaalaaluminiju i aluminijevim legurama je radi poveanja vrstoe, krutosti iliotpornosti na umor, ali obino se to postiže uz cijenu sniženja drugihsvojstava kao što je istezljivost.

Aluminij može prihvatiti raznolika ojaala, kao npr. neprekinuta vlakna(npr. ugljina) i raznolike estice, kratka vlakna i viskere. Ova posljednja tri

92



Metalni kompoziti

su obino anorganski materijali (keramika) kao što su aluminijev oksid,silicijev karbid ili silicijev nitrid.

Silicijev karbid kao ojaalo u aluminijevim kompozitima prvenstveno se

bira zbog izvrsne kombinacije njegovih fizikalnih svojstava, raspoloživosti icijene.

Bor/aluminij je tehnologijski razvijen kompozit s neprekinutim vlaknima.Ova vrsta kompozita sjedinjuje izvanrednu vrstou, krutost i nisku gustou

bornih vlakana s proizvodnom i inženjerskom pouzdanošu aluminijevihlegura.

Ukupni porast specifine krutosti (omjer modula elastinosti i gustoe) bornih vlakana je gotovo šest puta vei u odnosu prema bilo kojemstandardnom inženjerskom materijalu, ukljuujui elik, aluminij, molibden

i magnezij. To je prednost u sprjeavanju mikrosavijanja vlakana u matricipod tlanim optereenjem. Druga važna fizikalna i mehanika svojstva B/Al-kompozita su visoka elektrina i toplinska vodljivost, duktilnost i žilavost,negorljivost, kao i mogunost prevlaenja, oblikovanja, spajanja i toplinskeobrade.

Primjena ovih kompozita ukljuuje cijevne vezne dijelove strukturesrednjeg trupa svemirskog broda i hladne ploe u višeslojnim nosaimaelektronikih mikroipova. Proizvodni postupci B/Al-kompozita temelje sena metodama difuzijskog spajanja vruim prešanjem ili plazmatskimnaštrcavanjem [11, 12].

Silicijev karbid/aluminij (SiC f /Al)-kompoziti imaju poveanu vrstou ikrutost, veu otpornost na trošenje i bolju temperaturnu stabilnost uusporedbi s neovrsnutim aluminijem, a bez posljedica na težinu. Nadalje,imaju manji koeficijent toplinskog rastezanja ija se vrijednost možekontrolirati promjenom udjela SiC. U usporedbi s osnovnim metalom,kompozit zadržava vlanu vrstou, koju ima na sobnoj temperaturi, natemperaturama do 260 °C.

Ugljik / aluminij: razvoj ovih kompozita bio je potaknut šezdesetih godinaprošlog stoljea iz komercijalnih pobuda zbog vrstih i krutih ugljinih

vlakana. Ugljina vlakna posjeduju niz svojstava ukljuujui modul elastinostido 966 GPa i negativni koeficijent toplinskog rastezanja od –1,62x10 -6/°C.Meutim, ugljik i aluminij su nepodobni metali za proizvodnju kompozita.Štetne reakcije izmeu ugljika i aluminija, loše kvašenje ugljika rastaljenimaluminijem i oksidacija ugljika, su znaajne tehnike zapreke za proizvodnjuovih kompozita.

Komercijalni ugljik/aluminij MMC-i se openito proizvode trimaglavnim postupcima: infiltracijom tekuim metalom kuine vlakana,nanošenjem matrice u parnom stanju u vakuumu na razastrta vlakna ivruim spajanjem pod tlakom sendvia razastrtih vlakana izmeualuminijskih limova. S tako pripremljenim i metalom prekrivenim vlaknimapotrebni su sekundarni postupci, kao difuzijsko spajanje ili pultruzija, za

93




dobivanje konstrukcijskih elemenata. Ove kompozite mogue je proizvoditi ilijevanjem tlaenjem.

Precizni dijelovi za zrakoplovstvo s tono odreenim dozvoljenim

odstupanjem dimenzija zahtijevaju krute, lagane materijale s malimtoplinskim iskrivljenjem. Jednosmjerna P100 C/6061 Al pultrudirana cijevima modul elastinosti u smjeru vlakana znaajno vei od elika, i imagustou otprilike treine gustoe elika. Teorijski C/Al-laminati, složeni pododreenim kutovima, mogu se zasnovati, s ciljem da se postigne koeficijenttoplinskog rastezanja (KTR) upravo nula, prikladnim redoslijedom slaganja iudjelom vlakana. U praksi, može se postii vrijednost KTR blizu nuli, alideformacijsko ponašanje je složeno zbog histereze koja se pripisujeplastinoj deformaciji u matrici tijekom toplinskog djelovanja [2, 4].

Aluminijev oksid/aluminij-kompoziti mogu se proizvoditi razliitimpostupcima, ali tipini su postupci u tekuem ili u poluskruenom stanju.Neka od keramikih oksidnih vlakana nisu skupa i omoguuju svojstva boljaod svojstava neojaanih aluminijskih legura. Npr. kompozit ima poveanuotpornost na trošenje i na deformacije zbog toplinskog umora, kao ismanjeni koeficijent toplinskog rastezanja. Dugako vlakno Al2O3/Alproizvodi se slaganjem Al2O3-traka s usmjerenom orijentacijom stvarajuitako predoblik koji se stavlja u kalup i natapa rastaljenim aluminijem uzpomo vakuuma. Veza ojaalo-matrica postiže se malim dodatkom litija urastaljeni metal [2, 13].

Diskontinuirani silicijev karbid/aluminij (SiCd /Al)-kompoziti ukljuujumaterijale s SiC-esticama, viskerima, nodulama, listiima, ploicama ilikratkim vlaknima u aluminijskoj matrici. Dostupni su u velikim koliinamana tržištu po povoljnim cijenama za razliku od veine ostalih kompozita smetalnom matricom. Više poduzea razvija tehnologiju dobivanja SiCd/Al-kompozita metalurgijom praha s esticama ili viskerima kao ojaalima.Tehnologija lijevanja razvijena je za ovu vrstu MMC-a i lijevanjemproizvedeni ingoti mogu se pripremiti u bilo kojem potrebnom obliku –istisnute šipke, ingoti ili valjani pripremci – za daljnju preradu.

Neka od važnijih svojstava estinih SiCd

/Al-kompozita su: koeficijent toplinske rastezljivosti povezanih komponenata može se

predvidjeti prilagodbom udjela ojaala; kompozit ima visoku dimenzijsku stabilnost ili otpornost na

deformaciju pod optereenjem poznatim kao puzanje. Što su sitnijeestice ojaala, to je vea vrstoa i otpornost na puzanje.

vrstoa i granica razvlaenja SiCd/Al-kompozita su do 60 % vee odonih neovrsnute aluminijske matrice. Istraživanja mehanikih svojstavaSiCd/Al s 20 % viskera ili 25 % estinog ojaala pri povišenim temperaturamapokazuju da kompozit može biti uinkovit u komponentama projektiranim

za dugotrajno izlaganje temperaturama do 200 °C i kratkotrajno izdržava itemperaturu od 260 °C.

94



Metalni kompoziti

Odljevci se mogu uspješno proizvoditi posebno preciznim lijevanjemkoristei neznatno prilagoene uobiajene postupke zbog prisutnosti dis-kontinuiranog keramikog ojaala. Te prednosti i relativno niska cijena uz

malu težinu ini dijelove od ovih kompozita konkurentnim odreenimotkovcima i odljevcima od aluminija i raznim dijelovima koji se danasizrauju od željeznih lijevova, elika, magnezija ili titana.

Primjeri primjene odljevaka preciznog lijeva osim u zrakoplovstvu sunpr. u tlanim posudama, za medicinske proteze i glave palica za golf.

Porast vrstoe porastom udjela SiC

Svojstva lijevanih MMC-a ovise o leguri matrice, udjelu SiC-ojaala,toplinskoj obradi i postupku lijevanja. Kao i kod bilo koje lijevane

aluminijeve legure, mikrostruktura odljevka od MMC-a ovisi o brzinihlaenja pri skruivanju. Kad je hlaenje sporo, kao kod odljevakapreciznog lijeva, estice SiC su potiskivane napredujuom meupovršinomtekue/kruto u meudendritine prostore.

Granica razvlaenja i vlana vrstoa kao i modul elastinosti ispitnihuzoraka preciznog lijeva su viši od vrijednosti za neovrsnute aluminijeveuzorke i rastu porastom udjela SiC. Unato padu istezljivosti povezane sporastom vrstoe, otpornost kompozita na naglo širenje napuklina (lomnažilavost u stanju ravninskog naprezanja) se ne smanjuje i kritina veliinanapukline ne raste. Kad se uzme u obzir i gustoa, vlana svojstva lijevanih

MMC-a (posebno specifina vrstoa i krutost) su bolja od svojstava sivoglijeva i elika kao i neovrsnutog aluminija. Prisutnost tvrdih estica SiCtakoer pridonosi znaajnom porastu otpornosti na trošenje i abrazijom iumorom.

Lijevani kompoziti zahtijevaju toplinsku obradu radi poveanjamehanikih svojstava. Openito, preporuljiv je ciklus slian onom koji sekoristi za neovrstljive legure: rastvorno žarenje i gašenje u vodi, iza kojegslijedi prirodno i umjetno dozrijevanje.

Ojaalo od SiC utjee i na fizikalna svojstva odljevaka. Gustoa se malo

poveava (npr. oko 3 % uz 20 vol %SiC), a opadaju elektrina vodljivost ikoeficijent toplinskog rastezanja. Toplinska vodljivost, meutim, raste. To seobjašnjava time da se sitne estice SiC veliinom približavaju monokristalu,a toplinska vodljivost monokristala SiC nadilazi onu istog aluminija.

Osnovni klju livljivosti je ovlaživanje keramike. Do 1986. godine praktikisu se aluminijevi MMC-i proizvodili energijski ili laboratorijski intenzivnimpostupcima kao što su metalurgija praha, toplinsko naštrcavanje, difuzijskospajanje i lijevanje tlaenjem (tzv. squeeze casting). Nijedan od tih materijalase nije mogao pretaljivati i lijevati uobiajenim postupcima i svi su bilipreskupi za veinu primjena, ukljuujui zrakoplovstvo. Unato tehnologijskomnapretku i poboljšanoj ekonominosti, šanse su male da e ti proizvodi ikadamoi postii konkurentnu cijenu u komercijalnoj primjeni. Da bi se mogli

95




lijevati ekonomino i u praktinom smislu, a ne samo laboratorijski,aluminijevi MMC-i moraju zadovoljiti tri osnovna uvjeta: ingot se mora moipretaljivati bez pogoršanja njegovih svojstava; taljevina mora biti

prilagoena standardnim postupcima u ljevaonicama aluminija; odljevcimoraju stvarno biti bez pogrešaka s pogodnim i izvrsnim mehanikimsvojstvima. Te uvjete zadovoljavaju kompoziti razvijeni u tvrtki Duralcan.

Na raspolaganju su ingoti namijenjeni za lijevanje ili istiskivanje proizve-deni patentnim postupkom koji osigurava potpuno vlaženje keramikihestica rastaljenim aluminijem. Niska cijena je najvažnija prednost ingot-metalurškog procesa. Davne 1988. godine kg kompozita se prodavao po cijenivišoj od 25 $/kg. Sredinom 1990. godine, kada je zapoela poluindustrijskaproizvodnja, cijena je pala na 8-9 $/kg. Daljni pad cijene oekuje se otkad jeAlcan Aluminium Ltd. pustio u rad 11 000 t/god. Duralcan postrojenje uQuebecu [14].

Razlike u ljevaonikoj praksi u lijevanju SiCp /Al u odnosuna Al-legure

Uvjeti pri lijevanju MMC-a openito su slini kao i pri lijevanjustandardnih aluminijevih legura. Ipak postoji nekoliko bitnih razlika:

taljenje pod inertnim pokrivnim plinom provodi se prema nahoenjuljevaa. Uobiajena tehnika otplinjavanja, kao što je uranjanje tableta iliubrizgavanje plina , može uzrokovati stvaranje mjehuria plina naesticama SiC i potom rošenje keramike. Zaštitne soli uklanjaju SiC.Na drugoj strani, okretni sustav za ubrizgavanje je koristan jer možeuspješno oistiti i otpliniti taljevinu. On koristi plinovitu smjesuargona i SF6;

potrebno je održavati temperaturu taljenja u uskim granicama da seizbjegne pregrijavanje i potom stvaranje aluminijeva karbida;

taljevina se mora lagano miješati da se postigne ravnomjernaraspodjela SiC estica. Keramike estice se ne tale i ne otapaju uleguri matrice i kako su teže od nje, i teže e se slegnuti na dno pei ili

lonca;

turbulencija za vrijeme lijevanja mora se minimirati da se izbjegnuukljuci plina.

Ako se uzimu u obzir ove razlike, MMC ingoti se mogu uspješnopretaljivati i lijevati uobiajenim postupcima, ukljuujui pješani, kokilni,precizni i tlani lijev, lijevanje tlaenjem (squeeze) i postupak s pjenom (lost-foam casting)

Taljenje: MMC-i se tale vrlo slino postupcima za taljenje neovršenihaluminijevih legura. Prikladne su indukcijske, elektrootporne i plinom ili

naftom grijane lonane pei. Ako se koristi inertni plin, lonac se mora napu-niti plinom prije unošenja suhih vruih ingota. Ingoti se suše iznad 200 °C,

96



Metalni kompoziti

radi uklanjanja nepoželjne vlage koja može oneistiti taljevinu. Svi potrebnialati kojima se ulazi u taljevinu trebaju takoer biti suhi i predgrijani prijeuporabe.

Kontrola temperature taljevine je standardna, slina onoj kod neovrsnutihlegura. Meutim, mora se izbjei pregrijavanje koje može pogodovatistvaranju aluminijeva karbida reakcijom 4Al + 3SiC Al4C3 + 3Si. Ta sereakcija odvija sporo pri temperaturi do oko 750 °C da bi se ubrzala s pove-anjem temperature na 780-800 °C za matrice koje sadrže nominalno 7 %Si.Al4C3 precipitira u obliku kristala i nepovoljno utjee na žitkost taljevine,oslabljuje lijevani materijal i smanjuje otpornost odljevaka na koroziju.

Taljevina se ne može analizirati uobiajenom spektroskopijom. esticeSiC uzrokuju nepravilna oitanja uz uporabu normalnih aluminijevih etalona.

Sreom su razvijene posebne metode za spektrografsku analizu aluminijevihlegura matrice, kao i za odreivanje udjela SiC u taljevini. Vakuumskaspektrometrijska metoda, npr, koristi ugljikovu liniju za mjerenje volumnogudjela SiC i odreivanje osnovnih konstituenata matrice. Tehnika koja se

bazira na mjerenju elektrinog otpora može se upotrijebiti za odreivanjeudjela SiC u kompozitu u oba stanja, tekuem i krutom. Te metode niti susložene niti traže puno vremena.

Miješanje: Budui da su estice SiC potpuno ovlažene tekuim aluminijem,one se nee stopiti u vrstu masu, ali e se umjesto toga skupljati na dnupei. Uporabom mješaa slinog velikoj žlici-cjedilu vrlo brzo se postiže

ravnomjerna raspodjela estica u taljevini (bilo koji elini pribor koji seuranja u taljevinu mora biti obložen kako bi se sprijeilo oneišenje taljevineželjezom, mora biti suh i predgrijan da se izbjegne stvaranje vodika).

Miješanje treba biti polagano da se izbjegne stvaranje vrtloga na površinitaljevine i ne smije preesto dolaziti do kidanja površine, zbog ega možedoi do oneišenja kupke troskom. Grabljenje lopaticom, ime se manji diotekuine lagano ali stalno uzdiže, je najbolji postupak runog miješanja.Laganom okretanju uz pomo vijaka kao mehanikog mješaa, neke odljevaonica daju prednost. U stvari, rezultati laboratorijskih istraživanja

pokazuju da su mehanika svojstva odljevaka maksimalna pri kontinu-iranom miješanju nego pri isprekidanom runom miješanju. Pokretanjetaljevine prirodnim vrtložnim strujama u pei kod indukcijskog taljenjaobino je dovoljno da se rasprše estice. Meutim, ipak se preporuujedodatno runo miješanje kad je pogon iskljuen, da se izbjegne okupljanjeestica u tzv. "mrtvim" zonama.

Nakon miješanja brzina taloženja SiC-estica je prilino spora djelominozbog toplinskih strujanja u taljevini i prirodne pojave "ometanog slijeganja".Poslije 10 do 15 min otprilike 30 mm vrha nemiješane kupke ostaje bezSiC-estica, premda raspodjela ostaje ujednaena u ostatku taljevine. Zbog

toga je važno promiješati taljevinu neposredno prije ulijevanja, unato tome je li miješana za vrijeme taljenja i stajanja.

97




Proišivanje i otplinjavanje Razvijen je patentirani postupak zaproišivanje i otplinjavanje kompozitne taljevine koji koristi ureaj slianmješalici s lopaticama za oboje, miješanje kupke i ubrizgavanje smjese

plinova argona i SF6. Taj se ureaj koristi i za održavanje estica SiC ususpenziji. Mješalica ima šest ugljinih lopatica vezanih za ugljinupogonsku osovinu. Lonac promjera 610 mm zahtijeva mješalicu promjera205 mm. Deset minuta rada pri brzini vrtnje od 200 o/min obino je dovoljnoda se mjehurii smjese argon-SF6 svedu na djelotvornu veliinu. Pri tomenastaje debela pjenasta troska koja se uklanja nakon što je ciklus završen.

Pretakanje Pri transportu tekueg metala od pei do mjesta ulijevanjanije potrebno niti miješanje niti zaštita inertnim plinom. Preporueni nizpostupaka je temeljito miješanje kupke, uklanjanje troske dok je metal u peii potom transport taljevine u lonac za ulijevanje. Ukoliko prijenos metalaukljuuje pretakanje iz nagibne pei u lonac, važno je smanjiti turbulencijena minimum kako ne bi došlo do zarobljivanja plina. Nagibne pei,meutim, openito se ne preporuuju za kompozitne taljevine.

Postupak lijevanja je isti kao i kod neovršenih aluminijevih legura.Kalupi za toan lijev trebaju biti dobro predgrijani, ispust iz lonca trebadržati nisko i što je mogue bliže uljevnoj aški ili uljevnom kanalu,ulijevanje treba biti brzo, držei cijelo vrijeme uljevni kanal punim.

Uljevni sustav Osnovna pravila pri ulijevanju i dolijevanju primjenjivasu i na livljive MMC-e, ukljuujui uporabu filtera koji propuštaju estice

SiC, a zadržavaju okside. Viskozna se taljevina ponaša kao djelomino skru-ena te keramike estice otežavaju slobodan protok plinova. Kompozitnimaterijali su puno manje osjetljivi na turbulenciju od aluminija. Tako lošeizvedeni uljevni sustavi mogu uzrokovati stvaranje i zadržavanje mjehuriaplina u taljevini koji ne mogu istjecati. Razvijeni su optimalni sustavi za ulije-vanje i dolijevanje, iako se mnogi pješani odljevci proizvode na poznati nain.

Dosljedan pristup ulijevanju i pojenju takoer je potreban radi poveanjavjerojatnosti besturbulentnog punjenja kalupa. Ljevaonice trebaju nastojatida punjenje uljevnih kanala bude mirno, koristei prigušivanje i hvatanje

mjehura (otvoreno pojilo) filterom iza zaustavljivaa, omoguujui ulazmetala u šupljine i na najnižoj toki.Mada je viskoznost kompozitnih taljevina oko 50 puta vea od viskoznosti

neovrsnutih aluminijevih legura, njegova žitkost je samo malo manja uusporedbi s uobiajenim legurama. Zbog toga mnoge ljevaonice neeprimijetiti razliku u sposobnosti popunjavanja kalupa.

Završna obrada Standardni rezni alati izraeni od brzoreznog elika setroše vrlo brzo pri obradi lijevanih MMC-a zbog tvrdih abrazivnih esticaSiC. Alati od tvrdih metala zadovoljavaju za male koliine obraenogmaterijala, dok su za normalne proizvodne koliine cijenom najpovoljniji

dijamantni alati. Standardne abrazivne rezne ploe mogu se uspješno koristitiza uklanjanje uljevaka i pojila [14].

98



Metalni kompoziti

Kompoziti ojaani viskerima (SiCw /Al) su mnogo skuplji od estica,zbog sljedeih prednosti.:

monokristalni viskeri imaju veu vrstou od ostalih diskontinuiranih

ojaala kao što su estice, polikristalni listii i nasjeckana vlakna; uobiajeni postupci prerade metala mogu usmjeriti viskere u metalnoj

matrici;

valjanjem, istiskivanjem, kovanjem i superplastinim oblikovanjemmože se ostvariti usmjerenost vrstoe.

vrstoa u uzdužnom smjeru se poveava kod istiskivanih aluminijevihkompozita, jer se viskeri nastoje poredati uzduž osi alata pri prolazu materi-

jala kroz alat. Jednosmjerno valjanje može prouzroiti usmjeravanje vrstoe, a križno

valjanje daje jednolika svojstva [4].

3.2 KOMPOZITI S MAGNEZIJEVOM MATRICOM

Magnezijevi kompoziti razvijeni su u biti da se iskoriste ista svojstva kaoona znaajna za aluminij: visoka krutost, mala težina i nizak koeficijenttoplinskog rastezanja. U stvari, izbor izmeu aluminija i magnezija kaomatrice je obino temeljen na težini odnosno korozijskoj otpornosti. Gustoamagnezija iznosi otprilike dvije treine gustoe aluminija, ali je aktivniji ukorozijskoj sredini. Magnezij ima manju toplinsku vodljivost koja je esto

presudna u njegovu izboru. Sada su u razvoju tri vrste magnezijevihkompozita: kontinuirana vlakna C/Mg za svemirske konstrukcije, kratkavlakna Al2O3/Mg za dijelove automobilskih motora i diskontinuirana vlaknaSiC ili B4C/Mg za dijelove motora i materijale u niskonaponskoj elektronici.Proizvodne metode za sve tri vrste jednake su onima za istovrsnealuminijske kompozite.

Proizvodnja Mg-kompozita s kontinuiranim vlaknima ukljuujenanošenje prevlake titan-bor za dobivanje kompozitnih žica, nanošenjematrice na vlakna PVD postupkom ili difuzijskim spajanjem vlakno/sendvitankih listova za dobivanje ploa. Tehnologija lijevanja razvijena za C/Mg-kompozite ukljuuje nanošenje prevlake na zraku stabilnog silicijevadioksida na vlakna iz prethodne organsko-metalne otopine. Magnezijovlažuje prevlaku osiguravajui spajanje matrice na gotovo konani oblikljevakim postupkom [2, 16].

3.3 KOMPOZITI S TITANOVOM MATRICOM

Titan je izabran kao metal matrice zbog njegove dobre specifinevrstoe kod sobne i srednjih temperatura i izvanredne otpornosti na

koroziju. U usporedbi s aluminijem titan zadržava vrstou na višimtemperaturama. Poveana uporaba titana, kao zamjena za aluminij u gradnji

99




zrakoplova i raketa, nastupila je kada se prešlo s podzvunih u nadzvune brzine. Nastojanja u razvoju titanovih kompozita otežavali su procesniproblemi uzrokovani velikom reaktivnošu titana s mnogim materijalima za

ojaanje.Premda je procjenjivano nekoliko proizvodnih tehnika, samo visoko-

temperaturno/kratkotrajno spajanje valjanjem, vrue izostatiko prešanje ivakuumsko vrue prešanje su prihvaeni sa znatnijom važnošu. Druga jemetoda plazmatsko naštrcavanje titanove matrice na SiC-vlakna. vrstoapri povišenim temperaturama SiC/Ti-kompozita znaajno je vea od oneneojaanog titana. Potencijalna primjena za kontinuirano vlakno/titan-kompozite leži ponajprije u zrakoplovnoj industriji. To ukljuuje vei brojstrukturnih komponenata zrakoplova i ventilatorske i kompresorske lopaticeza moderne turbinske motore [2].

Titanovi kompoziti s diskontinuiranim ojaalima imaju prednost uumjerenoj krutosti i vrstoi pri povišenoj temperaturi u odnosu naneojaane titanove legure. Oni takoer pružaju mogunost NNS proizvodnjetehnikom metalurgije praha i mogu biti ekonominiji za proizvodnju odtitanovih MMC-a s kontinuiranim vlaknima [2, 7, 15, 17].

3.4 KOMPOZITI S BAKROVOM MATRICOM

Bakar ima potencijalne mogunosti kao materijal matrice za kompozite

od kojih se zahtijeva toplinska vodljivost i vrstoa na visokoj temperaturi,svojstva koja nadmašuju ona aluminijevih kompozita. Procjenjuju se bakroviMMC-i s kontinuiranim i diskontinuiranim ojaalima.

W/Cu-kompoziti ojaani kontinuiranim volframovim vlaknima prvi putsu proizvedeni u kasnim 1950. godinama kao istraživaki model zaprouavanje ponašanja pri deformaciji, pojavi loma, žilavosti i vodljivosti uMMC-ima. Kompozit je nainjen infiltracijom tekue faze. Na osnovi svojevisoke vrstoe na temperaturama nižim od 950 °C, W/Cu-kompoziti smatrajuse danas temeljnim materijalima za stijene komora za izgaranje modernihraketnih motora.

C/Cu-kompoziti s kontinuiranim vlaknima dobili su poticaj razvojemugljinih vlakana. Bakar dobro provodi toplinu,ali ima veliku gustou i lošamehanika svojstva pri povišenim temperaturama. Razvijena su ugljinavlakna s aksijalnom toplinskom vodljivošu, pri sobnoj temperaturi, boljomod bakra. Dodatak tih vlakana bakru snizuje gustou, poveava krutost,povisuje radnu temperaturu i osigurava mehanizam za oblikovanjekoeficijenta toplinskog rastezanja. Napredak u proizvodnji C/Cu-kompozitaukljuuje galvanski proces pokrivanja svakog ugljinog vlakna prevlakomistog bakra, postižui tako gipkost dovoljnu za izradu tkanine. Bakrom

prevuena vlakna mogu se vrue prešati radi proizvodnje vrstihkomponenata [2].

100



Metalni kompoziti

3.5 KOMPOZITI S MATRICOM SUPERLEGURA

Superlegure se veinom koriste u turbinskim motorima, meutim, kom-

poziti s matricom od superlegura su meu prvim materijalima uzetim uobzir za poboljšanu izvedbu turbina u cilju poveanja radne temperaturedijelova. Kompoziti na bazi superlegura razvijani su do današnjeg stanjatijekom niza godina poevši u ranim 60-ima prošlog stoljea.

vrstoa pri visokim temperaturama MMC superlegura postignuta jesamo ojaavanjem teškotaljivim metalima. Pod tim se podrazumijevaju vlaknavolframa, molibdena, tantala i niobija sa sastavom posebno prilagoenim tojnamjeni. Najjaa razvijena vlakna, volframove legure, imaju vrstou veuod 2070 MPa pri 1095 °C ili više nego šest puta veu od vrstoe sadaupotrebljavanih superlegura u glavnom motoru Space Shuttle-a.

Veina ranijih radova na MMC superlegurama usmjerena je na proua-vanje kompatibilnosti matrica – vlakno, koji su konano doveli do leguramatrice koje pokazuju ogranienu reakciju s vlaknima. Npr. volframovavlakna su najmanje reaktivna u matricama na osnovi željeza i mogu izdržatikratkotrajno izlaganje temperaturama i višim od 1195 °C bez primijeenereakcije.

Kompoziti superlegura proizvode se procesima s vrstom fazom, teku-om fazom ili naštrcavanjem. Metoda ukljuuje precizno lijevanje, spajanjemetala matrice u obliku tankih ploa, metala matrice u obliku ploa

dobivenih valjanjem praha s organskim vezivom, ostale tehnike metalurgijepraha, "slip casting" praha metalnih legura i naštrcavanje elektrinim lukom.Proizvedeni su MMC-i na osnovi željeza, nikla i kobalta i postignuta je širokalepeza svojstava, ukljuujui vlanu vrstou pri povišenim temperaturama,lomnu vrstou, otpornost na puzanje, otpornost na niskociklini i visoko-ciklini umor, žilavost, oksidacijsku otpornost i toplinsku vodljivost. Provedi-vost izrade dijelova složena oblika dokazana je turbinskom lopaticom prvogstupnja konvekcijskog hlaenja. Ta komponenta postala je model premakojem je konstruirana i izraena šuplja lopatica od W/FeCrAlY-kompozita.

Kao što primjeri pokazuju, kompoziti s metalnom matricom su materijaliiji razvoj traje nekoliko desetljea, a još preostaje da istraživanja prenijeta uproizvodnju, kao i dobivena svojstva provjerena u primjeni, potpunijeispune oekivanja.

LITERATURA

[1] M.S.M. Alger: "Polymer Science Dictionary", Elsevier Applied Science,Metal Matrix Composites, Advanced Materials&Processes 12/98, p. 19-23.

[2] D.A. McCoy, D.J. Lloyd: "Fabrication of graphite fibre reinforcedaluminium", Canadien Aeronautics and Space J. v. 33, 3/1987, p. 11-17.

101




[3] V. Sundararajan: "Aluminum Composites In Aerospace Aplications",http:/home.att.net/-s.prasad/almmc.htm

[4] M. Lima, D. Santos: "Metal Matrix Composites from Self-PropagatingSynthesis and Hot Pressing", European Microscopy and Analysis9/2001, p. 29-31.

[5] ..."Reinforced Aluminum via the PRIMEX CASTTM Foundry Process",www.msematerials.com/mmc.html, 2003, p. 1-3.

[6] D. Lewis, M. Singh, S.G. Fishman: "In situ COMPOSITES", AdvancedMaterials&Processes 7/95. p. 29-31.

[7] A.W. Urquhart: "Molten Metals Sire MMCs, CMCs", AdvancedMaterials&Processes 7/91, p. 25-29.

[8] ..."Sprayforming of particle reinforced cooper and aluminum composites",http//sfb372.iwt.uni-bremen.de/project-d2-eng.html, 2002, p. 1-2.

[9] "Rapid-solidification processing improves MMC properties",Advanced Materials&Processes 11/90, p. 71-73.

[10] M.E. Buck: "Advanced fibres for advanced composites", AdvancedMaterials&Processes 9/87, p. 61-67.

[11] A.L. Geiger:, M. Jackson: "Low-expansion MMCs boost avionics",Advanced Materials& Processes 7/89, p. 23-30.

[12] T. Takami, M. Fujine, Sh. Kato, H. Nagai, A. Tsujino, Y. Masuda, M.Yamamoto: "MMC All Aluminum Cylinder Block for High Power SIEngines", SAE TECHNICAL PAPER SERIES 1/2-1231, p. 1-11.

[13] D.O. Kennedy: "SiC Particles Beef Up Investment-Cast ALUMINUM",Advanced Materials&Processes 6/91, p. 42-46.

[14] ..."Intermetalic Ti composite has good fracture toughness", AdvancedMaterials&Processes 4/02, p. 9.

[15] T.E. Wilks: "Cost-effective magnesium MMCs", Advanced

Materials&Processes 8/92, p. 27-29.[16] E. M.: Werkstoffe für den Überschallsprung, INGENIEUR-

WERKSTOFFE v.4, 11/92, p. 12-14.[17] A.K. Lee, L.E. Sanchez-Caldera, S. Turker Oktay: "Liquid-metal mixing

process tailors MMC microstructures", Advanced Materials&Processes8/92, p. 31-34.

[18] D.J. Weiss: "Casting metal matrix composites", Advanced Materials &Processes 3/98, p. 29-30.

[19] Ch.S. Rice, P.F. Mendez: "Slurry –Based Semi-Solid DIE CASTING",Advanced Materials& Processes 10/02, p. 49-52.

102

Documents

1431695348 0 Suvremeni Materijali Metalnikompoziti