Tribological properties of Al matrix composites reinforced with MAX type phases

• Autorzy: Dmitruk A. , Naplocha K.

Warianty tytułu

PL

Właściwości tribologiczne kompozytów na osnowie stopu Al umacnianych fazami typu MAX

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

A method was developed to manufacture Al-Si alloy matrix composites reinforced with MAX phases by squeeze casting pressure infiltration of porous preforms. The MAX phases were synthesized using self-propagating high-temperature synthesis (SHS) in the microwave assisted mode. For the produced composites abrasive wear resistance tests were carried out using the pin-on-flat method with reciprocating motion for different load values (0.1, 0.2 and 0.5 MPa), while maintaining other parameters (sliding distance, speed) constant. The sliding distance equaled 2000 m with the average speed of 0.3 m/s, whereas the flat counterpart was made of CT70 tool steel with the hardness of 67 HRC and roughness Ra = 0.4÷0.6. Before testing both of the tribosurfaces were degreased with acetone. Volumetric sample consumption was investigated and changes in the structure of the working surfaces were analyzed. Optical and scanning electron microscopy analysis were also performed and elaborated in order to facilitate understanding and interpretation of the wear mechanisms. It was confirmed that the composite materials exhibit more than two times higher wear resistance than that of the matrix itself. The wear rate of the matrix falls within the range of 3.5÷5.5-10−4mm3/Nm, while for the composite material - 1.3÷2.4-10−4 mm3/Nm. In the Al-Si matrix the main wear mechanism was identified to be based on plastic deformation composed of scaling and cracking processes, while for the MAX phase composite it is principally abrasive wear leading to pre-fracture, delamination and extraction of MAX phase platelets.

PL

Opracowano metodę wytwarzania kompozytów na osnowie stopu Al-Si wzmocnionego fazami typu MAX metodą infiltracji ciśnieniowej porowatych preform. Fazy typu MAX syntezowano metodą samorozprzestrzeniającej się syntezy wysokotemperaturowej (SHS) wspomaganej mikrofalami. Dla wytworzonych kompozytów przeprowadzono badania odporności na zużywanie ścierne metodą pin-on-flat realizującą ruch posuwisto-zwrotny dla różnych wartości obciążenia (0,1, 0,2 i 0,5 MPa) przy zachowaniu pozostałych parametrów (droga ścierania, prędkość) stałych. Droga ścierania wynosiła 2000 m przy prędkości średniej 0,3 m/s, zaś przeciwpróbka wykonana była ze stali. Zbadano objętościowe zużycie próbki oraz przeanalizowano zmiany w strukturze powierzchni współpracujących. Przeprowadzono analizę mikroskopową metodami mikroskopii optycznej i skaningowej w celu ułatwienia zrozumienia i interpretacji mechanizmów zużycia. Potwierdzono, że materiały kompozytowe wykazują ponad dwa razy większą odporność na zużywanie ścierne od materiału osnowy. Współczynnik zużycia osnowy wynosił 3,5÷5,5x10−4 mm3/Nm, podczas gdy dla materiału kompozytowego był równy 1,3÷2,4⋅10−4 mm3/Nm. W przypadku osnowy Al-Si zaobserwowano mechanizm zużycia oparty na odkształceniu plastycznym, zaś dla kompozytu wzmocnionego fazami typu MAX było to głównie zużywanie ścierne, prowadzące do powstania pęknięć, delaminacji i ekstrakcji fragmentów płytek faz typu MAX.

Słowa kluczowe

EN

MAX phases; SHS; microwave; porous structure; squeeze casting; wear resistance

PL

fazy MAX; synteza SHS; mikrofale; porowata struktura; infiltracja ciśnieniowa; odporność na zużywanie ścierne

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2017
• Tom: R. 17, nr 2
• Strony: 90--96
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys.

Twórcy

autor

Dmitruk A.

• Wrocław University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Chair of Foundry, Plastics and Automation ul. Łukasiewicza 5, 50-371, Wrocław, Poland

autor

Naplocha K.

• Wrocław University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Chair of Foundry, Plastics and Automation ul. Łukasiewicza 5, 50-371, Wrocław, Poland

Bibliografia

• [1] Khoptiar Y., Gotman I., Ti2AlC ternary carbide synthesized by thermal explosion, Materials Letters 2002, 57, 72-76.
• [2] Zhou C.L., Ngai T.W.L., Lu L., Li Y.Y., Fabrication and characterization of pure porous Ti3SiC2 with controlled porosity and pore features, Materials Letters 2014, 131, 280-283.
• [3] Gupta S., Barsoum M.W., On the tribology of the MAX phases and their composites during dry sliding, Wear 2011, 271, 1878-1894.
• [4] Radovic M., Barsoum M., MAX phases: Bridging the gap between metals and ceramics, Ceramic Society Bulletin 2013, 92, 3, 20-27.
• [5] Lis J., Chlubny L., Chabior K., Chachlowska P., Kapusta C., Processing and properties of MAX phases - based materials using SHS technique, Archives of Metallurgy and Materials 2015, 60, 2, 859-863.
• [6] El-Raghy T., Blau P., Barsoum M.W., Effect of grain size on friction and wear behavior of Ti3SiC2 , Wear 2000, 238, 125-130.
• [7] Sun Z.M., Zhou Y.C., Li. S., Tribological behavior of Ti3SiC2 based material, Journal of Material Science and Technology 2002, 18, 285-289.
• [8] Souchet A., Fontaine J., Belin M., Le Mogne T., Loubet J.L., Barsoum M. W., Tribological duality of Ti3SiC2 , Tribology Letters 2005, 18, 341-352.
• [9] Zhang Y., Ding G.P., Zhou Y.C., Cai B.C., Ti3SiC2 - a self-lubricating ceramic, Material Letters 2002, 55, 142-14.
• [10] Emmerlich J., Gassner G, Eklund P., Hogberg H., Hultman L., Micro and macroscale tribological behavior of epitaxial Ti3SiC2 thin film, Wear 2008, 264, 914-919.
• [11] Sarkar D., Basu B., Cho S.J., Chu M.C., Huang S.S., Park S.W., Tribological properties of Ti3SiC2 , Journal of American Ceramic Society 2005, 88, 3245-3248.
• [12] Gupta S., Hammann T., Johnson R., Rijad M.F., Synthesis and characterization of novel Al-matrix composites reinforced with Ti3SiC2 particulates, Journal of Materials Engineering and Performance 2015, 23, 2, 1011-1017.
• [13] Davis J.R., Concise Metals Engineering Data Book, ASM International, Ohio, US, 1997.
• [14] Sun Z.M., Zhou Y.C., Li S., Tribological behavior of Ti3SiC2 based materials, Journal of Materials Science Technology 2000, 19, 142-145.
• [15] Wan D.T., Zhou Y.C., Bao Y.W., Yan C.K., In situ reaction synthesis and characterization of Ti3Si(Al)C2/SiC composites, Ceramics International 2006, 32, 883-890.
• [16] Hu C., Zhou Y., Bao Y., Wan D., Tribological properties of Polycrystalline Ti3SiC2 and Al2O3-reinforced Ti3SiC2 composites, Journal of the American Ceramic Society 2006, 89, 11, 3456-3461.
• [17] Shi X., Wang M., Xu Z., Zhai W., Zhang Q., Tribological behavior of Ti3SiC2/(WC-10Co) composites prepared by spark plasma sintering, Materials & Design 2013, 45, 365-376.
• [18] Jang J., Gu W., Pan L.M., Song K., Chen X., Qiu T., Friction and wear properties of in situ (TiB2+TIC)/Ti3SiC2 composites, Wear 2011, 271, 2940-2946.
• [19] Naplocha K., Materiały kompozytowe umacniane preformami wytworzonymi w procesie wysokotemperaturowej syntezy w polu mikrofalowym, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2013.
• [20] Koniuszewska A. Naplocha K., Microwave assisted self-propagating high-temperature synthesis of Ti2AlC max phase, Composites Theory and Practice 2016, 16, 2, 109-112.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).