Thermal properties of Al alloy matrix composites reinforced with MAX type phases

• Autorzy: Dmitruk A. , Naplocha K. , Strojny-Nędza A.

Warianty tytułu

PL

Właściwości cieplne kompozytów na osnowie stopu Al umacnianych fazami typu MAX

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

A method was developed for manufacturing Al-Si alloy matrix composites reinforced with MAX phases by squeeze casting pressure infiltration of porous preforms. MAX phases in the Ti-Al-C system were synthesized using self-propagating hightemperature synthesis (SHS) in the microwave assisted mode in order to obtain spatial structures with open porosity consisting of a mixture of Ti2AlC and Ti3AlC2. The manufactured composite together with a reference sample of sole matrix material were subjected to the testing of thermal properties such as: thermal conductivity, thermal diffusivity and thermal expansion in the temperature range of 50÷500°C, which corresponds to the expected working temperatures of the material. The specific heat and mass change during heating were also established by means of thermogravimetric analysis. The obtained thermal conductivity coefficients for the Al-Si+Ti-Al-C composite were higher than for the sole MAX phases and equaled 27÷29 W/m·K. The thermal expansion values for the composite material were reduced two-fold in comparison with the matrix.

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 w układzie Ti-Al-C, w celu uzyskania przestrzennych struktur o porowatości otwartej z mieszaniny faz Ti2AlC i Ti3AlC2. Wytworzone materiały kompozytowe wraz z próbką referencyjną w postaci materiału osnowy poddano badaniom właściwości cieplnych, tj. przewodności cieplnej, dyfuzyjności cieplnej oraz rozszerzalności cieplnej w zakresie temperatur 50÷500°C, który przyjęto jako spodziewany zakres temperatur pracy wytworzonych materiałów. Wyznaczono również wartości ciepła właściwego oraz, za pomocą analizy termograwimetrycznej, zmiany masy w stosunku do zmiany temperatury. Uzyskane współczynniki przewodności cieplnej dla materiału kompozytowego Al-Si+Ti-Al-C były wyższe niż dla samych faz typu MAX i wynosiły 27÷29 W/m·K. Zmierzone wartości współczynnika rozszerzalności cieplnej dla materiału kompozytowego były dwukrotnie niższe w odniesieniu do materiału osnowy.

Słowa kluczowe

EN

MAX phases; SHS synthesis; microwave; porous structure; squeeze casting; thermal conductivity; thermal expansion

PL

fazy MAX; synteza SHS; mikrofale; porowata struktura; infiltracja ciśnieniowa; przewodność cieplna; rozszerzalność cieplna

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2018
• Tom: R. 18, nr 1
• Strony: 32--36
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Dmitruk A.

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

autor

Strojny-Nędza A.

• Institute of Electronic Materials Technology, ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warsaw, Poland

Bibliografia

• [1] Barsoum M.W., MAX Phases: Properties of Machinable Ternary Carbides and Nitrides, Wiley-VCH, 2013.
• [2] Arroyave R., Talapatra A., Duong T., Son W., Gao H., Radovic M., Does aluminum play well with others? Intrinsic Al-A alloying behavior in 211/312 MAX phases, Material Research Letters 2017, 5, 3, 170-178.
• [3] Khoptiar Y., Gotman I., Ti2AlC ternary carbide synthesized by thermal explosion, Materials Letters 2002, 57, 72-76.
• [4] Thomas T., Bowen C.R., Thermodynamic predictions for the manufacture of Ti2AlC MAX-phase ceramic by combustion synthesis, Journal of Alloys and Compounds 2014, 602, 72-77.
• [5] Radovic M., Barsoum M., MAX phases: Bridging the gap between metals and ceramics, Ceramic Society Bulletin 2013, 92, 3, 20-27.
• [6] Son W., Duong T., Talapatra A., Gao H., Arroyave R., Radovic M., Ab-initio investigation of the finitetemperatures structural, elastic, and thermodynamic properties of Ti3AlC2 and Ti3SiC2 , Computational Materials Science 2016, 124, 420-427.
• [7] Bai Y., He X., Wang R., Sun Y., Zhu C., Wang S., Chen G., High temperature physical and mechanical properties of large-scale Ti2AlC bulk synthesized by self-propagating high-temperature combustion synthesis with pseudo hot isostatic pressing, Journal of the European Ceramic Society 2013, 33, 13-14, 2435-2445.
• [8] http://max.materials.drexel.edu/wp-content/uploads/2011/01/Thermal.html. [Online]
• [9] Wang X.H., Zhou Y.C., Layered machinable and elctrically conductive Ti2AlC and TI3AlC2 ceramics: a review, Journal of Materials Science and Technology 2010, 26, 5, 385-416.
• [10] Barsoum M.W., El-Raghy T., Rawn C.J., Porter W.D., Wang H., Payzant E.A., Hubbard C.R., Thermal properties of Ti3SiC2, Journal of Physics and Chemistry of Solids 1999, 60, 429-439.
• [11] Shih C., Meisner R., Porter W., Katoh Y., Zinkle S.J., Physical and thermal mechanical characterization of nonirradiated MAX phase materials (Ti-Si-C and Ti-Al-C systems), Fusion Reactor Materials Program 2013, 55, 78-93.
• [12] Adamaki V., Minster T., Thomas T., Fourlaris G., Bowen C.R., Study of the mechanical properties of Ti2AlC after thermal shock, Materials Science and Engineering 2016, 667, 9-15.
• [13] Yeh C.L., Kuo C.W., Chu Y.C., Formation of Ti3AlC2/Al2O3 and Ti2AlC/Al2O3 composites by comustion synthesis in Ti-Al-C-TiO2 systems, Journal of Alloys and Compounds 2010, 494, 132-136.
• [14] Anasori B., Caspi E., Barsoum M., Fabrication and mechanical properties of pressureless melt infiltrated magnesium alloy composites reinforced with TiC and Ti2AlC particles, Materials Science and Engineering 2014, 618, 511-522.
• [15] Anasori B., Barsoum M., Energy damping in magnesium alloy composites reinforced with TiC or Ti2AlC particles, Materials Science and Engineering 2016, 653, 53-62.
• [16] Fedotov A.F., Amosov A.P., Latukhin E.I., Novikov V.A., Fabrication of Aluminum-ceramic skeleton composites based on the Ti2AlC MAX phase by SHS compaction, Russian Journal of Non-Ferrous Metals 2016, 57, 1, 33-40.
• [17] Hu L., Kothalkar A., O’Neil M., Karaman I., Radovic M., Current-activated pressure assisted infiltration a novel versatile route for producing interpenetrating ceramic-metal composites, Material Research Letters 2014, 2, 3, 123-130.
• [18] Dmitruk A., Naplocha K., Tribological properties of Al matrix composites reinforced with MAX type phases, Composites Theory and Practice 2017, 17, 2, 92-96.
• [19] Naplocha K., Materiały kompozytowe umacniane preformami wytworzonymi w procesie wysokotemperaturowej syntezy w polu mikrofalowym, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2013.
• [20] Dmitruk A. Naplocha K., Microwave assisted selfpropagating high-temperature synthesis of Ti2AlC max phase, Composites Theory and Practice 2016, 16(2), 109-112.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).