Kompozyty spiekane Cr-Al2O3 z dodatkiem renu: wytwarzanie, właściwości, modelowanie, zastosowania

• Autorzy: Basista M. , Pietrzak K. , Węglewski W. , Chmielewski M.

Warianty tytułu

EN

Sintered chromium-alumina composites with addition of rhenium: processing, properties, modelling and applications

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Celem pracy było zbadanie wpływu dodatku renu na właściwości termomechaniczne i użytkowe kompozytów Cr-Al2O3 wytwarzanych metodą spiekania pod ciśnieniem w prasie HP oraz metodą Spark Plasma Sintering (SPS). Uzyskano kompozyty o gęstości przekraczającej 98 % gęstości teoretycznej. Właściwości mechaniczne (m.in. moduł Younga, wytrzymałość na zginanie, twardość, odporność na pękanie, granica plastyczności) oraz odporność na utlenianie wytworzonych materiałów są obiecujące. Zbudowano model numeryczny do obliczeń wielkości naprężeń resztkowych obecnych w materiałach faz kompozytu po procesie spiekania oraz modułów sprężystości. Wykorzystano w tym celu obrazy rzeczywistej mikrostruktury kompozytu otrzymane z tomografii komputerowej. Uzyskano dobrą zgodność wyników modelu z wynikami pomiarów naprężeń metodą XRD. Przedstawiono ponadto porównanie wyników obliczeń numerycznych i pomiarów modułu Younga przy zastosowaniu różnych metod.

EN

Chromium matrix composites reinforced with alumina ceramic particles exhibit good resistance to high temperatures are thermal shocks. They have enhanced mechanical strength in elevated temperatures, high hardness, oxidation resistance and wear resistance. These exceptional properties make them good candidates for structural applications in automotive, aerospace and energy sectors, such as elements of combustion engines, coatings in aeroengines exhaust systems, or furnace linings. The objective of the present paper is to investigate the effect of rhenium addition on the thermomechanical and service properties of chromium-alumina composites manufactured by powder metallurgy methods. A working hypothesis was made that rhenium, owing to its excellent thermomechanical properties, would enhance the properties of the chromium matrix and, thus, improve the overall performance of the composite. The Cr/Al2O3/Re composites were processed by hot pressing (HP) and by spark plasma sintering (SPS) techniques. Different sizes of chromium powders were used, the addition of rhenium was 2 vol % and 5 vol %. The sintering process was conducted at 1400-1450 °C under pressure of 30-35 MPa in inert gas atmosphere (argon). The density of the sintered composites exceeded 98 % of the theoretical density. The mechanical properties (Young’s modulus, bending strength, hardness, plastic limit) are promising. For example, the compressive strength of the composite was twice as much as that of the sintered pure chromium. The oxidation and corrosion resistance of the composites were also examined and good results were reported. A numerical FE model was developed for the prediction of thermal residual stresses generated in the phase materials after cooling. The model uses micro-CT images of the real material microstructure as the input data. A good agreement of the simulation results and the measurements by X-ray diffraction method was achieved. Young’s modulus of the obtained materials was measured by different methods (mechanical, resonance and ultrasonic) and compared with the developed micro-CT based numerical model. The obtained Cr/Al2O3/Re composites are now being tested as demonstrators of some structural elements in automotive and energy applications.

Słowa kluczowe

PL

kompozyty MMC; metalurgia proszków; modelowanie MES; mikrotomografia komputerowa; naprężenia resztkowe

EN

metal-matrix composites; powder metallurgy; micro-CT based FEM modeling; thermal residual stresses

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Rudy i Metale Nieżelazne
• Rocznik: 2013
• Tom: R. 58, nr 10
• Strony: 556--563
• Opis fizyczny: Bibliogr 12 poz., tab., il.

Twórcy

autor

Basista M.

• Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN, Warszawa

autor

Pietrzak K.

• Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN, Warszawa, Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, Warszawa

autor

Węglewski W.

• Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN, Warszawa

autor

Chmielewski M.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, Warszawa

Bibliografia

• 1. Downs J. J.: Advances in powder metallurgy of rhenium, Metal Powder Report, 2002, t. 57, s. 22-26.
• 2. Węglewski W., Bochenek K., Basista M., Schubert Th., Jehring U., Litniewski J., Mackiewicz S.: Comparative assessment of Young’s modulus measurements of metal-ceramic composites using mechanical and non-destructive tests and micro-CT based computational modeling, Comp. Mater. Sci., 2013, t. 77, s. 19-30.
• 3. Węglewski W., Basista M., Chmielewski M., Pietrzak K.: Modeling of thermally induced damage in the processing of Cr-Al2O3 composites, Compos. Part B- Eng., 2012, t. 43, s. 255-264.
• 4. Guichard J. L., Tillement O., Mocellin A.: Alumina-chromium cermets by hot-pressing of nanocomposite powders. J. E ur. C eram. Soc. 1998, t. 18, s. 1743-1752.
• 5. Shen Z., Johnsson M., Zhao Z., Nygren M.: Spark plasma sintering of Alumina. J. Am. Ceram. Soc. 2002, t. 85, s. 1921-1927.
• 6. Munir Z. A., Anselmi-Tamburini U., Ohyanagi M.: The effect of electric field and pressure on the synthesis and consolidation of materials: a review of the spark plasma sintering method. J. Mater. Sci. 2006, t. 41, s. 763-777.
• 7. DIN EN 843-1 Hochleistungskeramik — Mechanische Eigenschaften monolithischer Keramik bei Raumtemperatur — Teil 1: Bestimmung der Biegefestigkeit, 2007.
• 8. DIN EN 843-2 Hochleistungskeramik — Mechanische Eigenschaften monolithischer Keramik bei Raumtemperatur — Teil 2: Bestimmung des Elastizitatsmoduls, Schubmoduls und der Poissonzahl, 2007.
• 9. Bollen B.: MANUAL: RFDA System 23, RFDA-MF, Version 6.3.1, IMCE NV, Belgien, 2006.
• 10. Mackiewicz S.: Theoretical model for calculation of elastic constants of composite materials based on polycrystalline diamond and cubic boron nitride, IPPT PAN Warszawa, 2010.
• 11. Litniewski J.: Determination of the elasticity coefficient for a single trabecula of a cancellous bone: Scanning Acoustic Microscopy approach, Ultras. Med. Biol. 2005, t. 31, s. 1361-1366.
• 12. Poniżnik Z., Salit V., Basista M., Gross D.: Effective elastic properties of interpenetrating phase composites. Comp. Mater. Sci. 2008, t. 44, s. 813-820.