Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Manufacturing with Application of Gpi Method and Selected Properties of Al Matrix Composites Reinforced Unidirectionally and Three-Directionally with Carbon Fibres

Wojtaszek M., Czulak A.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2014

|

Vol. 59, iss. 4

1539--1546

EN

The discussion of the possibility of application of the GPI (gas pressure infiltration) process to the manufacturing of composites based on selected aluminium alloys reinforced with carbon fibres coated with nickel protective layer, as well as the determination of selected properties of materials obtained using this technique, is presented in the article. The composites reinforced unidirectionally (UD) were produced, the suitable volume fraction of fibres was determined and the proper forming parameters were established. Basing on the obtained results, with application of the same components, the composites reinforced three-directionally (3D) were subjected to infiltration. The preforms were designed and prepared using plaiting and joining methods. The GPI process parameters were verified for the assumed fibre arrangement. Thermal expansion of matrix alloys and composites obtained with application of most favourable parameters was determined and the influence of fibre arrangement and chemical composition of the matrix on the obtained results was analysed. The comparative abrasion tests with application of different velocities were performed for the selected alloy and the composite reinforced unidirectionally. In order to evaluate the changes taking place in the matrix during infiltration, the analysis of chemical composition of composites was performed for materials reinforced unidirectionally, as an example. The correctness of distribution of fibres in the composite matrix was also evaluated by means of microstructure observation as well as non-destructive testing with application of computed tomography technique. The results obtained during the investigations provide information concerning suitability and limitations of the GPI method to the manufacturing of light structural parts from the proposed components.

PL

W pracy podjęto próbę oceny możliwości stosowania procesu infiltracji gazowej do wytwarzania kompozytów na osnowie wybranych stopów aluminium, umocnionych włóknami węglowymi pokrytymi warstwą ochronną niklu a także określenia wybranych właściwości otrzymanych w ten sposób materiałów. Wykonano kompozyty umocnione jednokierunkowo, określono odpowiedni dla nich udział objętościowy włókien i wyznaczono właściwe parametry ich formowania. W oparciu o otrzymane wyniki oraz stosując te same komponenty przeprowadzono proces infiltracji kompozytów umocnionych trójkierunkowo. Do tego celu zaprojektowano i przygotowano preformy z wykorzystaniem metod wyplatania oraz łączenia. Parametry procesu GPI zweryfikowano dla tak przyjętego układu włókien. Określono rozszerzalność termiczną stopów osnowy oraz kompozytów otrzymanych przy zastosowaniu najkorzystniejszych parametrów, ocenie poddano wpływ ułożenia włókien oraz składu chemicznego osnowy na otrzymane wyniki. Dla wybranego stopu i otrzymanego na jego osnowie kompozytu umocnionego jednokierunkowo wykonano porównawcze badania odporności na zużycie ścierne, które prowadzono przy różnej prędkości realizacji testów. W celu oszacowania zmian zachodzących w osnowie podczas infiltracji wykonano na przykładzie tworzyw umocnionych jednokierunkowo analizę składu chemicznego kompozytów. Ocenie poddano także poprawność rozlokowania włókien w osnowie kompozytów, prowadząc w tym celu obserwacje mikrostruktury oraz badania nieniszczące z wykorzystaniem metody tomografii komputerowej. Otrzymane podczas badań wyniki stanowią informację na temat przydatności i ograniczeń w stosowaniu metody GPI do wytwarzania z zaproponowanych komponentów elementów lekkich konstrukcji.

2

Simulation of infiltration process of carbon fibres by aluminium alloy in modified GPI method

Hufenbach W. A., Gude M., Czulak A., Bodniewicz D.

Kompozyty

|

2011

|

R. 11, nr 4

324-330

EN

The constantly rising demands for lightweight structures, particularly in traffic engineering as well as in machine building and plant engineering, increasingly require the use of continuous fibre-reinforced composite materials. These materials, due to their selectively adaptable characteristic profiles, are clearly superior to conventional monolithic materials. Especially composites with textile reinforcement offer the highest flexibility for the adaptation of the reinforcing structure with regard to complex loading conditions. This paper presents the procedure and evaluation of a gas pressure infiltration process (GPI) for the manufacture of carbon fibre-reinforced aluminium metal matrix composites (CF/Al-MMC). Furthermore, the development of a new furnace for a modified GPI method is presented. In order to verify the new design, numerical simulations of the heating in the furnace chambers were prepared, which finally formed the basis for the improvement of the furnace as well as the GPI process.

PL

Stale rosnące zapotrzebowanie na lekkie konstrukcje, szczególnie w zakresie inżynierii ruchu, a także w budowie maszyn i urządzeń oraz w przemyśle energetycznym, w coraz większym stopniu wymaga stosowania materiałów kompozytowych wzmocnionych włóknem ciągłym. Materiały te, dzięki możliwości selektywnego dopasowania charakterystyk materiałowych, wydają się być lepsze od zwykłych materiałów monolitycznych. Kompozyty wzmacniane materiałami z włókien oferują obecnie najlepszą elastyczność dostosowania struktury wzmocnienia do założonych warunków obciążenia. W niniejszym artykule przedstawiono przebieg oraz ocenę procesu infiltracji gazowej (GPI - ang. Gas Pressure Infiltration), zastosowanego do wytwarzania kompozytów aluminiowych z włóknami węglowymi (CF/Al-MMC). Ponadto zaprezentowano model autorskiego pieca do produkcji zmodyfikowaną metodą GPI. W celu weryfikacji nowej konstrukcji sporządzono numeryczne symulacje nagrzewania w poszczególnych komorach pieca, które w rezultacie pozwoliły na modyfikację pieca oraz procesu.

3

Study of manufacture of CF/Al-MMC with aid of the gas pressure infiltration method

Hufenbach W., Gude M., Czulak A., Engelmann F.

Kompozyty

|

2010

|

R. 10, nr 3

213-217

EN

Constantly rising demands on extremely stressed lightweight structures, particularly in traffic engineering as well as in machine building and plant engineering, increasingly require the use of endless fibre-reinforced composite materials which, due to their selectively adaptable characteristics profiles, are clearly superior to conventional monolithic materials. Especially composites with textile reinforcement offer the highest flexibility for the adaptation of the reinforcing structure with regard to complex loading conditions. The load-adapted combination of three-dimensional reinforced semi-finished fibre products (textile preforms) made from carbon fibres (CF) with aluminium light metal alloys (Al) offers a considerable lightweight construction potential, which up to now has not been exploited. The textile CF reinforcements embedded in the light metal matrix offers improved properties of these metal matrix composites (MMC), thus causing better creep resistance, especially at high operating temperatures, and good energy absorption behaviour, as well as increased stiffness and strength. In addition, loadadapted CF/Al-MMC, due to the relatively high stiffness and strength of the metal matrix, allow the introduction of extremely high forces, thereby enabling a much better exploitation of the existing lightweight construction potential of this material in comparison to other composite materials. These studies show that the gas pressure infiltration technique was successfully used to prepare composites consisting of unidirectional as well as bidirectional Ni-coated carbon fibres in different Al-alloy matrix systems and using of graphite moulds. Most of these investigations aim at the use of high tensile strength (HTS) fibres despite high reactivity with Al.

PL

Stale rosnące wymagania w stosunku do ekstremalnie obciążonych konstrukcji lekkich, szczególnie w zakresie inżynierii ruchu drogowego, a także w budowie maszyn i urządzeń, w coraz większym stopniu wymagają stosowania materiałów kompozytowych wzmocnionych włóknami ciągłymi, które z powodu ich dopasowanych właściwości posiadają wyraźnie większe możliwości od tradycyjnych monolitycznych materiałów. Zwłaszcza kompozyty włókniste oferują największe możliwości dostosowania struktury wzmocnienia do złożonych warunków obciążenia. Odpowiednio dopasowane połączenie trójwymiarowo wzmocnionych półfabrykatów w postaci preform wykonanych z włókien węglowych (CF) z metalami lekkich stopów aluminium (Al) oferuje ogromny potencjał konstrukcji lekkich, który do tej pory nie został wykorzystany. Wzmocnienie węglowe w osnowie metali lekkich oferuje lepsze właściwości otrzymanych materiałów kompozytowych (MMC) z lepszą odpornością na pełzanie, szczególnie w wysokich temperaturach pracy, dobrą absorpcją energii, a także poprawę sztywności i wytrzymałości. Ponadto odpowiednio dostosowany do obciążenia CF/Al-MMC, ze względu na stosunkowo dużą sztywność i wytrzymałość osnowy metalowej, umożliwia przeniesienie dużych obciążeń, co pozwala na jeszcze lepsze wykorzystanie istniejącego potencjału tego materiału w porównaniu do innych materiałów kompozytowych. Przedstawione badania pokazują, że metoda infiltracji gazowej (GPI) została z powodzeniem wykorzystywana do wytwarzania kompozytów metalowych wzmocnionych jedno- i dwukierunkowo włóknami z powłoką Ni z różnymi stopami Al. z wykorzystaniem form grafitowych. W większości z tych badań użyto włókien o wysokiej wytrzymałości na rozciąganie (HTS) pomimo dużej reaktywności z Al.

4

Influence of different aluminium alloys on the material properties of CF/Al-MMC manufactured by GPI method

Hufenbach W., Gude M., Czulak A., Engelmann F.

Kompozyty

|

2010

|

R. 10, nr 2

143-148

EN

Carbon fibre (CF) reinforced aluminium (Al) composites show a high potential for lightweight design of structural components subjected to thermo-mechanical loadings. The relatively high stiffness and strength of the metal matrix allow the introduction of extremely high forces, thereby enabling a much better exploitation of the existing lightweight construction potential of this material in comparison to other composite materials. The manufacture of CF/Al-composites by the help of an advanced differential gas pressure infiltration (GPI) technique was developed at ILK, TU Dresden. Specimens made of carbon fibre reinforced aluminium metal matrix composites (CF/Al-MMC) were manufactured by GPI technology using moulds of graphite, nickel coated carbon fibres and different types of aluminium matrices. Examinations such as tensile tests, microscopic analysis and inspections of fracture surfaces provide a relation between mechanical properties of the manufactured CF/Al-MMC and the formation of their microstructure during the gas pressure infiltration process subjected to the type of aluminium matrix.

PL

Kompozyty wykonane z aluminium (Al) wzmocnionego włóknem węglowym (CF) wykazują ogromny potencjał w konstrukcjach lekkich elementów poddanych termomechanicznym obciążeniom. Stosunkowo duża sztywność i wytrzymałość osnowy metalowej umożliwia przeniesienie niezwykle dużych obciążeń, co pozwala na znacznie lepsze wykorzystanie istniejących możliwości konstrukcyjnych tego materiału w porównaniu do innych materiałów kompozytowych. Produkcja kompozytów CF/Al- za pomocą zaadaptowanej infiltracji ciśnieniowej (GPI) została opracowana w ILK, TU Dresden. Próbki aluminium wzmocnionego włóknem węglowym (CF/Al-MMC) zostały wykonane technologią GPI z użyciem form grafitowych z wykorzystaniem włókien węglowych powlekanych niklem oraz różnych rodzajów osnów aluminiowych. Przeprowadzone badania wytrzymałości na rozciąganie oraz analiza mikroskopowa powierzchni pękania pozwoliły dostarczyć informacji o zależnościach pomiędzy właściwościami mechanicznymi wytwarzanych CF/Al-MMC oraz powstałą mikrostrukturą w czasie procesu infiltracji gazowej w odniesieniu do rodzaju zastosowanej osnowy aluminiowej.

5

Gazary - metalowe materiały kompozytowe zbrojone gazami

Sobczak J.

Biuletyn Instytutu Odlewnictwa

|

1999

|

R. 2, nr 1

3-18

PL

Publikacja poświęcona jest nowym komórkowym tworzywom, na bazie metali i stopów określanych mianem gazarów z ich odniesieniem do odlewniczych metalowych materiałów kompozytowych zbrojonych gazami. Unikalne właściwości gazarów powstałych w rezultacie realizacji potrzeb materiałowych dla przemysłu kosmicznego w krajach byłego Związku Radzieckiego, czynią z nich potencjalnie znakomity materiał dla przyszłych badań naukowych i aplikacji w nowych zastosowaniach inżynierii materiałowej. Proces wytwarzania jest stosunkowo prosty i ekonomicznie racjonalny. W większości przypadków koszty wytwarzania gazarów są mniejsze od kosztów pian metalowych, otrzymywanych metodami metalurgii proszków. Przedstawiono stan aktualny, charakterystyki strukturalne, właściwości, sposoby otrzymywania, obszary zastosowania i perspektywy rozwoju gazarów. Autor łączy w publikacji akcenty typowo popularne z analizą literaturową złożonego problemu ukierunkowanej reakcji gazowo-eutektycznej w warunkach wysokiego ciśnienia zewnętrznego. Zaprezentowano wyniki badań własnych nad próbami wytwarzania pian syntaktycznych, konkurencyjnych pod względem właściwości mechanicznych w stosunku do gazarów o podobnym poziomie gęstości. Stwierdzono, że właściwości pian syntaktycznych zdecydowanie zależą od metod wytwarzania. Infiltracja ciśnieniowa (squeeze infiltration) dla porównywalnych gęstości zapewniła ponad dziesięciokrotny wzrost modułu Younga w porównaniu z jego poziomem wyznaczonym na materiale otrzymanym infiltracją gazową (gas infiltration). Uogólnienie dotychczasowych dostępnych danych doprowadziło do sformułowania wniosku o możliwości otrzymywania struktur komórkowych (pian syntaktycznych) o poziomie właściwości mechanicznych porównywalnych z gazarami, uchodzącymi dotąd za struktury komórkowe o najwyższych właściwościach mechanicznych spośród wszystkich znanych tworzyw wysokoporowatych. Niektóre treści niniejszej publikacji stanowią część szerszej całości poświęconej metalowym strukturom komórkowym, przewidzianej do druku w 1999 roku, jako skryptowa pozycja wydawnicza Instytutu Odlewnictwa.

EN

The publication is devoted to a new family of the metals- and alloys-based cellular solids called gasars, with reference to the gas-reinforced cast metal matrix composite materials. The quite unique properties of gasars, developed in countries of the former Soviet Union as a result of intensive search after novel materials for the aerospace industry, make them potentially excellent material for the future research and applications in new fields of the materials engineering. The process of their fabrication is relatively simple and economically rational In most cases the cost of gasars fabrication is lower than the cost of making foamed metals fabricated by means of the metallurgy of powders. In this article the current state of art, the structural features, properties, means of production, fields of application and further prospects of the development of gasars have been discussed. In his approach the author combines some typically popular elements with and a review of the relevant literature describing the complex problem of a directional gas-eutectic reaction under the conditions of high external pressure. The results of own research and tests to make syntactic foams, highly competitive as regards their mechanical properties to gasars of a similar density, are presented. It has been observed that the properties of syntactic foams depend very definitely on the process of fabrication. For comparable values of density, the squeze infiltration ensures an almost tenfold increase in Young's modulus respective of its level measured on a material fabricated by gas infiltration. Due to a generalisation of the data available, a conclusion has finally been reached on the possibility of making cellular solids (syntactic foams) characterised by the mechanical properties comparable to those of gasars, which up to now have been considered the cellular structures of the highest those of gasars, which up to now have been considered the cellular structures of the highest mechanical properties among all of the so far known highly porous materials. Some fragments of this publication are included into a more comprehensive brochure on cellular metal solids to be published by Foundry Research Institute in 1999.