Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Development of Al-Ti-C porous structures for reinforcing aluminum matrix composites

Dmitruk Anna, Naplocha Krzysztof

Composites Theory and Practice

|

2022

|

R. 22, nr 3

172--177

EN

Open-porous preforms from Al-Ti-C compounds were successfully ignited and synthesized by combustion synthesis in a microwave field. The reaction course and the temperature were remarkably affected by the preparation method and molarratio of the substrates, as well as the position of the green sample in the microwave field generated by a single mode microwave reactor. The manufactured structures were characterized by SEM investigations. The addition of aluminum powder to the mixture moderates the reaction and temperaturę variations, allowing the course of synthesis in explosive mode to be avoided. Among the reported developed materials the following can be distinguished: Ti-Al intermetallics, titanium carbides and MAX phases belonging to the Ti-Al-C system. The prepared and selected Al-Ti C preforms were subsequently infiltrated with an AlSi12 aluminum alloy by the squeeze casting method. The composite materials exhibit a relatively homogeneous microstructure with low residual porosity and a good reinforcement/matrix interface.

PL

Otwarte porowate preformy ze związków Al-Ti-C z powodzeniem zapalono i zsyntetyzowano poprzez syntezę spaleniową w polu mikrofalowym. Znaczący wpływ na przebieg i temperaturę reakcji miał sposób przygotowania i stosunek molowy sub-stratów oraz położenie próbki w polu mikrofalowym generowanym przez jednomodowy reaktor mikrofalowy. Wytworzone struktury scharakteryzowano za pomocą badań SEM. Dodatek proszku aluminium do mieszaniny łagodzi przebieg reakcji i zmiany temperatury, pozwalając uniknąć przebiegu syntezy w trybie wybuchowym. Spośród wytworzonych materiałów można wyróżnić następujące: fazy międzymetaliczne Ti-Al, węgliki tytanu i fazy typu MAX należące do układu Ti-Al-C. Przygotowane i wyselekcjonowane preformy Al-Ti-C następnie infiltrowano stopem aluminium AlSi12 metodą prasowania ze stanu ciekłego. Materiały kompozytowe wykazują stosunkowo jednorodną mikrostrukturę o niskiej porowatości resztkowej i dobrej granicy faz umocnienie/osnowa.

2

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

Dmitruk A., Naplocha K., Strojny-Nędza A.

Composites Theory and Practice

|

2018

|

R. 18, nr 1

32--36

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.

3

Microwave assisted self-propagating high-temperature synthesis of Ti3SiC2 MAX phase

Dmitruk A., Naplocha K., Lagos M., Egizabal P., Grzęda J.

Composites Theory and Practice

|

2018

|

R. 18, nr 4

241--244

EN

A method was developed to manufacture Ti3SiC2 MAX phase preforms characterized by open porosity. Samples compacted from elemental powders of Ti, SiC and C with the molar ratio of 3:1.2:1 were heated and synthesized in a microwave field under atmospheric pressure. As this particular composition of elements exhibits rather low reactivity, it was necessary to apply the “coupled” mode of the SHS method. The initiated synthesis first proceeded with the formation of Si-Ti intermetallic and TiC precipitates, whose highly exothermic reactions resulted in a significant increase in temperature to ca. 1800°C. Next, these phases were almost completely transformed into a plate-like Ti3SiC2 MAX phase forming the porous structure of the samples. Although the majority of the synthesized material consisted of Ti3SiC2, some inclusions such as TiSi2, TiC and SiC were also found and identified in the material by the means of scanning electron microscopy and XRD analysis. The manufactured preforms can be used for components working in extreme conditions (heat exchangers, catalyst substrates, filters) or as a reinforcement for composite materials.

PL

Opracowano metodę wytwarzania preform fazy Ti3SiC2 typu MAX o porowatości otwartej. Sprasowane z proszków elementarnych Ti, SiC i C w stosunku molowym 3:1.2:1 próbki ogrzewano i syntetyzowano w polu mikrofalowym pod ciśnieniem atmosferycznym. Ponieważ ta szczególna kompozycja pierwiastków wykazuje relatywnie niską reaktywność, konieczne było zastosowanie "sprzężonego" trybu metody SHS. Po inicjacji syntezy jako pierwsze wytworzone zostają fazy: Si-Ti i TiC, pomiędzy którymi zachodzą wysoce egzotermiczne reakcje powodujące gwałtowny wzrost temperatury do ok. 1800°C. Następnie fazy te są niemal całkowicie przekształcane w płytkowe wydzielenia fazy Ti3SiC2 typu MAX, formując jednocześnie porowatą strukturę kształtek. Pomimo faktu, iż w przeważającej część otrzymany materiał stanowiło Ti3SiC2, znaleziono w nim również niewielkie ilości wtrąceń, które za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) oraz analizy składu chemicznego metodą dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) zidentyfikowano jako TiSi2, TiC i SiC. Wytworzone preformy mogą znaleźć zastosowanie w budowie elementów pracujących w ekstremalnych warunkach (wymienniki ciepła, katalizatory, filtry) lub jako wzmocnienia materiałów kompozytowych.

4

Manufacturing of Al Alloy Matrix Composite Materials Reinforced with MAX Phases

Dmitruk A., Naplocha K.

Archives of Foundry Engineering

|

2018

|

Vol. 18, iss. 2

198--202

EN

A method for manufacturing of Al-Si alloy (EN AC-44200) matrix composite materials reinforced with MAX type phases in Ti-Al-C systems was developed. The MAX phases were synthesized using the Self-propagating High-Temperature Synthesis (SHS) method in its microwave assisted mode to allow Ti2AlC and Ti3AlC2 to be created in the form of spatial structures with open porosity. Obtained structures were subjected to the squeeze casting infiltration in order to create a composite material. Microstructures of the produced materials were observed by the means of optical and SEM microscopies. The applied infiltration process allows forming of homogeneous materials with a negligible residual porosity. The obtained composite materials possess no visible defects or discontinuities in the structure, which could fundamentally deteriorate their performance and mechanical properties. The produced composites, together with the reference sample of a sole matrix material, were subjected to mechanical properties tests: nanohardness or hardness (HV) and instrumental modulus of longitudinal elasticity (EIT).

5

Tribological properties of Al matrix composites reinforced with MAX type phases

Dmitruk A., Naplocha K.

Composites Theory and Practice

|

2017

|

R. 17, nr 2

90--96

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.

6

Microwave assisted self-propagating high-temperature synthesis of Ti2AlC MAX phase

Koniuszewska A., Naplocha K.

Composites Theory and Practice

|

2016

|

R. 16, nr 2

109--112

EN

A novel manufacturing method of Ti2AlC MAX phases with TiC carbides was elaborated. Compacted from elemental powders, the samples were heated and synthesized in a microwave field under atmospheric pressure. Microwave radiation selectively heats the reactant particles, though additional SiC support was required. Graphite can be classified as a good absorber whereas in Al, Ti metallic particle electric eddy currents are induced only on the surface. Microwaves heat material from the inside to the outside and usually concentrate on the interface between materials with a different dielectric loss factor. Therefore, it is possible to induce and conduct the reaction, on the microscale, at metal-ceramic or even metal-metal contact points. Energy was transferred from the magnetron through the waveguide and after a few seconds synthesis began and spread to the entire volume of the cylindrical sample. The initiated SHS synthesis first proceeded with the formation of Al-Ti intermetallic and TiC precipitates whose highly exothermic reactions resulted in a significant increase in temperature to ca. 1600°C. Next, these phases are almost completely transformed into plate-like Ti-Al-C MAX phases forming a porous structure of the samples. Such materials can be ideal for components working in extreme conditions (heat exchangers, catalyst substrates, filters) or for composite reinforcing.

PL

Opracowano metodę wytwarzania MAX faz typu Ti2AlC zawierającej wtrącenia węglików TiC. W celu zainicjowania syntezy wypraskę z proszków nagrzewano w polu mikrofalowym pod ciśnieniem atmosferycznym. Promieniowanie mikrofalowe selektywnie nagrzewa proszki substratów, jednakże zastosowano dodatkowo podkładkę wykonaną z SiC, która pełniła rolę absorbera. Grafit jest uważany za materiał dobrze pochłaniający energię mikrofalową, natomiast na powierzchni drobnych cząstek metalicznych Al, Ti są indukowane prądy elektryczne, co przy określonej oporności skutkuje wzrostem temperatury. Mikrofale nagrzewają materiał od wewnątrz i często koncentrują się na styku pomiędzy materiałami o różnym współczynniku strat dielektrycznych. W związku z tym możliwe jest indukowanie i kontrolowanie reakcji na styku cząstek metal-ceramika czy nawet metal-metal. Energia mikrofalowa była przenoszona z magnetronu, za pomocą falowodu, do komory procesowej, aby po kilku sekundach uruchomić syntezę SHS, która rozprzestrzeniała się w całej objętości cylindrycznej próbki. Po zainicjowaniu reakcji powstawały związki międzymetaliczne typu Ti-Al oraz węgliki TiC, co wydzielało znaczne ilości ciepła, powodując wzrost temperatury do ok. 1600°C. Następnie, związki te prawie całkowicie przekształcają się w płytkowe Ti-Al-C MAX fazy, które w makroskali tworzą porowatą strukturę próbki. Materiały takie mogą być wykorzystane na elementy pracujące w ekstremalnych warunkach (wymienniki ciepła, katalizatory, filtry) lub jako umocnienie materiałów kompozytowych.

7

Materiały kompozytowe umacniane preformami wytworzonymi w procesie wysokotemperaturowej syntezy w polu mikrofalowym

Naplocha K.

Prace Naukowe Instytutu Technologii Maszyn i Automatyzacji Politechniki Wrocławskiej. Monografie

|

2013

|

Vol. 89, nr 29

164--164

PL

Przedstawiono problematykę wytwarzania materiałów kompozytowych metodą infiltracji ciśnieniowej obejmującą przygotowanie porowatych preform, nagrzewanie mikrofalowe, prasowanie ze stanu ciekłego oraz badania podstawowych właściwości mechanicznych. Zaadaptowano samorozprzestrzeniającą się syntezę wysokotemperaturową SHS do wytwarzania preform z faz międzymetalicznych typu Al-Ni, Al-Cr, Al-Ti, związków zawierających tlenowęgliki Ti-O-C, węgliki TiC oraz fazy Ti-C-Al. Przeprowadzono badania możliwości wykorzystania nagrzewania mikrofalowego do inicjowania i wspomagania syntezy. Zaprojektowano i zbudowano prototypowy rektor mikrofalowy umożliwiający intensywne nagrzewanie rozdrobnionych materiałów meta-liczno-ceramicznych wraz z precyzyjnym pomiarem temperatury zachodzących zjawisk fizykochemicznych. Opracowano parametry syntezy objętościowej oraz syntezy w strumieniu reaktywnego gazu materiałów porowatych, analizując sposób kształtowania struktury i zachodzących przemian fazowych. Określono wpływ ziarnistości proszków, składu chemicznego mieszaniny wyjściowej oraz mocy promieniowania mikrofalowego na przebieg syntezy i mikrostrukturę produktów. Przedstawiono metody rozwinięcia porowatości otwartej dla wybranych układów. Przeprowadzono analizę parametrów prasowania ze stanu ciekłego (ang. squeeze casting), dobierając je do infiltracji preform o małej porowatości i wytrzymałości. Prowadzono badana mikroskopowe połączone z identyfikacją fazową preform oraz materiałów kompozytowych. Analizowano stopień jednorodności struktury, rodzaj porowatości oraz jakość połączenia umocnienia z osnową. Opracowano parametry obróbki cieplnej mającej na celu ujednorodnienie struktury, a także przekształcenie nasyconych faz umacniających. Materiały kompozytowe umocnione wyselekcjonowanymi preformami poddano badaniom twardości, wytrzymałości na rozciągane, rozszerzalności cieplnej i odporności na zużycie. Przede wszystkim zaobserwowano istotny wzrost twardości, poprawę stabilności wymiarowej oraz odporności na ścieranie w warunkach tarcia suchego.

EN

Researches of pressure infiltrated composite materials included preparation of porous preform, mi-crowave heating, squeeze casting and determination of fundamental mechanical properties was presented. Self-propagation high temperature synthesis SHS was adopted for production of preforms from Al-Ni, Al-Cr, Al-Ti intermetallic phases, compounds containing Ti-O-C oxycarbides, TiC carbides and Ti-C-Al phases. The possibility of using microwave heating to initiate and support synthesis was studied. Designed and built a prototype microwave rector allows intense heating of powdered metallic-ceramic materials with precise temperature measurement of proceeded physical and chemical phenomena. Parameters of volume synthesis and synthesis in reactive gas stream for porous materials were elaborated with simultaneous analysis of structure development and phase transitions. Moreover influence of particle size powders, the chemical composition of the starting mixture and the power of microwave radiation on the course of the synthesis and microstructure of the products were determined. For selected systems to develop open porosity appropriate method was applied. Next squeeze casting parameters were established to infiltrate preform characterised low porosity and strength. In this area investigation related to the micro-structure homogeneity, porosity and reinforcement-matrix interface analysis. Elaborated heat treatment parameters allows improving microstructure and transforming infiltrated reinforcing phases. Composite materials reinforced with selected preforms were subjected to hardness, tensile strength, thermal expansion and wear examinations. First of all significant increase of hardness, where resistance and thermal stability were observed.

8

Sintering of diamond composites with SHS-prepared bonding phases

Putyra P., Jaworska L., Stobierski L., Morgiel J, Bućko M., Rozmus M., Wyżga P.

Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering

|

2013

|

Vol. 61, nr 2

268--273

EN

Purpose: The aim of this study was to investigate materials with reduced cobalt content as well as diamond compacts with non-cobalt bounding phase. Design/methodology/approach: Phases Ti3SiC2 and Cr3AlC obtained using the self-propagating High-Temperature Synthesis (SHS) technique were used as a PCD (polycrystalline diamond) bonding phases. Diamond composites with 10-20 mass% of SHS bonding phase were prepared by using a Bridgmann-type High Pressure - High Temperature (HP-HT) apparatus. Sintering of the composites were carried out at 1950±50°C and 8±0.2 GPa. Phase compositions of MAX powders and compacts were tested using X-ray diffraction. Microstructure investigations were performed using scanning (JEOL) and transmission (Tecnai FEG 200kV) microscopes and high spation resolution EDS mapping. Findings: During the sintering processes, bonding phase decomposition processes occur in the material. Mainly carbides and silicides are formed. Diamond phase materials are characterized by multi-phase composition. Research limitations/implications: Future research in the field of reduced cobalt content composites and cobalt replaced by bonding phase with Cr2AlC should focus on reduction of the graphite which affects on lower composite hardness. Such materials require an improvement in stress deposition. Originality/value: Due to the low thermal stability of the cobalt as a bonding phase in PCD there is a need to reduce its volume in the composite. Application of the newest non-cobalt bonding phases (Ti3SiC2 and Cr3AlC) obtained by SHS sythesis.