Compozite cu matrice metalică
(CMMC)

CMM – Curs 1

 

1. Introducere

            Compozitele cu matrice metalică (MMC) s-au dovedit a fi o clasă de materiale cu potenţial ridicat de înlocuire a unui număr mare de materiale utilizate în industria de automobile, aerospaţială, electronică, apărare şi în domeniul fabricării materialelor sportive, unde cerinţa pentru piese uşoare şi cu rezistenţă mare este în creştere.

            Compozitele cu matrice metalică sunt compuse din fibre continue sau discontinue, whiskers-uri sau particule dispersate într-o matrice metalică din aliaj.

            Compozitele turnate nu sunt materiale noi în industria metalurgică. Deşi în mod tradiţional nu se numesc compozite, aliajele Al-Si eutectice produse prin solidificare directă a larg cunoscutelor aliaje Al-Si, sunt compuse din particule de Si în matricea de aluminiu (Fig.1a). De asemenea, fonta este un material compozit în care granulele de grafit sunt dispersate într-un aliaj Al-C ductil (Fig.1b).

            Materialele MMC sunt produse sintetice, fiind diferite de compozitele restricţionate de diagramele de echilibru. Aşa-zisele compozite naturale, ca aliajele Al-Si sau fontele cu grafit nodular au procente volumice ale celor două faze, limitate, conform diagramelor de echilibru binare, iar morfologia şi aranjamentul spaţial a materialelor de armare (ranforsare) nu pot fi variate liber, la fel ca în compozitele produse sintetic. În compozitele sintetice (MMC) se pot modifica compoziţia, forma, procentul volumic şi distribuţia fazelor secundare.

(a)                                                           (b)

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig.1. „Compozite” metalice restricţionate de diagramele de echilibru:

(a) Al-Si; (b) fontă cu grafit nodular.

 

            Posibilitatea de combinare a diferitelor materiale (metal-ceramică-nemetal) oferă oportunitatea variaţiei nelimitate a proprietăţilor MMC. Proprietăţile acestor materiale sunt determinate, în principal, de proprietăţile materialelor componente.

            Principalele momente de referinţă în dezvoltarea MMC obţinute în fază lichidă, începând cu 1965, anul descoperirii acestora sunt prezentate în tabelul 1.

 

Tabelul 1. Momente de referinţă în dezvoltarea MMC turnate

între anii 1965 – 2000

Anul

Locaţia

Sistemul de compozite

Tehnica utilizată

1965

Inco, USA

Aluminiu-Grafit

Aluminiu-SiC

Aluminiu-Al2O3

Injecţie cu gaz şi agitare în topitură

1968

IIT Kanpur, India

Aluminiu- Al2O3

Agitare în topitură

1974

IISc., Bangalore, India

Aluminiu-SiC

Aluminiu-Al2O3

Aluminiu-Mică

Agitare în topitură

1975

MIT, USA

Aluminiu-Al2O3

(şi alte particule)

Turnare compocasting

1979

RRL, Trivandrum, India

Aluminiu-Silicat

Aluminiu-TiO2; ZrO2

Agitare în topitură

1980

Duralcan, USA

Aluminiu-SiC

Agitare în topitură

1981

Hitachi, Japan

Aluminiu-Grafit

Turnare sub presiune

1983

Toyota, Japan

Aluminiu-Saffil

Squeeze Casting

1984

RRL, Bhopal, India

Aluminiu-Microbaloane

Agitare în topitură

1985

Martin Marietta

Aluminiu-TiC

Procese in-situ

1986

MIT, USA

Aluminiu-SiC

Infiltrare sub presiune

1987

UWM, USA

Compozit hibrid cu matrice de aluminiu

Turnare sub presiune

1989

Lanxide, USA

Aluminiu-Al2O3

Aluminiu-SiC

Infiltrare fără presiune

1990

Honda

Aluminiu-Saffil/Al2O3/Compozit cu fibre

Infiltrare sub presiune

1997

Toyota

Al-SiC pentrutambur de frână

Agitare în topitură

1999

Volkswagen

Al-SiC pentrutambur de frână

Agitare în topitură

2000

Toyota

Al-Al2O3/SiO2/Mullitp

Infiltrare

 

Extinderea aplicaţiilor materialelor compozite în industrie s-a realizat în ultimii ani ca urmare a scăderii costurilor de fabricaţie şi a îmbunătăţirii proprietăţilor MMC: creşterea rezistenţei mecanice specifice (Rm/ρ – unde ρ este densitatea), a modulului de elasticitate specific (E/ρ), a rezistenţei la uzură, a conductivităţii termice (mai ales pentru aplicaţiile în industria electronică), a proprietăţilor magnetice şi electrice.

 

            2. Tipuri de materiale compozite

            Compozitele MMC se împart în 3 mari categorii, în funcţie de raportul de aspect al fazei de armare (Fig.2).

  • În categoria I se situează MMC-urile cu fibre lungi, continue, (Fig.2a) sau monofilamente (Fig.2b)   aliniate unidirecţional în matricea metalică.

Compozitele armate cu fibre, în care raportul de aspect (raportul lungime/diametru) a fazei secundare este de peste 100, iar procentul volumic de fibre este de peste 40%, sunt utilizate în aplicaţii în care rezistenţa mecanică specifică mare şi modul specific ridicat sunt reclamate în direcţie paralelă cu fibrele.

  • În categoria a II-a intră compozitele MMC armate cu fibre scurte, discontinue, orientate aleatoriu în matricea metalică (Fig.2c). Raportul de aspect în acest caz este mai mare ca 5 sau chiar peste 100, iar diametrul este mai mare decât 1 μm. Aceste MMC-uri se caracterizează prin proprietăţi mecanice izotrope şi prin rezistenţă mare la uzură. De asemenea, compozitele din această categorie se pot procesa secundar prin laminare, forjare şi extruziune.
  •               (a)                                                                          (b)                                                                   

     

     

    În categoria a III-a de compozite se încadrează materialele cu particule a căror dimensiune variază între 0,001 şi 1 μm, distanţa interparticule fiind sub 5 μm, iar fracţia volumică a particulelor sub 0,1 (Fig.2d).

 

 

 

 

 

 

              (c)                                                                          (d)                                                                   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig.2. Tipuri de compozite: cu fibre lungi (a) sau filamente (b);

cu fibre scurte (c) şi cu particule (d)

 

3. Matrici metalice

Matricile metalice pot fi selectate pe baza proprietăţilor mecanice, tribologice, a rezistenţei la oxidare şi coroziune.

În general, ca metale pentru matrici în MMC se aleg Al, Ti, Mg, Ni, Cu, Pb, Fe, Ag, Zn, Sn, din care Al, Ti şi Mg sunt cele mai utilizate.

 

3.1. Matrici din aluminiu

Cele mai utilizate matrici sunt aliaje pe bază de aluminiu, atât deformabile cât şi de turnătorie.

Aluminiul şi aliajele din aluminiu beneficiază de o densitate mică (cca. 2,7g/cm3), au temperaturi de topire joase, facilitând astfel procesarea în fază lichidă. Aceste matrici sunt ieftine în comparaţie cu alte aliaje uşoare, ca cele pe bază de Ti sau pe bază de Mg.

Matricile din aluminiu pot fi prelucrate plastic şi turnate prin orice procedeu clasic, astfel încât materialele compozite cu matrice de aluminiu pot fi obţinute prin metode de turnare sau deformare (forjare, laminare, extruziune) asemănătoare cu cele utilizate pentru aliaje.

Aluminiul şi aliajele binare pe bază de aluminiu sunt, în general, mai puţin utilizate ca matrici. Se preferă matrici cu conţinut cât mai scăzut al elementelor minore de aliere, ca de exemplu Mn şi Cr, deoarece acestea formează compuşi intermetalici în timpul procesării, care pot influenţa negativ caracteristicile mecanice.

În tabelul 2 sunt prezentate compoziţiile chimice ale unor aliaje de aluminiu utilizate ca matrici.

Tabelul 2. Compoziţia chimică a unor matrici de aluminiu

Aliajul

Compoziţia chimică, %

Si

Fe

Cu

Mn

Mg

Cr

Zn

Al

Altele

Al

1100

1199

1 Si+Fe

 

0,05-

0,2

0,05

 

 

 

min 99

 min 99,99

0,1 Zr

 

Al-Cu

295.0

AlCu4

201.0

 

 

0,05

 

 

0,1

4,5

4

4,0-

5,0

 

 

0,2-

0,4

 

 

0,15-0,35

 

 

 

 

 

0,15-0,35Ti;

0,4-1,0Ag

Al-Si

AlSi10Mg

AlSi15Mg

AlSi20Mg

10,5

15,5

20

 

 

 

0,3-0,5

0,3-0,5

0,3-0,5

 

 

 

 

Al-Mg-Si

6061

 

356/

A356

357/

A357

0,4-

0,8

6,5-

7,5

6,5-

7,5

0,7

 

0,6/

0,2

0,15/

0,2

0,15-

0,4

0,25/

0,2

0,05/

0,2

0,15

 

0,35/

0,1

0,1/

0,2

0,8-

1,2

0,2/

0,45

0,4/

0,7

0,04-0,35

0,25

 

0,35/

0,1

0,05/

0,1

 

0,15Ti

 

0,25Ti

 

0,1/0,2Ti

Al-Mn

3003

0,6

0,7

0,05-

0,2

1-

1,5

 

 

0,1

 

0,2Zr+Ti

Al-Cu-Mg

2014

 

2024

 

2080

2618

 

2124

0,5-0,12

0,5

 

 

0,1-0,25

0,7

 

0,5

 

 

0,9-

1,3

3,9-

5

3,8-

4,9

3,8

1,9-

2,7

3,5

0,4-

1,2

0,3-

0,9

 

 

 

0,20

0,4-0,8

 

1,2-1,8

 

1,8

1,3-1,8

 

1,5

0,1

 

0,1

0,25

 

0,25

 

0,1

 

0,15Ti; 0,2Zr

0,15Ti; 0,2Zr

0,2Zr

0,04-0,1Ti;

0,9-1,2Ni

0,4Zr

Al-Zn-Mg-Cu

7050

 

7075

 

7178

 

7475

 

7090

 

7091

 

7093

0,12

 

0,4

 

0,4

 

0,1

 

0,12

 

0,12

 

0,4

0,15

 

0,5

 

0,5

 

0,12

 

0,15

 

0,15

 

0,5

2-

2,6

1,2-

2

1,6-

2,4

1,2-

1,9

0,6-

1,3

1,1-

1,8

1,2-

2

0,1

 

0,3

 

0,3

 

0,06

 

 

 

 

 

0,3

1,9-2,6

 

2,1-2,9

 

2,4-3,1

 

1,9-2,6

 

2-3

 

2-3

 

2,1-2,9

0,04

 

0,18-0,28

0,18-0,35

0,18-0,25

 

 

 

 

0,18-0,28

5,7-6,7

 

5,1-6,1

 

6,3-7,3

 

5,2-6,2

 

7,3-8,7

 

5,8-7,1

 

5,1-6,1

 

0,08-0,15Zr

 

0,25Zr+Ti

 

0,2Ti

 

0,06Ti

 

1-1,9Co;

0,2-0,5O

0,2-0,6Co;

0,2-0,5O

0,25Zr+Ti

Al-Li

8090

 

 

1,3

 

0,7-0,9

 

 

 

2,2-2,4Li; 0,1Zr

 

Alegerea matricei trebuie să ţină seama nu numai de proprietăţile dorite ale materialului compozit, dar şi de modul de procesare. Astfel, cu toate că aliajele-matrici din seria 7xxx manifestă proprietăţi mecanice mai bune (rezistenţă şi rigiditate) pentru aplicaţii aerospaţiale decât aliajele din seria 2xxx, ultimele se utilizează cel mai adesea. Aceasta se datorează faptului că aliajele din seria 7xxx se degradează uşor la interfaţa cu materialele de armare (ranforsare), conducând la scăderea caracteristicilor mecanice ale acestor compozite.

Aliajele din seriile 2xxx, 6xxx şi 7xxx sunt cele mai utilizate ca matrici pentru MMC; aceste aliaje pot fi durificate prin precipitare.

Cele mai recente matrici, durificabile prin precipitare sunt din sistemul Al-Li (aliaje din seria 8xxx). Litiul micşorează mult densitatea aluminiului şi măreşte modulul elastic.

De asemenea, aliajele de aluminiu care conţin elemente tensioactive, ca Mg şi Li, care îmbunătăţesc umectarea materialelor de armare (ranforsare) sunt ideale ca matrici metalice.

Aliajele din seria 7xxx (Al-Zn-Mg-Cu) oferă proprietăţi mecanice înalte, iar aliajele din seria 6xxx (Al-Mg-Si-Cu) au o rezistenţă mare la coroziune în diferite medii şi proprietăţi bune de procesare. Aliajele Al-Fe-Li (din seria 8xxx) oferă oportunităţi pentru utilizarea la temperaturi înalte a MMC.

 

3.2. Matrici de magneziu

Aliajele de magneziu sunt o clasă de materiale metalice uşoare (cu cca. 35% mai uşoare ca cele de aluminiu) şi pot fi utilizate ca matrici mai ales la fabricarea MMC prin procedee în fază lichidă.

Ca matrici metalice sunt utilizate relativ recent, având în vedere că topiturile de magneziu au afinitate mare faţă de oxigen şi reacţionează cu unii oxizi mai puţin stabili ca MgO, conducând astfel la deteriorarea interfeţei matrice/material de ranforsare.

Deşi beneficiază de proprietăţi mecanice destul de bune, matricile din aliaje de magneziu au rezistenţă slabă la coroziune şi prelucrabilitate plastică redusă întrucât magneziul cristalizează în sistemul hexagonal compact. Cele mai utilizate matrici de magneziu sunt Mg nealiat şi aliajele AZ91, AE42 şi AZ91Ca.

 

3.3. Matrici de cupru

Motivaţia utilizării acestor matrici pentru fabricarea MMC este dată de conductivitatea termică şi electrică înalte. Materialele de armare (ranforsare) pentru aceste matrici se aleg astfel încât să reducă vizibil coeficientul de dilatare liniară, pentru a minimaliza tensiunile termice în diverse dispozitive electronice. Procesarea în stare lichidă permite înglobarea unui procent volumic mare de materiale de ranforsare în matricea de cupru.

Cuprul şi aliajele de cupru nu sunt reactive ca aliajele de aluminiu şi nu reacţionează cu carbonul. Datorită densităţii ridicate (~8,9g/cm3) matricile pe bază de cupru nu sunt atractive pentru aplicaţii structurale, iar temperatura mare de topire (1083oC) necesită echipamente de înaltă performanţă.

 

3.4. Matrici de titan

Titanul şi aliajele de titan, deşi au densitate mai mare ca aluminiul (ρ ~4,5g/cm3), prezintă rezistenţă mecanică specifică Rm/ρ şi modul elastic specific înalte, comparativ cu oţelurile. Temperatura de topire a Ti este ridicată (1668oC), iar rezistenţa la temperaturi înalte este mai mare decât a aluminiului. Rezistenţa la coroziune şi la oxidare a Ti este bună, aceasta justificând utilizarea pentru fabricarea pieselor din industria aerospaţială.

Dezavantajul compozitelor cu matrice de titan este legat în special de reactivitatea extremă a matricei. În timpul procesării la temperaturi înalte, reacţiile dintre matrice şi materialele de armare sunt dificil de controlat.

Materialele compozite cu matrice de titan sunt fabricate în special prin metalurgia pulberilor.

Cel mai cunoscut aliaj utilizat ca matrice pe bază de titan este aliajul TiAl6V4.

 

3.5. Matrici de compuşi intermetalici

Aceste matrici au fost dezvoltate relativ recent, pe fază industrială. Rezistenţa acestora la temperaturi înalte şi rezistenţa la oxidare sunt mai mari decât a matricelor de titan. Cele mai promiţătoare matrici intermetalice sunt TiAl, Ti3Al, Ni3Al, NiAl şi MoSi2. Acestea au rezistenţă mecanică mare, modul elastic ridicat şi rezistenţă mare la curgere. Dezavantajul major al acestora este ductilitatea scăzută la temperatură normală. Totuşi, se poate realiza creşterea ductilităţii prin aliere cu o serie de elemente specifice: Ni3Al se aliază cu B, iar TiAl se aliază cu V şi Ta. 

 

3.6. Matrici de oţel şi superaliaje

Matricile din oţel inoxidabil şi superaliaje se caracterizează prin rezistenţă mare la coroziune.

Alegerea matricilor din oţel şi superaliaje se face ţinând cont de mediul în care se utilizează MMC-urile.