Badania nad otrzymaniem kompozytu Al- SiC

Transkrypt

1 Badania nad otrzymaniem kompozytu Al- SiC J. Olejniczak 1, *, P. Wiśniewski 2, Ł. Ciupiński 2, M. Tarnowski 3, J. Grabian 4, J. Mizera 1. 1 Zakład Projektowania Materiałów, Wydział Inżynierii Materiałowej, Politechnika Warszawska, ul. Wołoska 141, Warszawa, Polska 2 Uczelniane Centrum Badawcze Materiały Funkcjonalne, PolitechnikaWarszawska ul. Bytnara 25, Warszawa, Polska 3 Zakład Inżynierii Powierzchni, Wydział Inżynierii Materiałowej, Politechnika Warszawska, ul. Wołoska 141, Warszawa, Polska 4 Instytut Podstawowych Nauk Technicznych, Wydział Mechaniczny, Akademia Morska, ul. Podgórna 51/53, Szczecin, Polska *Kontakt korespondencyjny: olejniczak.joanna@gmail.pl Streszczenie Prezentowane badania skupiają się na próbach wytworzenia kompozytu o osnowie aluminiowej, zbrojonego spiekanymi preformami z węglika krzemu. Kompozyt ten otrzymywany jest w procesie infiltracji ciśnieniowej. W pracy opisano dobór proszków na preformy ceramiczne, sposób ich spiekania, a także proces infiltracji ciśnieniowej. Do badań wybrano dwie frakcje zielonego węglika krzemu (F40 o średniej wielkości cząstek µm i F120 o średniej wielkości cząstek µm), które następnie spiekano swobodnie w temperaturze 1208 o C z dodatkiem 5% wag. spoiwa wysokotemperaturowego oraz bez tego dodatku. Przedstawiono wyniki analizy morfologii powierzchni proszków oraz spiekanych preform, a także gotowych kompozytów wykonane przy pomocy elektronowego mikroskopu skaningowego. Słowa kluczowe: kompozyty metalowo-ceramiczne; węglik krzemu; infiltracja ciśnieniowa, tworzywa porowate. 1. Wprowadzenie Materiały kompozytowe należą do najnowocześniejszych materiałów konstrukcyjnych. Istotną gałąź tej grupy materiałowej stanowią kompozyty o osnowie metalicznej zbrojone ceramiką. Obecnie prowadzone są intensywne badania nad udoskonaleniem procesu łączenia tych dwóch faz, gdzie podstawowym problemem jest słabe zwilżanie ceramiki przez metal. Rozwiązaniem stosowanym w przemyśle jest odpowiednie przygotowanie powierzchni np. powłoki poprawiającej zwilżalność lub zastosowanie odpowiedniej metody wytwarzania. Dobre wyniki na tym polu daje infiltracja ciśnieniowa. Metoda ta służy między innymi do wytwarzania kompozytów nasycanych, które powstają poprzez wypełnienie ciekłym metalem porowatej struktury ceramicznej, zwanej także preformą. W literaturze można znaleźć opisane przypadki kompozytów zawiesinowych o osnowie ze stopów aluminium zbrojonych ceramiką, głównie cząstkami lub włóknami. [1-4] W przemyśle te pierwsze są stosowane na szeroką skalę, natomiast mniej powszechne jest stosowanie kompozytów infiltrowanych, zbrojonych spiekanymi preformami, jak w przypadku obiektu badań przedstawionych w niniejszej pracy. 2. Cel i zakres badań Przeprowadzone badania miały na celu określenie możliwości wytworzenia kompozytu Al-SiC, który charakteryzowałby się wysokim współczynnikiem przewodnictwa cieplnego, a także odpornością na wysoką temperaturę. Do wytworzenia tych kompozytów wykorzystano infiltrację ciśnieniową spiekanych preform z węglika krzemu. Opisane badania obejmowały 3 etapy: dobór proszku węglika krzemu do wytworzenia spieku, wybór metody i warunków spiekania, a także opracowanie procesu infiltracji gotowych spieków. Dwa pierwsze etapy zostały przeprowadzone na Politechnice Warszawskiej, natomiast proces infiltracji miał miejsce na Akademii Morskiej w Szczecinie. Pierwszy etap badań, skupiał się na wyborze konkretnego gatunku i frakcji węglika krzemu. Brane pod uwagę były dwa gatunki węglika krzemu: zielony i czarny. Pierwsze próby wykonano na czarnym węgliku krzemu (98C), który charakteryzuje się większą zawartością zanieczyszczeń niż węglik zielony (99C). Ilość domieszek może mieć wpływ na przewodnictwo cieplne, stąd do dalszych badań został wybrany gatunek zielony, nieco twardszy, a co za tym idzie bardziej kruchy od czarnego. Wybrany do badań zielony węglik (Stanchem Polsk; jego gęstość teoretyczna wynosiła 3,123 ± 0,002 g/cm 3. Do badań wybrano dwie frakcje węglika: F40 (ziarno o średnicy µm) i F120 (ziarno o średnicy µm). Etap drugi obejmował spiekanie preform z węglika o wybranej frakcji z dodatkiem 5% spoiwa wysokotemperaturowego oraz bez tego dodatku. Wybranym do badań spoiwem była mieszanina kaolinu, topnika i dodatków stabilizujących. Udział spoiwa wysokotemperaturowego jest częstym zabiegiem w wytwarzaniu ceramicznych materiałów porowatych dla zapewnienia niezbędnej wytrzymałości mechanicznej spieczonej preformy. Materiały porowate o wymiarach: h=10mm i φ=10mm otrzymano metodą prasowania jednostronnego pod ciśnieniem 20 MPa na prasie hydraulicznej.

2 czynnikiem ułatwiającym prasowanie oraz zapewniającym wystarczającą wytrzymałość mechaniczną preform był glikol polietylenowy (polikol 1500, PCC Rokita z Brzegu Dolnego). Następnie wypraski wysuszono w temperaturze 60ºC/24h i spieczono swobodnie w temperaturze 1208 o C/2h w piecu komorowym FCF 22HP (Czylok, Polsk. Temperatura procesu została dobrana zgodnie z wynikiem analizy dylatometrycznej. Proces infiltracji, etap trzeci, polegał na ciśnieniowym nasyceniu porowatej struktury ceramicznej ciekłym metalem. Schemat urządzenia do infiltracji ciśnieniowej, wykorzystanego do przygotowania kompozytów, przedstawia rysunek 1. W górnej części stanowiska znajduje się siłownik hydrauliczny, przy pomocy którego wywierany jest nacisk na stempel. W dolnej części znajduje się drugi siłownik który umożliwia wypchnięcie nasyconego kompozytu. Zasada działania jest prosta, ciśnienie metalu spowodowane jest ruchem stempla, infiltracja preformy jest wymuszona działaniem siłownika hydraulicznego na stempel umieszczony nad preformą. Forma Stempel Tłok wypychający Rys. 1. Schemat formy do infiltracji ciśnieniowej. W przypadku wytwarzania kompozytu będącego tematem niniejszej pracy, do infiltracji preformy z węglika krzemu, wykorzystano silumin okołoeutektyczny AlSi12. Metoda infiltracji ciśnieniowej została szerzej opisana wcześniej, między innymi przez jednego z autorów [5-6]. 4. Wyniki badań 4.1. Proszki węglika krzemu Badania wielkości cząstek proszków węglika pozwoliły zweryfikować dane zapewniane przez producenta. Wartości uzyskane z pomocą Laserowego Analizatora Wielkości Cząstek, dla frakcji F40 oraz F120 zamieszczono w tabelach 1 i 2 Tabela 1. Wielkość ziarna proszku SiC frakcji F40 Próbka Pomiar Wielkość ziarna [μm] F Średnia wielkość ziarna [μm] Tabela 1. Wielkość ziarna proszku SiC frakcji F40 Próbka Pomiar Wielkość ziarna [μm] F Średnia wielkość ziarna [μm] Zbadana średnia wielkość cząstek węglika krzemu dla frakcji F40 wynosi 565μm, przewyższa o około 50μm maksymalną wielkości jaką powinien charakteryzować się proszek zgodnie ze specyfikacją producenta. Podobny wynik można zaobserwować dla frakcji F120. Średnia wielkość cząstek węglika krzemu dla tej frakcji wynosi 157μm, w tym wypadku różnica ta wynosi około 30μm. W przypadku obu frakcji węglika krzemu, wyznaczona średnia wielkość ziarna proszku jest większa niż deklaruje producent. Na rysunku 2 przedstawiono morfologię zastosowanych proszków SiC. 3. Metodyka badań Badania przeprowadzono na wszystkich etapach wytwarzania kompozytu, począwszy od oceny stanu powierzchni proszków, przez gotowe spieki, na zbadaniu stopnia infiltracji gotowego kompozytu skończywszy. Charakterystykę proszków węglika krzemu rozpoczęto od przeprowadzenia pomiaru wielkości cząstek. Badanie zostało wykonane w środowisku wodnym, przy pomocy laserowego analizatora wielkości cząstek Horiba LA-950 (Japoni. Następnie przeprowadzono analizę morfologii ich powierzchni przy pomocy elektronowego mikroskopu skaningowego HITACHI SU Analogiczną charakterystykę przeprowadzono dla cząstek spoiwa wysokotemperaturowego oraz preform powstałych w procesie spiekania. Analizę powierzchni gotowych kompozytów wykonano przy pomocy elektronowego mikroskopu skaningowego HITACHI S- 3500N. Dla lepszego zbadania jakości infiltracji w całej objętości, zostało wykonane badanie tomografem rentgenowskim Xradia MicroXCT-400. Rys. 2. Proszki węglika krzemu, obrazy pochodzące z elektronowego mikroskopu skaningowego: i b) Frakcja F40, c) i d) Frakcja F120. b)

3 Obserwacje powierzchni proszków węglika pozwalają stwierdzić, że ziarna mają kształt nieregularny, z ostrymi krawędziami i rozwiniętą powierzchnię. Kształ ten może być niekorzystny podczas infiltracji (sprzyjać niepełnemu nasyceniu preformy). 5% spoiwa, zaprezentowano na rysunkach 4 i 5. W obu przypadkach widać dobrze zinfiltrowany kompozyt. Brak jest suchych styków, ziarna węglika wyraźnie widoczne osnowie siluminu, bez wykruszeń. Obrazy mikrostruktury kompozytu powstałego na bazie preformy spiekanej z dodatkiem 5% wag. spoiwa i bez, nie różnią się wyraźnie od siebie. c) 4.2. Preformy z węglika krzemu Dodatek spoiwa wysokotemperaturowego do proszku węglika krzemu usprawnia proces termiczny otrzymania materiałów porowatych. Podczas spiekania otacza cząstki SiC i tworzy pomiedzy nimi połączenia, podnosząc tym samym wytrzymałość na ściskanie powstałej preformy węglikowej. Jest to istotny parametr w kolejnym etapie wytwarzania kompozytu, czyli infiltracji ciśnieniowej materiału porowatego. Zmierzona piknometrem helowym gęstość spoiwa wysokotempeaturowego wyniosła 2,5793 ± 0,0012 g/cm 3, wartość ta nie odbiega od dostępnych w literaturze. Dla spoiwa została również zbadana wielkość cząstek. Plasowała się ona na poziomie 13,5μm. Obserwacje powierzchni cząstek kaolinu przedstawiono na rysunku nr 3 (, b)). Spiekanie preform z węglika krzemu w temperaturze 1208 o C pozwala uzyskać dobre połączenia między ziarnami węglika. W elektronowym mikroskopie skaningowym możemy dostrzec tzw. szyjki (rys. nr 3 c)) łączące poszczególne ziarna w spieku (rys. nr 3 d)). Ich obecność ma znaczący wpływ na wytrzymałość mechaniczną, odporność chemiczną i termiczną powstałej preformy ceramicznej. Rys. 4. Obraz SEM: kompozyt Al-SiC z preformą SiC F40 + 5% wag. spoiwa. b) Rys. 3. Obrazy SEM: i b) cząstka spoiwa, c) spiek SiC F120 z dodatkiem 5% wag spoiwa, z widocznymi szyjkami pomiędzy ziarnami d) spiek SiC F40 z dodatkiem 5% wag spoiwa Kompozyty Al- SiC Rys. 5. Obraz SEM: kompozyt Al-SiC z preformą z SiC F40. Analogiczne porównanie przedstawiono dla próbek kompozytu na bazie preformy z węglika krzemu frakcji F120 z dodatkiem 5% wag. spoiwa i bez (rys. nr 6 i 7). Infiltracji zostały poddane 4 preformy, po dwie z węglika krzemu frakcji F40 i F120. Połowa preform każdej frakcji miała dodatek w postaci 5% wag. spoiwa wysokotemperaturowego. Obserwacje powierzchni próbek kompozytu, w elektronowym mikroskopie skaningowym, pozwalają wstępnie określić jakość połączenia kompozytu. Między innymi poprzez ocenę jakości powierzchni składników, ilości pozostawionych tzw. suchych styków, czyli nie zinfilrowanych przestrzeni między stykającymi się ziarnami (zjawisko to wiąże się ze słabą zwilżalnością ceramiki przez metal). Porównanie obrazów powierzchni próbek kompozytu na bazie preformy z węglika krzemu frakcji F40 z dodatkiem i bez

4 Rys. 6. Obraz SEM: kompozyt Al-SiC z preformą SiC F % wag. spoiwa. Rys.8. Obraz pochodzący z tomografu rentgenowskiego: Widoczne nieciągłości w górnej warstwie próbki kompozytu infiltrowanego Al.-SiC. Rys. 7. Obraz SEM: kompozyt Al-SiC z preformą z SiC F120. W tym przypadku, widać znaczną różnicę w strukturze kompozytu na bazie preformy spiekanej z domieszką spoiwa i bez. Kompozyt, wzmocniony preformą spiekaną bez dodatku spoiwa, charakteryzują wyrwy obecne na całej powierzchni próbki. Ich brak, w przypadku próbki kompozytu wzmocnionego preformą z 5% wag. dodatkiem spoiwa, może mieć związek ze zwiększoną odpornością na ściskanie, którą nadaje spiekowi spoiwo wysokotemperaturowe. Aby sprawdzić, czy wyrwy widoczne na powierzchni próbki, kompozytu z preformą z węglika krzemu F120 spiekaną bez dodatku spoiwa, są obecne w całej objętości próbki, zostało przeprowadzone badanie tomografem rentgenowskim. Obraz z tomografu rentgenowskiego (rys. nr 8) pozwala stwierdzić, że obserwowane przy pomocy elektronowego mikroskopu skaningowego nieciągłości materiałowe występują jedynie w warstwie powierzchniowej i nie świadczą o braku infiltracji całego kompozytu. Tego typu nieciągłości mogły powstać na etapie infiltracji lub podczas preparatyki próbek do badań. Otrzymane wyniki wstępne okazały się zachęcające do podjęcia kolejnych badań nad otrzymywaniem i badaniem kompozytów Al-SiC. Podstawowym problemem w tego typu układach jest mała zwilżalność cząstek proszku węglika krzemu ciekłym metalem. Zastosowana metoda infiltracji ciśnieniowej okazała się odpowiednia i pozwoliła na uzyskanie kompozytów charakteryzujących się własciwą mikrotrukturą. Co istotne, na chwilę obecną przezwyciężony został problem niskiej zwilżalności stopu aluminium. 5. Podsumowanie i wnioski Przedstawione w artykule badania, są wstępnymi próbami infiltracji tego typu materiałów, punktem wyjścia do ewentualnych modyfikacji poszczególnych etapów wytwarzania kompozytu Al-SiC. W pracy głownie skoncentrowano się na analizie morfologicznej materiałów wsadowych i otrzymanych kompozytów metal-ceramika. Dla badań dwóch frakcji SiC, lepsze wyniki uzyskano Dla proszku o większym ziarnie. Dodatek 5% wag. spoiwa wysokotemperaturowego nie wpływa negatywnie na jakość powstałych preform przeznaczonych do infiltracji, wręcz może sprzyjać lepszej infiltracji, zwiększając ich odporność na ściskanie. W kolejnych etapach podjęte zostaną prace nad zastosowaniem węglika krzemu o innych wielkościach cząstek, by móc określić wpływ wielkości ziarna na wysycenie kompozytu. W trakcie prac badawczych znajdują się również materiały porowate z SiC wykonane innymi metodami W następnym etapie zostaną przeprowadzone badania przewodnictwa cieplnego otrzymanych kompozytów. Podziękowania Podziękowania dla mgr inż. Michała Gloca za przeprowadzenie i udostępnienie badań na tomografie rentgenowskim Xradia MicroXCT-400. Literatura [1] Krawczyńska A,; Biesiada K.; Olszyna A.: Kompozyty Al 2 O 3 - SiCw. KOMPOZYTY (COMPOSITES) 6 (2006) 2 [2] Young Mok K.;, Won Tae K.;, Young-Wook K.: Development of Al 2 O 3 SiC composite tool for machining application. Ceramics International 30 (2004)

5 [3] Yu-bai P.; Jian-hui Q.; Makoto K.; Mikio M.; Shou-hong T.; Dong-liang J.: SiC-AlN Particulate Composite. Journal of the European Ceramic Society 19 (1999) [4] Sobczak J.; Wojciechowski S.: Współczesne tendencje praktycznego zastosowania kompozytów metalowych KOMPOZYTY (COMPOSITES) 2 (2002) 3 [5] Grabian J.: Charakterystyka technologiczna zbrojenia kompozytów nasycanych. KOMPOZYTY (COMPOSITES) 1 (2001) 1 [6] Szafran M.; Rokicki G.; Lipiec W.; Konopka K.; Kurzydłowski K.: Porowata ceramika infiltrowana metalami i polimerami. KOMPOZYTY (COMPOSITES) 2 (2002) 5. Praca wykonana w ramach projektu Nowe materiały konstrukcyjne o podwyższonej przewodności cieplnej TERMET, współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, (nr.poig /09) Pracę recenzował: prof. dr hab. inż. Zbigniew Pakieła, Politechnika Warszawska The investigations on obtaining aluminium-silicon carbide composites Abstract The paper is focused on investigations on obtaining aluminium-silicon carbide composite. The composites were produced by pressure infiltration technique which was applied to silicon carbide sinter. In the investigations, silicon carbide particles characterized by a diameters: µm and µm, and addition of 5wt. % high temperature binder in the materials were used. Ceramics sinters were prepared by free sintering at 1208 o C. Keywords: ceramic-metal composites - silicon carbide - pressure infiltration, porous materials.