Sympozjum Inżynieria materiałowa dla przemysłu

Transkrypt

1 Sympozjum Inżynieria materiałowa dla przemysłu Kwazikrystaliczne stopy Al-Mn-Fe otrzymywane za pomocą metody szybkiej krystalizacji - struktura i własności Katarzyna Stan Promotor: Lidia Lityńska-Dobrzyńska, prof. PAN Promotor pomocniczy: dr Joanna Wojewoda-Budka

2 Plan Wstęp Motywacja i cel pracy Wprowadzenie do zagadnienia Badania własne Wybór stopów Metoda otrzymywania Przykładowe wyniki Możliwe zastosowania

3 Granica plastyczności [MPa] Stopy aluminium o Dobry stosunek wytrzymałości do gęstości o Niska wytrzymałośd w podwyższonej temperaturze T T T Temperatura [ C] Umowna granica plastyczności dla stopów aluminium po wygrzewaniu przez 1000 godzin w temperaturach pomiędzy 0 a 350 C Cel: opracowanie stopów aluminium o wysokiej wytrzymałości zdolnych do pracy w podwyższonej temperaturze

4 Kwazikryształy Własności mechaniczne Wysoka twardośd (HV 8-10 GPa) w temperaturze do 600 K Faza umacniająca Wysoki moduł elastyczności ( GPa) Niski współczynnik tarcia Kruchośd T < 0.8T m Stopy umacniane kwazikryształami

5 Wykorzystanie kwazikryształów w stopach Stale Stopy aluminium Stopy magnezu Rys. 1 Pierwsze zastosowanie kwazikryształów, stal Sandvik Nanoflex Żródło: Stal typu TRIP (Transforamtion Induced Plasticity)

6 Własności mechaniczne stopów aluminium umacnianych cząstkami kwazikrystalicznymi Wytrzymałośd na rozciąganie Rozszerzalnośd cieplna Wytrzymałośd w podwyższonej temperaturze(473 K) Moduł Younga Odpornośd na pękanie Wydłużenie Podatnośd na obróbkę na zimno 7075 T6 Nanokwazikrystaliczny stop Al A. Inoue Materials Science and Engineering (2000)

7 Stopy aluminium umacniane cząstkami kwazikrystalicznymi Al Fe Cr A. Inoue; Journal of Light Metals; 2001 F. Schurack; Philosophical Magazine, 2003, vol. 83, Nanokwazikryształ osnowa Al Taśma po odlaniu L Q + L Q + Al Galano et al. Acta Materialia 57 (2009) Udział objętościowy cząstek Własności stopu w zależności od udział objętościowego cząstek kwazikrystalicznych Wytrzymałośd na rozciąganie w podwyższonej temperatury dla stopu Al-Fe-Cr w zależności od użytych dodatków stopowych

8 Stopy aluminium do pracy w podwyższonej temperaturze - zastosowanie Tłok silnika spalinowego, elektrycznego, diesla Głowice cylindrów w motocyklach Obudowa przekładni Części silników motocyklowych Inne części strukturalne wystawione na działanie podwyższonej temperatury Istotne parametry stopów do wymienionych zastosowao: dobra wytrzymałośd, twardośd i odpornośd na ścieranie w podwyższonej temperaturze, niska rozszerzalnośd cieplna Wytrzymałość na rozciąganie [MPa] Temperatura [ C] AlSi12CuMgNi AlSi18CuMgNi AlSi12Cu4Ni2Mg Al-Fe-Cr umacniany kwazikryształami (temp. 350 C)

9 Stopy aluminium umacniane cząstkami kwazikrystalicznymi Stopy Al-TM (Al- metal przejściowy) Niska rozpuszczalnośd metali przejściowych w aluminium Tworzenie się kruchych faz międzymetalicznych Trudności w zastosowaniu odlewania konwencjonalnego Jednocześnie niska dyfuzyjnośd pierwiastków w aluminium (stabilnośd powstałych faz ) Szybkie krzepnięcie stopy Al-TM Podwyższona rozpuszczalnośd dodatków w stopie W strukturze stopu tworzą się fazy metastabilne w tym fazy o budowie kwazikrystalicznej

10 Badania własne

11 Metoda otrzymywania Odlewanie z fazy ciekłej na wirujący walec (melt-spinning) Ciśnienie Cewka indukcyjna Obracający się walec Stop w postaci ciekłej Gotowa taśma Duże przechłodzenie osiągane podczas procesu skutkuje tworzeniem się metastabilnych faz kwazikryształy Skład stopu: Al 90% + dodatek metali przejściowych

12 Wybór stopów Lantanowce Aktynowce Al-Mn-Fe-X σ f = 1250 MPa

13 Przykładowe składy stopów Al 91 Mn 7 Fe 2 σ f = 1250 MPa Al 91 Mn 6 Fe 2 Zr 1 Al 91 Mn 6 Fe 2 Cr 1 Al 91 Mn 6 Fe 2 Ti 1 Al 91 Mn 6 Fe 2 V 1 Al 91 Mn 6 Fe 2 Mo 1

14 Przygotowanie taśm

15 Obserwacje mikrostruktury wytworzonych taśm za pomocą Skaningowej i Transmisyjnej Mikroskopii Elektronowej Struktura taśmy od strony walca SEM 1 μm TEM 20 μm Przekrój poprzeczny wytworzonej taśmy 1 μm

16 Obserwacje struktury stopów za pomocą Transmisyjnej Mikroskopii Elektronowej Zr Cr Mo Ti 1 µm 1 µm V 1 µm 1 µm 1 µm

17 Obserwacje struktury stopów za pomocą Transmisyjnej Mikroskopii Elektronowej identyfikacja cząstek kwazikrystalicznych 1μm 1μm 1μm

18 Pomiary mikrotwardości HV μhv HV Małe kuliste cząstki Wartość średnia Dendryty AlMnFe Zr Cr Ti V Mo UTS=3.7 HV

19 Profil temperatury w tłoku został schematycznie przedstawiony na rysunku poniżej Temperatury pracy w silnikach samochodowych Silnik Diesel a Wtrysk bezpośredni Komora wirowa Silnik benzynowy Temperatury pracy w silnikach samochodowych podczas pełnego obciążenia Źródło:

20 Egzotermiczny przepływ ciepła Stabilność termiczna pomiary DSC Szybkość Heating rate grzania 40K/min C/min Kwazikryształ AlMnFeMo AlMnFeV AlMnFeTi AlMnFeCr AlMnFeZr Oś 2-krotna AlMnFe 400 C 10 min 450 C 10 min 500 C 30 min

21 Rozdrabnianie taśm Spiekanie Mikromłynek wibracyjny 20 µm

22 Wytwarzanie próbek masywnych Wlewek Al oraz dodatki stopowe Piec Odgazowywanie Prasa 160 ton Kęs Odlewanie taśm Rozdrabnianie Prasowanie na gorąco w próżni

23 Wytwarzanie próbek masywnych cd. Atomizacja CIP Nagrzewanie Wyciskanie Obróbka skrawaniem Produkcja Proszek Al Wypraska Materiały Atomizacja Zagęszczanie w matrycy Nagrzewanie Kucie na gorąco Obróbka Produkcja Proszek Al Wypraska Materiały

24 Podsumowanie dotychczasowych wyników Otrzymane wyniki pokazały, że twardość stopu Al-Mn-Fe otrzymywanego metodą szybkiej krystalizacji może zostać poprawiono przez niewielki dodatek metali przejściowych (o wysokiej temperaturze topnienia i niskim współczynniku dyfuzji w aluminium). Dodatek pierwiastków stopowych nie wpływa na skład fazowy badanych stopów a jedynie na morfologię i udział objętościowy fazy kwazikrystalicznej, a także jej stabilność termiczną. Niektóre z prowadzonych dodatków (Zr) powodują rozdrobnienie ziaren osnowy, lub cząstek kwazikrystalicznych (Ti, Cr), inne (Mo, W) wpływają na zachowanie lepszej stabilności termicznej fazy umacniającej. Z tego względu kolejne odlewane stopy będą stopami wieloskładnikowymi łączącymi w sobie pozytywny wpływ różnych dodatków stopowych. Kolejnym krokiem jest wytworzenie próbek masywnych poprzez spiekanie rozdrobnionych taśm oraz ponowna charakteryzacja otrzymanych materiałów ze szczególnym uwzględnieniem własności stopu w podwyższonej temperaturze.

25 Dziękuję za uwagę!