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
Plan Wstęp Motywacja i cel pracy Wprowadzenie do zagadnienia Badania własne Wybór stopów Metoda otrzymywania Przykładowe wyniki Możliwe zastosowania
Granica plastyczności [MPa] Stopy aluminium o Dobry stosunek wytrzymałości do gęstości o Niska wytrzymałośd w podwyższonej temperaturze 600 500 400 300 200 100 7075 - T6 2618 - T6 2219 - T6 0 0 50 100 150 200 250 300 350 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
Kwazikryształy Własności mechaniczne Wysoka twardośd (HV 8-10 GPa) w temperaturze do 600 K Faza umacniająca Wysoki moduł elastyczności (100-200 GPa) Niski współczynnik tarcia Kruchośd T < 0.8T m Stopy umacniane kwazikryształami
Wykorzystanie kwazikryształów w stopach Stale Stopy aluminium Stopy magnezu Rys. 1 Pierwsze zastosowanie kwazikryształów, stal Sandvik Nanoflex Żródło: http://www.nanonordic.com/extra/news/?module_instance=2&id=158 Stal typu TRIP (Transforamtion Induced Plasticity)
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)
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
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 20 200-250 180-230 210-290 500-700 300 80-100 90-130 100-120 250-420 (temp. 350 C)
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
Badania własne
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
Wybór stopów Lantanowce Aktynowce Al-Mn-Fe-X σ f = 1250 MPa
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
Przygotowanie taśm
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
Obserwacje struktury stopów za pomocą Transmisyjnej Mikroskopii Elektronowej Zr Cr Mo Ti 1 µm 1 µm V 1 µm 1 µm 1 µm
Obserwacje struktury stopów za pomocą Transmisyjnej Mikroskopii Elektronowej identyfikacja cząstek kwazikrystalicznych 1μm 1μm 1μm
Pomiary mikrotwardości 400 300 155 HV μhv 100 200 258 HV 100 0 Małe kuliste cząstki Wartość średnia Dendryty AlMnFe Zr Cr Ti V Mo UTS=3.7 HV
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:
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
Rozdrabnianie taśm Spiekanie Mikromłynek wibracyjny 20 µm
Wytwarzanie próbek masywnych Wlewek Al oraz dodatki stopowe Piec Odgazowywanie Prasa 160 ton Kęs Odlewanie taśm Rozdrabnianie Prasowanie na gorąco w próżni
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
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.
Dziękuję za uwagę!