Ανάπτυξη σύνθετων υλικών μεταλλικής μήτρας και αξιολόγηση της περιβαλλοντικής συμπεριφοράς τους

Abstract

The manufacturing of Al Matrix Composites reinforced by TiC ceramic particles is the aim of thepresence effort.Al matrix composites were produced by melting Al-alloys (Al6060, Al356, Al319, Al20Cu, Al20Cu(FeNi)and a prototype Al-alloy AlMgSi (7 wt% Mg and 5 wt% Si)) and adding TiC particles in 5 vol% and 15vol%. Composites were produced either by direct addition of TiC particles in to molten Al or dilution of a“master composite” Al-TiC (~ 20 vol% TiC). TiC particles were added always in equal quantities withKBF4 salts. Microstructure development of all monolithic alloys and produced composites was studied.Also the resistance of monolithic alloys Al6060, Al356 and Aml7Mg5Si and their composites with 5vol% and 15 vol% were studied, in sliding wear and in electrochemical corrosion in two differentsolutions (3.5% NaCl and DHS).It is shown that KBF4 salts have successfully contributed to the dissolution of oxide layer on the top ofmelting Al and thus making successful the import of TiC particles into melting Al-alloy, whilestrengthening the composite by AlB2 ceramic phase.The TiC distribution is relatively homogeneous. Particles are located both at the grain boundaries(isolated and clustered) and within the grains (isolated) and also particles are located at the areas ofthe lastly solidified liquid (isolated and clustered too). In some occasions particles are associated withthe presence of various intermetallic phases. All the distributions are explained by thermodynamicterms.The results of sliding wear tests showed that TiC particles reduced the wear rate of monolithic alloys.The morphology into the wear track is a characteristic formation of “hills and valleys”. This morphologyis changed after the addition of TiC particles. After the TiC addition, the debris shape is changed too.Observations of the wear track and the debris, lead to the development of a wear mechanism, which isbased on the surface oxidation and plastic deformation of the examined materials, on the cracksformation and their growth to the final delamination from the material.In parallel the new monolithic alloy Al7Mg5Si and their composites, showed similar behavior with twocommercial alloys Al6060 and Al356 (very known for their anticorrosive characteristics) and theircomposites in electrochemical corrosion. Similarity of the form of polarization curves and similar valuesof electrochemical figures, showed similar corrosion mechanisms for all materials regardless TiCamounts, which shows the dependence of the corrosion to the precipitations of the monolithicmaterials. Also the microstructures examination revealed the consistency of Al-TiC interfaces andtherefore, good wettability reached between the interfaces of Al metal matrix and TiC ceramic particlesthus, making the followed casting method successful.

Η παρούσα εργασία ασχολείται με την παρασκευή σύνθετων υλικών μεταλλικής μήτρας αλουμινίου μεενίσχυση κεραμικών σωματιδίων.Παρασκευάστηκαν σύνθετα υλικά μήτρας αλουμινίου (με μήτρες: Al6060-Al356-Al319-Al20CuAl20Cu(FeNi)αλλά και ένα κράμα AlMgSi πρωτότυπο ως προς τη σύνθεσή του (7 wt% Mg και 5 wt%Si)) με την προσθήκη σωματιδίων ενίσχυσης TiC σε ποσοστά 5 και 15 vol%. Η τεχνική πουακολουθήθηκε για την παρασκευή των σύνθετων ήταν η χύτευση με απευθείας προσθήκη της φάσηςTiC στο τηγμένο μέταλλο και η χύτευση με διαλυτοποίηση ενός “master composite” Al-TiC (~ 20 vol%TiC), πάντα με την παράλληλη προσθήκη αλάτων KBF4. Μελετήθηκε η ανάπτυξη της μικροδομής τωνυλικών (μονολιθικών και σύνθετων), ενώ η αντοχή των υλικών σε συνθήκες φθοράς ολίσθησης και ησυμπεριφορά τους στην ηλεκτροχημική διάβρωση σε δύο υδατικά περιβάλλοντα (διάλυμα 3.5% NaClκαι DHS), μελετήθηκε για τα κράματα Al6060, Al356, AlMgSi και τα σύνθετα αυτών.Βρέθηκε ότι τα άλατα αλογόνων KBF4 συνέβαλαν επιτυχώς στη διάλυση του στρώματος οξειδίωναλουμινίου καθιστώντας επιτυχή την εισαγωγή των σωματιδίων TiC στο τηγμένο Al ενισχύονταςπαράλληλα τη μήτρα μέσω του σχηματισμού της κεραμικής φάσης AlB2. Δεν παρατηρήθηκε κάποιασημαντική αντιδραστικότητα μεταξύ TiC και Al.Η κατανομή των σωματιδίων TiC χαρακτηρίζεται σχετικά ομοιογενής. Τα σωματίδια εντοπίστηκαν ωςμεμονωμένα τόσο στο εσωτερικό των κόκκων αλλά και στα όρια αυτών, ενώ τα συσσωματώματα τωνσωματιδίων εντοπίστηκαν στα όρια των κόκκων και στις τελευταία στερεοποιημένες περιοχές. Σεπεριπτώσεις κραμάτων με πολλά κραματικά στοιχεία, τα συσσωματώματα των σωματιδίων συνδέονταιμε το σχηματισμό και την ανάπτυξη διαφόρων ενδομεταλλικών και άλλων ευτηκτικών φάσεων. Ηκατανομή των σωματιδίων TiC επεξηγήθηκε με θερμοδυναμικούς μηχανισμούς.Τα αποτελέσματα από την επίδραση της φθοράς ολίσθησης έδειξαν πως τα σωματίδια TiC μειώνουντο ρυθμό φθοράς των μονολιθικών κραμάτων. Η μορφολογία του ίχνους φθοράς παρουσιάζει έναχαρακτηριστικό διαδοχικό σχηματισμό «λόφος-κοιλάδα-λοφος». Η μορφολογία του σχηματισμούαλλάζει ελαφρώς μετά την προσθήκη TiC. Το μέγεθος των θραυσμάτων φθοράς αλλάζει μορφολογικάαντιστρόφως ανάλογα με το ποσοστό ενίσχυσης στο σύνθετο. Παρατηρήσεις στο ίχνος φθοράς και στα θραύσματα οδήγησαν στην ανάπτυξη και διατύπωση ενός μηχανισμού φθοράς που βασίζεται στηνεπιφανειακή οξείδωση και πλαστική παραμόρφωση, στη δημιουργία ρωγμών και στην ανάπτυξή τουςως την τελική τους αποκόλληση από το υλικό.Τέλος το νέο κράμα Al-7Mg-5Si αλλά και τα σύνθετά του παρουσίασαν παρόμοια ηλεκτροχημικήσυμπεριφορά με εμπορικά κράματα και σύνθετα τα οποία είναι γνωστά για τις αντοχές τους στηνηλεκτροχημική διάβρωση. Η ομοιότητα στη μορφή των καμπύλων πόλωσης και οι παρόμοιες τιμέςηλεκτροχημικών μεγεθών δείχνουν παρόμοιους μηχανισμούς διάβρωσης για όλα υλικά ανεξαρτήτουποσοστού TiC, γεγονός που φανερώνει την εξάρτηση της διάβρωσης από τα κατακρημνίσματα τηςμονολιθικής μήτρας των υλικών. Παρατηρήσεις των διαγραμμάτων κυκλικής πόλωσης και η εξέτασητων μικροδομών έδειξαν ότι η επικρατούσα μορφή διάβρωσης είναι η διάβρωση οπών. Επίσης ηεξέταση των μικροδομών αποκάλυψε τη συνεκτικότητα των διεπιφανειών Al-TiC και επομένως, τηνκαλή διαβροχή που επιτεύχθηκε μεταξύ των διεπιφανειών της μεταλλικής μήτρας Al με τα κεραμικάσωματίδια ενίσχυσης TiC, κρίνοντας τη μέθοδο χύτευσης που ακολουθήθηκε επιτυχής.