Metallimatriisikomposiitti-alumiinista, joka on vahvistettu piikarbidiviskeillä-taottuu tehokkaaksi-jarruroottoriksi lämmitetyn puristimen sisällä. Levyn, joka puristaa tätä seosta polttolämmössä, on oltava riittävän vahva, jotta se ei painu kuormituksen alla, ja riittävän tarkka lämmittääkseen seosta tasaisesti, kunnes metalli virtaa jokaisen keraamisen hiukkasen ympärillä.
Edistyneessä materiaalien valmistuksessalämmitetty levymetallimatriisikomposiitti kuumapuristusprosessi muodostaa selkärangan tiivistymisreiteille, joita käytetään irtojauheseoksien muuntamiseen tiiviiksi,{0}}kantaviksi komponenteiksi. Metallimatriisikomposiiteissa (MMC:t) yhdistyvät sitkeät metallit korkean -lujuuden keraamisiin vahvistuksiin, mutta täydellisen tiivistymisen saavuttaminen edellyttää samanaikaisesti korkean paineen ja tiukasti kontrolloitua lämpöenergiaa.
Lämmitetty levyjärjestelmä ei siis ole vain lämmönlähde,{0}}se on myös rakenteellinen elementti, joka vastaa mittatarkkuuden säilyttämisestä äärimmäisessä mekaanisessa ja lämpörasituksessa.
MMC:iden kuumapuristuksen perusteet
Kuumapuristukseen kuuluu jauhetäytetyn muotti-asettaminen kahden kuumennetun levyn väliin suuren-voiman hydraulipuristimen sisään.
Prosessi sisältää tyypillisesti:
Jauheseoksen lataaminen jäykään suulakkeeseen
Sijoitus lämmitettyjen levyjen väliin
Puristusvoiman käyttö
Diffuusion ja plastisen virtauksen lämpöaktivointi
Tiivistyminen tiiviiksi kiinteäksi aihioksi
Materiaalijärjestelmästä riippuen käsittelyolosuhteet vaihtelevat huomattavasti:
Alumiinimatriisikomposiitit: ~500-600 astetta
Titaanimatriisikomposiitit: yli 1000 astetta
Näissä olosuhteissa metallimatriisista tulee riittävän plastinen virtaamaan keraamisten lujitehiukkasten ympärille, mikä poistaa huokoisuuden ja muodostaa yhtenäisen rakenteen.
Lämmitettyjen levyjen toiminta MMC-konsolidaatiossa
sisäänlämmitetty levymetallimatriisikomposiitti kuumapuristus, levyjärjestelmä suorittaa kaksi tärkeää roolia samanaikaisesti:
Lämmönsäätöelementti
Kuormaa-kantava rakennejäsen
Lämpötoiminto
Levyt tuottavat tasaisen lämmönsyötön muottikokoonpanoon. Upotetut lämmityselementit-usein molybdeenidisilisidi- tai piikarbidi-pohjaiset järjestelmät-toimittavat hallittua lämpöenergiaa levyn pinnan poikki.
Tasainen lämpötilan jakautuminen on välttämätöntä, koska:
Kylmät vyöhykkeet johtavat epätäydelliseen sintrautumiseen ja jäännöshuokoisuuteen
Kuumat kohdat voivat aiheuttaa paikallista sulamista tai faasien erottelua
Lämpögradientit vääristävät materiaalin virtauskäyttäytymistä
Tiukasti kontrolloitu lämpökenttä varmistaa tasaisen tiivistymisen koko komposiittitilavuudessa.
Mekaaninen toiminto
Samat levyt siirtävät myös suuria puristusvoimia hydraulipuristimesta muottikokoonpanoon.
Suuren-kuorman sovelluksissa voimat voivat nousta useisiin tonneihin muotin pinta-alan neliösenttimetriä kohti. Tällaisissa olosuhteissa levyn on kestettävä:
Plastinen muodonmuutos
Kiehauta korotetussa lämpötilassa
Pinnan vääntyminen syklisessä kuormituksessa
Lämmitettyjen levyjen materiaalivaatimukset
MMC-kuumapuristusjärjestelmissä levymateriaalien on säilytettävä lujuus korkeissa lämpötiloissa samalla, kun ne säilyttävät mittavakauden.
Nikkeli{0}}pohjaiset superseokset
Yleisiä valintoja ovat nikkeli{0}}pohjaiset seokset, kuten Inconel 718, koska:
Korkea virumisvastus
Vakaat mekaaniset ominaisuudet korotetussa lämpötilassa
Hyvä hapettumisenkestävyys
Näitä materiaaleja käytetään laajalti, kun sekä lämpösyklit että mekaaninen rasitus ovat vakavia.
Keraamiset komposiittilevyt
Vielä korkeammissa lämpötiloissa voidaan käyttää keraamisia{0}}levyjärjestelmiä. Nämä tarjoavat:
Erinomainen lujuus korkeissa{0}}lämpötiloissa
Matala lämpölaajeneminen
Ylivoimainen hapettumisenkestävyys
Keraamiset järjestelmät vaativat kuitenkin huolellista käsittelyä iskukuormituksen aiheuttaman haurauden vuoksi.
Lämpötilan tasaisuus ja sen merkitys
Terminen tasaisuus on MMC-konsolidoinnin laadun määrittävä parametri.
Jos lämpötilan vaihtelu tapahtuu levyn pinnalla:
Materiaalivirtaus muuttuu epätasaiseksi
Vahvistuksen jakautuminen muuttuu epäjohdonmukaiseksi
Huokoisuus voi jäädä loukkuun viileämmille alueille
Jyvien rakenne voi vaihdella paikallisesti
Tasainen kuumennus varmistaa metallimatriisin tasaisen viskositeetin muodonmuutoksen aikana, mikä mahdollistaa lujitehiukkasten tasaisen kapseloinnin.
Vuonnalämmitetty levymetallimatriisikomposiitti kuumapuristusprosessissa lämpögradientteja säädellään tiukasti seuraavilla tavoilla:
Vyöhykkeiset lämmityselementit
Upotetut termopariryhmät
Korkean{0}}johtavuuden rajapintakerrokset
Tarkat takaisinkytkentäohjausjärjestelmät
Ilmakehän ohjaus kuumapuristuksessa
Monet MMC-kuumapuristustoimenpiteet suoritetaan valvotussa ilmakehässä hapettumisen ja saastumisen estämiseksi.
Tyypillisiä ympäristöjä ovat:
Korkea tyhjiö
Inertti argon-ilmakehä
Nämä ehdot ovat välttämättömiä, koska:
Metallijauheet hapettavat nopeasti korkeissa lämpötiloissa
Oksidikerrokset estävät hiukkasten sitoutumista
Keraamiset lujikkeet voivat reagoida hapen kanssa korkeassa lämpötilassa
Ilmakehän ohjaus asettaa lisärajoituksia levyn tiivistykseen, materiaalien yhteensopivuuteen ja lämpösuunnitteluun.
Lämpöpyöräilyä ja jäähdytystä koskevia huomioita
Konsolidoinnin jälkeen hallittu jäähdytys on välttämätöntä mikrorakenteen eheyden säilyttämiseksi.
Nopea jäähtyminen voi aiheuttaa:
Lämpöisku komposiittiaihiossa
Jäännösjännityksen muodostuminen
Delaminaatio matriisi- ja vahvistusvaiheiden välillä
Tästä syystä levyjä ja muotteja jäähdytetään usein asteittain kontrolloidussa järjestyksessä lämpögradientien minimoimiseksi jähmettymisen aikana.
Itse levyjärjestelmän on kestettävä toistuvia lämmitys- ja jäähdytysjaksoja ilman vääristymiä tai väsymisvikoja.
Materiaalihuomautus: grafiittilevyt matalapaineisissa{0}}painejärjestelmissä
Tietyissä matalapaineisissa-sovelluksissa tai erikoissovelluksissa grafiittilevyjä käytetään vaihtoehtona metallijärjestelmille.
Grafiittilevyjen edut
Korkean lämpötilan kestävyys
Erinomainen lämmönjohtavuus
Matala lämpölaajeneminen
Ei--kostuva käyttäytyminen monien sulaneiden metallien kanssa
Rajoitukset
Alempi mekaaninen lujuus superseoksiin verrattuna
Hapettumisherkkyys ilmassa
Pienempi{0}}kuormituksen kantavuus korkeassa paineessa
Grafiittijärjestelmät on siksi tyypillisesti varattu tyhjiö- tai inertteihin ympäristöihin, joissa on kohtalainen puristusvoima.
Prosessin herkkyys ja vikojen muodostuminen
MMC-kuumapuristus on erittäin herkkä pienille prosessivaihteluille.
Viat voivat johtua seuraavista syistä:
Lämpötilan epätasaisuus
Paineenvaihtelut
Puutteellinen jauhepakkaus
Vahvistus taajama
Väärä linjaus
Tällaiset viat voivat heikentää merkittävästi loppukomponentin väsymiskykyä tai rakenteellista luotettavuutta.
MMC-kuumapuristuksen teolliset sovellukset
Kuuma-puristettuja MMC:itä käytetään laajalti{1}}suorituskykyisissä suunnittelusovelluksissa, kuten:
Ilmailun rakenneosat
Autojen jarruroottorit
Lämmönhallintajärjestelmät
Korkea{0}}kulutus teollisuustyökalut
Puolustustason{0}}rakenneosat
Pienen tiheyden ja suuren jäykkyyden yhdistelmä tekee näistä materiaaleista erityisen arvokkaita, kun suorituskyvyn -/-painosuhde on kriittinen.
Johtopäätös
Kuumennetuilla levyillä on keskeinen rooli metallimatriisikomposiittien kuumapuristuksessa, sillä ne tuottavat samanaikaisesti tasaista korkean{0}}lämpötilan energiaa ja kestävät äärimmäisiä mekaanisia kuormituksia. Sisällälämmitetty levymetallimatriisikomposiitti kuumapuristusprosessissa nämä komponentit varmistavat, että metallijauheet ja keraamiset vahvikkeet yhdistyvät tiheiksi, tehokkaiksi{0}}rakenteiksi tiukasti kontrolloiduissa lämpö- ja paineolosuhteissa.
Nämä korkean lämpötilan{0}}superseoksista tai edistyksellisestä keramiikasta valmistetut levyt toimivat tyhjiössä tai inertissä ilmakehässä hapettumisen estämiseksi ja materiaalin puhtauden varmistamiseksi. Niiden kyky ylläpitää tasaista lämpötilan jakautumista samalla kun ne kestävät virumista ja muodonmuutoksia, on olennaista virheettömien -MMC-komponenttien tuottamiseksi.
Viime kädessä MMC-kuumapuristuksessa käytetyt raskaat, korkean lämpötilan{0}}levyt ovat peruuttamattomia työkaluja, jotka muuttavat irtojauhetta materiaaleiksi, jotka pystyvät pysäyttämään urheiluauton. Vahvimmat materiaalit syntyvät vahvimman, kuumimman puristimen alla.
