Acasă Articole știintifice CARACTERIZAREA INTERFEȚEI PRODUSELOR COMPACTATE Al/SiCp

CARACTERIZAREA INTERFEȚEI PRODUSELOR COMPACTATE Al/SiCp

73
0

CARACTERIZAREA INTERFEȚEI PRODUSELOR COMPACTATE Al/SiCp

Mariana Ciurdaș, Daniela Alina Necșulescu, Roxana Marina Șolea

În ultimul deceniu, mai mulți autori și oameni de știință sunt interesați din ce în ce mai mult să înțeleagă fenomenele care au loc la interfața unui material compozit cu matrice de aluminiu ranforsat cu carbură de siliciu. Acest tip de material compozit este utilizat în special în industria aerospațială și auto care implică aplicații la temperaturi ridicate. Până acum, domeniul tehnic de utilizare al acestor materiale a fost limitat de prezența carburii de aluminiu Al4C3 la temperaturi înalte, dovedind astfel importanța studierii reacțiilor la interfață.

Metoda de obținere a compozitelor Al/SiCp a fost metalurgia pulberilor. Dintre avantajele procesării compozitelor prin metalurgia pulberilor amintim: obținerea de materiale izotrope cu configurație complexă la temperaturi de sinterizare care inhibă interacțiunea matricei cu particulele ceramice. Acest proces implică restricționarea formării unor compuși chimici specifici care pot deveni fragili. Prin această metodă se diminuează problemele legate de umectabilitate.

Pentru studiu, s-au obținut materiale compozite cu matrice de aluminiu ranforsate în proporții diferite de particule de carbură de siliciu (5-25%). Pulberile de aluminiu respectiv carbură de siliciu, de granulații diferite au fost amestecate, omogenizate, lubrifiate, presate și sinterizate la temperaturi cuprinse între 1.100-1.750 oC. Sinterizarea a avut loc în cuptoare în mediu reducător, de protecție (argon) și în aer. Compozitele compactate la rece astfel obținute au fost caracterizate cu ajutorul microscopiei electronice de baleiaj (SEM), difracție de raze X (XRD) și a spectroscopiei de raze X cu dispersie de energie (EDS).

Dintre cele trei amestecuri supuse experimentărilor, pe baza rezultatelor obținute, s-a ales compozitul cu un conținut de 25% SiC sinterizat pentru a fi investigat din punct de vedere microstructural și al compoziției. Structura probelor sinterizate a fost analizată cu ajutorul microscopiei electronice și a difracției de raze X, reprezentate în figura 1 și 2.

 

 

               a)                                           b)                                     c)

Figura 1. Imagine de microscopie electronică a compozitului Al-25% SiC după sinterizare la temperaturi de: a) 1.100 oC; b) 1.300 oC; c) 1.450 oC

a)

b)

c) d)

Figura 2. Spectre de difracție cu raze X ale compozitului Al-25% SiC sinterizat la:

a) 1.100 oC; b) 1.300 oC; c) 1.450 oC; d) 1.750 oC

Zonele supuse investigației microanalizei chimice prin EDS (tabel 1) au fost: matricea de aluminiu, zona de interfață și particula de carbură de siliciu. Se poate observa cum conținutul de aluminiu (tabelul 1) din matricea de aluminiu este mai mic de 100%.

Tabel 1. Analiza EDS pentru compozitele Al-SiC sinterizate la temperaturi de

1.100 oC, 1.300 oC, 1.450 oC și 1.750 oC

Temperatura

de sinterizare

Proba

Compoziție elementală a probelor sinterizate
Zona

investigată

Al,

% greutate

Si,

%

greutate

C,

%

greutate

O,

%

greutate

1.100 oC

Al-25% SiC

Matrice

85,23

1,14 6,33

7,29

Interfața

67,61

2,92 29,48

Particulă

1,01 75,89 22,56

0,54

1.300 oC

Al-25% SiC

Matrice

83,05 8,93

8,02

Interfața 71,11 5,69

23,20

Particulă

0,87 75,02 23 1,12

1.450 oC

Al-25% SiC

Matrice

88,32 7,36 2,96

1,37

Interfața 40,74 33,86 6,33

19,07

Particulă

0,60 73,97 25,43

1.750 oC

Al-25% SiC

Matrice

90,21 5,94 3,85
Interfața 74,26 0,67

25,07

Particulă

55,52

2,50 7,46

34,52

Acest conținut poate fi explicat prin fenomenele de difuzie, dizolvarea și/sau reacția siliciului și carbonului în matrice. Cantitatea de oxigen din matricea de aluminiu poate fi explicată datorită reacției aluminiului cu aerul prezent în porii materialului. Prezența siliciului și carbonului în matricea metalică poate fi explicată prin descompunerea particulei de carbură de siliciu.

Astfel, fumarea reacțiilor la interfața dintre matricea de Al și materialul de ranforsare, în cazul nostru particulele de SiC depind de parametrii de elaborare: temperatura și atmosfera de sinterizarea, precum și compoziția chimică a matricei și a materialului de ranforsare.

Reacțiile chimice care au loc la interfața metal-ceramică pot fi: reacții de reducere directă, formând reacții ale compușilor, formând reacții ale compușilor gazoși.

Reacțiile la interfața a compozitului Al/SiCp sunt: dizolvarea SiC în Al; precipitarea și segregarea celei de-a treia faze la interfață.

Produsele de reacție formate la interfață sunt fragile și în anumite condiții pot afecta negativ proprietățile compozitului. Pentru condițiile noastre experimentale putem observa următoarele reacții apărute la temperaturi de 1.300 oC și 1.450 oC pentru comprimatele sinterizate în atmosferă protectoare:

4Al + 3 SiC → Al4C3+ 3 [Si] reacție la interfața Al – SiC

4Al + 4SiC → Al4SiC4+3 [Si] reacție la interfața Al – SiC

SiC + Al4C3 → Al4SiC4

Si + Al →(Al,Si) difuzia Si în matrice și absorbția în matricea de aluminiu

4Al +3O2 → 2Al2O3 reacție la interfața pentru Al-O (zona poroasă)

Si + Al →Al,Si difuzia Si în matrice fără absorbția în matricea de aluminiu

Produsele de reacție și compușii intermetalici identificați sunt: Al, Al2O3, (Al, Si), Si, Al, Al4O4C, 3Al2O3x2SiO2, SiO2, α Al4SiC4, SiCII, SiCIII, Al4C3 care sunt confirmați prin analiza XRD (figura 2). Analiza detaliată EDS/SEM au relevat morfologia interfeței dintre particulele de SiC și matricea de aluminiu. Așa cum se arată mai sus, odată cu creșterea temperaturii, structura fazelor compozite devine mai complexă, cu apariția de noi interfaze și o zonă de interfață bună.

 

LĂSAȚI UN MESAJ

Vă rugăm să introduceți comentariul dvs.!
Introduceți aici numele dvs.

Acest site folosește Akismet pentru a reduce spamul. Află cum sunt procesate datele comentariilor tale.