Development of aluminum based composites by pressure-assisted sintering

Abstract

Innovation in engineering was numerous times achieved through innovative combinations of materials. Aluminum matrix composites (AMCs) are one of these innovations that allow combining light weight alloys with chosen reinforcements in order to obtain improved materials when compared to unreinforced aluminum alloys, with optimized mechanical, wear and physical properties. Powder Metallurgy processes advantages like higher control over the reinforcement/matrix reactivity and also their versatility, allowing for any type of aluminum alloy to be combined with any reinforcements, make these processes and especially pressure-assisted sintering extremely appealing for the production of AMCs. This work is concerned with the development, production and characterization of several aluminum based composites, manufactured by a hot pressing process, with the purpose of improving mechanical and/or wear performance of an Aluminum-Silicon (AlSi) alloy. NiTi short-fiber-AlSi; Ni particulate-AlSi; Ti particulate-AlSi; SiC particulate-AlSi and hybrid AlSi-(Ti-SiC) composites were produced and studied. For each of these composites, the bond established between reinforcement and matrix was studied in order to assess their properties, correlating them with the composite properties and also the underlying reinforcing mechanisms. NiTi short-fiber reinforced AlSi composites exhibited a strength increase comparatively to AlSi alloy. This increase was predominantly related with the reinforcement effect and the induced compressive stresses due to the shape memory effect. These composites revealed an effective load transfer between matrix and fibers, indicating the development of an advantageous interface between fiber and matrix. Additionally, this study showed that over extended sintering times can be detrimental, leading to a decrease in shear strength. Nickel particulate reinforced AlSi composites exhibited an expressive reactivity with the formation of a continuous and uniform interface composed by Al3Ni intermetallic. These composites revealed an effective load transfer from matrix to reinforcement, with improvement in strength and hardness, when compared with AlSi alloy, although displaying a ductility reduction. These composites exhibited a wear behavior improvement when compared to AlSi alloy. Titanium particulate reinforced AlSi composites and Silicon Carbide particulate reinforced AlSi composites revealed higher strength but lower ductility than the AlSi alloy. Hybrid AlSi composites, reinforced with Titanium and Silicon Carbide particulates were proven to be an effective solution to achieve beneficial compromises between strength and ductility, unachievable by using a single reinforcement. These composites displayed significant wear behavior improvement when compared to AlSi alloy.

A inovação em engenharia tem sido inúmeras vezes alcançada através de combinações inovadoras de materiais. Os compósitos com matriz de ligas de alumínio são uma dessas inovações, permitindo combinar ligas de baixa densidade com reforços selecionados de modo a obter materiais com propriedades físicas, mecânicas e ao desgaste otimizadas e superiores às das ligas de alumínio. Um maior controlo sobre a reatividade entre reforço e matriz e a possibilidade de combinar qualquer liga de alumínio com qualquer reforço, fazem dos processos de metalurgia dos pós, e particularmente a sinterização assistida por pressão, ideais para a produção de compósitos de alumínio. Este trabalho foca-se no desenvolvimento, produção e caracterização de vários compósitos produzidos por um processo de sinterização assistida por pressão, com o objetivo de melhorar o comportamento mecânico e ao desgaste de uma liga de alumínio-silício (AlSi). Foram produzidos compósitos de AlSi reforçados com: fibras curtas de NiTi; partículas de Ni; partículas de Ti; partículas de SiC e ainda compósitos híbridos reforçados com SiC e Ti. Para cada um destes compósitos, a ligação entre reforço e matriz foi caracterizada e as suas propriedades correlacionadas com os mecanismos de reforço e com as propriedades do compósito. Os compósitos de AlSi reforçados com fibras curtas de NiTi demonstraram um aumento de resistência mecânica comparativamente à liga de AlSi. Este aumento foi devido maioritariamente ao efeito do reforço e às tensões residuais de compressão, introduzidas pelo efeito de memória de forma. Estes compósitos revelaram uma efetiva transferência de carga entre matriz e reforço, indicando a presença de uma eficiente interface entre reforço e matriz. Este estudo demonstrou ainda que prolongar o tempo de sinterização pode ser prejudicial, levando a uma redução da tensão de rotura ao corte. Os compósitos de AlSi reforçados com partículas de Ni evidenciaram uma substancial reatividade entre reforço e matriz, com a formação de uma interface contínua e uniforme composta pelo intermetálico Al3Ni. Estes compósitos revelaram transferência de carga entre matriz e reforço, com aumento da tensão de rotura e dureza, embora com redução de ductilidade, quando comparados com a liga não reforçada. Estes compósitos apresentaram uma melhoria no comportamento ao desgaste, relativamente à liga de AlSi. Os compósitos de AlSi reforçados com partículas de Ti, bem como os reforçados com partículas de SiC apresentaram maior resistência mecânica comparativamente com a liga não reforçada, tendo no entanto menor ductilidade. Os compósitos híbridos reforçados com partículas de Ti e de SiC demonstraram ser uma solução eficaz para obter um compromisso vantajoso entre resistência e ductilidade, inatingível quando utilizado um único reforço. Estes compósitos demonstraram uma significativa melhoria no comportamento ao desgaste, relativamente à liga de AlSi.