Thermal analysis of 3D-CF/Al-MMC by means of DSC and dilatometry tests

Increasing demands for energy efficient lightweight structures capable of working in complex termomechanical loading conditions require the selection of appropriate load adapted materials as well as the development of associated manufacture processes ready for series production. Metal matrix composites with their advantages such as high thermal stability, reinforcement structure designability and high specific material properties have become more popular among materials applied as reliable load bearing products. To adapt the manufacturing process for these composites, understanding of solidification processes, the type and formation of interface and thermal behaviour of the composite are indispensable. The aim of this work was to understand the thermal behaviour of aluminium based metal matrix composites reinforced with carbon fibres 3D textile manufactured via the high pressure die casting (HPDC) process. Within the residual stress analysis and the sensitivity analysis of fibre coatings, plane specimens made of Al 226D with a carbon fibre (HTS) reinforcement with a nickel phosphorus coating have been investigated. Differential scanning calorimetry (DSC) and dilatometry tests have been performed considering the anisotropy of textiles and the formation of a crystallisation front in the cast specimens.

---

Wzrastający popyt na kompozyty na osnowie metalowej charakteryzujące się zdolnością do pracy w złożonych warunkach termomechanicznych wymaga dokładnej selekcji materiałów, jak również stworzenia dostosowanego procesu produkcji seryjnej. Kompozyty o osnowie metali lekkich posiadają szereg zalet, dzięki którym stają się coraz bardziej popularne wśród materiałów przeznaczanych na odpowiedzialne konstrukcje. Z tych zalet między innymi należy wyróżnić: wysoką stabilność temperaturową, elastyczność w projektowaniu struktury umocnienia oraz wysokie własności mechaniczne w odniesieniu do gęstości. W celu zoptymalizowania i adaptacji procesu produkcji kompozytów do warunków wielkoseryjnych niezbędne jest zrozumienie własności termicznych wytworzonego materiału. Celem tej pracy było wyznaczenie podstawowych własności termicznych kompozytu na osnowie stopu aluminium wzmacnianego włóknem węglowym w postaci trójwymiarowych tkanin, w procesie odlewania wysokociśnieniowego w kokilach. Włókno węglowe T800 infiltrowane było przez stop AlSi9Cu3(Fe) o numerze normy 226D. Z uwagi na bardzo dużą rozbieżność współczynników rozszerzalności cieplnej osnowy i wzmocnienia granica tych dwóch faz jest narażona na powstawanie naprężeń termicznych. Aby zniwelować powstałe naprężenia, niezbędne jest stosowanie pokrycia włókien węglowych przed procesem infiltracji. W pracy przeprowadzono badania skaningowej kalorymetrii różnicowej (DSC) oraz dylatometrii. Wykonano próby na próbkach nieumocnionych, umocnionych włóknami węglowymi oraz umocnionych włóknami węglowymi uprzednio pokrytymi powłoką niklowo-fosforową (NiP). Praca ta ukazuje, iż pokrywanie włókien węglowych powłoką na bazie niklu znacznie zmniejsza podatność produktu na mikropęknięcia, jak również ilość naprężeń termicznych powstałych w procesie produkcji odlewniczymi metodami wielkoseryjnymi.