Microstructure and mechanical properties of AA7475/AlN compacts with varied reinforcing particles size

The microstructure and properties of 7475 aluminium alloy matrix composites - with additions of 10 wt. % of AlN powders of different particle size: < 40 µ m, ∼ 1 µm and < 1 µm were investigated. The composites were produced by means of powder-metallurgy. Pre-alloyed 7475 aluminium powders were milled with ceramic particles in a high energy planetary Fritsch ball mill for up to 40 hours and subsequently vacuum hot pressed at 380°C and 600 MPa. The microstructure of the obtained composites was studied using a metallographic microscope and scanning electron microscope (SEM). The performed investigations indicated good dispersion of ceramic phases. However, in the composite with the submicron AlN addition, a small tendency for agglomeration occurred. All of the composites were characterized by high density of intermetallic, Zn, Cu, Mg or Fe rich phases. Recrystallized Al grains were observed in the composite with the submicron AlN addition, indicating that the fine particles did not retard grain boundaries movement. The hardness of the consolidated samples was highest for the ∼ 1 µm ceramic powder addition - nearly 320 HV in comparison to 250 HV for the finer powder addition. The compression tests showed 830 MPa of ultimate compression strength of the samples with the ∼ 1 µm AlN particles, which was slightly higher than that with the submicron particles addition. The higher strength of the composites reinforced with the micro- rather than with submicro-particles suggests that the size of the ceramic phase addition can be considered as only one of the factors influencing the composite strength.

---

Kompozyty o osnowie ze stopów aluminium zbrojone dyspersyjnie cząstkami ceramicznymi są grupą materiałów charakteryzującą się kombinacją dobrej plastyczności, niskiej gęstości, wysokiej wytrzymałości właściwej oraz odporności na kruche pękanie, która sprawia, że są szeroko stosowane w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym. Mimo wieloletniego już zainteresowania tego typu kompozytami, wciąż podejmowane są próby poprawy właściwości istniejących kompozytów oraz projektowania nowych w celu osiągnięcia konkretnych pożądanych własności. Jedną z możliwych dróg poprawy własności kompozytów jest zmniejszenie wielkości zarówno ziaren osnowy, jak również fazy zbrojącej. W niniejszej pracy przedstawiono wyniki obserwacji mikrostruktury i pomiarów wytrzymałości nanokompozytów o osnowie ze stopu aluminium 7475, tj. z dodatkiem 10% wagowych AlN o trzech różnych wielkościach cząstek: <40 µm, ∼ 1 µm i <1 µm. Kompozyty wytworzono metodą metalurgii proszków. Proszek stopu AA7475 zmieszano z cząstkami ceramicznymi w ilości 10% wagowych, a następnie poddano mieleniu w wysokoenergetycznym młynku kulowym marki Fritsch przez okres 40 godzin. Zastosowano prędkość obrotów 200 obr/min i stosunek wagowy kul stalowych do proszku 10:1. Następnie proszki sprasowano pod ciśnieniem 600 MPa w umieszczonej w próżni 10-2 bar matrycy podgrzewanej za pomocą generatora wysokiej częstotliwości do 380°C. Mikrostruktura kompozytów została zbadana za pomocą mikroskopu metalograficznego oraz skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM). Wytworzone kompozyty poddane zostały badaniu twardości metodą Vickersa oraz próbie ściskania. Przeprowadzone obserwacje mikrostruktury sprasowanych kompozytów wykazały równomierny rozkład cząstek ceramicznych dla dodatków < 40 µm oraz ∼ 1 µm AlN. Natomiast w przypadku submikronowego dodatku AlN zaobserwowano tendencję cząstek do tworzenia aglomeratów. Osnowa wszystkich wytworzonych kompozytów bogata była w międzymetaliczne wytrącenia zawierające m.in. żelazo, miedź, cynk. Pustki na styku metalowa osnowa/cząstka ceramiczna były również obserwowane, jednakże całkowita porowatość wynosiła < 1%. W kompozycie zbrojonym submikronowymi cząstkami AlN widoczne były również obszary o zrekrystalizowanych ziarnach osnowy, pozbawione fazy międzymetalicznej. Pomiary twardości kompozytów wykazały najwyższą twardość kompozytu z dodatkiem ∼ 1 µm AlN - 320 HV - w porównaniu z twardością 250 HV w przypadku dodatku < 1 µm AlN. Najwyższa wytrzymałość na ściskanie została również zarejestrowana dla kompozytu o zbrojeniu ∼ 1 µm, jednakże była tylko nieznacznie większa od kompozytu z dodatkiem submikronowego AlN.