Z przyjemnością informujemy, że Rada Naukowa IPPT PAN nadała mgr. inż. Sequeira Anil Antony stopień doktora w dziedzinie nauk inżynieryjno-technicznych, w dyscyplinie inżynieria materiałowa. Tytuł rozprawy brzmi: Thermal properties and thermal residual stresses in graded Al–matrix composites reinforced with Al₂O₃ and SiC particles: Experiments and Numerical simulations.
Promotorem pracy jest prof. dr hab. inż. Michał Basista a promotorem pomocniczym: dr inż. Witold Węglewski.
Materiały funkcjonalne gradientowe (FGM) oparte na stopach aluminium, które są przedmiotem niniejszej rozprawy, są zaawansowanymi kompozytami o osnowie metalowej zaprojektowanymi do pracy w warunkach podwyższonych naprężeń i temperatury, które zapewniają efektywne działanie elementów konstrukcji dzięki stopniowej przestrzennej zmianie właściwości mechanicznych i termicznych. Motywacja do zbadania właściwości termicznych i termicznych naprężeń resztkowych gradientowych kompozytów na osnowie aluminiowej wzmacnianych cząstkami ceramicznymi Al₂O₃ i SiC wynika z zapotrzebowania przemysłu motoryzacyjnego na innowacyjne materiały konstrukcyjne do tarcz hamulcowych. Kompozyty gradientowe na osnowie aluminiowej są konkurencyjnymi materiałami dlo nowoczesnych tarcz hamulcowych ze względu na ich wysoką wytrzymałość właściwą, wysoką przewodność cieplną i odporność na zużycie. Odpowiednio zaprojektowana gradientowa struktura Al/Al₂O₃ i Al/SiC może pomóc w zmniejszeniu termicznych naprężeń resztkowych powstających w procesie wytwarzania i skutecznie rozpraszać ciepło generowane podczas hamowania. Wybór dwóch alternatywnych cząstek ceramicznych (Al₂O₃ vs. SiC) do wzmocnienia osnowy ze stopu AlSi12 został zainspirowany podobnymi badaniami przeprowadzonymi w laboratoriach badawczych producentów samochodów (np. CR FIAT i Audi).
W niniejszej pracy stopniowane (lub warstwowe) kompozyty gradientowe (FGM) AlSi12+vAl₂O₃ i AlSi12+vSiC, gdzie v = 10, 20, 30 % obj., zostały przygotowane przy użyciu metody metalurgii proszków. Mieszaniny proszków AlSi12, Al₂O₃ i SiC użyte do uzyskania warstw kompozytowych i FGM przygotowano w planetarnym młynie kulowym. Jako techniki konsolidacji proszków zastosowano prasowanie na gorąco (HP) i spiekanie plazmowo-iskrowe (SPS). Charakterystykę mikrostrukturalną przeprowadzono za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) i rentgenowskiej mikrotomografii komputerowej (micro–XCT). Przewodność cieplna warstw kompozytowych i FGM została wyznaczona przy użyciu techniki błysku laserowego w zakresie temperatur, który odpowiada warunkom pracy tarczy hamulcowej (od temperatury pokojowej RT do 300°C–500°C). Współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE) został wyznaczony w ramach studium przypadku dla kompozytów AlSi12+vSiC za pomocą badań dylatometrycznych w zakresie temperatur od RT do 500°C. Termiczne naprężenia resztkowe zmierzono metodą dyfrakcji neutronów. Dodatkowo przeprowadzono testy liniowego zużycia ściernego w urządzeniu Tabera w celu oceny właściwości tribologicznych kompozytów AlSi12+vAl₂O₃ i AlSi12+vSiC oraz porównania ich z żeliwem szarym, standardowym materiałem stosowanym w seryjnych tarczach hamulcowych.
Optymalizacja parametrów procesów mieszania i konsolidacji proszków pozwoliła na uzyskanie warstw kompozytowych i kompozytów gradientowych o wysokiej gęstości względnej. Ogólnie mówiąc, próbki wytworzone metodą HP były mniej porowate niż próbki SPS, a kompozyty AlSi12+vAl₂O₃ były mniej porowate niż kompozyty AlSi12+vSiC. Pomiary przewodności cieplnej wykazały, że kompozyty bez gradientu składu chemicznego wykazywały niższą przewodność wraz ze wzrostem zawartości ceramiki zarówno dla układu AlSi12+vAl₂O₃, jak i AlSi12+vSiC. W przypadku kompozytów AlSi12+vAl₂O₃, porowatość i międzyfazowy opór cieplny zostały zidentyfikowane jako kluczowe czynniki zmniejszające przewodność cieplną. W przypadku kompozytów AlSi12+vSiC, tworzenie się cienkich warstw tlenków (Al2O₃) i międzyfazowy opór cieplny były głównymi czynnikami przyczyniającymi się do redukcji przewodności cieplnej. Kompozyty gradientowe wykazywały w przybliżeniu stałą przewodność cieplną w badanych zakresach temperatur, osiągając wartość co najmniej dwukrotnie wyższą niż konwencjonalne żeliwo szare, co czyni je obiecującymi materiałami do zastosowania w tarczach hamulcowych.
W symulacjach numerycznych wykorzystano metodę elementów skończonych (MES), przy czym siatki elementów zbudowano na bazie obrazów z mikrotomografii komputerowej (micro–XCT), reprezentujących rzeczywistą mikrostrukturę, w tym defekty, takie jak pory. W modelach MES przewodności cieplnej uwzględniono przewodnictwo cieplne na granicach faz metal–ceramika. Wyniki symulacji numerycznych przewodności cieplnej wykazały doskonałą zgodność z danymi eksperymentalnymi, z błędami względnymi w zakresie od 4% do 6%. Z kolei modele termicznych naprężeń resztkowych wykorzystujące obrazy micro–XCT przy konstruowaniu siatek elementów skończonych pozwoliły oszacować naprężenia resztkowe w wytworzonych materiałach z dużą dokładnością – odchylenie od pomiarów wykonanych za pomocą dyfrakcji neutronów było mniejsze niż 5%. Stwierdzono, że termiczne naprężenia resztkowe są niższe w kompozytach gradientowych w porównaniu z kompozytami bez gradientu, co potwierdziły pomiary za pomocą dyfrakcji neutronów.
Eksperymenty dylatometryczne wykazały, że współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE) w kierunku równoległym do kierunku prasowania kompozytów gradientowych był znacznie niższy niż w kierunku prostopadłym do kierunku prasowania. Ogólnie rzecz biorąc, kompozyty gradientowe wykazały korzystny współczynnik CTE, około 32% niższy niż w przypadku osnowy ze stopu aluminium AlSi12, co wskazuje na zwiększoną stabilność termiczną i przydatność do zastosowań wymagających minimalnych zmian wymiarów w zmiennych warunkach temperaturowych.
W niniejszej rozprawie zbadano właściwości termiczne, termiczne naprężenia resztkowe powstające w procesie wytwarzania i właściwości tribologiczne warstwowych kompozytów gradientowych na osnowie ze stopu AlSi12 wzmocnionych cząstkami Al₂O₃ i SiC, łącząc metody eksperymentalne i numeryczne. Wyniki badań podkreślają potencjał funkcjonalnych opracowanych kompozytów gradientowych jako wysokowydajnych materiałów dla samochodowych tarcz hamulcowych, wykazujących doskonałą przewodność cieplną, zmniejszone naprężenia resztkowe i zwiększoną stabilność termiczną. Zgodność wyników eksperymentalnych z wynikami symulacji numerycznych potwierdza skuteczność zaproponowanych modeli, co może być pomocne w dalszych badaniach i zastosowaniu kompozytów gradientowych w warunkach przemysłowych.
