Material Science and Technology (engineering and metallurgy) (Council of Physical Sciences)
80 %
Ortelius classification: Materials technology
Material Science and Technology (chemistry) (Council of Physical Sciences)
10 %
Material Science and Technology (physics) (Council of Physical Sciences)
10 %
Ortelius classification: Materials technology
Panel
Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences
Department or equivalent
Department of Materials Science and Engineering (Budapest University of Technology and Economics)
Starting date
2010-10-01
Closing date
2013-09-30
Funding (in million HUF)
29.868
FTE (full time equivalent)
2.24
state
closed project
Summary in Hungarian
Kielégítő minőségű fémmátrixú kompozitok gyártásához biztosítani kell a szükséges küszöbnyomást. Ezért a részecskék, mint például a mikrogömbhéjak és mikrogömbök infiltrálása nagyon fontos és érdekes probléma a fémmátrixú kompozitok technológiájában. A projektem fő célja a szükséges küszöbnyomás meghatározása és az infiltrálás kinetikájának leírása. Sok szakirodalmi cikk és konferenciacikk foglalkozik a küszöbnyomás és a az infiltrált hossz infiltrálási nyomás és idő függésének leírásával. Azonban a számítások során sok paraméter és fizikai, kémiai kondíció kerül elhanyagolásra (például a mátrixanyag és az erősítőanyag között lehetséges kémiai reakciók hatása). A fentiek miatt szükséges a számítással meghatározott értékek kritikus ellenőrzése gondosan kivitelezett mérésekkel. Egyben ez adja a projekt alapkutatás jellegét is. A rövid infiltrálási idők (néhány másodperc) tartománxya különösen fontos, mivel a szakirodalom jellemzően a néhány perces időtartományból közöl adatokat. A projektet egy ígéretes anyagtípuson, az úgynevezett szintaktikus habok példáján tervezem keresztülvinni. Ezek olyan fémhabok, amelyekben a porozitást apró, kerámia (vagy fém) mikrogömbhéjak beépítésével biztosítják. A mikrogömbhéjak tipikus átmérője az 50-1000 μm tartományban mozog. A szintaktikus habok remekül alkalmazhatók például energiaelnye-lő vagy rezgéscsillapító elemekként. Az infiltrálási paraméterek és az infiltrált hosszak megmérésével sok fontos paramétert nyerhetünk, amivel elősegíthetjük a fémmátrixú kompozitok gyártásának felgyorsítását.
Summary
In the case of metal matrix composites a required threshold pressure must be ensured in order to get satisfying quality composites. Therefore infiltration of particles, for example microballoons or microspheres is a very important and interesting problem in the metal matrix composite technologies. In my project the main aim is to measure the threshold pressure and to characterize the kinetics of the infiltration. Many articles and conference papers are dealing with the theoretical prediction of the threshold pressure and the dependence of the infiltrated length on infiltration time and pressure. However these works usually neglect many parameters and physical conditions. For example, the possible chemical reactions between the infiltrating metal and the reinforcement. Therefore the confirmation of these theoretical calculations should be carried out by a fundamental research project. The short time infiltrations (a few seconds) are extremely interesting, because the methods published in the professional literature usually works in the few minutes range. The project will be performed on a very promising material type so called syntactic foams. In the case of syntactic foams the porosity is ensured by the incorporation of ceramic (or metallic) microballoons. The diameter of the microballoons varies in the 50-1000 μm range. Syntactic foams can be applied as energy absorbers or damping parts. By the results of infil-tration parameters and infiltrated length many important parameter can be obtained and the production of metal matrix composites can be hastened.
Final report
Results in Hungarian
A hároméves kutatás során számos adatot gyűjtöttünk a szintaktikus fémhabok nyomásos infiltrálással történő gyártásához. Mindemellett a vizsgálati eredmények megteremtették az alapjait a szintaktikus fémhabok kisnyomású melegkamrás öntéssel történő fél-üzemi, vagy üzemi gyártásának is.
A kutatómunkát részletes szakirodalmi kutatás előzte meg, amely alapján kitűzésre kerültek a kutatás során elérendő célok. A kutatómunka fő célja az infiltrálási paramétereknek a várható infiltrált hosszra való hatásának elemzése, különös tekintettel a rövid infiltrálási időtartományban végzett kísérletekre.
Az infiltrálási kísérletek mellett a mikroszerkezeti és mechanikai tulajdonságokat is feltérképeztük, hogy információkhoz jussunk a szintaktikus fémhabok tulajdonságait és mechanikai viselkedését érintően. Fénymikroszkópi vizsgálatokkal kimutattuk, hogy a kísérletek során gyakorlatilag tökéletes infiltrációt sikerült elérni. Röntgenspektrometriás mérésekkel kiegészített elektronmikroszkópi megfigyelésekkel igazoltuk, hogy a mátrixanyag és a kerámia gömbhéjak között kedvező hatású átmeneti réteg épül fel. A mechanikai tulajdonságokat az infiltrálási paraméterek függvényében vizsgáltuk a cellás szerkezetű anyagok nyomóvizsgálatára érvényben lévő szabvány előírásainak megfelelően.
A fent ismertetett vizsgálatok mindegyike megerősítette annak lehetőségét, hogy a kisnyomású melegkamrás öntési eljárás sikeresen alkalmazható a szintaktikus fémhabok fél-üzemi, vagy üzemi gyártására.
Results in English
The three year research study provided numerous data about the pressure infiltration production of metal matrix syntactic foams and established the basic phenomena for the application of hot chamber low pressure die casting as semi-industrial or industrial scale of metal matrix syntactic foam production technique.
The research project was started by a detailed research in the professional literature. Based on this the main aim of the project was to investigate the effects of infiltration parameters on the expected infiltrated length in the short infiltration time ranges.
Beside the infiltration tests microstructural and mechanical tests were performed in order to get information about the properties and mechanical behavior of metal matrix syntactic foams. Light microscopic investigations showed almost perfect infiltration within the specimens, while scanning electron microscopic observations extended by X-ray spectrometry revealed a beneficial interface layer between the matrix material and the reinforcing hollow spheres. Mechanical properties were mapped according to the ruling standard about the compression tests of cellular materials. The mechanical properties were monitored with respect to the infiltration parameters.
All of the above mentioned investigations confirmed the possibility to use hot chamber low pressure die casting as semi-industrial or industrial scale production method of metal matrix syntactic foams.
Orbulov IN; Májlinger K: Microstructural aspects of ceramic hollow microspheres reinforced metal matrix composites, International Journal of Materials Research 104: 903-911, 2013
Orbulov IN; Májlinger K: Microstructure of metal-matrix composites reinforced by ceramic microballoons, Materiali in Technologije 46: 375-382, 2012
Orbulov IN; Ginsztler J: Compressive Behaviour of Metal Matrix Syntactic Foams, Acta Polytechnica Hungarica 9: 43-56, 2012
Orbulov IN; Ginsztler J; Kun P: Infiltration characteristics and compressive behaviour of metal matrix syntactic foams, Materials Science Forum 729: 68-73, 2012
Orbulov IN: Szintaktikus fémhabok mikroszerkezeti vizsgálata, Gép 61: 4-8, 2010
Orbulov IN: Effect of matrix alloying and hollow sphere size on the compressive properties of metal matrix syntactic foams, pp. 1-5 in Proceedings of the International Conference on Cellular Materials: CELLMAT 2012, Dresden Nov 7-9. IFAM, Dresden, 2012
Orbulov IN; Németh Á; Ginsztler J: Effect of alloying and heat treatment on the mechanical properties of metal matrix syntactic foams, pp. 377-382 in Proceedings of the International Conference on Cellular Materials: CELLMAT 2010, Dresden Oct 27-29. IFAM, Dresden, 2010
Orbulov IN: Mikrogömbhéjak nyomásos infiltrációjának vizsgálati módszere, pp. 296-299 in OGÉT 2011 - XIX. Nemzetközi Gépészeti Találkozó, Csíksomlyó Apr 28 - May 1. Erdélyi Magyar Műszaki Tudományos Társaság, Kolozsvár, 2011
Májlinger K; Orbulov IN: Fémgömbhéj erősítésű fémhabok mikroszerkezeti tulajdonságai, pp. 253-256 in OGÉT 2013 - XXI. Nemzetközi Gépészeti Találkozó, Arad Apr 25 - 28. Erdélyi Magyar Műszaki Tudományos Társaság, Kolozsvár, 2013
Májlinger K; Orbulov IN: Elemeloszlás és orientációs vizsgálat szintaktikus fémhabokon, pp. 244-247 in OGÉT 2011 - XIX. Nemzetközi Gépészeti Találkozó, Csíksomlyó Apr 28 - May 1. Erdélyi Magyar Műszaki Tudományos Társaság, Kolozsvár, 2011
Orbulov IN: Infiltration and Mechanical Characteristics of Hollow Spheres Reinforced Metal Matrix Composites, Proceedings of the 8th Conference on Mechanical Engineering, Budapest, May 24-25, pp 403-411, 2012
Májlinger K; Orbulov IN: Elemental distribution and orientation analysis on metal matrix syntactic foams, Proceedings of the 8th Conference on Mechanical Engineering, Budapest May 24-25, pp 301-307, 2012
