Designing novel composite materials with combination of amorphous and crystalline structure  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
112623
Type K
Principal investigator Roósz, András
Title in Hungarian Új kompozit anyagok tervezése amorf és kristályos szerkezet társításával
Title in English Designing novel composite materials with combination of amorphous and crystalline structure
Keywords in Hungarian kompozit, amorf, kristályos, őrlés, melegsajtolás
Keywords in English composite, amorphous, crystalline, ball-milling, hot pressing
Discipline
Material Science and Technology (engineering and metallurgy) (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Nanotechnology (Materials technology)
Panel Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences
Department or equivalent MTA-ME Materials Sciences Research Group (Office for Research Groups Attached to Universities and Other Institutions of the Hungarian Academy of Sciences)
Participants Czél, Györgyné
Kissné Svéda, Mária
Mikó, Tamás
Mizser-Tomolya, Kinga
Pekker, Péter
Sycheva, Anna
Starting date 2014-10-01
Closing date 2017-09-30
Funding (in million HUF) 20.952
FTE (full time equivalent) 3.62
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

A tömbi amorf ötvözetek kiemelkedő szilárdsági tulajdonságokkal rendelkeznek szemben a csekély mértékű képlékenységükkel. Utóbbi tulajdonság jelentősen javul, ha képlékeny alakváltozásra képes kristályos részeket tartalmaz a tömbi anyag. Ezért ha az amorf ötvözetet, mint mátrixot és más összetételű kristályos anyagokat, mint „erősítő anyagot” használunk, akkor létrehozható olyan kompozit, amely a két anyag jó tulajdonságait egyesíti. Létrehozható ilyen kompozit többek között porkohászati úton, meleg sajtolással. A meleg sajtolás előnye kettős. Egyrészt ezzel a technológiával nagyobb méretű tömbi darabokat tudunk előállítani, másrészt az amorfokra jellemző ún. túlhűtött olvadék tartomány kihasználható. Ebben a hőmérséklet tartományban az amorf ötvözeteket túlhűtött olvadéknak kell tekinteni, s így olvadék fázisú szintereléshez hasonló jelenség zajlik le. Számos új lehetőség származhat az amorf ötvözetek-kristályos erősítő fázis kombinációiból. A nemzetközi irodalomban számos publikáció található az amorf porok előállításáról, és csak néhány foglalkozik azok alakadásával. Magyarországi viszonylatban a választott téma egyedülálló. Kutatásunk célja Cu-Zr alapú kristályos ötvözetekből amorf porok előállítása, termikus és szerkezet vizsgálata,

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.

A kutatás kiinduló hipotézise, hogy amorf szerkezetű port (mátrix) kristályos porral összekeverve és melegen préselve a mátrix képlékenységi tulajdonságai javíthatók. Választ keresünk arra, hogy az amorf ötvözetek túlhűtött olvadék tartományában valóban történhet-e érdemleges tömörítés és milyen mértékben közelíthető meg az elméleti sűrűség. Továbbá kérdés, hogy az amorf por – kristályos por keverékarányt változtatva hogyan befolyásolhatók a mechanikai tulajdonságok.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!

A tömbi amorf ötvözetek ipari felhasználása még gyerekcipőben jár, amelynek oka az előállítási körülményekben és a kismértékű képlékenységében rejlik. A tömbi amorf anyagok olvadékból való előállítása gyors hűtéssel nagy térfogatban még gazdaságosan nem megoldott vagy nem lehetséges. A porkohászati út, azaz az amorf por előállítása, az amorf+kristályos porkeverék meleg sajtolása egy olyan lehetséges út, amellyel nagy szilárdságú, és szívós terméket lehetne előállítani. Ezen kívül porkohászattal gyakorlatilag megadható egy termék végső alakja, utólagos megmunkálásra már nem, vagy csak igen csekély mértékben szükséges. A későbbiekben ez az anyag bárhol használható lesz, ahol szükség van a nagy szilárdságra és képlékenységre együttesen, így pl. autóipar, elektronikai ipar, gépgyártás.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média illetve az adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

A kutatómunkában új anyagot szeretnénk kifejleszteni, amely a későbbiekben alapanyagául szolgál a gépipar, autóipar vagy az elektronikai ipar számára. A cél egy kettős szerkezetű anyag, azaz kompozit gyártása, amelyet egy amorf mátrix és egy kristályos második fázis alkot. Mátrixnak amorf ötvözetet választunk, mert azok szilárdsága többszörösen meghaladja az ugyanolyan összetételű kristályos ötvözetekét, azonban képlékenysége javításra szorul. A mátrix és a kristályos, tulajdonságot javító anyag por alakban adott. Azok összekeverésével és meleg préselésével formakész alkatrészeket kapunk.
A kutatás első célja az amorf por előállítása, amelyet kristályos alapanyag őrlésével valósítunk meg. Továbbá a kapott amorf port kristályos porral keverjük össze különböző arányban, amellyel így módosíthatók a kapott kompozitok tulajdonságai. Célunk végül pedig a porkeverékek meleg sajtolásával kész darabok készítése és vizsgálata különböző modern méréstechnikák segítségével.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

Summary
Bulk amorphous alloys have outstanding strength properties, while their ductility is low. The latter property can be significantly improved by ductile crystalline parts. Hence, if we use an amorphous alloy as matrix and a crystalline one as reinforcing material, then such a composite can be produced that combines the advantages of the two different materials. The composites can be obtained inter alia by powder metallurgy, by hot pressing. Double benefit can be won by using hot pressing. On the one hand, bulk amorphous samples with larger size can be created. On the other hand, the supercooled liquid region of amorphous alloys can be utilized. Amorphous alloys behave in this temperature region as an undercooled liquid, so a process similar to liquid phase sintering takes place. The combination of amorphous alloys and crystalline reinforcing gives a lot of new promising opportunities. A large number of foreign research papers are devoted to the production of amorphous powders (mechanical milling) but only few of them deals with their consolidation. The selected topic is not well known and investigated in Hungary. The aim of the planned research is the production of Cu-Zr-based and Ti-based amorphous powders from crystalline alloys and investigation of the thermal and structural properties, as well as their mixing with crystalline powders, then consolidation by hot pressing. Our further aim is to perform mechanical tests and evaluation of results.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.

Fundamental questions of the research
The initial hypothesis of the research is that the ductile properties of the amorphous matrix can be improved by adding a crystalline powder to the amorphous powder, mixing and hot pressing. We are looking for an answer, whether relevant consolidation can be achieved in the supercooled liquid region, to what extent the theoretical density can be approached. Furthermore, how the ratio of amorphous and crystalline powders influences the mechanical properties.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.

Significance of the research
Industrial application of bulk amorphous alloys is still in its infancy because of the production conditions and low ductility of such alloys. Economical industrial scale production of bulk amorphous alloys by rapid cooling of the melt has not been solved yet or is impossible. Powder metallurgy, e.g. hot pressing of amorphous and crystalline powder mixtures can be a good solution to create a ductile material of a high strength. Moreover, products can be manufactured by powder metallurgy to final dimensions and their machining can be minimized. Later these materials can be used everywhere where both high strength and ductility are required, for instance, automobile and electronic industry, mechanical engineering.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

Summary of the research for non-specialists
In the research work, we would like to develop such kind of new material that can be used as base material in automobile and electronic industry, mechanical engineering. The goal is to create composites, e.g. materials with dual structure, which consist of an amorphous matrix and a crystalline reinforcement. Amorphous alloys are selected as matrix because of their strength, which is several times as high as that of the crystalline ones of the same composition, but their ductility should be improved. The matrix and the reinforcing material are in the form of powders; mixing and hot pressing them one obtains ready-shaped parts.
The first aim of the planned research is the production of Cu-Zr-based and Ti-based amorphous powders by ball-milling crystalline alloys. Furthermore, the obtained amorphous powder will be mixed with crystalline powders in different ratios in order to modify the quality of the composites. Finally, our aim is to create products by hot pressing and to investigate them by modern measuring techniques.





 

Final report

 
Results in Hungarian
1. Amorf-nanoszerkezetű, Cu-Zr és Ti-alapú, nagy szilárdságú, de rossz képlékeny tulajdonságot mutató port tiszta Cu kristályos porral összekeverve és melegen préselve nagy szilárdságú, jó képlékenységet mutató kompozitokat készítettünk. 2. Az amorf-nanoszerkezetű darabok melegsajtolását a túlhűtött olvadék tartomány hőmérsékletéhez közel végeztük, és így a kompozitokban a porozitás 50 tömeg% amorf-nanoszerkezetű portartalom esetén is 9 % volt. 3. Az amorf-nanoszerkezetűpor/kristályos por keverékarányt 2-50 tömeg%-os tartományban változtattuk, és a mechanikai szilárdság folytonosan növekedett, míg a képlékeny alakváltozás a perkolációs határt átlépve drasztikusan csökkent.
Results in English
1. Amorphous nanostructured composites showing high strength and good plasticity have been obtained by mixing and hot pressing a Cu-Zr and Ti-based powder on that has high strength but poor plasticity with powder of pure crystalline Cu. 2. Hot pressing of the amorphous nanostructured composites was carried out at the temperature being close to that of the region of supercooled liquid; thus, in the case of 50 m/m % content of the amorphous nanostructured powder the porosity of composites was 9% only. 3. The ratio of amorphous nanostructured powder to crystalline powder varied in the range of 2-50 m/m %; due to this, the mechanical strength of the composite increased continuously, while the plasticity drastically decreased passing the percolation boundary.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=112623
Decision
Yes





 

List of publications

 
K Tomolya, A Sycheva, M Sveda, P Arki, T Miko, A Roosz, D Janovszky: Synthesis and characterization of copper-based composites reinforced by CuZrAlNiTi amorphous particles with enhanced mechanical properties, METALS 7: (3) , 2017
K Tomolya, D Janovszky, A Sycheva, M Sveda, T Ferenczi, A Roósz: Studying amorphization progress in Cu-Zr-Al-based powders durin ball milling, RESOLUTION AND DISCOVERY 1: (1) 9-14, 2016
M. Sveda,A Sycheva, T. Miko, F. Kristaly, A. Racz, T. Ferenczi, D. Janovszky: Effect of Ni and Zr on the microstructural evolution of Ti-based alloys during ball-milling, JOURNAL OF NON-CRYSTALLINE SOLIDS, 2017
K. Tomolya; D. Janovszky; A. Sycheva; M. Sveda; T. Ferenczi; A. Roósz: Studying Amorphization Progress in Cu-Zr-Al-Based Powders during Ball-Milling, Resolution and Discovery, 2016
Kinga Tomolya; Dora Janovszky; Anna Sycheva; Maria Sveda; Peter Arki; Andras Roosz: Producing amorphous/crystalline composites by powder metallurgy, Book of Abstracts, 2016
Dora Janovszky; Kinga Tomolya; Anna Sycheva; Maria Sveda; Andras Roosz: Producing Ti- based amorphous/nanocrystalline powder using high-energy mechanical milling, Book of Abstracts, 2016
Tomolya K, Janovszky D, Sycheva A, Sveda M, Ferenczi T, Roósz A: Peculiarities of ball-milling induced crystalline-amorphous transformation in Cu-Zr-Al-Ni-Ti alloys, INTERMETALLICS 65: 117-121, 2015
Kinga Tomolya, Dora Janovszky, Anna Sycheva, Maria Sveda, András Roosz: PRODUCING OF AMORPHOUS NANOCRYSTALLINE COMPOSITE POWDERS, In: Ágnes Kittel, Béla Pécz (szerk.) (szerk.) 12th Multinational Congress on Microscopy: MCM 2015. Budapest: Akadémiai Kiadó, 2015. pp. 497-499., 2015
D. Janovszky, K Tomolya, A. Sycheva, M. Sveda, A. Roosz: Producing Ti- based amorphous/nanocrystalline powder using high-energy mechanical milling, In: Graz University of Technology 9th International conference on Processing and Manufacturing of Advanced Materials, 2016
K Tomolya, D. Janovszky, A. Sycheva, M. Sveda, P. Arki, A. Roosz: Producing amorphous/crystalline composites by powder metallurgy, Graz University of Technology 9th International conference on Processing and Manufacturing of Advanced Materials, 2016





 

Events of the project

 
2017-08-10 15:16:35
Résztvevők változása
2016-07-04 15:33:14
Résztvevők változása




Back »