Metal matrix composite: structure and technologies

Metal matrix composites are materials having high application potentiality, whose critical points regards especially production technology and machining. A titanium matrix composite reinforced by unidirectional SiC fibers, Ti6Al4V-SiCf , is candidate to components of aeronautical turbines subjected at middle temperatures (500-600°C) for long exposure time. It has been examined about the micro-chemical reactions, occurring especially on the fiber-matrix interface, and the mechanical properties. The microstructure, in as-fabricated condition and after long-term heat treatments simulating the work condition has been investigated by means of high-temperature X-ray diffraction (XRD), energy dispersion spectrometry (SEM/EDS), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and Auger electron spectroscopy (AES). The mechanical behaviour, in as-fabricated condition and after heat treatments, have been inspected by instrumented indentation (FIMEC), dynamic modulus, tensile and fatigue tests. Moreover, to the verify the characteristic anelastic phenomena for the composite, internal friction probes have been carried out by using a vibrating reed technique with electrostatic excitation and frequency modulation detection of flexural vibration. The study has been developed on the same composite produced by two different fabrication process, Hot Isostatic Pressure and Roll Diffusion Bonding, confirming the suitable of the material for the considered applications. About the composite machining, aluminium matrix composite reinforced by short fiber or particle has been studied about drilling operations, evaluating the better condition to reduce the cutting forces (thrust and torque), especially as function of the workpiece temperature (hot drilling)

I compositi a matrice metallica sono materiali aventi elevate potenzialità di applicazione, i cui punti critici riguardano soprattutto le tecnologie di produzione e le lavorazioni alle macchine utensili. Un composito a matrice di titanio rinforzato con lunghe fibre unidirezionali in SiC, il Ti6Al4V-SiCf, è candidato per componenti di turbine aeronautiche soggette a medie temperature (fino a 600°C) per lunghi tempi di esposizione. Per questo ne sono state esaminate sia le reazioni di tipo microchimico, le quali accadono soprattutto nell’interfaccia fibra/matrice, sia le proprietà meccaniche. La microstruttura allo stato tal quale e dopo lunghi trattamenti termici (fino a 100 ore e 600°C) è stata esaminata mediante diffrazione ai raggi X (XRD), spettrometria elettronica (SEM/EDS), spettroscopia di fotoemissione (XPS) e spettroscopia Auger (AES). Il comportamento meccanico, anche qui sia allo stato tal quale che dopo trattamenti termici, è stato studiato attraverso prove ad indentazione strumentata (FIMEC), di modulo dinamico, prove di trazione e di fatica. Inoltre sono state eseguite prove di frizione interna per verificare il caratteristico comportamento anelastico del materiale, durante condizioni di elevato stato vibrazionale e di alta temperatura. Lo studio, sviluppato sullo stesso composito prodotto però mediante due processi di fabbricazione differenti come Hot Isostatic Pressure and Roll Diffusion Bonding, ha confermato l’idoneità del materiale alle applicazioni considerate. Per quanto riguarda lo studio della lavorabilità, sono stati studiati, dal punto di vista dell’operazione di foratura, i materiali compositi a matrice di alluminio rinforzati a fibre corte o particolato, valutando le migliori condizioni di riduzione delle forze di taglio, soprattutto in funzione delle temperatura del pezzo da forare.