Production of composite materials by thixoforming of aluminium chips and ceramic powders blends

Resumo: Este trabalho explora a aplicação da tecnologia de metais semi-sólidos para a fabricação de compósitos de matriz metálica (CMM), e ainda a possibilidade de reciclagem de cavacos de usinagem para a produção destes materiais, buscando o desenvolvimento de uma engenharia de baixo custo. São empregados como matriz a liga AA7075, dada a grande geração de cavacos de usinagem na indústria aeronáutica, e SiC ou NiAl2O4 particulados como reforços. O processo é baseado na tixoconformação de misturas de cavacos e partículas de reforço; é esperada a penetração destas últimas em contornos de glóbulos, contendo líquido, no interior do cavaco no estado semi-sólido. São avaliados parâmetros de processo e sua influência na qualidade do produto, em particular na distribuição de reforço na matriz e interação matriz/reforço. Compósitos tixoconformados contendo 10, 20 e 30% em peso de SiC são avaliados mecanicamente através de ensaios de microindentação instrumentada e desgaste micro-abrasivo. Os resultados mostraram, de modo geral, a viabilidade do processo proposto para a fabricação de diferentes tipos de compósitos, o qual envolve procedimento simples e de reduzido custo, além de mostrar a possibilidade de produção de materiais com boas propriedades mecânicas a partir da reciclagem de cavacos, particularmente importante em uma indústria que envolve elevada demanda de energia, como a do Al. Os resultados indicaram que a qualidade geral do produto, em termos de distribuição do reforço e interação reforço/matriz dependem da adequada seleção dos parâmetros de processo: temperatura, tempo de aquecimento, pressão de tixoconformação. Entre as várias condições estudadas, as composições nas quais foi utilizado NiAl2O4 como reforço apresentaram melhores características microestruturais, com melhor interface entre matriz e reforço e baixa porosidade. Boa dispersão das partículas de reforço e baixa porosidade também foram observados para compósitos reforçados com SiC nos quais foram adicionadas partículas finas de silício e alumina.Abstract: This work explores the application of semi-solid technology to produce metal matrix composites, and also the possibility of using machining chips as raw material. The main aim is to develop a process inserted in a low cost engineering concept. To achieve this general objective, the alloy AA7075 is used as matrix, once a significant amount of rejected chips of this high resistance, low weight alloy is generated in the aeronautical industry. As reinforcing material, SiC or NiAl2O4 particles are used. The proposed process is based on the thixoforming of pre-compacted mixtures of chips and reinforcing particles; it is expected the penetration of reinforcing particles within the semi-solid, thixotropic material. It is analyzed the influence of processing parameters in the final quality of products, particularly in the reinforcement dispersion in the matrix and matrix/reinforcement interface. Thixoformed composites containing 10, 20 and 30% weight SiC are produced and evaluated concerning mechanical properties through indentation tests and micro wear. Results showed the general viability of producing composites by the proposed technique, based on a simple and low cost procedure. It was also shown the possibility of producing materials with good mechanical properties from recycled chips, which is particularly important in the high energy demanding Aluminium industry. Results showed the importance of choosing appropriate processing parameters (temperature, heating rate / soaking time and thixoforming pressure), to achieve desired product quality. Among the various conditions studied, the compositions in which NiAl2O4 was used as reinforcement showed better microstructural characteristics with better interface between matrix and reinforcement, and lower porosity. Good dispersion of the reinforcement particles and low porosity were also observed for SiC reinforced composites in which fine particles of silicon and alumina were added