Thermal Shock Behaviour of Particle Reinforced 2618 Al/Al2O3 MMC

Abstract

Discontinuously reinforced metal matrix composites (DRMMCs) based on aluminum alloys are fast becoming the materials of choice in many structural and non-structural applications. They have the unique combination of strength, stiffness, coefficient of thermal expansion and affordability as well as the capability to be manufactured by conventional metal processing methods. The most notable production applications are found in the aerospace, automobile, electronics and sports equipment industries. Despite the great potential possessed by MMCs, there are still some concerns regarding the effect of the reinforcements, which are mostly ceramics, on the properties of the matrix alloys. Among these is the thermal shock resistance of the matrix material.

Some of the applications in which DRMMCs are bound to find themselves will inevitably involve an element of thermal cycling where components will be subjected to rapidly changing stress states and thus thermal shock damage. In the present study, the thermal shock behaviour of 2618 Al alloy and its composite containing 10 vol.% Al₂O₃ particles was investigated using hardness measurements, scanning electron microscopy (SEM) and differential scanning calorimetry (DSC). Under cyclic thermal shock conditions, the matrix alloy failed by matrix cracking at the surface, whereas the reinforcing Al₂O₃ particles simply shattered. Also, thermal shock treatment affected the precipitation kinetics and the volume fraction of the precipitate phases formed in both materials.

Les composites à matrice métallique à renforcement discontinu (CMMRDs) basés sur les alliages d'aluminium deviennent rapidement les matériaux de choix de plusieurs applications structurales et non-structurales. Ils ont une combinaison unique de résistance, de rigidité, de coefficient d'expansion thermique, de bas prix ainsi que la capacité d'être fabriqués par des méthodes conventionnelles de traitement du métal. Les applications les plus remarquables en production se trouvent au niveau des industries de l'aérospatial, de l'automobile, de l'électronique et d'équipement de sports. En dépit de l'énorme potentiel des CMMRDs, il y a encore des inquiétudes en ce qui a trait à l'effet des renforcements, qui sont principalement des céramiques, sur les propriétés des alliages de la matrice. Parmi celles-ci, on trouve la résistance aux chocs thermiques du matériel de la matrice.

Dans certaines applications, on trouve inévitablement un élément de cycle thermique où les composantes sont exposées à des états de contrainte changeant rapidement et, par conséquent, à un endommagement par choc thermique. Dans cette étude, on a étudié le comportement de choc thermique de l'alliage d'aluminium 2618 et de son composite contenant 10% en volume de particules d'Al₂O₃. On a utilisé les mesures de dureté, la microscopie électronique à balayage (SEM) ainsi que la calorimétrie par analyse différentielle (DSC). Sous conditions de choc thermique cyclique, l'alliage de la matrice a fait défaut par fissuration de la matrice à la surface alors que les particules de renforcement d'Al₂O₃ se sont simplement brisées en éclats. Le traitement de choc thermique a également affecté la cinétique de précipitation et la fraction volumique des phases de précipité formées dans les deux matériaux.