Fabrication and characterization of functionally graded Al/AlB2 matrix composites for high wear aerospace applications using centrifugal casting

Abstract

Functionally graded advanced composite materials contain reinforcement particles whose volume fraction varies continuously thereby bearing a non-uniform microstructure with continuously changing properties. Aluminum-based functionally graded materials (FGMs) reinforced with AlB2 particles were manufactured by centrifugal casting to obtain these graded properties, which cannot be achievable in monolithic or homogeneous materials. Volume fraction of pores and reinforcements particles, superficial Rockwell hardness (HR15w), Vickers microhardness (HV50), and stereological parameters from the microstructure were measured on Al -2 wt.% Mg - 1, 2, 3 and 4 wt.% B centrifugally cast and gravity cast composites. These materials showed AlB2 particles segregation toward the external zone of the cast piece, resulting in higher hardness and microhardness in this region. Wear behavior of the composites was studied by pin-on-disk wear test. This test was conducted on five zones (0, 5, 10, 15 and 20mm) sectioned along the length of the cylinder of the centrifugally cast aluminum matrix composites (AMC’s) and on stationary (gravity) cast specimens. The results of this study showed the smallest wear volume on the external zone (20mm) of the FGMs. Morphological characterization of the wear tracks by scanning electron microscopy (SEM) helped corroborate the wear volume results.

Materiales compuestos avanzados de gradiente funcional contienen partículas de refuerzo cuya fracción de volumen varia permitiendo la formación de microestructuras no-uniformes con propiedades que cambian continuamente. Materiales de gradiente funcional a base de aluminio (FGMs) reforzados con partículas de AlB2 fueron fabricados mediante fundición centrifuga a fin de obtener propiedades las cuales no se pueden lograr en materiales homogéneos o monolíticos. Fracción de volumen de poros y partículas de refuerzo, dureza superficial Rockwell (HR15w), microdureza Vickers (HV50), tamaño de grano de la fase de matriz de aluminio y tamaño de las partículas de diboruro fueron medidos sobre compuestos de Al-2 wt.%Mg - 1, 2, 3 y 4 wt.% B, fundidos centrífugamente y por gravedad. Estos materiales mostraron segregación de partículas de AlB2 hacia la región más externa de la pieza fundida, resultando en una mayor dureza y microdureza en ésta región. Se estudió el comportamiento al desgaste de éstos compuestos por medio del ensayo de desgate pin-on-disk. Este ensayo se realizó en cinco zonas (0, 5, 10, 15 y 20 mm) seccionadas a lo largo de la longitud de los cilindros de los compuestos de matriz de aluminio fundidos centrífugamente y sobre muestras fundidas estacionariamente (por gravedad). Los resultados del estudio mostraron el menor volumen de desgaste sobre la zona externa (20 mm) de los materiales de gradiente funcional. La caracterización morfológica de las pistas de desgaste haciendo uso del microscopio electrónico de rastreo (MER) ayudó a corroborar los resultados de volumen de desgaste.