Fabricación de materiales compuestos ligeros de matriz metálica az91e/si3n4 mediante infiltración espontánea

Abstract

In this study, lightweight magnesium matrix composites reinforced with Si3N4 were fabricated and characterized. Passive oxidation kinetics of α-Si3N4 and (α+β)-Si3N4 powders were evaluated at temperatures ranging from 1000 to 1200 °C. This oxidation process aimed to enhance wettability and pressureless infiltration of AZ91E magnesium alloy. The oxidation kinetic constants (kp) were determined to be 9.11e-16 and 6.35e-16 kg2/m4s for α-Si3N4 and (α+β)-Si3N4, respectively, with respective oxide layer depths of 4.25 nm and 3.69 nm. The presence of β phase in silicon nitride was found to decrease oxidation rate with prolonged treatment and modify surface amorphous SiO2 morphology. Successful fabrication of AZ91E/Si3N4 composite materials was achieved via spontaneous infiltration, albeit with observed low reproducibility. Challenges were identified in the sintering of oxidized Si3N4 powders, leading to cracking and alloy river formation during infiltration. Despite this, significant improvements in wear resistance and hardness were observed in the manufactured composites, with hardness values ranging from 340 to 770 Hv, and specific wear rate reduced by over 50% due to Si3N4 addition. The coefficient of thermal expansion decreased to 13.63x10-6 K-1 compared to AZ91E alloy's 26x10-6 K-1, attributed to Si3N4's low CTE of 3.5x10-6 K-1. Areas for future research were identified, including dynamic recrystallization and particle effects on recrystallization kinetics, which could contribute significantly to the scientific knowledge in the field of lightweight metal matrix composites.

En este estudio, se fabricaron y caracterizaron compuestos de matriz de magnesio ligero reforzados con Si3N4. Se evaluó la cinética de oxidación pasiva de polvos de α-Si3N4 y (α+β)-Si3N4 a temperaturas entre 1000 y 1200 °C. Este proceso de oxidación tuvo como objetivo mejorar la mojabilidad e infiltración sin presión de la aleación de magnesio AZ91E. Las constantes cinéticas de oxidación (kp) se determinaron en 9.11e-16 y 6.35e-16 kg2/m4s para α-Si3N4 y (α+β)-Si3N4, respectivamente, con profundidades de capa de óxido de 4.25 nm y 3.69 nm. Se encontró que la presencia de fase β en el nitruro de silicio disminuyó la velocidad de oxidación con un tratamiento prolongado y modificó la morfología del SiO2 amorfo superficial. Se logró la fabricación exitosa de materiales compuestos AZ91E/Si3N4 mediante infiltración espontánea, aunque se observó una baja reproducibilidad. Se identificaron desafíos en la sinterización de polvos de Si3N4 oxidados, lo que condujo a la formación de grietas y ríos de aleación durante la infiltración. A pesar de esto, se observaron mejoras significativas en la resistencia al desgaste y la dureza en los compuestos fabricados, con valores de dureza que oscilan entre 340 y 770 Hv, y una reducción en la tasa de desgaste específica en más del 50% debido a la adición de Si3N4. El coeficiente de expansión térmica disminuyó a 13.63x10-6 K-1 en comparación con los 26x10-6 K-1 de la aleación AZ91E, atribuido al bajo CTE de Si3N4 de 3.5x10-6 K-1. Se identificaron áreas para futuras investigaciones, incluida la recristalización dinámica y los efectos de las partículas sobre la cinética de recristalización, que podrían contribuir significativamente al conocimiento científico en el campo de los compuestos de matriz metálica ligera.