Spark Plasma Sintering of the mixtures of metallic powders and metal matrix composites: peculiarities of the structure formation and properties of the sintered materials

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The peculiarities of the behavior of the powder mixtures of metals and metal matrix composites during Spark Plasma Sintering (SPS) using Ti3SiC2-Cu, Fe-Ag, NiO-Ni, Cu2O-Cu, and Fe-Al systems as examples are analyzed in the work. The physical and chemical aspects of the formation of contacts between composite agglomerates obtained by mechanical treatment of the powder mixtures in a high-energy ball mill and the possibilities of the SPS method for the production of metal matrix composites combining different strengthening mechanisms are discussed. In the Ti3SiC2-Cu composites obtained by mechanical milling and SPS, the copper matrix remains in the nanocrystalline state, and the total contribution of dislocation and grain boundary strengthening is greater than the contribution of dispersion strengthening. Microstructural studies of the sintered Ti3SiC2-Cu and Fe-Ag compacts show that during SPS of mechanically milled powders, areas of inter-agglomerate contacts can experience melting. In the systems capable of interfacial interactions, the latter preferentially occur at the inter-agglomerate contacts. The conditions for the efficient reduction of oxide films present on the surface of metallic particles during the SPS using a partially oxidized copper powder containing Cu2O and a partially oxidized nickel powder containing NiO are examined. It is found that under the SPS conditions commonly used in the consolidation practice of metallic powders, elimination of oxide films present on the surface of metallic powders is due to chemical reduction of the oxides by carbon. It is experimentally shown, that reactive pressureless SPS can produce porous materials of high open porosity.

About the authors

D. V Dudina

Lavrentyev Institute of Hydrodynamics of the Siberian Branch of the RAS; Novosibirsk State Technical University; Institute of Solid State Chemistry and Mechanochemistry Siberian Branch of Russian Academy of Sciences

Email: dina1807@gmail.com
15, Ac. Lavrentieva ave., Novosibirsk, 630090, Russian Federation; 20, Prospect K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation; 18, Kutateladze st., Novosibirsk, 630128, Russian Federation

References

  1. Groza J.R., Zavaliangos A. Nanostructured bulk solids by field activated sintering // Reviews on Advanced Materials Science. - 2003. - Vol. 5. - P. 24-33.
  2. Munir Z.A., Anselmi-Tamburini U., Ohyanagi M. The effect of electric field and pressure on the synthesis and consolidation of materials: a review of the spark plasma sintering method // Journal of Materials Science. - 2006. - Vol. 41, iss. 3. - P. 763-777. - doi: 10.1007/s10853-006-6555-2.
  3. Consolidation/synthesis of materials by electric current activated/assisted sintering / R. Orrù, R. Licheri, A.M. Locci, A. Cincotti, G. Cao // Materials Science & Engineering: R: Reports. - 2009. - Vol. 63, iss. 4-6. - P. 127-287. - doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.mser.2008.09.003.
  4. Spark plasma sintering of metals and metal matrix nanocomposites: a review / N. Saheb, Z. Iqbal, A. Khalil, A.S. Hakeem, N.A. Aqeeli, T. Laoui, A. Al-Qutub, R. Kirchner // Journal of Nanomaterials. - 2012. - Vol. 2012. - Art. 983470. - 13 p. - doi: http://dx.doi.org/10.1155/2012/983470.
  5. The influence of premolding load on the electrical behavior in the initial stage of electric current activated sintering of carbonyl iron powders / Y. Ye, X. Li, K. Hu, Y. Lai, Y. Li // Journal of Applied Physics. - 2013. - Vol. 113, iss. 21. - P. 214902. - doi: http://dx.doi.org/10.1063/1.4808339.
  6. Aman Y., Garnier V., Djurado E. Pressure-less spark plasma sintering effect on non-conventional necking process during the initial stage of sintering of copper and alumina // Journal of Materials Science. - 2012. - Vol. 47, iss. 15. - P. 5766-5773. - doi: 10.1007/s10853-012-6469-0.
  7. Никулина А.А. Формирование неоднородной структуры железоуглеродистых сплавов спеканием частиц разнородных сталей // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). - 2016. - № 3 (72). - С. 52-61. - doi: 10.17212/1994-6309-2016-3-52-61.
  8. Bonifacio C.S., Holland T.B., Benthem K. van. Evidence of surface cleaning during electric field assisted sintering // Scripta Materialia. - 2013. - Vol. 69, iss. 11-12. - P. 769-772. - doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.scriptamat.2013.08.018.
  9. Oxide reduction effects in SPS processing of Cu atomized powder containing oxide inclusions / R. Collet, S. le Gallet, F. Charlot, S. Lay, J.M. Chaix, F. Bernard // Materials Chemistry and Physics. - 2016. - Vol. 173. - P. 498-507. - doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.matchemphys.2016.02.044.
  10. The critical role of heating rate in enabling the removal of surface oxide films during spark plasma sintering of Al-based bulk metallic glass powder / X.P. Li, M. Yan, H. Imai, K. Kondoh, G.B. Schaffer, M. Qian // Journal of Non-Crystalline Solids. - 2013. - Vol. 375. - P. 95-98. - doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2013.05.001.
  11. Ti3SiC2-Cu composites by mechanical milling and Spark Plasma Sintering: possible microstructure formation scenarios / D.V. Dudina, V.I. Mali, A.G. Anisimov, N.V. Bulina, M.A. Korchagin, O.I. Lomovsky, I.A. Bataev, V.A. Bataev // Metals & Materials International. - 2013. - Vol. 19, iss. 6. - P. 1235-1241. - doi: 10.1007/s12540-013-6015-x.
  12. Bokhonov B.B., Dudina D.V. Recrystallisation-accompanied phase separation in Ag-Fe and Ag-Ni nanocomposites: a route to structure tailoring of nanoporous silver // RSC Advances. - 2013. - Vol. 3, iss. 31. - P. 12655-12661. - doi: 10.1039/C3RA41377B.
  13. Dudina D.V., Bokhonov B.B. Elimination of oxide films during Spark Plasma Sintering of metallic powders: a case study using partially oxidized nickel // Advanced Powder Technology. - 2017. - Vol. 28, iss. 2. - P. 641-647. - doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.apt.2016.12.001.
  14. Dudina D.V., Bokhonov B.B., Mukherjee A K. Formation of aluminum particles with shell morphology during pressureless Spark Plasma Sintering of Fe-Al mixtures: current-related or Kirkendall effect? // Materials. - 2016. - Vol. 9, iss. 5. - P. 375. - doi: 10.3390/ma9050375.
  15. Zhang P., Li S.X., Zhang Z.F. General relationship between strength and hardness // Materials Science & Engineering: A. - 2011. - Vol. 529. - P. 62-73. - doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.msea.2011.08.061.
  16. Miller W.S., Humphreys F.J. Strengthening mechanisms in particulate metal matrix composites // Scripta Metallurgica & Materialia. - 1991. - Vol. 25, iss. 1. - P. 33-38. - doi: http://dx.doi.org/10.1016/0956-716X(91)90349-6.
  17. Karczewski K., Stępniowski W.J., Jóźwiak S. Highly-porous FeAl intermetallic foams formed via sintering with Eosin Y as a gas releasing agent // Materials Letters. - 2016. - Vol. 178. - P. 268-271. - doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.matlet.2016.05.047.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».