Aluminum matrix composites reinforced with alumina nanoparticles

Aluminum alloys show a great number of remarkable properties, such as low density, good resistance to corrosion, low thermal expansion. These characteristics make them very attractive materials for several industrial fields where important applicative constrains have to be satisfied. For example, light weight (higher performance and lower consumption) and improved mechanical and functional properties (strength, corrosion and wear resistance) are essential features that materials have to possess in order to be employed in many applications in the mechanical, automotive, and aerospace field. Another important feature of Al alloys is their recyclability, as reprocessing does not damage their structure. Moreover, CO2 emission limitations and energy cost make lightweight materials a priority condition. In this view, Al based metal matrix composites are considered very interesting. These hybrid materials show opportunities to design light-weight structures with precise balance of mechanical and physical properties, with a relevant improvement on the tribological characteristics and also high temperature strength. Furthermore, the reinforcement particles are generally thermodynamically stable at the elevated temperatures, making these materials suitable for high temperature applications. A novel concept of composites, which further enhances the properties of conventional composites, is given by the design of metals reinforced by nanoparticles. Due to their very small size, the nano-fillers are able to interact with the lattice defects, i.e. dislocations, enabling new strengthening mechanisms to be activated. Their impact can be of great relevance either from the scientific or the technological point of view. Since metal matrix nanocomposites (MMnCs) are a very novel class of materials, the lack of knowledge associated to them has still to be filled up. Several technological issues have to be overcome in order to produce bulk nanocomposites characterized by homogeneous dispersion of nanoparticles and high mechanical performance. The comprehension of the physical phenomena related to their improved mechanical behavior and functional properties is still incomplete and needs a deeper understanding. The aim of this thesis work consisted in the development of Al nanocomposites with enhanced damping and mechanical properties and good workability. The nanocomposites exhibited high strength, good ductility, improved damping behavior and the capability of being worked into wires. Since the production of MMnCs by conventional melting processes was considered to be extremely critical because of the poor wettability of the nanoparticles, different alternative powder metallurgy routes were adopted. Alumina nanoparticles were embedded into Al powders by severe grinding and consolidated using several techniques. Special attention was directed to the structural characterization at micro and nanoscale since uniform nanoparticles dispersion in metal matrix is primarily important. Moreover, some of the billets produced via powder metallurgy were also rolled to prepare wires as an example of final product. The Al nanocomposites revealed an ultrafine microstructure reinforced with alumina nanoparticles produced in-situ or added ex-situ. The work had a strong empirical basis. Different sintering methods and parameters were employed to produce MMnCs characterized by well dispersed nanoparticles in the Al matrix. In particular, different powder metallurgy routes were investigated, including high energy ball milling and unconventional compaction methods (ECAP, BP-ECAP, hot extrusion). The physical, mechanical and functional behavior of the produced materials was then evaluated by different mechanical tests (hardness tests, instrumented indentation, compressive and tensile tests, dynamo-mechanical analysis) and microstructure investigation techniques (scanning and transmission electron microscopy, electron back scattering diffraction, X-ray diffraction, differential scanning calorimetry). The experimental results were then theoretically discussed. Literature equations and models were also used to predict the mechanical behavior of the material and the numerical and experimental results were compared.

Le leghe di alluminio presentano un gran numero di proprietà notevoli come la bassa densità, la buona resistenza alla corrosione, la bassa dilatazione termica. Queste caratteristiche fanno di queste leghe materiali molto interessanti per vari settori industriali in cui importanti vincoli applicativi devono essere soddisfatti. Ad esempio, il peso leggero (maggiori prestazioni e minori consumi) e le migliorate proprietà meccaniche e funzionali (resistenza meccanica, alla corrosione e all'usura) sono caratteristiche essenziali che i materiali devono possedere per essere impiegati in molte applicazioni nel settore della meccanica, in quello automobilistico e in quello aerospaziale. I compositi a matrice di Al sono considerati molto interessanti in quanto questi materiali ibridi mostrano opportunità di progettare strutture leggere con un preciso equilibrio di proprietà meccaniche e fisiche e con migliorate proprietà di resistenza all'usura e alle alte temperature. Un nuovo concetto di materiali, che migliora ulteriormente le proprietà dei compositi convenzionali, è dato dalla progettazione di metalli rinforzati con nanoparticelle. Grazie alle loro dimensioni molto piccole, le nanoparticelle di rinforzo sono in grado di interagire con i difetti reticolari, cioè le dislocazioni, attivando nuovi meccanismi di rinforzo. Il loro impatto può essere di grande rilevanza sia dal punto di vista scientifico che da quello tecnologico. Per produrre nanocompositi caratterizzati da una dispersione omogenea di nanoparticelle e da alte prestazioni meccaniche, diverse difficoltà dal punto di vista produttivo devono essere superate. Inoltre, la comprensione dei fenomeni fisici legati alle loro migliorate proprietà meccaniche e funzionali è ancora incompleta e necessita di una comprensione più profonda. Lo scopo di questa tesi consiste nello sviluppo di nanocompositi di Al caratterizzati da elevate proprietà di damping, proprietà meccaniche e anche da una buona duttilità. Poiché la produzione di nanocompositi mediante processi convenzionali di fusione è stata considerata estremamente critica a causa della scarsa bagnabilità delle nanoparticelle, i nanocompositi sono stati prodotti mediante processi di metallurgia delle polveri. Nanoparticelle di allumina sono state incorporate in polveri di Al attraverso con un processo di macinazione severa e quindi consolidate con diverse tecniche. Particolare attenzione è stata rivolta alla caratterizzazione microstrutturale della dispersione delle particelle nella matrice. Inoltre, alcune delle billette prodotte mediante metallurgia delle polveri sono state anche laminate per al fine di produrre fili nanocompositi come esempio di prodotto finale. I nanocompositi di Al hanno mostrato una microstruttura a grano ultrafine rinforzata con nanoparticelle di allumina sia prodotte in-situ che aggiunte ex-situ. Diversi metodi di sinterizzazione sono stati impiegati per produrre nanocompositi caratterizzati da nanoparticelle ben disperse nella matrice metallica. In particolare, diversi processi di metallurgia delle polveri sono stati impiegati, tra cui la macinazione a sfere ad alta energia e metodi di consolidazione non convenzionali (ECAP, BP-ECAP, estrusione a caldo). I materiali prodotti sono stati poi caratterizzati mediante diverse prove meccaniche (prove di durezza, indentazione strumentata, prove di compressione e trazione, analisi dinamo-meccanica) e di studio della microstruttura (microscopia elettronica a scansione e a trasmissione, EBSD, diffrazione raggi X, calorimetria a scansione differenziale). I risultati sperimentali sono stati quindi teoricamente discussi e confrontati con risultati numerici ricavati con formule e modelli di letteratura.