Production of Cu-WS2 composites for aerospace applications : effects of process parameters on tribological and electrical properties

A slip ring is an electromechanical device that allows the continuous transmission of electrical signals or power from a static component to a rotating one and vice versa, while ensuring mechanical connection between them. Thanks to high transmission efficiency and simple structure, this device finds countless applications among which the helicopter’s rotor de-icing system is placed. This thesis work is focused on the production and characterization of self-lubricating copper metal matrix composite materials containing tungsten disulfide as solid lubricant. These materials are intended for use in slip ring brushes with the aim of increasing their service life thanks to the continuous supplying of lubricants to the worn surfaces. The production of Cu-10 wt.% WS2 composites is carried out through different powder metallurgy routes, namely single pressing-single sintering (PS), double pressing-single sintering (PSP), and double pressing-double sintering (PSPS), by exploiting different combination of sintering temperature (550, 700, or 800 °C), pressing load (6 or 8 tons) and time span (5 or 15 minutes). The composites, compacted in the form of tablets, are characterized in order to evaluate the effect of process parameters on different properties, mainly tribological and electrical ones. The characterization is performed by measuring density, hardness, Optical Contact Angle, electrical resistance, and by carrying out wear test, optical and scanning electron microscopies. From the analysis, it can be inferred that the major effect on the improvement of investigated properties is determined by the application of the second pressing, while the second sintering and sintering temperature have a minor effect. Therefore, double pressing-single sintering compaction route is the best and cheapest one to achieve the desired properties for the application of copper-tungsten disulfide composite as material for brushes in slip ring system. In detail, second pressing at 8 tons for 15 minutes allows to obtain better electrical and tribological performances, especially if applied after a first pressing at 8 tons for 5 minutes.

Un collettore rotante è un dispositivo elettromeccanico che consente la trasmissione continua di segnali elettrici o di potenza da un componente statico a uno rotante e viceversa, garantendo al contempo il collegamento meccanico tra di essi. Grazie all'elevata efficienza di trasmissione e alla semplicità strutturale, tale dispositivo trova innumerevoli applicazioni. Tra di esse, si colloca il sistema di sbrinamento del rotore dell'elicottero. Il presente lavoro di tesi è focalizzato sulla produzione e caratterizzazione di materiali compositi autolubrificanti a matrice metallica di rame contenenti disolfuro di tungsteno come lubrificante solido, destinati alla produzione delle spazzole utilizzate nei collettori rotanti con l'obiettivo di aumentarne la durata grazie al rifornimento continuo di lubrificante solido sulla superficie usurata. La produzione dei compositi contenenti rame e il 10% in peso di WS2 viene effettuata attraverso diversi processi di metallurgia delle polveri, ossia singola pressatura-singola sinterizzazione (PS), doppia pressatura-singola sinterizzazione (PSP) e doppia pressatura-doppia sinterizzazione (PSPS), sfruttando diverse combinazioni di temperatura di sinterizzazione (550, 700, o 800 °C), carico (6 o 8 tonnellate) e durata temporale (5 o 15 minuti) per il processo di pressatura. I compositi, compattati sotto forma di pastiglie, vengono caratterizzati per valutare l'effetto dei parametri di processo su diverse proprietà, principalmente tribologiche ed elettriche. La caratterizzazione viene eseguita misurando la densità, la durezza, l’angolo di contatto ottico, la resistenza elettrica, ed eseguendo test di usura, microscopia ottica ed elettronica a scansione. Dall'analisi eseguita emerge che l'effetto maggiore sul miglioramento delle proprietà considerate è determinato dall’utilizzo della seconda pressatura, mentre la seconda sinterizzazione e la temperatura di sinterizzazione giocano un ruolo minore. Pertanto, il processo di doppia pressatura-singola sinterizzazione risulta essere il migliore e il più economico per ottenere le proprietà desiderate per l'applicazione finale del composito in esame come materiale per spazzole dei collettori rotanti. Nel dettaglio, la seconda pressatura a 8 tonnellate per 15 minuti permette di ottenere migliori prestazioni elettriche e tribologiche, soprattutto se applicata dopo una prima pressatura a 8 tonnellate per 5 minuti.