Sintering simulation of nickel and alumina composite using discrete element method

Abstract

Sendo o resultado da combinação de dois ou mais materiais, os materiais compósitos possuem características únicas e são usados em sistemas de engenharia que necessitam alto desempenho e propriedades altamente específicas, como, por exemplo em aeronaves e equipamentos esportivos. Materiais compósitos podem ser produzidos pela "tecnologia do pó", na qual basicamente o pó metálico e/ou cerâmico é compactado e, por fim, sinterizado. A sinterização é um processo de densificação, onde ocorre a consolidação do material e é a etapa responsável por conferir força e resistência à peça. Assim, nota-se que o controle dessa etapa é determinante para se atingir as propriedades desejadas à peça final. Em paralelo, simulações numéricas do processo de sinterização são uma alternativa em relação a custosos e longos experimentos físicos. Uma metodologia de simulação numérica muito promissora é chamada de Método dos Elementos Discretos (DEM ? Discrete Element Method). Diferentemente dos métodos contínuos de simulação, o DEM considera cada partícula do sistema como um elemento distinto e é ideal para a simulação de meios granulares, como é o caso da sinterização. Assim, esse projeto tem por objetivo simular e analisar o processo de sinterização em estado sólido de materiais compósitos utilizando o Método dos Elementos Discretos. O software utilizado foi o MUSEN, desenvolvido na Universidade Tecnológica de Hamburgo (TUHH - Alemanha). Os materiais do compósito utilizado nas simulação são níquel (metal) e alumina (cerâmico). Especificamente, esse trabalho visa investigar a influência de diferentes proporções de metal/cerâmico em amostras monomodais (apenas um tamanho de partícula) durante a sinterização. Além disso, a influência de partículas maiores de metal em amostras bimodais também foi analisada. Entre as análises conduzidas, foi avaliado o crescimento do raio de contato das partículas entre os diferentes tipos de contatos: metal-metal, cerâmico-cerâmico e metal-cerâmico. O número de coordenação das partículas com esses 3 tipos de contato também foi investigado. Finalmente, a influência de diferentes parâmetros no comportamento de densificação foi analisada e correlacionada com o crescimento de raio de contato e número de coordenação entre as partículas. A partir dos resultados, foi possível confirmar que a modelagem modificada foi capaz de simular a sinterização de compósitos, mesmo para estruturas interpenetrantes. Os resultados das amostras monomodais foram divididos em três diferentes comportamentos de sinterização: controladas pelo metal, controladas pelo cerâmico e estruturas interpenetrantes. As amostras controladas pelo metal apresentaram as maiores taxas de densificação e atingiram as maiores densidades relativas ao final da simulação. As partículas de metal (neste caso níquel) possuem um potencial maior para sinterizar mais rápido que a alumina devido ao seus parâmetros cinéticos e energia superficial. Também foi observado que a adição de uma segunda fase com uma menor atividade de sinterização (alumina) reduz a densificação global em comparação com o puro metal e leva mais tempo para atingir a mesma densidade relativa. As estruturas interpenetrantes apresentaram as menores densificações globais dentre todas amostras devido à densificação independente da fase metálica e cerâmica. Esse comportamento conduziu à formação de muitas fissuras e rachaduras ao longo da amostra e a estrutura inicial foi perdida, formando na verdade uma estrutura porosa. Os resultados das amostras bimodais mostraram um crescimento mais lento do raio de contato para partículas maiores de níquel, como é esperado. Entretanto, a densificação global foi maior para amostras com maiores partículas de níquel. Esse comportamento não era esperado, porém pode ser explicado pela configuração das partículas em estruturas interpenetrantes. Nessas estruturas, não existe uma fase ?matriz?, a fase metálica e cerâmica formam redes contínuas de partículas, chamados de caminhos de percolação. Quando partículas menores estão presentes nessas estruturas, elas apresentam maior força de sinterização, rapidamente se atraem, formam longos aglomerados de partículas e a densificação global praticamente não ocorre. Por outro lado, partículas maiores induzem menores forças de sinterização. Assim, as forças viscosas entre contatos alumina-níquel são suficientes para manter esses contatos unidos e, consequentemente, a densificação global pode ser observada.<br>

Abstract : Composite is a class of material made by the combination of two or more materials, which produces a third one with unique characteristics. For this reason, composites have a wide range of engineering applications, such as spacecrafts and sports? equipment. Composite materials can be suitably produced by Powder Metallurgy. In this manufacturing process, the blend of different powders is shaped and later sintered at high temperatures for consolidation of the part. Thereby, sintering is considered a densification process, which is responsible for providing strength and stiffness to the material or composite. Moreover, its control is essential to reach the desired properties of the final part. In addition, numerical simulations of the sintering process represent an alternative procedure in relation to the lengthy and costly physical experiments. A well-known simulation technique is the Discrete Element Method (DEM). In contrast to continuum methods, DEM considers every particle of the system as a single element and it is recommended to simulate granular media, such as sintering. Thus, the general purpose of this project is to simulate and analyze the solid-state sintering process of composite materials when both materials are sintering using DEM. The software used is the MUSEN system, developed at TUHH ? Germany. The materials chosen for the composite are nickel (metal) and alumina (ceramic). Specifically, the present work aims to investigate the influence of varying contents of metal/ceramic in monosized samples during sintering. These contents range from metal volume fraction of 0.9 to 0.1, and include pure metal and ceramic bodies. Furthermore, the effect of larger metallic particles in the sample is also investigated for a constant metal volume fraction of 0.6. Among the analyses carried out, the contact size growth was evaluated considering the interfaces metal-metal, ceramic-ceramic and metal-ceramic. The coordination number of the particles within these three contacts is also analyzed. Finally, the influence of the varied parameters on the densification behavior is investigated and correlated with the contact size growth and coordination number evolution. The results have shown that the special modeling was capable to simulate sintering of composites even in case of interpenetrating structures. The simulation results of the monosized packing can be divided in three different sintering behaviors: metal-controlled, ceramic-controlled and interpenetrating structures. The metal-controlled samples have shown the highest densification rates and relative density evolution, as one might expect. The nickel particles have higher potential to sinter faster than alumina due to their kinetic parameters and surface energy. Hence, metal particles induce high forces to shrink the system and indirectly transfer forces to the sintering of ceramic phase. Interpenetrating structures have shown the lowest overall densification due to independent densification of metal and ceramic phase. It has led to large cracks through the samples and the initial structure has been lost. The results of bimodal packings have shown a slower growing of the contact radius for larger nickel particles, as expected. However, the global densification has been higher for samples with larger nickel particles. This unexpected behavior can be explained due to the particle configuration and distribution of forces in the interpenetrating structures. Smaller particles induce higher forces, quickly agglomerate themselves and are not capable to drive a global densification. On the other hand, larger particles induce weaker sintering forces. Thereby, the resistance force between nickel-alumina contacts is high enough to keep these contacts attached and, consequently, a global densification can be observed.