بخشی از مقاله
چکیده
نانوکامپوزیتهای زمینه آلومینیوم تقویت شده با ذرات سرامیکی بهدلیل خواص مکانیکی و فیزیکی مناسب بهطور گسترده در صنایع مختلف مانند صنایع نظامی، خودروسازی و هوافضا مورد استفاده قرار گرفته است. تاکنون پژوهشی که از ذرات نانوسیلیکا بهعنوان تقویت کننده در زمینه آلومینیوم به روش متالورژی پودر استفاده کرده باشد گزارش نشده است. در این مقاله ساخت کامپوزیت آلومینیوم/نانوسیلیکای آمورف با استفاده از فرایند متالورژی پودر و همچنین فرایند اکستروژن گرم با موفقیت انجام شد. برای ساخت این نانوکامپوزیت ابتدا پودر نانوسیلیکا به همراه پودر آلومینیوم به مدت دو ساعت در آسیاب گلولهای سیارهای مخلوط و سپس متراکم شد. نمونهها در شرایط مناسب تفجوشی شده و سپس تحت اکستروژن گرم قرار گرفت. به طور مشابه نمونه شاهد از پودر آلومینیوم خالص تهیه شد. بررسیهای ریزساختاری با استفاده از میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی انجام گرفت. خواص مکانیکی شامل سختی و استحکام فشاری در دمای اتاق ارزیابی شدند. نتایج نشان داد که سختی نمونه نانوکامپوزیت حدود 42 درصد در مقایسه با نمونه شاهد افزایش پیدا کرده است. همچنین استحکام فشاری نمونه نانوکامپوزیت به میزان 24 درصد نسبت به نمونه شاهد افزایش یافت. تصاویر میکروسکوپی نشان داد که استفاده از فرایند اکستروژن گرم باعث کاهش میزان خلل و فرج نمونهها میشود.
کلمات کلیدی: نانوکامپوزیتهای زمینه آلومینیوم، نانوسیلیکای آمورف، آلومینیوم، اکستروژن گرم.
مقدمه
نانوکامپوزیتها به عنوان یکی از شاخههای نانو فناوری، اهمیت بسیاری یافتهاند و یکی از زمینههای تحقیقاتی فعال به شمار میآیند. نانوکامپوزیتها مواد مرکبی هستند که حداقل یکی از فازهای تشکیل دهندهی آنها در ابعاد نانومتر باشد 1] و .[2 امروزه نانوکامپوزیتهای زمینه آلومینیوم تقویت شده با ذرات سرامیکی به دلیل ویژگیهای مکانیکی برتر، از جمله سختی، مقاومت در برابر سایش، مدول الاستیک بالا و مقاومت خستگی مورد توجه قرار گرفتهاند 3] و .[4 نانوکامپوزیتهای زمینه فلزی به عنوان مواد ساختمانی در صنعت خودرو و هوافضا به کار میروند .[5] در بسیاری از تحقیقات خواص مکانیکی و رفتار سایشی نانوکامپوزیتهای زمینه آلومینیوم تقویت شده با ذرات مختلف از جمله [6] SiC، [7] Al 2O3، [8] B4C، [9 ] MgO و [10] ZrO2 مورد بررسی قرار گرفته است. نتیجه این تحقیقات نشان داده است که مواد تقویت کننده باعث بهبود استحکام تسلیم و استحکام کشش نهایی فلز میشود.
یکی از روشهای ساخت نانوکامپوزیتهای زمینه فلزی روش متالورژی پودر است. در این روش، پودرهای آلیاژی یا خالص فلزی با نانوذرات مخلوط میگردند و سپس با پرس کردن ذرات پودر در داخل قالب و تفجوشی، ذرات پودری به یکدیگر متصل میشوند و با کاهش درصد حفرهها، چگالی افزایش مییابد .[11]
با توجه به پژوهشهای انجام شده در زمینه ساخت نانوکامپوزیتهای زمینه آلومینیوم میتوان گفت که تا کنون گزارشی مبنی بر استفاده از پودر نانو سیلیکای آمورف به عنوان تقویت کننده گزارش نشده است. بنابراین هدف این مقاله بررسی تأثیر نانوسیلیکای آمورف بر خواص مکانیکی نانوکامپوزیت زمینه آلومینیوم میباشد.
مواد و روش تحقیق
در این پژوهش نانوکامپوزیت آلومینیوم/نانوسیلیکا آمورف به روش متالورژی پودر ساخته و مشخصهیابی شد. مواد مورد استفاده شامل پودر آلومینیوم با خلوص 99/5 درصد و اندازه کمتر از 45 میکرومتر و پودر نانو سیلیکای آمورف بود - شکل . - 1 برای ساخت این نانوکامپوزیت ابتدا کامپوزیت آلومینیوم/نانوسیلیکا به روش آسیاکاری تهیه شد. سپس این پودر داخل قالب فلزی ریخته و پرس سرد شد. نمونههای شاهد و کامپوزیت آلومینیوم/نانوسیلیکا در کوره تفجوشی و در نهایت با اکستروژن گرم به محصول نهایی تبدیل شدند.
در فرایند آسیاکاری محفظه آسیاب از جنس فولاد سخت وجنس گلولهها از فولاد بلبرینگ با قطر 20 میلیمتر انتخاب گردید. پس از توزین پودر مواد اولیه شامل پودر آلومینیوم و یک درصد نانوسیلیکا، مواد داخل محفظه دستگاه ریخته و مخلوط به مدت دو ساعت آسیاکاری شد. نسبت گلوله به پودر 10 در نظر گرفته شد و آسیاکاری تحت اتمسفر آرگون و با سرعت250 دور در دقیقه انجام گرفت. به منظور فشردن پودر آلومینیوم خالص و نانوکامپوزیت و ساخت نمونههای بالک، فشار 200 مگاپاسکال روی سطح نمونهها اعمال شد. برای هر نمونه 40 گرم پودر نانوکامپوزیت آلومینیوم/نانوسیلیکای آسیاکاری شده در قالب ریخته شد و نمونهها با قطر 20 میلیمتر و ارتفاع 55 میلیمتر تهیه شدند. پس از آن نمونهها در کوره لولهای در دمای 610 درجه سانتیگراد و به مدت یک ساعت در اتمسفر آرگون تفجوشی شد. در حین انجام فرایند اکستروژن گرم نمونهها تا دمای 400 درجه سانتیگراد پیشگرم شدند. همچنین برای جلو گیری از کاهش دمای نمونهها در حین انجام فرایند، قالب و کانتینر هم تا دمای 350 درجه سانتیگراد پیشگرم گردید. مخلوط پودر گرافیت و گریس نسوز به عنوان روانکار در فرایند اکستروژن مورد استفاده قرار گرفت. آماده سازی سطح نمونهها برای مطالعات میکروسکوپی با روشهای متداول استاندارد انجام شد.
شکل .1 الف - ذرات پودر آلومینیوم خالص، ب - تصویر میکروسکوپی الکترونی عبوری از ذرات پودر نانوسیلیکای آمورف حاصل از پیرولیز سیلیکون اچ تی وی .[14]
سختی نمونهها به روش برینل مطابق با استاندارد [12] ASTM E10 با استفاده از ساچمه 2/5 میلیمتر و با نیروی 31/25 کیلونیوتن اندازه گیری شد. برای هر نمونه سختی حداقل در 5 نقطه اندازه گیری و میانگین مقادیر بدست آمده بعنوان سختی گزارش گردید. برای بررسی ریزسختی نمونهها پس از اکستروژن گرم از آزمون ریزسختی سنجی ویکرز تحت بار 50 گرم و زمان 10 ثانیه استفاده شد. آزمایش فشار طبق استاندارد ASTM E9-89a [13] انجام گرفت. نمونهها با نسبت ارتفاع به قطر 1/1 تهیه شدند. برای هر یک از نمونههای کامپوزیتی ونمونههای شاهد حداقل سه آزمایش فشار با سرعت حرکت فکهای دستگاه 0/5میلیمتر در دقیقه انجام گرفت. از گرافیت به منظور روانکاری و کاهش اصطکاک در دو سطح نمونههای فشار استفاده شد.
