بخشی از مقاله
چکیده
کامپوزیت هاي زمینه آلومینیم حاوي تقویت کننده هاي آلومینایدهاي نیکل، علاوه بر چگالی کم، نسبت استحکام به وزن مناسب، خواص سایشی خوب و مقاومت به خودگی عالی، پایداري قابل توجهی نیز در دماي بالا داشته و مورد توجه هستند. در این تحقیق کامپوزیت هاي Al/AlxNiy با استفاده از سیم نیکل خالص تجاري - خلوص - %99 با قطر 150µm و مذاب آلومینیم خالص تجاري - خلوص - 99/6% از روش مذاب خورانی فعال تهیه شدند.به این منظور پیش سازه هایی متشکل از 12 رشته سیم نیکل در داخل قالب فولادي قرار داده شدند و مذاب آلومینیم با دماي مناسب درون قالب ریخته شد. در اثر واکنش بین Al و Ni ترکیبات بین فلزي AlxNiy در داخل زمینه به روش درجا ایجاد شدند.
سپس به منظور تکمیل واکنش ها، نمونه ها در دما و مدت زمان مناسب تحت عملیات حرارتی قرار گرفتند. ریز ساختار کامپوزیت هاي حاصل، توسط میکروسکوپ هاي نوري و الکترونی روبشی - SEM - بررسی شد و آنالیز فاز ها با استفاده از EDS صورت پذیرفت. نتایج نشان دادند که در صورت بهینه بودن طراحی قالب و پیش سازه و دماي پیش گرم آن ها و ریخته گري در دماي 770˚C و عملیات حرارتی در دماي 625˚C به مدت 5 ساعت، ترکیبات بین فلزي تولید شده به صورت رشته هاي پیوسته در زمینه ایجاد شده و از توزیع یکنواخت آن ها به صورت ذرات پراکنده در حجم نمونه جلوگیري می شود. این کامپوزیت ها خواص برتري نسبت به نمونه آلومینیمی فاقد نیکل داشتند.
کلمات کلیدي: کامپوزیت Al/AlxNiy، روش مذاب خورانی فعال، روش در جا، عملیات حرارتی
مقدمه
ترکیبات بین فلزي آلومیناید نیکل به دلیل چگالی پایین، پایداري حرارتی خوب، خواص مکانیکی خوب در دماي بالا، مقاومت به خوردگی و اکسید شدن عالی به ویژه در دماي بالا و نیز مقاومت به سایش، جهت استفاده به عنوان فاز تقویت کننده مورد توجه اند 1] و .[2 عیب اصلی این ترکیبات، ترد بودن آنهاست، لذا استفاده از این مواد به صورت تک فاز مشکلاتی را ایجاد خواهد کرد .[3] جهت غلبه بر مشکل تردي ترکیبات بین فلزي می توان با ادغام آنها با یک زمینه داکتیل فلزي و تهیه کامپوزیت فلز/ترکیب بین فلزي - IMCs - ، از خواص خوب آنها استفاده کرد و داکتیلیتی را حفظ نمود 4] و .[5 از میان فلزاتی که می توان به عنوان زمینه کامپوزیت حاوي ترکیبات بین فلزي استفاده کرد، آلومینیم به سبب چگالی پایین، قیمت کم - در مقایسه با فلزات سبک دیگر مثل منیزیم و تیتانیم - و نسبت استحکام به وزن بالا مورد توجه است.
کامپوزیت هاي زمینه آلومینویم تقویت شده با ترکیبات بین فلزي آلومیناید نیکل در صنایع هوا و فضا، صنایع تولید خودروهاي موتوري، صنایع نیروگاهی و تولید قطعاتی نظیر پروانه ها، پره هاي توربین، پیستون ها و شیر ها در موتورهاي دیزل کاربرد دارند 6] و .[7 فازهاي تقویت کننده ترکیب بین فلزي معمولا به صورت درجا به هنگام تولید کامپوزیت ایجاد می شوند. در فرایند درجا، فاز تقویت کننده طی یک واکنش گرمازا میان عناصر موجود در سیستم به هنگام فراوري تشکیل می شود .[8] به طور کلی روشهاي درجا داراي این مزیت هستند که فاز دوم ایجاد شده از نظر ترمودینامیکی کاملا پایدار است و پیوند مستحکمی بین زمینه و فاز تقویت کننده ایجاد می شود .[6]
روش هاي متعددي نظیر متالورژي پودر، هم زدن اصطکاکی، نورد تجمعی، ریخته گري هم زدنی جهت تولید کامپوزیت هاي زمینه آلومینیم تقویت شده با ترکیبات بین فلزي آلومیناید نیکل استفاده می شود. روشهاي مذکور عمدتا گران قیمت بوده و یا بعضی از آنها مانند هم زدن اصطکاکی تنها براي ایجاد پوشش کامپوزیتی به کار می روند، لذا در این پژوهش روش مذاب خورانی فعال جهت تولید این کامپوزیت مورد مطالعه قرار گرفت. با استفاده از این روش که در زمره روش هاي درجا محسوب می شود، فاز بین فلزي Al3Ni در حین مذاب خورانی به اسکلت نیکلی متشکل از چندین رشته سیم نیکل خالص که در قالب قرار داده شد، به صورت درجا و در اثر واکنش بین Al و Ni ایجاد شد. در ادامه با انجام عملیات حرارتی، فاز بین فلزي Al3Ni2 نیز ایجاد شد. ریزساختار کامپوزیت حاصل مورد مطالعه قرار گرفته و خواص آن با آلومینیم خالص که در همان شرایط تولید شده بود، مقایسه شد.
مواد و روش تحقیق
پس از تمیزکاري سطحی سیم نیکل خالص تجاري با خلوص %99 و قطر 150µm با اتانول، پیش سازه اي متشکل از 12 رشته سیم موازي ساخته شد. این پیش سازه در قالب نشان داده شده در شکل 1 قرار داده شد.مذاب آلومینیم خالص تجاري با خلوص 99/6% جهت بررسی تاثیر دماي بارریزي، با دماهاي 750°C، 770°C،790°C و 810°C به درون قالب که از جنس فولاد مقاوم به حرارت بود، ریخته شد. دماي مذاب به هنگام بارریزي توسط تومومتر نوع k از جنس نیکل- نیکل کروم اندازه گیري شد. ریزساختار نمونه هاي تولید شده پس آماده سازي سطحی با روشهاي استاندارد سنباده زنی و پولیش، با استفاده از محلول کلر، حکاکی شده و سپس بوسیله میکروسکوپ نوري مورد بررسی قرار گرفت.
جهت تکمیل واکنش ها و افزایش درصد ترکیبات بین فلزي، نمونهها تحت عملیات حرارتی در دماي زیر دماي یوتکتیک آلومینیم و نیکل - 639/9°C - در مدت زمانهاي 15، 30، 45، 60 و 90 دقیقه قرار گرفتند. ریزساختار نمونه هاي عملیات حرارتی شده نیز پس از آماده سازي سطحی، با کمک میکروسکوپ نوري بررسی شد و ترکیبات بین فلزي ایجاد شده در آنها، با استفاده از میکروسکوپ الکترونی مجهز به طیف سنج پراش انرژي اشعه ایکس - EDS - آنالیز عنصري شد. سختی فازهاي ایجاد شده در نمونه هاي کامپوزیت با استفاده از میکروسختی سنج، بررسی شد. به منظور بررسی و مقایسه خواص استحکامی، نمونه کامپوزیت تولید شده با شرایط بهینه و نمونه آلومینیم خالص، بر اساس استاندارد ASTM-E8M براي نمونه هاي تخت کوچکتر از اندازه استاندارد - Subsize - ، آماده سازي شده و آزمایش کشش بر روي آنها انجام شد.
