بخشی از مقاله
چکیده: هدف از این پژوهش تولید و بررسی خواص نانوکامپوزیت Al-Al3Mg2 حین آسیاکاری مکانیکی است. برای ساخت نانوکامپوزیت ترکیب پودر آلومینیم به همراه 10 درصد وزنی پودر در آسیای سایشی تحت آسیاکاری مکانیکی پرانرژی قرار گرفت. مورفولوژی پودرهای اولیه و همچنین آسیا شده توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی - FESEM - و میکروسکوپ الکترونی عبوری - TEM - بررسی شد. تراکم پذیری پودرهای نانوکامپوزیتی با توجه به چگالی ظاهری پودرها حین آسیاکاری مکانیکی ارزیابی شد.
تأثیر ذرات Al3Mg2 نیز بر روی اندازه ذره پودرهای نانوکامپوزیتی توسط دستگاه توزیع اندازه ذره به کمک لیزر - LPSA - مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان داد که آسیاکاری ابتدا باعث کاهش چگالی ظاهری و کاهش تراکم پذیری پودرها و سپس افزایش آنها می شود. دلیل این امر می تواند تاشی از تغییرات مورفولوژی پودرها حین آسیاکاری باشد. این ارتباط بین چگالی ظاهری و تغییرات مورفولوژی می تواند شاخصی برای مشخص نمودن حالت بهینه فرآیند آسیاکاری باشد. به عبارت دیگر، پایدار شدن چگالی ظاهری مشخص کننده این نکته است که فرآیند آسیاکاری به حالت پایا رسیده است. همچنین بررسی توزیع اندازه ذرات نانوکامپوزیت دال بر این نکته است که آسیاکاری مکانیکی در حضور ذرات تقویت کننده Al3Mg2 باعث کاهش بیشتر نسبت به حالت عدم حضور آن می شود.
.1 مقدمه1
به منظور کاهش در میزان مصرف سوخت و جلوگیری از گسترش آلودگی ها، محققین در تلاش اند تا وسائل نقلیه با وزن کمتری تولید نمایند. برای این منظور نیاز است تا از مواد جدید سبک تر و با قابلیت و کارآیی بهتر به جای مواد متداول گذشته استفاده گردد .[1] بزرگترین دستاورد در این مورد جایگزینی قطعات فولادی و چدنی با آلومینیوم و آلیاژهای آن می باشد .[2] با این وجود تحقیقات زیادی برای دستیابی به مواد سبک جدید با کارآیی بالا در حال انجام است. در این میان کامپوزیت های زمینه فلزی - MMCs - 2 و به ویژه زمینه آلومینیومی بسیار مورد توجه محققین قرار گرفته اند. این کامپوزیت ها به دلیل داشتن خواص مهمی از جمله چگالی پایین، استحکام بالا و مقاومت به خستگی و خوردگی خوب، مورد توجه قرار گرفته اند .[3]
کامپوزیت ها با تقویت کننده های ذره ای را به خوبی با روش های متالورژی پودر می توان تولید نمود. مواد مختلفی را می توان به عنوان فاز تقویت کننده استفاده نمود. تاکنون بیشتر از تقویت کننده های سرامیکی متداول مانند کاربید ها [4] - TiC - ، نیتریدها [5] - AlN - و اکسیدهای فلزی [6] - Al2O3 - در اندازه های نانومتری و میکرومتری استفاده شده است.همچنین اخیراً از تقویت کنند های غیر متداول مانند نانولوله ها و نانوساختارهای کربنی [7] ، فلزات آمورف [8] و شبه کریستال ها [9] استفاده می گردد.
به تازگی مبحث جدیدی در علم مهندسی مواد مطرح شده است که به بررسی ساختارهای پیچیده کریستالی می پردازد. این ترکیبات پیچیده فلزی - CMA - 3 عبارتند از ترکیبات بین فلزی که در ساختار بلورشناسی خود دارای سلول واحدهای بسیار عظیم مشتمل بر هزاران اتم هستند 10] و .[11 یکی از کاربردهای نوینی که می توان برای این ترکیبات در نظر گرفت استفاده از این ترکیبات به عنوان فاز تقویت کننده در کامپوزیت ها و نانوکامپوزیت هاست. وجود خواص جالبی نظیر نسبت استحکام به وزن بالا، مقاومت به اکسیداسیون و استحکام در دمای بالا و ... در این ترکیبات، آنها را به جایگزین مناسبی نسبت به سرامیک های قدیمی به عنوان فاز تقویت کننده نانوکامپوزیت ها مبدل ساخته است. به این ترتیب می توان کامپوزیت های سبک تر، مستحکم تر و با کارآیی بهتر تولید نمود که در صنایع گوناگون حمل و نقل و هوافضا مورد استفاده قرار گیرد .[12]
در این پژوهش، پودرهای نانوکامپوزیتی زمینه آلومینیم تقویت شده با ذرات ترکیب بین فلزی Al3Mg2 که یک CMA محسوب می شود، با موفقیت توسط روش آسیاکاری مکانیکی ساخته شد. در همین راستا برای کنترل دقیق تر فرآیندهای متراکم کردن بعدی پودرها و همچنین توضیح عمیق تر رفتار مکانیکی آنها، بررسی رفتار پودری این نانوکامپوزیت ضرروی به نظر می رسید. بنابراین هدف از پژوهش حاضر عبارت است از: - 1 ساخت پودر کامپوزیتی Al-Al3Mg2 با زمینه نانوکریستالی توسط روش آسیاکاری مکانیکی، - 2 ارزیابی توزیع ذرات تقویت کننده در زمینه، - 3 بررسی اثر ذرات Al3Mg2 روی اندازه ذره پودر کامپوزیتی و - 4 بررسی تاثیر آسیاکاری مکانیکی روی تراکم پذیری پودرهای آسیا شده است.
.2 روش آزمایش
برای تولید کامپوزیت از پودر آلومینیم با خلوص بالا و نانوذرات Al3Mg2 به عنوان مواد اولیه استفاده شد. مورفولوژی پودرهای Al و Al3Mg2 اولیه به ترتیب در شکل های 1 و 2 نشان داده شده است. همان طور که دیده می شود، پودر Al اولیه دارای مورفولوژی نامنظم با متوسط اندازه 63 میکرومتر است - شکل . - 1 همچنین، متوسط اندازه نانوذرات Al3Mg2 بین 20 تا 70 نانومتر است - شکل . - 2 برای تولید نانوکامپوزیت Al-Al3Mg2، 10 درصد وزنی نانوذرات Al3Mg2 با پودر Al ترکیب و تا 20 ساعت تحت آسیاکاری مکانیکی قرار گرفت. برای حداقل کردن چسبیدن بیش از اندازه پودرهای آلومینیم، در تمام آزمایش ها، از 2 درصد وزنی اسید استئاریک به عنوان عامل کنترل کننده فرآیند - PCA - استفاده شد.
فرآیند آسیاکاری با استفاده از یک آسیای سایشی در سرعت چرخش 400 rpm و نسبت گلوله به پودر 12:1 انجام شد. برای جلوگیری از اکسیداسیون مواد، قبل از شروع آسیاکاری، محفظه آسیا از هوا تخلیه و با گاز آرگون تقریباً خالص پر شد. بررسی توزیع اندازه ذره - PSD - توسط دستگاه آنالیز اندازه ذره به کمک لیزر - CILAS 1064 Liquid - برای تعیین خودکار D10، D50 ، D90 و قطر متوسط ذرات انجام شد. برای این آزمایش حداقل سه نمونه استفاده شد. برای بررسی مورفولوژی و اندازه ذره پودرهای آسیا شده بعد از زمان های مختلف آسیاکاری، از میکروسکوپ الکترونی عبوری - TEM - و میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی - FESEM - مجهز به طیف سنجی پراش انرژی - EDS - استفاده شد.
.3 نتایج و بحث
.3-1 تاثیر آسیاکاری بر چگالی ظاهری پودرهای کامپوزیتی شکل 3 تغییرات چگالی ظاهری نمونه های پودری کامپوزیتی بر حسب زمان آسیاکاری مکانیکی را نشان می دهد. زمان صفر ساعت به معنی چگالی ظاهری پودرهای کامپوزیتی آسیا نشده است. همان طور که از شکل پیداست، چگالی ظاهری به صورت پیوسته تا مدت زمان 5 ساعت آسیاکاری مکانیکی کاهش می یابد و به کمترین مقدار می رسد، سپس با ادامه فرآیند آسیاکاری مکانیکی شروع به افزایش می کند. در مدت زمان های 15 ساعت و 20 ساعت آسیاکاریمکانیکی، چگالی ظاهری به یک مقدار تقریباً ثابت، همانند چگالی ظاهری پودرهای آسیا نشده، می رسد.
