بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش، کامپوزیت درجای زمینه آلومینیمی تقویتشده با نانوذرات آلومینایدی $O37L با استفاده از فرآیند اصطکاکی اغتشاشی - FSP - تولید شد. برای این کار از آلیاژ نورد شدهی Al 3003-H14 بهعنوان زمینه و پودر تیتانیم با اندازهی ذرات کوچکتر از 45 میکرومتر بهعنوان تقویتکننده استفاده گردید. استحکام کششی و سختی نمونهی فلز پایه و کامپوزیت تولیدشده اندازهگیری شد و ریزساختار آنها توسط روش میکروسکوپی نوری و الکترونی بررسی و مورد مطالعه قرار گرفت. بررسیهای ریزساختاری نشان داد که اعمال شش مرحله فرآیند اصطکاکی اغتشاشی منجر به تغییر ریزساختار فلز پایه از دانههای بزرگ و کشیده به دانههای ریز و هممحور در نمونهی کامپوزیتی میشود. نتایج همچنین نشان داد که استحکام کششی و سختی کامپوزیت نسبت به زمینه حدود % 30 افزایش یافته است.
کلمات کلیدی: فرآیند اصطکاکی اغتشاشی، آلیاژ Al 3003-H14، کامپوزیت درجا، ذرات تیتانیم، .$O37L
مقدمه
کامپوزیتهای زمینه فلزی تقویتشده با ذرات بهویژه کامپوزیتهای زمینه آلومینیمی در مقایسه با زمینه تقویتنشده دارای مدول الاستیک و مقاومت به سایش بالاتری میباشند به همین دلیل در چند دههی اخیر توجهات زیادی را به سمت خود جذب کردهاند و در کاربردهایی همچون صنایع هوافضا و خودرو مورد استفاده قرار میگیرند .[1] فرآیند اصطکاکی اغتشاشی - Friction stir processing - FSP - - بهعنوان یک تکنیک حالت جامد جدید و برگرفته از فرآیند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی Friction stir - FSW - - weldingاخیراً - جهت تولید کامپوزیتهای زمینه آلومینیمی مورد استفاده قرار میگیرد.
در این فرآیند پین در حال چرخش به یک طرف قطعه وارد شده و اصطکاک حاصل از چرخش پین و شولدر با قطعه باعث گرمشدن و نرمشدگی موضعی زمینه میشود سپس با حرکت ابزار در جهت مشخص و بهواسطهی عمل اغتشاشی پین تمام ذرات تقویتکننده در زمینه توزیع میشوند و بهخاطر پدیدهی تبلور مجدد دینامیکی یک ساختار دانهای بسیار ریز و هممحور ایجاد میگردد .[2] بهطورکلی میتوان کامپوزیتهای تولیدشده به روش فرآیند اصطکاکی اغتشاشی را به دو دسته کامپوزیتهای درجای - in-situ - و غیردرجای - ex-situ - دستهبندی نمود .[3] در کامپوزیتهای غیردرجای، ذرات تقویتکننده از بیرون به فلز پایه اضافه شده درحالیکه در کامپوزیتهای درجای ذرات تقویتکننده در حین فرآیند و بهواسطهی واکنشهای شیمیایی یا واکنشهای گرمازای بین ذرات اضافه شده با زمینه بهوجود میآیند لذا این دسته از کامپوزیتها بهخاطر ترشوندگی مناسب و پیوند قویتر بین ذرات تقویتکننده و زمینه خواص مطلوبتری را از خود نشان میدهند .[4]
در میان ترکیبات آلومینایدی مختلف، ترکیب تریآلومیناید تیتانیم - $O37L - دارای خواص منحصر به فردی همچون مدول الاستیک بالا - 216 Gpa - ، دانسیته پایین - 3/4 gr/&P3 - و نقطه ذوب بالا - 1350 Co - میباشد لذا به همین دلیل این ترکیب آلومینایدی در پژوهشهای متعددی [ 5-6] بهعنوان ذرهی تقویتکننده درجای در زمینهی آلیاژهای آلومینیم مورد استفاده قرار گرفته است. هدف پژوهش حاضر تولید درجای نانوکامپوزیت Al 3003 /Al3Ti توسط فرآیند اصطکاکی اغتشاشی با قرادادن ذرات پودر فلزی تیتانیم - Ti - در سطح ورق و مقایسهی خواص مکانیکی این کامپوزیت با فلز پایه میباشد.
مواد و روش تحقیق
در این پژوهش، از ورق نورد شدهی آلیاژ آلومینیم- منگنز Al 3003-H14 با ضخامت 9 mm و با ترکیب شیمیایی ارایه شده در جدول 1 بهعنوان فلز پایه و همچنین از پودر تیتانیم خالص با خلوص % 99/9 با اندازهی ذرات کوچکتر از 45 میکرومتر بهعنوان ذرات تقویتکننده استفاده شد. ورقهای کوچکی با ابعاد 170 × 100 PP2 بریده شد و در مرکز آنها یک شیار طولی با عرض 1/4 و عمق 4 mm ماشینکاری شده و داخل آنها از پودر تیتانیم پر شد. بهمنظور جلوگیری از بیرون ریختن پودرها از داخل شیار در حین فرآیند سطح شیار توسط یک ابزار بدون پین با قطر شولدر 12 mmپوشانیده شد. ابزار استوانهای شکل جهت انجام فرآیند اصطکاکی اغتشاشی از جنس فولاد گرم کار با قطر شولدر 18mm، قطر پین 6 mm، طول پین 5 mm و زاویه 3 درجه نسبت به محور عمود بر سطح ورق انتخاب شد.
فرآیند اصطکاکی اغتشاشی تحت 6 پاس جهت تولید کامپوزیت با یک سرعت چرخشی و پیشروی بهینه بهترتیب 1000rpmو 56 PP⁄PLQ انجام شد. جهت بررسی ریزساختاری، نمونههایی با سطح مقطع عمود بر جهت فرآیند تهیه شد. بهمنظور بررسی ریزساختاری نمونهها از میکروسکوپهای نوری و الکترونی بهره گرفته شد. سختی نمونهها توسط دستگاه میکروسختی سنج ویکرز تحت بار 100 gf و زمان 15 ثانیه انجام شد. نمونههای کشش بهصورت طولی شکل از مرکز ناحیه اغتشاشی نمونهها تهیه شدند و آزمون کشش توسط دستگاه سنتام - Santam - در دمای محیط با نرخ کرنش اولیه 30 × 10−3 S−1 انجام شد.
نتایج و بحث
بررسی ریزساختار
تصویر میکروسکوپ نوری از فصل مشترک کامپوزیت تولید شده با فلز پایه در شکل 1 آورده شده است. بررسیهای ریزساختاری نشان میدهد که اعمال فرآیند اصطکاکی اغتشاشی روی فلز پایه جهت تولید کامپوزیت منجر به تشکیل چهار ناحیهی مجزا شامل: ناحیهی اغتشاشی - SZ - 1، ناحیهی ترمومکانیکال2 - TMAZ - ، ناحیهی متأثر از حرارت - HAZ - 3 و فلز پایه - BM - 4 شده است. همانطور که دیده میشود فرآیند اصطکاکی اغتشاشی منجر به تغییر ریزساختار فلز پایه از دانههای بزرگ و کشیده شده در اثر کارسرد به دانههای ریز و هممحور در ناحیهی اغتشاشی شده است. چنین رفتاری به وقوع تبلور مجدد دینامیکی5 - DRX - در حین فرآیند اصطکاکی اغتشاشی نسبت داده میشود. حضور ذرات تقویتکننده در ریزساختار نیز
