بخشی از مقاله
چکیده
فرایند پرس و تف جوشی مجدد یک تکنولوژی نوید بخش در حوزه متالورژی پودر میباشد که از دو مرحلهی پرس و تف جوشی تشکیل شده است. در این مطالعه، کامپوزیت آلومینیوم تقویت شده با نانو لولههای کربنی به روش پرس و تف جوشی مجدد برای اولین بار ساخته شده است. آسیاب کاری مکانیکی برای مخلوط کردن نانو لولههای کربنی تا 12wt.%در زمینه آلومینیوم و رساندن ذرات آلومینیوم به مقیاس نانو استفاده شده است. در این کار اثرات روش پرس و تف جوشی مجدد و درصد وزنی نانو لوله کربنی در میکرو ساختار ،سختی و خواص مکانیکی نانوکامپوزیت مورد نظر، مورد بررسی قرار گرفته است. بیشترین اثر نانو لولههای کربنی افزایش % 35 در استحکام فشاری و % 42 در سختی در مقایسه با زمینه - آلومینیوم خالص - بود. برای مطالعه پودر، میکرو ساختار و سطح کامپوزیت مورد نظر از DTA، SEM و XRD استفاده شد. این مطالعه نشان داد که امکان ساخت کامپوزیت آلومینیوم تقویت شده با نانو لولههای کربنی به روش پرس و تف جوشی مجدد وجود دارد و میتوان به خواص مکانیکی مطلوبی رسید.
کلمات کلیدی: نانوکامپوزیت آلومینیوم، نانو لولههای کربنی، پرس و تف جوشی مجدد، خواص مکانیکی، آسیاب ماهوارهای.
.1 مقدمه
کامپوزیتهای زمینه فلزی - MMC - ترکیبی مهندسی از فلز - زمینه - و ذرات سخت - تقویت کننده - است که برای خواص مناسب طراحی شده است. MMCs برای شاتل فضایی، اجزاء هواپیما، قطعات الکترونیکی، دوچرخه، خودرو، و انواع کاربردهای دیگر استفاده میشود. .[1-7] ترکیب نانو لولههای کربنی در کامپوزیتهای پلیمری به طور گسترده از زمان کشف نانو لولههای کربنی توسط ایجیما مورد بررسی و مطالعه قرار گرفته است.[8] استحکام کششی بالا - 30GPa - ، هدایت حرارتی و الکتریکی بالا، نسبت طول به قطر زیاد، مدول الاستیک بالا - - 1TPa نانو لولههای کربنی، آنها را به عنوان تقویت کننده برای کامپوزیتها رایج کرده است.[9]
در کامپوزیتهای زمینه فلزی بررسی و مطالعه نانو لولهای کربنی به عنوان تقویت کننده نسبتاً آهسته بوده است که میتوان علت آن را به خاطر چالشهای مرتبط با پراکندگی نانو لولههای کربنی در زمینه دانست. خواص اشاره شده در بالا برای نانو لولههای کربنی همراه با چگالی کم، آنها را یک تقویت کننده ایدهال برای کامپوزیتهای زمینه آلومینیومی کرده است9]،.[1 کامپوزیتهای آلومینیومی تقویت شده با نانو لولههای کربنی برای صنایع هوا فضا و خودرو که کاهش وزن برای کاهش مصرف سوخت یک اولویت است مناسب میباشد. با این حال نانو لولههای کربنی به دلیل نسبت طول به قطر زیاد و پیوند واندوالسی قوی تمایل به آگلومره شدن دارند.[10] این آگلومره شدن باعث ایجاد اختلال در خواص مکانیکی کامپوزیت زمینه آلومینیومی میشود. و این چالش بزرگ مانع از توسعه این کامپوزیت شده است.
از روشهای زیادی برای جلوگیری یا کاهش آگلومره شدن نانو لولههای کربنی استفاده شده است مانند: پوشش سطوح آلومینیوم با نانو لولههای کربنی [11]، سنتز درجای نانو لولههای کربنی در پودر آلومینیوم [12] و آسیاب کاری مکانیکی - - MM مخلوط پودر آلومینیوم و نانو لولههای کربنی.[13] خواص مکانیکی کامپوزیت آسیاب کاری مکانیکی شده به دلیل نانو ذره شدن و ایجاد لایه اکسیدی بر روی سطح پودر آلومینیوم، بیشتر بهبود مییابد.[10] فرایند آسیاب کاری مکانیکی پودر آلومینیوم و نانو لولههای کربنی انجام شده و سپس نانو کامپوزیت مورد نظر با روشهای متعددی همانند: پرس گرم14]،[13، اکستروژن گرم16]،[15 و پرس و تف جوشی ساخته شده است. از آنجایی که در این روش افزایش چگالی در دماهای بالا رخ میدهد، ممکن است باعث واکنش بین آلومینیوم و نانو لولههای کربنی شود که در نهایت باعث تشکیل فاز شکنندهAl4C3 شود.[17]
و ممکن است پدیده رشد دانه نانو ذرات آلومینیوم رخ دهد. که هر دو پدیده بر روی خواص مکانیکی کامپوزیت .آلومینیوم و نانو لولههای کربنی اثر سو دارد. تخلخل بالای قطعات زینتر شده باعث کاهش استحکام مکانیکی و تحمل بار - Load Capacity - این قطعات نسبت به قطعات کاملاً متراکم میشود19]،.[18 در کل هدف از توسعه این کامپوزیتها با کیفیت بالا بهبود خواص مکانیکی آنها است. بنابراین استفاده از متالورژی پودر روش جایگزین و مکانیزم مناسبی برای بهبود این خواص میباشد.
قطعات متالورژی پودر - P/M - که برای فرایندهای کاربردی با کارایی بالا در نظر گرفته شده، باید تخلخل آنها به حداقل کاهش یابد؛ یعنی چگالی حداکثر باید باشد. روش های بسیاری برای کاهش تخلخل، مانند روش هیدو پالسور[20]، پرس گرم [21] و تف جوشی در دما بالا [22] ابداع شدهاند. یکی از روش معمول به منظور کاهش تخلخل روش " پرس و تف جوشی مجدد - - DPDS "شناخته شده است.[3] هدف از این پروژه تحقیقاتی ساخت و بررسی خواص مکانیکی نانو کامپوزیتهای آلومینیوم - نانو لولههای کربنی است، که کاملاً متراکم بوده و با توزیع یکنواخت نانو لولههای کربنی در زمینه آلومینیوم با استفاده از فرایند پرس و تف جوشی مجدد و آسیاب کاری مکانیکی مخلوط پودر آلومینیوم و نانو لولههای کربنی برای اولین بار در جهان ساخته میشود. در این پروژه از طریق تجزیه و تحلیل ساختار و خواص مکانیکی نانو کامپوزیت آلومینیوم - نانو لولههای کربنی مقدار مناسب نانو لولههای کربنی را در زمینه آلومینیوم پیشنهاد میکنیم.
.2 مواد و روشها
مواد اولیه استفاده شده شامل پودر آلومینیوم - با درجه خلوص - %99 تهیه شده از متالورژی پودر خراسان و نانو لولههای کربنی چند دیواره با قطر 10-30nm با درصد خلوص بیشتر از %95 که از پژوهشگاه صنعت نفت ایران خریداری شد. برای تولید نانوکامپوزیت آلومینیوم تقویت شده با نانو لوله کربنی چند جداره با درصد وزنی متفاوت از نانو لوله کربنی - % - 0-12wt، باید نانو لولههای کربنی به صورت یکنواخت در بین ذرات آلومینیوم پخش شوند به این منظور پودر Al و CNTs در داخل محفظه از جنس فولاد زنگ نزن به مدت زمان 2 ساعت با سرعت 200rpm و با نسبت گلوله به پودر 20:1 در محیط آرگون آسیاب کاری مکانیکی با استفاده از آسیاب ماهواری ساخت شرکت صنعت سرام شد. در ضمن از اتانول به عنوان عامل کنترل - - PCA با 3wt.% برای جلوگیری از ذوب و جوش سرد پودرها استفاده شد. قابل ذکر است که گلولهها مورد استفاده از جنس فولاد زنگ نزن با قطرهای 10 mm و mm 15 بود.
برای خارج کردن پودر آسیاب شده از داخل محفظه از گلاو باکس تحت اتمسفر آرگون استفاده شد. سپس پودر آسیاب شده در درون قالب استوانهای شکل از جنس فولاد زنگ نزن با قطر داخلی 12mmو طول 50mm ریخته و تحت فشار 200MPaپرس اولیه شد. سپس نمونهها از قالب بیرون آورده شد و زینتر اولیه در دمای 450°C در کوره اتمسفر آرگون ساخت شرکت آذر کوره مدلCVD با سرعت 10°C/minبه مدت 50min انجام شد. میکرو سختی با دستگاهHVS-1000A ، تحت بار 200gr و زمان 15s با استاندارد ASTM E384-05A و دانسیته نمونهها به روش ارشمیدس اندازهگیری شد، قبل از این که نمونهها برای دومین بار پرس شوند، آنها با استئارات روی به منظور کاهش اصطکاک آغشته و دوباره نمونهها در داخل قالب قرار گرفته و در فشار 250MPaپرس ثانویه شدند. سپس نمونهها از قالب خارج شده و در دمای 580°C در داخل کوره اتمسفر آرگون زینتر ثانویه و در نهایت نمونههای با طول 18mmو قطر12mm تولید شدند - شکل. - 1 دوباره دانسیته و سختی با همان دستگاهها و استحکام فشاری با دستگاه Zwick Royll-Z100 طبق استاندارد ASTM E9-89AR00 اندازه گیری شد. از پودر DTA و XRD و همچنین از نمونهها SEM گرفته شد.
.3 بحث و نتایج
1 .3 ریز ساختار نانوکامپوزیت
شکل-2 تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری - - TEM از نانو لوله های کربنی چند دیواره تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری - TEM - از نانو لولههای کربنی چند دیواره مورد استفاده در ساخت نانوکامپوزیت مورد نظر در شکل 2 نشان داده شده است. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - از پودرهای آسیاب کاری مکانیکی شده به مدت2 ساعت برای ساخت کامپوزیت مورد نظر در شکل 3 نشان داده شده است. همانطور که مشاهده میشود در نمونه 4 درصد وزنی - شکل3 - الف - - ، نانو لولههای کربنی به صورت یکنواخت در بین ذرات آلومینیوم پخش شدهاند. اما با افزایش درصد نانو لولههای کربنی در نمونههای 12 درصد وزنی - شکل3 - ب - - آگلومره شدن نانو لولههای کربنی و عدم توزیع یکنواخت آنها دیده میشود. حضور تودههای پخش نشدهی نانو لولههای کربنی در نمونههای12 درصد وزنی در حین اعمال نیرو برخی از این نقاط به عنوان تمرکز تنش عمل کرده و باعث افت استحکام و سختی نمونههای کامپوزیتی میشوند. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - از سطح شکست نمونههای کامپوزیتی
