تولید آلیاژ نانوساختار یوتکتیکی آلومینیوم- سیلیسیوم توسط فرآیند آلیاژسازی مکانیکی برای لحیمکاری ... |
 |
تولید آلیاژ نانوساختار یوتکتیکی آلومینیوم- سیلیسیوم توسط فرآیند آلیاژسازی مکانیکی برای لحیمکاری سخت قطعات مورد استفاده در صنایع هوایی
استاد راهنما:
دکتر حمید خرسند
تابستان 1393
برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)
چکیده
برای تهیه نانوساختار یوتکتیک آلومینیوم- سیلیسیوم به عنوان فلز یا آلیاژ پرکننده برای لحیمکاری سخت آلیاژ تیتانیوم از روش آلیاژسازی مکانیکی استفاده شد. فرآیند لحیمکاری با اعمال یک فلز یا آلیاژ مذاب به عنوان پرکننده به سطوح اتصال موجب تشکیل پیوند متالورژیکی (نفوذی) میگردد. آلیاژسازی مکانیکی یک تکنیک تولید پودر است که اجازه میدهد تا مواد همگن شکل گیرد. مطابق تحقیقات انجام شده این روش به دلیل مزایایی نسبت به روشهای دیگر، برای تولید آلیاژ نانوساختار زمینه آلومینیومی مناسب میباشد. پارامترهای مختلفی از جمله زمان در این فرآیند تأثیرگذار است و برای آنکه از اکسیداسیون پودرها در حین فرآیند جلوگیری شود فرآیند آلیاژسازی مکانیکی تحت گاز خنثی (آرگون) انجام گرفت. همچنین به منظور تهیه نمونه بالک از روش پرسگرم برای فشرده‌سازی پودرها استفاده شد. فرآیند آلیاژسازی مکانیکی در زمانهای 5، 15، 30 ، 45 و 60 ساعت با نسبت وزن گلوله به پودر 10:1 انجام شد. برای تعیین زمان رسیدن به نانوساختار و خواص ساختاری زمینه پودر تولیدی، آزمایش‌های پراش اشعه ایکس (XRD) و میکروسکوپ الکترونی روبشی(SEM) مورد بررسی قرار گرفت. با برش نمونه بالک، قرصهایی با ضخامت 7/0 میلیمتر به عنوان آلیاژ پرکننده تهیه شد. نتایج XRD نشاندهنده آن است که در محدوده 45 ساعت کریستالها به نانوساختار (nm 764/44) رسیدهاند و نتایج SEM نشاندهنده آن است که ذرات Si در زمینه Al به صورت همگن پراکنده شده است. فرآیند لحیمکاری با درنظر گرفتن 4 دما و زمان مختلف انجام شد و در دمای ◦C 750 به مدت min30 به کمک کوره مادون قرمز تحت گاز آرگون خالص اتصال Ti-6Al-4V با آلیاژ پرکننده یوتکتیک برقرار شد و مشاهدات ریزساختار اتصال تمیز و نفوذ متالورژیکی و همچنین آزمون میکروسختی، سختی برابر 58/76 ویکرز را نشان میدهد.
کلمات کلیدی:
آلیاژ آلومینیوم- سیلیسیوم، آلیاژسازی مکانیکی، نانو ساختار، لحیمکاری سخت، ریزساختار، کوره مادون قرمز
فصل 1: مقدمه 1
فصل 2: مروری بر منابع 4
2-1- معرفی سیستم آلومینیوم- سیلیسیوم. 5
2-2- تعیین سیستم آلیاژی.. 6
2-3- مواد نانوساختار. 7
2-4- فصل مشترکها در مواد نانوکریستال.. 8
2-5- روشهای تولید مواد نانوساختار. 8
2-6- خواص مواد نانوساختار. 8
2-7- فرآیند آلیاژسازی مکانیکی.. 9
2-8- قابلیتهای آلیاژسازی مکانیکی.. 10
2-9- تولید مواد نانوساختار به روش آلیاژسازی مکانیکی.. 10
2-10- مکانیزم فرآیند.. 11
2-11- عمل آسیابکردن.. 16
2-11-1- آهنگری میکرونی.. 16
2-11-2- شکست… 17
2-11-3- آگلومره شدن.. 17
2-12- افزایش انحلالپذیری در حین آلیاژسازی مکانیکی.. 18
2-13- ترکیب مواد در آلیاژسازی مکانیکی.. 18
2-13-1- مکانیزم سیستم نرم – نرم. 18
2-13-2- مکانیزم سیستم نرم – ترد. 20
2-13-3- سیستم ترد – ترد. 21
2-13-3-1- دما 23
2-13-3-2- مسیرهای نفوذی 24
2-13-4- اندازه دانه. 24
2-13-5- پارامتر شبکه. 25
2-13-6- عوامل موثر بر روش آلیاژسازی مکانیکی. 25
2-13-6-1- مواد خام 26
2-13-6-2- انواع آسیاب 26
2-13-6-3- محفظه آسیاب 28
2-13-6-4- سرعت آسیابکاری 28
2-13-6-5- زمان آسیاب 29
2-13-6-6- نسبت وزنی گلوله به پودر 29
2-13-6-7- میزان پرکردن محفظه 30
2-13-6-8- اتمسفر آسیاب 30
2-13-6-9- عنصر کنترل‌کننده فرآیند 30
2-13-6-10- دمای آسیابکاری 31
2-14- فرآیند لحیم کاری.. 32
2-14-1- لحیمکاری سخت… 32
2-14-2- بعضی از کاربردهای لحیمکاری.. 34
2-14-3- لحیمکاری سخت در کوره. 34
2-14-4- آمادهسازی سطحی برای لحیمکاری 36
2-14-5- آلیاژ لحیم سخت… 36
2-14-6- اصول لحیمکاری سخت آلیاژهای تیتانیوم. 38
2-15- پارامترهای لحیمکاری سخت تیتانیوم. 39
2-16- انتخاب فلزات پرکننده. 39
2-17- آلیاژهای پرکننده پایه آلومینیوم. 40
2-18- پیشینه تحقیق.. 41
فصل 3: مواد آزمایش و روش تحقیق 45
3-1- مراحل انجام تحقیق.. 46
3-2- مواد اولیه انجام آزمایش…. 47
3-2-1- پودر آلومینیوم و سیلیسیوم 47
3-2-2- اسید استئاریک…. 47
3-2-3- دستگاه آسیاب مکانیکی.. 48
3-3- پراش اشعه X.. 49
3-4- تجهیزات پرسگرم. 51
3-5- آنالیز گرماسنج افتراقی.. 54
3-6- آمادهسازی آلیاژ پرکننده. 54
3-7- شرایط لحیمکاری.. 55
3-8- بست مکانیکی.. 56
3-9- آزمون میکروسختی.. 57
3-10- مشاهدات ریزساختاری.. 57
فصل 4: نتایج آزمایشگاهی/ بحث و بررسی 59
4-1- SEM پودرهای اولیه. 60
4-2- بررسی فازی XRD.. 61
4-2-1- تعیین پارامترهای ساختاری با استفاده از نتایج XRD 61
4-2-2- بررسی فازی XRD زمینه. 61
4-3- SEM پودرهای تولید شده با آلیاژسازی مکانیکی.. 67
4-4- نتایج آنالیز حرارتی افتراقی.. 69
4-5- آنالیز ساختاری نمونه بالک پودر Al-12%wtSi 69
4-6- میکروسختی نمونه بالک…. 70
4-7- لحیمکاری سخت… 70
4-7-1- ریز ساختار محل اتصال.. 72
4-8- میکروسختی نمونه لحیمسخت… 73
فصل 5: نتیجه گیری، پیشنهادها 74
5-1- نتیجه گیری.. 75
5-2- پیشنهادها برای تحقیقات آتی.. 76
مراجع 77
پیوست ……………………………………………………………………………………………………………………………………………..81
جدول 2‑1- شرح مشخصات آلیاژ Ti-6Al-4V [33]. 40
جدول 3‑1- درصد خلوص و اندازه تقریبی پودرهای اولیه. 47
جدول 3‑2- شرایط انجام آزمایش پرسگرم. 54
جدول 3‑3- خلاصهای از پارامترهای مختلف آزمایش شده. 56
جدول 4‑1- اندازه بلورهای محلول جامد Al-Si برحسب زمان آسیابکاری. 64
جدول 4‑2- سختی نمونه بالک آلیاژ Al-12%wtSi. 70
جدول 4‑3- سختی فلز پایه. 73
جدول 4‑4- سختی آلیاژ پرکننده لحیم سخت. 73
جدول 4‑5- مقایسه میکروسختی قبل و بعد از لحیمکاری. 73
شکل 2‑1- دیاگرام فازی دوتایی Al-12%wt Si[15]. 7
شکل 2‑2- تشکیل پودرهای کامپوزیتی زمینه فلزی پس از فرآیند آسیابکاری به صورت شماتیک [21]. 11
شکل 2‑3- برخورد گلوله‌ها با پودر و تشکیل و نازک شدن لایه‌های نفوذی [23]. 12
شکل 2‑4- تغییرات اندازه ذرات در برابر زمان آسیابکاری [23]. 15
شکل 2‑5- ریز شدن اندازه ذرات با زمان آسیابکاری [23]. 16
شکل 2‑6-تصویر میکروسکوپ الکترونی یک ذره در سیستم (Ag-Cu) [23]. 19
شکل 2‑7- ریزساختار به دست آمده در حین آسیابکاری از پودرهای اولیه در سیستم نرم – ترد [23]. 21
شکل 2‑8- مکانیزم آلیاژسازی مکانیکی برای سیستم نرم – ترد [25]. 21
شکل 2‑9-تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری که نشان دهنده توزیع یکنواخت ذرات Er2O3 [23]. 22
شکل 2‑10- تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی که نشاندهنده قرار گرفتن ذرات سخت Si[23]. 23
شکل 2‑11- رابطه دما و مسیرهای نفوذی[27]. 24
شکل 2‑12- رابطه اندازه دانه با ضریب نفوذ [27]. 25
شکل 2‑13- الگوی Al- 12%wt Si XRD [29]. 42
شکل 2‑14- تصاویر SEM برای پودر Al-20 wt% Si در زمان های مختلف [31]. 43
شکل 3‑1- فلوچارت مراحل انجام تحقیق. 46
یک مطلب دیگر :
شکل 3‑5- دستگاه آلیاژسازی مکانیکی. 48
شکل 3‑6- محفظه استفاده شده برای انجام فرآیند آلیاژسازی.. 48
3‑7- الف) شماتیک قالب پرسگرم ب) جزئیات قالب پرسگرم. 51
3‑8- الف)تصویر سیستم پرسگرم مورد استفاده ب) سیستم کنترل دقیق دما و هیتر. 52
3‑9- تاثیر اعمال فشار برای حذف تخلخلها و افزایش مناطق تماس بین ذرات پودر و فشرده شدن پودر [47]. 53
شکل 3‑10- شماتیک اعمال روانکار بر سطح داخلی قالب. 53
شکل 3‑11- پودر Al-12%wtSi، 45ساعت آلیاژسازی شده و نمونه بالک به دست آمده از پرسگرم. 69
شکل 3‑14- اره موئی و سمباده برای تهیه آلیاژ پرکننده. 55
شکل 3‑15- نقشه فنی کوره لحیمکاری سخت با اشعه مادون قرمز [51]. 55
شکل 3‑16- الف) فیکسچر برای بستن نمونهها و قرار دادن درون کوره و ب) آلیاژپرکننده و فلز پایه. 57
شکل 3‑17- الف) پمپ خلأ و ب) کوره لحیمکاری سخت. 57
شکل 3‑2- الف) پودر آلومینیوم خالص و ب) پودر سیلیسیوم خالص. 60
شکل 4‑1- نمودار ویلیامسون- هال پودر Al-12%wtSi در 45 ساعت. 61
شکل 4‑2- الف) الگوی پراش اشعهX پودر Al-12%wtSi تا 45 ساعت و ب) الگوی پراش… 63
شکل 4‑3- تابع اندازه کریستالها بر حسب افزایش زمان آسیابکاری. 64
شکل 4‑4- پهن شدگی پیک Al (111) در حین آلیاژسازی مکانیکی. 66
شکل 4‑5- تغییر مورفولوژی آلیاژ Al-12%wt Si با افزایش زمان آسیاب کاری. 67
شکل 4‑6- آنالیز EDS آلیاژ Al-12%wtSi، 45 ساعت آلیاژسازی شده. 68
شکل 4‑7- آنالیز حرارتی افتراقی Al-12%wtSi. 69
شکل 4‑8- عکس میکرو آلیاژ Al-12%wtSi، 45 ساعت آلیاژسازی مکانیکی شده پس از پرسگرم. 70
شکل 4‑9- نمونه لحیمکاری شده توسط کوره مادون قرمز. 71
شکل 4‑10- پروفیل دما- زمان: به دست آمده از لحیم سخت در دما و زمانهای مختلف.. 71
شکل 4‑11- تصاویر میکرو، آلیاژ پرکننده لحیم سخت شده. 72
شکل 4‑12- ذوب آلیاژ پس از اعمال دمای لحیمکاری. 72
لحیمکاری از کهن‌ترین فرآیندهای اتصال فلزات و مواد است که جنبه‌های علمی و فنی آن همواره مورد توجه متخصصین متالورژی و علم مواد بوده است.
این روش یکی از روشهای انجام اتصال است که با اعمال یک فلز یا آلیاژ پرکننده[1] به عنوان ماده واسط به سطوح اتصال موجب تشکیل پیوند متالورژیکی بین اجزای اتصال میشود. به دلیل کمتر بودن دمای لحیمکاری نسبت به فلز پایه، پدیده اکسید شدن فلز پایه رخ نمیدهد. واکنش بین فلز پرکننده مذاب و اجزای جامد منجر به تشکیل پیوند در لایه نازکی از سطوح اتصال میشود.
بطور کلی فرآیند لحیمکاری به دو بخش لحیمکاری نرم و لحیمکاری سخت تقسیم میشود که وجه تمایز آنها در دمای ذوب آلیاژ پرکننده میباشد، بدین صورت که اگر دمای کاری کمتر از ◦C 450 باشد، فرآیند لحیمکاری نرم و اگر بیشتر از ◦C 450 باشد، فرآیند لحیمکاری سخت نام‌گذاری میشود.
لحیمکاری سخت نیز به عنوان یکی از روشهای ایجاد اتصال دائمی برای گستره وسیعی از مواد است. موانع اصلی برای پیوند مستقیم بین دو فلز متفاوت با روش جوشکاری میتواند تفاوت در ضریب انبساط حرارتی، ایجاد فازهای ترد، کاهش مقاومت به خوردگی، کاهش چقرمگی در دمای پایین و ترک انجمادی باشد. لذا معمولاً برای اینگونه اتصالات نمیتوان از جوشکاری ذوبی استفاده کرد. امروزه از روش لحیمکاری در کوره تحت خلأ یا اتمسفر خنثی، به طور گسترده‌ای در صنایع هوا – فضا و صنعت خودروسازی استفاده میشود.
امروزه در صنایع مختلف مانند صنایع خودرو و نظامی نیاز به مواد با استحکام بالا و روش تولید آسان و ارزان از اهمیت ویژه‌ای برخوردار میباشد. همچنین با توجه به تحقیقات صورت گرفته در طی سالهای گذشته مشخص گردیده که آلومینیوم پتانسیل قابل توجهی برای کاربرد عملی در صنایع گوناگون را دارد و به دلیل مزایای آن نسبت به فولاد، وزن سبک (یک سوم فولاد)، خاصیت انعطاف‌پذیری بیشتر و نقطه ذوب کمتر مورد توجه قرار گرفته است. از این‌رو تلاش‌های زیادی در توسعه خواص آلومینیوم انجام گرفته است.
مشکل اصلی آلیاژهای آلومینیوم تریبولوژی ضعیف و پایداری حرارتی کم آنها میباشد. حضور ذرات سرامیکی تقویتکننده نانومتری در ساختار میتواند با ایجاد مانع بر سر حرکت نابجاییها، این آلیاژها را برای کاربردهای سایشی و دمای بالا مناسب سازد. پودرهای نانو آلومینیوم به طور گسترده به دلیل کاربرد به عنوان اصلاح نرخ سوخت، مواد افزودنی، مواد
فرم در حال بارگذاری ...
|
[چهارشنبه 1399-08-07] [ 03:21:00 ق.ظ ]
|
