تولید آلیاژ نانوساختار یوتکتیکی آلومینیوم- سیلیسیوم توسط فرآیند آلیاژسازی مکانیکی برای لحیم کاری سخت قطعات مورد استفاده در صنایع هوایی

 

برای تهیه نانوساختاریوتکتیک آلومینیوم- سیلیسیومبه 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 XRDنشان­دهنده آن است که در محدوده 45 ساعت کریستال­ها به نانوساختار (nm 764/44) رسیده­اند و نتایج SEMنشان­دهنده 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.

کلماتکلیدی:آلیاژ آلومینیوم- سیلیسیوم، آلیاژسازی مکانیکی، نانو ساختار،لحیم­کاری سخت، ریزساختار، کوره مادون قرمز

 

فهرست مطالب

 

فصل 1:مقدمه 1

فصل 2:مروریبرمنابع 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- دما23

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 پودر29

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:موادآزمایشوروشتحقیق 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:نتایجآزمایشگاهی/ بحثوبررسی 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%wtSi69

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:نتیجهگیری،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

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 استفادهب) 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