ساخت کامپوزیت Al/Zircon به روش متالورژی پودر و بررسی تاثیر عوامل مختلف فرآیند بر خواص كامپوزیت

مهندسی مواد
دانلود پایان نامه کارشناسی ارشد مهندسی شناسایی و انتخاب مواد مهندسی با عنوان ساخت کامپوزیت Al/Zircon به روش متالورژی پودر و بررسی تاثیر عوامل مختلف فرآیند بر خواص كامپوزیت چكیده كامپوزیت های Al-ZrSiO4 به دلیل خواص استحکامی و مقاومت سایشی بالای خود كاربردهای زیادی در صنایع نظامی، هوا فضا و غیره دارند. روش متالورژی پودر از جمله مناسب ترین روشهای ساخت کامپوزیت ها می باشد. یکی از مهمترین مزایای این روش در مقایسه با روشهای ذوبی این است که درجه حرارت فرآیند در این روش پایین تر است، به همین دلیل از برهم کنش بین فاز زمینه و تقویت کننده و ایجاد فازهای ناخواسته ناشی از آن جلوگیری می شود. بدین منظور ابتدا پس از انتخاب آلیاژ مورد نظر و همچنین زیركن، دو دما جهت تف جوشی مدنظر قرار گرفت و تف جوشی در دماهای ۶۰۰ و c°۶۵۰ انجام شد. میزان زیركن جهت هر كامپوزیت به مقدار ۵/۱، ۵/۲، ۵/۳، ۵، ۱۰، ۱۵، و ۲۰ درصد حجمی منظور شد.. در این پروژه مطالعه بر روی پارامترهای کسر حجمی و دمای تف جوشی، خواص مكانیكی و همچنین ریزساختار این كامپوزتها، مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان داد كه خواص مكانیكی همچون استحكام فشاری و سختی برای نمونه های تف جوشی شده در c°۶۵۰ در مقایسه با نمونه های مشابه ساخته شده از وضعیت مطلوبتری برخوردار هستند. همچنین این خواص با افزایش كسر ذرات تا ۵% حجمی افزایش قابل ملاحظه ای نسبت به نمونه خالص یافته اند. الگوی پراش اشعه X نیز حضور فاز ZrSiO4 را تایید نموده است. به علاوه، مطالعات میكروسكوپ نوری و الكترونی نشان می دهد که توزیع ذرات ZrSiO4 در داخل زمینه نیز در مورد نمونه های کامپوزیتی کاملا یكپارچه بوده و بطور كلی نتایج نشان می دهد که تولید این كامپوزیتها به روش متالورژی پودر موفقیت آمیز بوده است. كلمات كلیدی: کامپوزیت Al/Zircon كامپوزیت زمینه فلزی آلومینیم زیرکن متالورژی پودر تف جوشی فهرست مطالب چکیده مقدمه فصل اول: کلیات فصل دوم: مروری بر منابع ۲-۱- کامپوزیت ها و انواع آن ۲-۱-۱- کامپوزیت‌های زمینه پلیمری PMCS ۲-۱-۲- کامپوزیت‌های زمینه سرامیکی CMCS ۲-۱-۳- کامپوزیت‌های کربن - کربن CCCS ۲-۱-۴- کامپوزیت‌ها با زمینه بین فلزی IMCS ۲-۱-۵- کامپوزیت‌های زمینه فلزی MMCS ۲-۱-۶- انواع تقویت‌کننده‌ها و خواص آنها ۲-۱-۷- معرفی فلزAl بعنوان فاز زمینه کامپوزیت ۲-۱-۸- معرفی خواص زیرکن ۲-۱-۹- دلایل استفاده از کامپوزیت Al-Zircon و کاربرد آن ۲-۲- روش های تولید کامپوزیت های زمینه فلزی ۲-۲-۱- روش گردابی ۲-۲-۲- روش کمپوکستینگ ۲-۲-۳- روش ریخته گری کوبشی ۲-۲-۴- روش ریخته‌گری فشار بالا ۲-۲-۵- روش رخنه‌دهی ۲-۲-۶- روش درجا ۲-۲-۷- روش شکل دهی توسط اسپری ۲-۲-۸- روش متالورژی پودر ۲-۲-۹- مزایا و معایب استفاده از روش متالورژی پودر برای تولید کامپوزیت ۲-۳: کامپوزیت های زمینه آلومینیمی تقویت شده با زیرکن ۲-۳-1: توزیع ذرات زیرکن در نمونه ها ۲-۴- تاثیرفرآیند پروسه ساخت برریزساختار ۲-۴-۱: خواص مكانیكی كامپوزیتهای Al-Zircon ۲-۴-۱-۱: تاثیر کسر حجمی ۲-۴-۱-۲- تاثیر روش تولید و اندازه ذره ۲-۴-۱-۳- تاثیر مواد افزودنی ۲-۴-۲- اثر مقدار و اندازه ذارت 4ZrSiO بر روی چگالی ۲-۴-۳- اثر مقدار و اندازه ذرات Zircon بر روی سختی ۲-۴-۴- اثر مقدار و اندازه ذارت تقویت كننده بر استحکام فشاری و کششی، مدول یانگ وتغییر طول تا شکست ۲-۴-۵- اثر مقدار واندازه ذرات Zircon بر ریزساختار کامپوزیت Al-Zircon 2-4-6-اثر دمای تف جوشی بر روی خواص و ریزساختارکامپوزیت فصل سوم: روش تحقیق ۳-۱- مشخصات مواد اولیه ۳-۲- تجهیزات ۳-2-۱- تجهیزات لازم برای ساخت قطعه ۳-2-2- تجهیزات مربوط به بررسی خواص نمونه ها ۳-۳- آماده سازی نمونه ها ۳-۳-۱- ساخت كامپوزیت های Al- ZrSiO4 ۳-۴- روش انجام آزمایش 3-4-1-اندازه گیری چگالی 3-4-2اندازه گیری سختی ۳-۴-۳- مطالعات میکروسکوپ نوری ۳-۴-4- مطالعات میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) 3-4-5- آزمایش فشار 3-4-۶- پراش اشعه X (XRD) فصل چهارم : نتایج و بحث ۴-۱- بررسی نتایج آزمایش چگالی 4-1—1- اثر مقدار ذرات زیركن بر چگالی قطعات تف جوشی شده 4-1-2-اثر دمای تف جوشی بر روی چگالی کامپوزیت Al-Zircon ۴-۲- بررسی نتایج آزمایش سختی کامپوزیت Al-Zircon 4-2-1- اثر درصد حجمی ذرات زیرکن بر سختی کامپوزیت Al-Zircon 4-2-2-اثر دمای تف جوشی بر روی سختی کامپوزیت Al-Zircon ۴-۳- بررسی نتایج آزمایش فشار کامپوزیت های Al-Zircon 4-3—1- اثرمقدار تقویت‌کننده بر تنش تسلیم، استحکام فشاری و تغییر طول تا شکست کامپوزیتAl-Zircon 4-3-2-اثردمای تف جوشی بر روی تنش تسلیم، استحکام فشاری و تغییر طول تا شکست کامپوزیت Al-Zircon ۴-۴- بررسی تصاویر میکروسکوپ الکترونی ۴-۴-۱- اثر مقدار ذرات زیرکن بر روی ریزساختار کامپوزیت Al-Zircon ۴-۴-۲- اثردمای تف جوشی بر روی ریزساختار کامپوزیت ۴-۵- بررسی تصاویر میکروسکوپ نوری ۴-۶- بررسی نتایج آزمایش پراش اشعه X ۴-۶-۱- پودر زیرکن ۴-۶-۲- كامپوزیت آلومینیم - زیرکن فصل پنجم (نتیجه گیری) ۵- نتیجه گیری پیشنهادها برای ادامه كار مراجع فهرست جداول جدول۲-۱: خواص دیرگداز زیرکن[۱۵]. جدول ۲-۲ . مقایسه خواص روشهای مختلف تولید کامپوزیت زمینه Al [۱۸] . جدول ۲-۳. تغییرات چگالی با تغییرات مقدار تقویت کننده [۸]. جدول۲-۴.تغییرات چگالی و سایر خواص با تغییر درصد حجمی و اندازه تقویت کننده [۲۲]. جدول۲-۵ . مقادیراستحکام فشاری نهایی کامپوزیت با تغییر مقدار تقویت کننده [۸]. جدول ۳-۱: تركیب شیمیایی پودر ZrSiO4مورد استفاده. جدول ۳-۲ . نسبت پودرهای مورد استفاده برای تولید کامپوزیت. جدول ۳-۳ . مشخصات نمونه های مورد استفاده در این پژوهش. جدول ۳-۴ . ترکیب شیمیایی محلول اچ کلر [۶۴]. جدول ۴-۱ : تغییرات چگالی و چگالی نسبی با تغییر مقدار تقویت کننده و دمای تف جوشی. جدول ۴-۲ : تغییرات مقدار سختی کامپوزیت ها با تغییر مقدار ذرات زیرکن و دمای تف جوشی. فهرست تصاویر شكل ۲-۱ . طبقه بندی مواد كامپوزیت]۱۲[. شکل ۲-۲: نمایش یک کریستال طبیعی zircon تک بلور [۱۵]. شکل ۲-۳: نمایش صفحات کریستالی zircon تک بلور [۱۵]. شکل ۲-۴: نمایی از شبکه کریستالی پیچیده zircon [۱۶]. شكل۲-۵. روشهای ساخت كامپوزیت های زمینه فلزی [۱۲]. شكل ۲-۶ . سهم روشهای مختلف تولید كامپوزیت های زمینه فلزی در صنعت [۱۳]. شکل ۲- ۷ . شمایی ازتولید کامپوزیت زمینه فلزی به روش گردابی [۱۷]. شکل ۲-۸ . شمایی از روش شکل دهی توسط اسپری فلز مذاب [۳۱]. شكل۲-۸ . نمایی از فرآیند پرس سرد ایزواستاتیک [۱۸]. شكل۲-۹ . نمایی از فرآیند پرس بوسیله سمبه و ماتریس [۱۸]. شكل۲-۱۰ . تعدادی از فرآیندهای رایج اكستروژن در متالورژی پودر [۱۹]. شکل ۲-۱۱ . فرآیند های متداول متالورژی پودر [۱۹]. شکل ۲-۱۲ . شماتیکی از فرایند اتصال از طریق انتقال اتمها به نقاط گردنی در هنگام تف جوشی [۲۰]. شکل ۲-۱۳ . شماتیکی از تغییرات میکروسکوپی در هنگام تف جوشی [۲۰]. شکل۲-۱۴: کامپوزیت های زمینه آلومینیومی، (a حاوی ذرات آلومینا ۴۴-۷۴µm ، b) حاوی ذرات آلومینا ۷۴- ۱۰۵ µm ، c) حاوی ذرات زیرکن۴۴-۷۴µm و d)حاوی ذرات زیرکن۷۴- ۱۰۵ µm [۲۸]. شکل۲-۱۵. دیاگرام دوتایی 2SiO-2ZrO. شکل ۲-۱۶: تغییرات سختی نمونه های کامپوزیتی تقویت شده با آلومینا و زیرکن با اندازه ذرات مختلف [۲۸]. شكل۲- ۱۷: نرخ سایش کامپوزیت های مختلف زمینه آلومینیمی و آلومینیم خالص [۲۸]. شكل۲- ۱۸: کاهش حجم در طی سایش کامپوزیت های مختلف زمینه آلومینیمی و آلومینیم خالص [۲۸]. شکل ۲- ۱۹ : شکل الکترونی سطح سایشی a)نمونه حاویSiC b) حاوی زیرکن(۴۴-۷۴µm) و c)حاوی زیرکن (۷۴-۱۰۵µm)[۲۸]. شكل۲- ۲۰: شکل میکروسکوپی سطح سایشی نمونه های a) آلومینیوم خالص b)حاوی ذرات آلومینا ۴۴-۷۴µm c) حاوی آلومینا ۷۴-۱۰۵µm d)حاوی زیرکن۴۴-۷۴µm و e)حاوی زیرکن۷۴- µm ۱۰۵[۲۸]. شکل ۲-۲۱ . کاهش چگالی کامپوزیت با افزایش درصد حجمی تقویت کننده [۲۲]. شکل ۲-۲۲. افزایش تخلخل با افزایش تقویت کننده [۲۲]. شکل ۲-۲۲ . افزایش چگالی با افزایش مقدار و اندازه ذرات تقویت کننده [۱۸]. شکل ۲-۲۳ . افزایش تخلخل با افزایش درصد وزنی تقویت کننده [۱۸]. شکل ۲-۲۴ . تغییرات سختی با تغییر مقدار و اندازه ذارت [۱]. شکل ۲-۲۵ . تغییرات سختی با تغییر مقدار ذارت آلومینا [۵]. شکل ۲-۲۶ . افزایش استحکام فشاری با افزایش مقدار تقویت کننده [۳۱]. شکل ۲-۲۷ . نمودار فشار ماده کامپوزیتی حاوی ذرات BN [۸]. شکل۲-۲۸ . کاهش تغییر طول با افزایش مقدار تقویت کننده [۲۲]. شکل ۲-۲۹ . افزایش استحکام تسلیم با افزایش مقدار SiC برای آلیاژ Al-Cu--Mn [۲۲]. شکل ۲-۳۰ . افزایش استحکام کششی با افزایش مقدار SiC برای آلیاژ Al-Cu--Mn [۲۲]. شکل ۳-۱ . تصویر میکروسکوپ الکترونی از پودر آلومینیوم مورد استفاده. شکل ۳-۲ . آسیاب گلوله ای- سیاره ای مورد استفاده دراین تحقیق. شكل۳-۳.تصویر دستگاه پرس سرد ایزواستاتیک. شکل ۳-۴ . تصویر کوره تف جوشی به همراه لوله آلومینایی و درپوش آن. شکل ۳-۵ . تصویر دستگاه اندازه گیری چگالی در این پژوهش. شکل ۳-۶ . تصویر تعدادی از نمونه های کامپوزیتی ساخته شده در این پژوهش. شکل ۳-۱۲ . تصویر دو نمونه کامپوزیتی این پژوهش پس از آزمایش فشار. شکل ۴-۱ : اثر درصد حجمی زیرکن بر چگالی کامپوزیت Al-Zircon. شکل ۴-۲ : اثر درصد حجمی زیرکن بر چگالی نسبی کامپوزیت Al-Zircon. شکل ۴-۳ : اثردمای تف جوشی بر چگالی و مقایسه چگالی های بدست آمده با چگالی تئوری. شکل ۴-۴ : اثردمای تف جوشی بر چگالی نسبی. شکل ۴-۵ : اثر درصد حجمی زیرکن بر سختی کامپوزیت Al-Zircon. شکل ۴-۶ : اثر دمای تف جوشی بر سختی کامپوزیت ها. شکل ۴-۷ : اثر درصد حجمی زیرکن بر تنش تسلیم کامپوزیت Al-Zircon. شکل ۴-۸ : اثر درصد حجمی زیرکن بر استحکام فشاری کامپوزیت Al-Zircon. شکل ۴-9: اثر درصد حجمی زیرکن بر تغییر طول تا شکست کامپوزیت Al-Zircon. شکل۴-۱۰ : اثر دمای تف جوشی و مقدار ذرات زیرکن برتنش تسلیم کامپوزیت Al-Zircon. شکل۴-۱۱ : اثر دمای تف جوشی و مقدار ذرات زیرکن بر استحکام فشاری کامپوزیت Al-Zircon. شکل۴-۱۲ : اثر دمای تف جوشی و مقدار ذرات زیرکن برتغییر طول تا شکست کامپوزیت Al-Zircon. شکل ۴-۱۳ : تصویر میکروسکوپ الکترونی نمونه کامپوزیت Al-Zircon حاوی ۵/۲ درصد حجمی زیرکن. شکل ۴-۱۴ : تصویر میکروسکوپ الکترونی نمونه کامپوزیت Al-Zircon حاوی ۵/۳ درصد حجمی زیرکن. شکل ۴-۱۵ : تصویر میکروسکوپ الکترونی نمونه کامپوزیت Al-Zircon حاوی ۵ درصد حجمی زیرکن. شکل ۴-۱۶ : تصویر میکروسکوپ الکترونی نمونه کامپوزیت Al-Zircon حاوی ۱۰ درصد حجمی زیرکن. شکل ۴-۱۷ : تصویر میکروسکوپ الکترونی نمونه کامپوزیت Al-Zircon حاوی ۱۵درصد حجمی زیرکن. شکل ۴-۱۸ : تصویر میکروسکوپ الکترونی نمونه کامپوزیت Al-Zircon حاوی ۲۰ درصد حجمی زیرکن می باشد. شکل ۴-۱۹ : تصویر میکروسکوپ الکترونی نمونه کامپوزیت Al-Zircon حاوی ۱۵ درصد حجمی زیرکن. شکل۴-۲۰: تصویر میکروسکوپ الکترونی نمونه کامپوزیت Al-Zircon حاوی۲۰ درصد حجمی زیرکن. شکل ۴-۲۱ : تصویر میکروسکوپ الکترونی نمونه کامپوزیت Al-Zircon تف‌جوشی شده در دمای ۶۰۰ به مدت۶۵ دقیقه. شکل ۴-۲۲ : تصویر میکروسکوپ الکترونی نمونه کامپوزیت Al-Zircon تف‌جوشی شده در دمای ۶۵۰ به مدت۶۵ دقیقه. شکل ۴-۲۳ : تصویر میکروسکوپ الکترونی نمونه کامپوزیت Al-Zircon تف‌جوشی شده در دماهای ۶۰۰ به مدت۶۵ دقیقه ‌. شکل ۴-۲۴ : تصویر میکروسکوپ الکترونی نمونه کامپوزیت Al-Zircon تف‌جوشی شده در دماهای ۶۳۰ به مدت۶۵ دقیقه ‌. شکل ۴-۲۵ : تصویر میکروسکوپ الکترونی نمونه کامپوزیت Al-Zircon تف‌جوشی شده در دماهای ۶۵۰ به مدت۶۵ دقیقه ‌. شکل ۴-۲۶ : تصویر میکروسکوپ نوری نمونه کامپوزیت Al-Zircon تف جوشی شده در دمای ۶۵۰ به مدت ۶۵ دقیقه. شکل ۴-۲۷ : تصویر میکروسکوپ نوری نمونه کامپوزیت Al-Zircon محتوی ۵/۳درصد حجمی زیرکن. شکل ۴-۲۸ : تصویر میکروسکوپ نوری نمونه کامپوزیت Al-Zircon محتوی ۵ درصد حجمی زیرکن. شکل ۴-۲۹ : تصویر میکروسکوپ نوری نمونه کامپوزیت Al-Zircon محتوی ۱۰درصد حجمی زیرکن. شکل ۴-۳۰ : تصویر میکروسکوپ نوری نمونه کامپوزیت Al-Zircon محتوی ۱۵درصد حجمی زیرکن. شكل(۴-۳۱) : نمودار پراش اشعه X پودر زیرکن مورد استفاده در این تحقیق. شكل(۴-۳۲) : نمودار پراش اشعه X کامپوزیت آلومینیم-زیرکن حاوی ۱۰% زیرکن تفت جوشی شده شده در دمای C °۶۵۰ .