توسعه نانوکامپوزیت هیبریدی‏ در سیستم al-ni-o بر سطح قطعات متالورژی پودر با استفاده از فرایند اصطکاکی اغتشاشی و ارزیابی خواص مکانیکی و رفتار تریبولوژیکی آن

در پروژه حاضر با استفاده از فرایند اصطکاکی اغتشاشی(friction stir processing:fsp) نانوکامپوزیت‏های حاوی ذرات تقویت کننده در سیستم al-ni-o بر سطح قطعات متالورژی پودر آلومینیومی ایجاد و خواص مکانیکی، رفتار سایشی و نیز تغییرات ساختاری آن بررسی شد. در این پروژه به منظور رفع معایب روش های متداول در تولید نانوکامپوزیت های سطحی با استفاده از فرایند اصطکاکی اغتشاشی، از ایده جدیدی جهت ساخت نانوکامپوزیت سطحی استفاده شد. بر این اساس ابتدا پودرهای میکرومتری آلومینیوم و مخلوط پودر‏های آلومینیوم و نیکل خالص (al-15wt%ni) تحت عملیات پرس سرد با فشار 225 مگاپاسکال قرار گرفته و سپس در دمای 520 درجه سانتیگراد به مدت 20 دقیقه سینتر شدند و نمونه‏های بالک از جنس آلومینیوم خالص و al-15wt%ni به دست آمد. در ادامه فرایند اصطکاکی اغتشاشی بر سطح نمونه های آماده شده انجام گرفت. به منظور بهینه سازی پارامترهای فرایند، بررسی های ریزساختاری و خواص مکانیکی نمونه ها روی قطعات متالورژی پودر آلومینیومی خالص انجام شد و پارامترهای بهینه فرایند شامل سرعت چرخشی( ) و سرعت پیشروی ابزار( ) به ترتیب rpm1000 و mm/min100 بدست آمد. بررسی های ریزساختاری نشان دهنده حضور دانه های هم محور ریز در منطقه اغتشاش است که با کاهش سرعت چرخشی و یا افزایش سرعت پیشروی اندازه دانه‏های تبلور مجدد یافته، کاهش می یابد. همچنین بررسی ها نشان داد که در صورتی که باشد، به دلیل حرارت ورودی کم حفرات میکروسکوپی، ناشی از عدم پر شدن اثر پین در نمونه‏ها ایجاد می شود. در ادامه به منظور توسعه نانوکامپوزیت مورد نظر بر سطح قطعات، فرایند اصطکاکی اغتشاشی روی نمونه‏های al-15wt%ni اعمال شد و ساختار و خواص نانوکامپوزیت ایجاد شده توسط میکروسکوپ نوری، میکروسکوپ الکترونی روبشی(sem)، میکروسکوپ الکترونی عبوری(tem)، آزمایش ریزسختی سنجی، آزمون کشش و آزمون سایش مورد ارزیابی قرار گرفت. همچنین به منظور تعیین فازهای موجود در ساختار از آنالیز پراش پرتوایکس استفاده شد. بررسی ریز ساختار، آنالیز فازی و آنالیز eds نمونه های نانوکامپوزیتی حاکی از ایجاد ذرات al3ni در زمینه آلومینیومی در اثر واکنش پودرهای نیکل و آلومینیوم در اثر اعمال فرایند اصطکاکی اغتشاشی بود. بررسی‏های انجام شده با tem نشان داد با اعمال پاس‏های بعدی فرایند اصطکاکی اغتشاشی، ذرات تقویت‏کننده به طور یکنواخت در زمینه آلومینیومی پراکنده شدند. مکانیزم تشکیل نانوکامپوزیت مورد نظر به این صورت پیشنهاد شد که در اثر اعمال فرایند اصطکاکی اغتشاشی به دلیل اعمال کرنش پلاستیک زیاد، آلومینیوم به راحتی تغییر فرم یافته و اطراف ذرات نیکلی را فرا می‏گیرد و یک ذره کامپوزیتی به وجود می‏آورد. با واکنش آلومینیوم و نیکل در فصل مشترک al/ni، ذرات al3ni به صورت یک پوسته کروی اطراف ذرات نیکلی تشکیل می‏شوند و ادامه واکنش از طریق نفوذ آلومینیوم صورت می‏گیرد. با اعمال پاس‏های بعدی فرایند، به دلیل تغییر شکل پلاستیکی شدید، ذرات ریز al3ni در زمینه آلومینیومی به طور یکنواخت توزیع می‏شوند. محاسبات انجام گرفته با روش آنالیز کمی نسبت شیب‏ها نشان داد، در نانوکامپوزیت حاصل از شش پاس اعمال فرایند اصطکاکی اغتشاشی، درصد حجمی فازهای al3ni ، al2o3 و nio به ترتیب 10% ، 82/3% و 72/2% می‏باشد. سختی بیشینه برای نمونه های فلز پایه، نمونه فرایند شده و نمونه نانوکامپوزیتی بعد از شش پاس فرایند به ترتیب 30، 41 و 89 ویکرز اندازه گیری شد. همچنین استحکام کششی نمونه خام فرایند شده و نمونه نانوکامپوزیتی بعد از اعمال شش پاس فرایند، به ترتیب 118 و250 مگاپاسکال به دست آمد. بررسی نتایج سایش نشان داد که نرخ سایش برای فلز پایه، نمونه فرایند شده و نمونه نانوکامپوزیت سطحی به ترتیب 0696/0، 062/0 و 0108/0 میلی گرم بر متر می‏باشد.