تحولات ریزساختاری یک ماده مدل شفاف در حین فرآوری نیمه جامد

از ابتدای ابداع فرایندهای ریخته گری در حالت نیمه جامد مطالعات متعددی در رابطه با مکانیزم های تشکیل ریزساختار در این فرایندها انجام شده است. با این حال مرور تحقیقات انجام شده در این زمینه نشان می دهد که هنوز توافق نظر جامعی میان محققین در ارتباط با مکانیزم های موثر در تحولات ریزساختاری در فرایندهای ریخته گری نیمه جامد وجود ندارد. علت این مسأله ماهیت غیرشفاف فلزات عنوان می شود که امکان مشاهده ی مستقیم تحولات ریزساختاری در مرحله ی جوانه زنی و لحظات ابتدایی رشد ذرات جامد را غیرممکن ساخته است. به همین دلیل اکثر نظریه های ارائه شده بر اساس مشاهدات غیرمستقیم استوار می باشد. جهت غلبه بر این محدودیت، مواد مدل شفاف جهت مشاهده ی مستقیم تحولات ریزساختاری در برخی از فرایندهای ریخته گری نیمه جامد مورد استفاده قرار گرفته و تحقیقات انگشت شماری نیز با استفاده ازآنها صورت پذیرفته است. هدف از تحقیق حاضر، مطالعه ی درجای مکانیزم ها و پارامترهای موثر در تشکیل ذرات جامد در فرآوری نیمه جامد با استفاده از آلیاژ شفاف سوکسینونیتریل با خلوص 99% می باشد. به این منظور دستگاهی برای مشاهده و مطالعه ی مستقیم انجماد آلیاژ مدل تحت شرایط جابجایی اجباری طراحی و ساخته شد. نتایج آزمایش های انجام شده شواهدی را در ارتباط با میزان تأثیرگذاری عواملی همچون نرخ جوانه زنی، الگوی سیلان مذاب و نرخ برش بر تحولات ریزساختاری مراحل آغازین انجماد ارائه نمود. این نتایج حاکی از نقش به مراتب موثرتر الگوی سیلان حاکم در مذاب در مقایسه با نرخ برش بر فرایند تکه تکه شدن موثر دندریت ها و تشکیل ذرات کروی شکل در شروع انجماد بود. در واقع وجود تلفیقی از جوانه زنی شدید و شدت تلاطم زیاد در شروع انجماد شرایطی را ایجاد می کند تا در حضور دانسیته ی زیاد ذرات، امکان رشد پایدار آنها تا رسیدن به ابعادی در حدود 60 میکرومتر فراهم شود. در غیر این صورت حتی در نرخ های برش زیاد نیز ذرات تشکیل شده در شروع انجماد دندریتی شکل هستند. این یافته با باورهای رایج که وجود نرخ برش زیاد را شرط لازم برای تشکیل ذرات کروی شکل می دانند متفاوت است. در آزمایش هایی که دیسک در حال چرخش توسط یک سیستم خنک کننده سرد می شد نتایج مشاهدات درجا تشکیل یک شبکه ی جامد دندریتی در اطراف دیسک در حال چرخش را مشخص کرد. جدا شدن بازوهای دندریتی از این شبکه ی دندریتی درشت شده در صورت متلاطم بودن جریان در اطراف آن به عنوان یک منبع موثر در تشکیل ذرات کروی شکل مشاهده شده در ساختار پیشنهاد گردید. تشکیل این شبکه با نتایج به دست آمده از انجام فرایند مشابه بر روی آلیاژ فلزی al-7.1wt%si تأیید شد. همچنین در این تحقیق مدلی در ارتباط با سینتیک درشت شدن بازوهای دندریتی تحت شرایط جابجایی اجباری ارائه شد. این مدل که در واقع شکل تصحیح شده ی مدل کلاسیک کاتامی برای درشت شدن بازوها در شرایط کنترل شونده توسط نفوذ تنها است با وارد کردن پارامتری به نام ضریب نفوذ ظاهری، تأثیر سیلان مذاب را بر افزایش سرعت نفوذ مدنظر قرار داده است. نتایج این مدل نشان داد که قطر بازوها (d) در حالت کلی توسط معادله ای به شکل d=ata?b با زمان انجماد موضعی (t)و نرخ برش (??) ارتباط پیدا می کند و الگوی سیلان حاکم در مذاب تعیین کننده ی ثوابت a و b در معادله ی مذکور می-باشد. میزان انطباق مدل پیشنهادی با یافته های آزمایشگاهی مربوط به آلیاژهای مختلف مورد بررسی قرار گرفت.