ساخت و بررسی خواص قطعات نانوکامپوزیتal / al3zr با روش آلیاژسازی مکانیکی و اکستروژن گرم

تاکنون تحقیقات وسیعی با هدف توسعه آلیاژهای دما بالا برای کاربرد در صنایع هوا-فضا و خودرو انجام شده است. در چنین کاربردهایی نیاز به مواد سبکی است که بتوانند در زمان های طولانی در دمای بالا کار کنند. کامپوزیت های آلومینیوم همراه با ذرات تقویت کننده بین فلزی از مهم ترین دسته از این مواد می باشند. در این بین عنصر زیرکونیوم به عنوان یکی از مهم ترین کاندیداها جهت تولید تری آلومیناید زیرکونیوم (al3zr)به عنوان ترکیب بین فلزی معرفی شده است. هدف از انجام این پژوهش تولید کامپوزیت نانوساختار al-al3zr با استفاده از روش آلیاژسازی مکانیکی و اکستروژن گرم و بررسی خواص قطعات تولید شده از این کامپوزیت بود. بدین منظور ابتدا با استفاده از آسیاب سیاره ای ترکیب تری آلومیناید زیرکونیوم تولید شد. ترکیب تولید شده سپس با پودرآلومینیوم خالص مخلوط شد تا پودر کامپوزیتی al-al3zr با درصد وزنی متفاوت از تقویت کننده (al3zr) به دست آید. سپس این پودر با استفاده از فرآیند اکستروژن گرم دردمای 550 سانتیگراد متراکم گردید و خواص قطعات حاصل مورد ارزیابی قرار گرفت. تغییرات فازی رخ داده در حین آلیاژسازی مکانیکی توسط آزمون پراش پرتو ایکس بررسی شد و ریزساختار تولید شده توسط میکروسکوپ های الکترونی روبشی و عبوری بررسی شد. خواص مکانیکی قطعات تولید شده پس از اکستروژن گرم با استفاده از سختی سنجی و آزمون کشش در دمای محیط و دمای بالا بررسی شد. به منظور مقایسه رفتار سایشی قطعات، آزمون پین بر روی دیسک در دمای محیط و در بار اعمالی 27 و 40 نیوتن انجام شد. نتایج نشان داد که ترکیب بین فلزی al3zr با انجام آلیاژسازی مکانیکی حتی به مدت 50 ساعت تشکیل نمی شود، اما با انجام عملیات آسیاب کاری به مدت 10 ساعت و سپس عملیات حرارتی در دمای 600 درجه سانتیگراد به مدت یک ساعت ترکیب al3zr تولید شد. نتایج آنالیز حرارتی نشان داد که تولید ترکیب بین فلزی al3zr ابتدا با جوانه زنی فاز شبه پایدار مکعبی شکل al 3zr در مخلوط پودری شروع می شود و در ادامه فاز تعادلیal3zr تتراگونال از فاز شبه تعادلی بوجود می آید. با استفاده از رابطه ویلیامسون-هال اندازه دانه فازal3zr ، 32 نانومتر محاسبه شد که این میزان تطابق مناسبی با مشاهدات میکروسکوپ الکترونی عبوری داشت. اکستروژن گرم نمونه های تولیدی در دمای 550 درجه سانتیگراد باعث تولید قطعاتی عاری از عیب با چگالی نسبی 99% و همچنِین توزیع مناسب ذرات al3zr در زمینه شد. استحکام تسلیم نمونه های اکسترود شده شامل 10%wt al3zr به میزان 105 مگاپاسکال به دست آمد که بسیار بیشتر از استحکام تسلیم آلومینیوم خالص (60 مگاپاسکال) است. رفتار کششی نمونه ها در دمای 300 سانتیگراد نشان داد که حضور ذرات تقویت کننده در ساختار باعث جلوگیری از تبلور مجدد می شود و در این دما استحکام تسلیم نمونهal-10%wt al3zr به میزان 95 مگاپاسکال محاسبه شد. نمونه های کامپوزیتی al-al3zr از پایداری حرارتی مناسبی برخوردار بودند به طوریکه سختی نمونه ها پس از 36 ساعت آنیل در دمای 300 درجه سانتیگراد تغییر چندانی نکرد. نتایج آزمون سایش نشان داد با افزایش درصد وزنی ذرات تقویت کننده در ساختار نرخ سایش کاهش می یابد. مکانیزم سایش بستگی به بار اعمالی دارد و شامل تولید لایه مخلوط شده مکانیکی، سایش خراشان و ورقه ای شدن می شود.