Isfahan University of Technology , Materials Engineering Department

تاثیر عنصر های آلیاژی بر ریز دانگی انجماد کامپوزیت Al-SiC

 

این بحث پیش رو در مورد فرآیندهایی است که فلز در حالت مذاب با مواد تقویت کننده ترکیب می شود. برای کامپوزیت ها انجماد شامل سه گام است :

  • گام نخست شامل خیس شوندگی تقویت کننده ها توسط فلز می باشد که شامل فرآیندی است که در ابتدا فلز و مواد تقویت کننده با یکدیگر ترکیب می شوند.
  • گام میانی مربوط به جریان سیال، انتقال حرارت و پدیده انجماد قبل از اینکه کامپوزیت کامل منجمد شود است.
  • گام سوم انجماد نهایی و آخرین گام در تشکیل مواد و ریزساختار بررسی می شود. که این گام اصلی می باشد.

 

گام نخست

هنگامی كه ذرات SiC به مذاب افزوده مي‌شوند، گرچه چگالي آن ها بالاتر از مذاب است، اما می بینیم که ذرات SiC در مذاب غوطه ور می شوند ، دليل اين امر، كشش سطحي زياد و خیس شوندگي كم ذرات توسط مذاب است. بنابراین ذرات افزوده شده به طرز مناسبی درون مذاب پخش می شوند و نگرانی برای ته نشین شدن و تجمع بیشتر آن ها در قسمت های زیرین مذاب وجود ندارد.

روی هم رفته اگر به روشی خیس شوندگی را افزایش دهیم ، خواهیم دید که غوطه وری بهتری داریم. در سال های نزیک  روش های گوناگونی برای افزایش خیس شوندگی به کار رفته است که مبنای کاری همه ی آن کاهش زاویه خیس شوندگی توسط افزایش انرژی سطحی جامد – ذره ، کاهش انرژی فصل مشترک جامد – مذاب و یا کاهش کشش سطحی مذاب – ذره می باشد.

برای افزایش خاصیت خیس شوندگی روش های زیر به کار برده می شود:

1)   اضافه کردن عنصر های واکنشی هم چون منیزیم و لیتیم به مذاب Al

2)   عملیات حرارتی ذرات

3)   استفاده از پوشش های نیکل و مس روی ذرات دیر گداز

4)   اعمال امواج التراسونیک به مذاب

این عوامل که باعث تغییر زاویه خیس شوندگی می شوند به دو دسته زیر تقسیم می گردند:

1-   افزودنی هایی که باعث بهبود واکنش تقویت کننده و زمینه می شوند ، هم چون لیتیم در آلومینیوم برای خیس شوندگی کاربید سیلیسیم

2-   افزودنی ها به آلومینیوم باعث بهبود واکنش با تقویت کننده نشده بلکه باعث اصلاح شاخص های لایه اکسیدی بر روی سطح فلز می شوند،هم چون منیزیم در آلومینیوم با کاربید سیلیسیم.

این دو روش عملی یا باعث واکنش در فصل مشترک زمینه - الیاف شده یا منجر به اصلاح لایه اکسیدی که اغلب آلومینیوم مذاب را پوشش می دهد ، می شود. عنصر های واکنش زا به طرز وسیعی برای پخش کردن ذرات سرامیکی در مذاب فلزی بکار رفته است.

واکنش میان نقویت کننده ها و زمینه اغلب مطلوب نیست، زیرا منجر به کاهش استحکام تقویت کننده می شود. یک روش دیگر که بر اساس همان اصول است، پوشش دادن الیاف یا سطح ذرات است. پوشش های فلزی روی ذرات سرامیکی انرژی سطحی جامد را افزایش داده و توسط تعویض فصل مشترک از فلز -  سرامیک به فلز-  فلز خاصیت خیس شوندگی را بهبود می بخشند.

پوشش ها به طرز عمومی به دو دسته برای افزودنی های آلیاژها بکار رفته است:

الف) پوشش هایی که جهت واکنش با زمینه طراحی شده اند. این پوشش ها متعدد بوده و شامل پوشش های فلزی برای انواع تقویت کننده ها در آلومینیوم، پوشش های اکسیدی برای کاربید سیلیسیم در آلومینیوم است.

ب) پوشش هایی که جهت واکنش با لایه اکسیدی پوشش دهنده مذاب آلومینیوم طراحی شده اند.

همچنین عملیات حرارتی ذرات قبل از پخش نمودن آن ها در مذاب منجر به بهبود انتقال و خاصیت خیس شوندگی توسط دفع سطحی گازهای جذب شده در سطح می شود.

از طرفی امواج اولتراسونیک منجر به بهبود خیس شوندگی سرامیک ها در نتیجه دفع جزیی سطحی گازهای جذب شده از سطح ذرات می شود. به علاوه این امواج موجب ایجاد یک انرژی اضافی در ذوب حفره ها شده که موجب آسان تر شدن پراکندگی ذرات در مذاب می شود.

 

گام میانی

این قسمت مربوط به مراحلی از انجماد است که فلز و تقویت کننده ، ترکیب شده و قسمتی از زمینه فلزی به صورت مذاب باقیمانده است. این گام قبل از گام نهایی است، که انجماد به صورت کامل صورت گرفته است. همانند خیس شوندگی اینجا نیز بین حالتی که تقویت کننده تشکیل دهنده یک پیش شکل خود نگه دارنده مکانیکی و حالتی که مرکب از ذرات مجزا و الیاف کوتاه و یا ویسکرزهای پخش شده در کامپوزیت نهایی است تفاوت وجود دارد. در حالت نخست اغلب کامپوزیت به طرز مستقیم توسط نفوذ پذیری پیش شکل به شکل نهایی آن ریخته گری می شود. در حالت دوم اغلب کامپوزیت توسط مخلوط کردن تقویت کننده درون مذاب یا فلز نیم جامد جهت ایجاد یک دوغاب روان کامپوزیتی تولید می شود، سپس این دوغاب توسط روش هایی مشابه ریخته گری بدون ذرات تقویت کننده ریخته گری می شود. این دو روش با یکدیگر ترکیب شده اند ولی در پدیده انتقال با یکدیگر متفاوتند.

نفوذ پذیری پیش شکل

فرآیند نفوذ پذیری برای چندین دهه برای تولید مواد کامپوزیتی بکار رفته است. اغلب فازهای تقویت کننده (ذرات-الیاف) به اندازه کافی کوچک هستند که پیش شکل را بتوان به عنوان یک ساختار پیوسته متخلخل توصیف کرد.

فرآیند دوغاب کامپوزیت زمینه فلزی Al-SiC

هنگامی که تقویت کننده ها شامل عنصر های مجزا از فاز تقویتی پخش شده در زمینه هستند،کامپوزیت تشکیل یک دوغاب روان و جاری را می دهد. اگر قسمت کافی از زمینه مذاب باشد، این نوع دوغاب کامپوزیتی اغلب توسط هم زدن و وارد کردن تقویت کننده به مذاب یا زمینه نیمه جامد و سپس انجام دیگر مراحل ریخته گری تولید می شود. وجود مقدار قابل توجهی از کسر حجمی فاز جامد در کامپوزیت در حال جریان عامل بهبود رفتار کامپوزیت در طول ریخته گری می شود وهمچنین توجه به پخش شدن یکسان تقویت کننده در این حالت ضروری است.تولید دو غاب کامپوزیتی در آلیاژهای ALبا ذرات تقویت کنندهSiC به صورت زیر انجام می شود.

آلیاژ Al را در کوره تا بالای دمای لیکویدوس حرارت می دهیم تا کاملا ذوب شود و سپس آن را تا پائین دمای لیکویدوس سرد می کنیم تا به دوغاب نیمه جامد برسیم.ذراتSiC را قبل از مخلوط کردن تا دمای حدود      c ْ1100 پیشگرم می کنیم تا سطح آن اکسید شود .در این گام ذرات پیش گرم شده را به دوغاب اضافه می کنیم و آن ها را با روش های دستی یا اتوماتیک هم می زنند و سپس دوباره دوغاب کامپوزیتی را حرارت می دهیم تا به حالت کاملا مایع برسیم.

براي بهبود توزيع ذرات مخلوط كردن گام دوم مورد نياز است. مثلاً، حرارت دادن دوغاب كامپوزيتي تا دمايي بالاتر از دماي ليكدوس پس چرخش مذاب به‌وسيله ابزار اتوماتيك، بهترين راه‌حل است. در نتيجه مخلوط كردن دو گام‌ی به توزيع هموژن ذرات كمك مي‌كند.هم زدن دو گام‌ی، تنها راه مناسب نيست. با توجه به آناليزهاي انجام شده هر روشي كه بتواند لايه‌هاي گازي را بشكند، هم چون روش هم زدن از كف و پاشش ذرات و... مي‌تواند مؤثر باشد. 

هنگامی که ذرات در مذاب پخش می شوند دو نوع واکنش می تواند رخ دهد :

1-   واکنش بین ذره و مذاب

2-   واکنش بین خود ذرات

هر دو نوع واکنش عامل افزایش گرانروی ظاهری دوغاب می شوند.در محدوده دمایی که زمینه نیمه جامد است، تاثیر دما بر روی گرانروی دوغاب کامپوزیتی همانند تاثیر آن بر مذاب آلیاژ زمینه است. پس با افزایش دما گرانروی کاهش می یابد که علت آن کاهش کسر حجمی جامد است.به هر حال در دوغاب کامپوزیتی ، ممکن است تغییراتی در گرانروی و یا سیالیت بر اثر واکنش بین تقویت کننده و زمینه مشاهده شود. در ریخته گری آلیاژهای بدون تقویت کننده با افزایش دما سیالیت نیز افزایش می یابد ولی در آلیاژهای (AA6061) از Al با 15%  حجمی ذرات SiC با افزایش دما ، سیالیت نیز افزایش می یابد که علت آن تشکیل Al4C3 است که باعث افزایش گرانروی و تشویق انباشتگی ذرات با یکدیگر می شود. واکنش تشکیل Al4C3 با سرعت بسیار آهسته انجام می شود و تشکیل آن در دماهای پائین امکان ندارد.هنگامی که مقدار C افزایش می یابد،قابلیت انحلال آن در مذاب Al محدود می شود.تشکیل Al4C3 بوسیله انحلال SiC در مذاب Al و تشکیل  رسوب Al4C3 ،انجام می گیرد و این یعنی جوانه زنی غیر همگن کریستال های Al4C3 است.

 

مرحله نهایی

نحوه انجماد در کامپوزیت ها می تواند تاثیر بسزایی در ساختار و خواص مکانیکی کامپوزیت ها داشته باشد. استفاده مستقیم از قوانین و روابط برای کنترل ریزساختار فلزات برای MMC غیر ممکن است، زیرا فاز تقویت شده پیوسته موجب اصلاح و تغییرات در انجماد زمینه می شود.

جوانه زنی فلز تقویت شده

این باور وجود دارد که ذرات سرامیکی معلق بندرت به صورت مناسبی با فشار منجمد شده هم جهت شده و تشکیل یک فصل مشترک با انرژی کم را می دهند. فاز تقویت شده جامد اگر باعث تسریع در جوانه زنی ناهمگن فاز جامد نخستین شود، می تواند موجب کاهش اندازه دانه زمینه شود. اگر تقویت کننده موجب جوانه زنی فاز نخستین زمینه توسط تسریع کردن و یا انتقال حرارت نشود، اندازه دانه کامپوزیت قدری بیشتر از نمونه مشابه بدون تقویت کننده می شود، زیرا تقویت کننده مانع جابجایی فلز مذاب خواهد شد.

ذرات در مذاب خواص ترموفیزیکی متفاوتی نسبت به مذاب دارند آنچه مسلم است كمتر بودن هدايت حرارتي و نفوذپذيري ذرات SiC نسبت به Al مذاب است. بنابراين، ذرات SiC نمي‌توانند به سرعت مذاب سرد شوند. در نتيجه، دماي ذرات بالاتر از دماي مذاب است .ذرات SiC در داخل مذاب شناورند. حرکت ذرات در مذاب یک لایه مرزی حرارتی در اطراف ذره ایجاد می کند.دمای لایه مرزی ایجاد شده در مذاب بر دمای ذره در مذاب تاثیر می گذارد.

در کامپوزیت های مذاب عنصر های آلیاژی در یک لایه مرزی در تماس با سطح ذره قرار می گیرند.به دلیل انرژی سطحی بین ذره و مذاب انرژی آزاد عنصر های آلیاژی در تماس با سطح ذره بالاتر از انرژی آزاد این مواد در سایر قسمت های مذاب است، این امر منجر به این می شود که مذاب اطراف سطح ذرات غنی از عنصر های آلیاژی شود. مواد محلول به یک فاصله شعاعی از سطح ذره مهاجرت می کنند و یک لایه غنی از مواد محلول بر سطح ذره تشکیل می شود، پس یک تغییر در توزیع مواد حل شده در اطراف ذره ایجاد می شود. غلظت تعادلی عنصر های آلیاژی  در تماس با سطح ذره به دمای ذره و انرژی سطحی بین ذره/مذاب و ذره/عنصر های آلیاژی بستگی دارد.

زمان لازم برای اینکه دمای ذره معادل دمای مذاب شود با کسر حجمی و اندازه ذره افزایش می یابد.چون ذرات SiC هدایت حرارتی پائین تر از فلز مذاب دارند،هنگامی که اندازه ذره به اندازه کافی بزرگ باشد ، دمای قسمت مرکزی ذره ممکن است ثابت نباشد.در این نمونه ها دمای ذره در مذاب به نرخ هدایت حرارتی مذاب بستگی دارد.

اثر نوع آلیاژ Al بر جوانه زنی مذاب بر روی سطح ذره

در آلیاژهای هیپو یوتکتیک دمای مذاب در تماس با سطح ذره نسبت به مذابی که در فاصله دورتری از سطح ذره قرار گرفته بیشتر است.ولی در ترکیبات هیپریوتکتیک دمای مذاب در تماس با سطح ذره نسبت به مذابی که در فاصله دورتری از سطح ذره قرار گرفته است کمتر است. بنابراین در آلیاژهای هیپو یوتکتیک مذاب تمایل دارد تا در نقاط دور از ذره جوانه زنی زودتر شروع شود، چون دمای آن نقاط کمتر است. در آلیاژهای هیپر یوتکتیک مذاب تمایل دارد تا در نواحی نزدیک به سطح ذره ابتدا جوانه زنی انجام دهد زیرا دما در این نقاط از مذاب کمتر است.پس در آلیاژهای هیپریوتکتیک جوانه زنی بر روی سطح ذره به نحو مطلوبی صورت می گیرد.تغییر انرژی آزاد شیمیایی برای جوانه زنی(نیرو محرکه جوانه زنی) بر روی ذره با دمای مذاب افزایش می یابد.هنگامی که غلظت عنصر های آلیاژی نخستین در ترکیبات هیپو و هیپر یوتکتیک افزایش می یابد ، تغییر انرژی آزاد نیز افزایش می یابد.تغییر انرژی آزاد در مذاب هیپو یوتکتیک کمتر از مذاب هیپریوتکتیک است.بنابراین جوانه زنی بر روی سطح ذره در مذاب هیپر یوتکتیک مناسب تر است.این می تواند ناشی از غلظت بالای عنصر های آلیاژی در تماس با سطح ذره باشد زیرا تحت تبرید موضعی در مذاب در تماس با سطح ذره در آلیاژهای هیپریوتکتیک افزایش می یابد. در واقع از دیدگاه ترمودینامیکی جدایش عنصر های آلیاژی اطراف سطح ذرات انرژی سطحی بین ذره و مذاب را کاهش می دهد. 

جدایش عنصر های آلیاژی در مذاب در تماس با سطح ذره ممکن است باعث ایجاد یک فوق تبرید اساسی در اطراف ذره در مذاب های هیپر یوتکتیک شود.در هنگامی که دمای مذاب برابر Tx است،یک تحت تبرید در فلز مذاب اطراف ذره وجود دارد.هنگامی که هیچ جدایشی وجود ندارد، تحت تبرید نیز اطراف ذره وجود ندارد. وجود تحت تبرید در یک لایه مذاب که غنی از عنصر های آلیاژی است در اطراف ذره منجر به سرعت جوانه زنی بالاتری در این مذاب نسبت به مذاب دور از ذره می شود.وقتی به یک تحت تبرید بحرانی می رسیم،انتظار می رود جوانه زنی از سطح ذره شروع شود.پس در این شرایط جوانه زنی بر سطح ذره مناسب تر از سایر نقاط است ،که هیچ سطح غیر همگنی ، شبیه سطح ذرات وجود ندارد و هیچ تحت تبریدی نیز نداریم.   

رشد فلز جامد آلیاژ Al با تقویت کننده متحرکSiC

 هنگامی که یک فصل مشترک متحرک جامد - مذاب به یک ذره خارجی معلق در فاز مذاب برخورد می کند، ذره یا به دام می افتد ویا توسط فصل مشترک پس زده می شود. اگر ذره توسط فلز جامد در حال رشد به دام افتد، توزیع مجدد ذرات را نخواهیم داشت واز این رو توزیع ذره در حالت جامد هم چون یکنواختی حالت مذاب خواهد بود. از طرفی اگر ذره توسط جبهه انجماد پس زده شوند، آن ها دوباره توزیع شده تا در نهایت در فاز مذاب جدایش یابند.

 

 

   _____________________________________________________

 منابع :

1.     J. Braszczyn´ski, A. Zyska , Analysis of the influence of ceramic particles on the solidificationprocess of metal matrix composites ,Materials Science and Engineering A278 (2000) 195–203

 

2.     J.K. KIM and P.K. ROHATGI, Nucleation on Ceramic Particles in Cast Metal-Matrix, METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS A, VOLUME 31A, APRIL 2000.

 

3.     منشی،احمد،انجماد فلزات، 1383.

+ نوشته شده در  شنبه 1 آبان1389ساعت 17:3  توسط م.س. |