علی صالحی- Ali Salehi Sedeh

عنوان : ساخت و مشخصه يابي كامپوزيت هيبريدي زمينه آلومينيوم با تقويت كننده كاربيد سيليسيم و گرافيت به روش رخنه¬دهي

TITLE : Fabrication and characterization of aluminum matrix hybrid composite reinforced with SiC and G particles by gas pressure infiltration method

چكيده

در اين پژوهش كامپوزيت­هاي زمينه آلومينيوم- سيليسيم تقويت­شده با ذرات كاربيد سيليسيم و مخلوط ذرات كاربيد سيليسيم و 10%گرافيت، به­روش رخنه­دهيِ فلز مذاب درون پيش­شكل متخلخل تحت فشار گاز، ساخته و مشخصه­يابي شدند. براي اين­كار ابتدا محفظه­اي از جنس سوپرآلياژ HP45 طراحي و ساخته شد كه امكان اعمال خلا تا   ^۲-10 بار و فشار تا 20 بار در دماهاي تا 800 درجه سانتي­گراد را فراهم مي­آورد. در ابتدا تعداد زيادي از آزمايش­هاي اوليه به منظور تعيين پارامترهاي موثر بر نفوذ مذاب درون پيش­شكل انجام شد. براي بهبود نفوذ مذاب در پيش­شكل­هاي تشكيل شده از ذرات كاربيد سيليسيم يا مخلوط ذرات كاربيد سيليسيم و گرافيت، آلياژ زمينه با افزودن منيزيم و سطح ذرات كاربيد سيليسيم با عمليات اكسيداسيون اصلاح شد. همچنين مشاهده شد ايجاد شيارهايي در سطح زيري شمش آلومينيوم- سيليسيم موجب بهبود نفوذ مذاب در پيش­شكل مي­شود. رخنه­دهي مذاب تحت دماها و فشارهاي مختلفي انجام شد. نهايتا دماي 700 درجه سانتي­گراد و فشار 10 بار به عنوان شرائط مناسب رخنه­دهي براي پر شدن كامل پيش­شكل تعيين شد. مشاهده شد الگوي نفوذ مذاب شامل پاره شدن پوسته اكسيدي روي سطح شمش، نفوذ ترجيحي از فصل­مشترك پيش­شكل و ديواره قالب به سمت انتهاي قالب و نفوذ جانبي به سمت داخل پيش­شكل مي­باشد. بررسي­ ريزساختار نمونه­هاي بهينه، نشان­دهنده نفوذ كامل مذاب به­درون حفرات پيش­شكل، كيفيت مناسب فصل­مشترك­ زمينه- تقويت­كننده و حضور حدود 60% تقويت­كننده در ساختار كامپوزيت­ها بود. بررسي خواص مكانيكي كامپوزيت­هاي ساخته­شده مشخص كرد كه سختي و استحكام تسليم نمونه­هاي كامپوزيتي در حضور ذرات كاربيد سيليسيم نسبت به آلياژ زمينه، به­ترتيب 105% و 34% و در حضور مخلوط ذرات كاربيد سيليسيم وگرافيت، به­ترتيب 83% و 16% افزايش يافت. در بررسي خواص سايشي مشخص شد افزودن ذرات تقويت­كننده به آلياژ زمينه در مكانيزم سايش تغييري ايجاد نكرده، تنها نرخ سايش را كاهش مي­دهد. افزودن گرافيت   به مواد تقويت كننده كامپوزيت، موجب كاهش ضريب اصطكاك و افزايش نرخ سايش شد.

كلمات كليدي: كامپوزيت زمينه آلومينيومي، كامپوزيت هيبريدي، رخنه­دهي تحت فشار گاز ،كاربيد سيليسيم، گرافيت،   فصل­مشترك، سايش

Abstract

In the present study aluminum-silicon matrix composites reinforced with silicon carbide particles and mixture of silicon carbide and 10% graphite particles were fabricated by gas pressure infiltration of molten alloy in a porous preform and their properties were characterized. For this purpose, a pressure chamber capable of providing vacuums up to 10^-۲ bars and pressures up to 20 bars at temperatures up to 800 ° C was designed and built from HP45 super alloy. First, a large number of initial tests were carried out to determine the main parameters that influence the infiltration of the melt in the preforms. To improve the melt infiltration in the preforms, the base alloy was modified by adding magnesium and the silicon carbide particles were modified by an oxidation treatment. It was also observed that machining grooves on the bottom surface of aluminum-silicon ingots improved the melt infiltration in the preform. Infiltratio  of the melt was conducted at various temperatures and pressures. Finally, the suitable infiltration temperature and pressure for complete filling of the preforms were determined to be 700 ° C and 10bar, respectively. It was observed that the melt infiltration pattern included the breaking of the oxide layer at the ingot surface, preferential infiltration from preform-mold interface towards the end of the mold followed by lateral infiltration towards the center of the preform. Microstructure evaluation of the optimized samples indicated the complete penetration of the melt in the preforms, good quality of the matrix-reinforcement interfaces and presence of about 60% reinforcement in the fabricated composites. Evaluation of the mechanical properties of the fabricated composites showed 105% and 34% improvement in the hardness and yield strength of the samples reinforced with silicon carbide particles in comparison with the base alloy, respectively. These values were 83% and 16%, respectively, for the sample reinforced with the mixture of silicon carbide and graphite particles. Tribological studies showed that addition of the reinforcement particles did not change the wear mechanism of the base alloy but only reduced its wear rate. Addition of graphite to the reinforcement resulted in smaller coefficient of friction and greater wear rate.

  Keywords: Aluminum matrix composite, Hybrid composite, Gas pressure infiltration