انجماد کامپوزیت AL-SiC

انجماد کامپوزیت AL-SiC
  مقدمه :
     فرآیندهای انجماد سالهاست که برای ریخته گری ساختارهای کامپوزیتی مانند Al-SiC و چدن بکار می رود. ولی تنها در چندین سال اخیر بوده است که فلزات تقویت شده بطور جدی در کاربردهای مهندسی استفاده شده است. امروزه مشخص شده است که کامپوزیتها هنگامی حضور موفقی در صنعت خواهند داشت که فرآیند تولیدشان اقتصادی و مطمئن باشد. پیچیدگی فرآیند تولید کامپوزیت زمینه فلزی و بحرانی بودن این ماده از نظر قیمت و خواص باعث شده است که در سالهای اخیر مطالعات زیادی برای به کنترل درآوردن آن انجام شود.
    بیشتر کامپوزیتهای زمینه فلزی توسط روش ریخته گری تولید می شوند, چرا که این روش نسبت به حالت جامد (مانند پیوند فلزی نفوذی و متالورژی پودر) به علت در دسترس بودن فلز مذاب و سادگی بیشتر ترکیب دو فاز هنگامی که یکی از آنها مذاب است, مزیت دارد.
 
 
v  تعریف کامپوزیت :
   به طور کلی کامپوزیتها یا مواد مرکب مخلوطی از دو یا چند جزء(ماده) می باشند که درکنار هم باعث بهبود  خواص مواد می شوند. یعنی زمینه(ماتریس) + فاز تقویت کننده (فاز دوم).
v  ویژگی های کامپوزیتها:
معیارهایی که برای یک کامپوزیت در نظر گرفته می شوند، عبارتند از :
1- هر دو ماده باید با یک نسبت قابل ملاحظه ای وجود داشته باشند (معمولاً باید بیش از 5 درصد ماده دوم در ماده اول باشد).
2- فازهای تشکیل دهنده باید دارای خواص متفاوت و مخصوص باشند. از این جهت ممکن است خواص کامپوزیت به طور قابل ملاحظه ای با اجزای تشکیل دهنده آن متفاوت باشد.
3- یک کامپوزیت معمولاً توسط ترکیب کردن مناسب اجزا تشکیل دهنده توسط وسایل مکانیکی مختلف تولید می شود.
v  تقسیم بندی کامپوزیتها:
   کامپوزیتها معمولا از نظر نوع فاز زمینه به صورت زیر تقسیم بندی می شوند:
1-زمینه سرامیکی
2-زمینه فلزی
3-زمینه پلیمری
     جزء دوم که سبب افزایش و یا تقویت خواص مکانیکی زمینه می شود، فاز تقویتی یا تقویت کننده نامیده می شود که معمولاً در بیشتر موارد فاز تقویت کننده سخت تر و مستحکم تر از زمینه است. شکل هندسی تقویت کننده یکی از عوامل اصلی قابلیت تقویت کنندگی می باشد. معمولاً جزء تقویت کننده را بر حسب شکل آن (رشته ای یا ذره ای) توصیف می کنند. ابعاد تقویت کننده های ذره ای تقریباً در تمام جهات یکسان می باشند. شکل ذرات ممکن است کروی، مکعبی، بشقابی و یا هر شکل منظم و غیر منظم دیگر باشد. ترتیب قرار گرفتن ذرات تقویت کننده ممکن است تصادفی (بدون ترتیب) و یا دارای جهت ترجیحی باشد. یک تقویت کننده رشته ای به وسیله طول زیاد آن که به مراتب بیشتر از ابعاد مقطعش است،مشخص می شود. نسبت طول به ابعاد مقطع را نسبت ظاهری می گویند. یک کامپوزیت با رشته های پیوسته که در جهت مشخص آرایش داشته باشند، تقویت کننده تک جهته و الیافهایی که دارای موقعیتهای تصادفی باشند، تقویت کننده دو جهته گویند.
فاز دوم در کامپوزیتها به دو صورت پیوسته و ناپیوسته موجود می باشد. نوع پیوسته به دو صورت لایه ای و رشته ای و نوع ناپیوسته به سه نوع ذره ای، الیاف و ویسکرز هستند.
v  ویژگی کامپوزیتهای زمینه فلزی (MMC) :
1- مدول یا ضریب مخصوص بالاتر
2- استحکام مخصوص بیشتر
3- استحکام در درجه حرارتهای بالاتر
4- ضریب انبساط حرارتی کمتر
5- مقاومت در برابر سایش بیشتر
v  روشهای تولیدکامپوزیتهای زمینه فلزی(MMC):
روشهای تولید مواد مرکب زمینه فلزی در یک تقسیم بندی به حالت جامد، مایع، رسوب و درجا می باشد و از نظر تکنولوژی ساخت به چهار روش زیر تقسیم بندی میشود.
 1- ریخته گری
2- ریخته گری تحت خلاء(ورتکس)
3- متالورژی پودر
 4-پیوند فلزی نفوذی
v  کامپوزیت زمینه فلزی AL-SiC:
   کامپوزیتهای با زمینه آلیاژهای آلومینیوم به دلیل خواص فیزیکی مطلوب و سبکی وزن مورد توجه قرار گرفتند. SiC به دلیل ضریب انبساط حرارتی کم و خاصیت تر شوندگی مناسب به عنوان تقویت کننده مناسب مطرح شد. کامپوزیت های AL-SiC به دلیل استحکام بالا و پایداری دمایی کاربردهای زیادی پیدا کردند. از جمله در فضانوردی  صنایع اتومبیل سازی به عنوان خنک کننده قسمتهای الکترونیکی  شفت های اتومبیل روتورهای ترمز خودروها و در جتهای جنگنده و یا در اجزای موتورهای انفجاری کاربرد دارند. سازگاری فیزیکی و شیمیایی بین ذرات  SiC و زمینه AL مهمترین مساله در تولید کامپوزیتهای  AL-SiC می باشد.
    AL ماده ای نرم و انعطاف پذیر است و SiCترد وشکننده است ولی کامپوزیت آن مادهای است که هم چقرمه است و هم مقاومت به سایش بالایی دارد و هم اینکه سختی آن زیاد است. معمولا تقویت کننده نیرویی که به قطعه وارد می شود را تحمل می کند و زمینه محیطی را فراهم می آورد که باعث انتقال نیرو بین تقویت کننده ها می شود و همچنین از خوردگی و آسیب های محیطی مانند نور و رطوبت و...آن را مصون می دارد.
    ابتدا کامپوزیت زمینه آلومینیوم با ویسکرهای AL2O3 استفاده شد که کامپوزیتهای حاصل استحکام و سختی خوبی داشتند. اما هزینه تولید AL2O3 بالا بود و به علت عدم پیوند خوب آن با زمینه استحکام خیلی بالا نبود.به همین دلیل از ویسکرهای SiC استفاده کردند که استحکام سختی استحکام خستگی و کاملا خواص خوبی در دمای بالا داشت. اما هنوز مساله گرانی حل نشده باقی مانده بود. تا اینکه دانشمندان از سبوس برنج ویسکرهای SiC تولید کردند.سبوس برنج دارای ویسکرهای SiC به صورت سلولی است که این سیلیکات طی فرایند پخت و آماده سازی به رشته های SiCتبدیل می شود و در نتیجه تا حدی توانستند قیمت کامپوزیت زمینه فلزی را بکاهند.
v  انجماد کامپوزیتهای زمینه فلزی AL-SiC:
بحث بیشتر در مورد فرایندهایی است که فلز در حالت مذاب با مواد تقویت کننده ترکیب می شود. انجماد کامپوزیتها معمولا شامل سه مرحله اولیه، میانی و نهایی است. مرحله اول شامل ترشوندگی تقویت کننده ها توسط فلز می باشد که شامل فرایندی است که در ابتدا فلز و مواد تقویت کننده با یکدیگر ترکیب می شوند. جریان سیال، انتقال حرارت و پدیده انجماد قبل از اینکه کامپوزیت کامل منجمد شود مربوط به مرحله میانی است. در مرحله اصلی یا همان مرحله سوم انجماد نهایی و آخرین مرحله در تشکیل مواد و ریزساختار بررسی می شود.
 
 
 
v  مرحله اولیه:
-ترشوندگی: تلاشهای اولیه نشان داده است که ذرات سرامیکی به راحتی نمی توانند توسط روشهای غوطه وری دستی یا تزریق در زیر سطح مذاب ویا از طریق گاز خنثی وارد مذاب شوند. یک توضیح کافی برای ترشوندگی ضعیف تقویت کننده ها، افزایش انرژی سطحی هنگام ترکیب دو فاز است.درمراحل تولید کامپوزیت‌های زمینه فلزی (MMC) و اضافه کردن سرامیک‌ها به آلومینیم و آلیاژهای آن، ترشوندگی مهم‌ترین عامل تلقی می‌شود. ترشوندگی به وسیله یکөکه بیانگر زاویه چسبندگی ذرات است.برطبق رابطه Young- Dupre قابل استخراج است:

 
زمانی که ذرات SiC به مذاب افزوده می‌شوند، گرچه چگالی آنها بالاتر از مذاب است، شاهد غوطه‌وری آنها در سطح مذاب خواهیم بود. دلیل این امر، کشش سطحی زیاد و ترشوندگی کم ذرات توسط مذاب است.
-تکنیکهای مورد استفاده در افزایش خاصیت تر شوندگی ذرات معلقSiC: تکنیکهای گوناگونی در سالهای اخیر برای افزایش خاصیت تر شوندگی بکار رفته است که اساس آنها کم کردن زاویه خیس شوندگی توسط افزایش انرژی سطحی جامد-ذره ، کاهش انرژی فصل مشترک جامد-مذاب و یا کاهش کشش سطحی مذاب-ذره می باشد.
این تکنیکها شامل موارد زیر است:
الف) استفاده از پوششهای نیکل و مس روی ذرات دیر گداز
ب) اضافه کردن عناصر واکنشی مانند منیزیم و لیتیم به مذاب AL
ج) عملیات حرارتی ذرات
د) اعمال امواج التراسونیک به مذاب
عوامل افزودنی به زمینه باعث تغییر زاویه تر شوندگی شده به دو گروه تقسیم می شوند:
1-افزودنیهایی که باعث بهبود واکنش تقویت کننده و زمینه می شوند،مانند لیتیم در آلومینیوم برای تر شوندگی کاربید سیلیسیم
2-افزودنیها به آلومینیوم باعث بهبود واکنش با تقویت کننده نشده بلکه باعث اصلاح شاخصهای لایه اکسیدی بر روی سطح فلز می شوند،مانند منیزیم در آلومینیوم با کاربید سیلیسیم.
این دو روش عملی یا باعث واکنش در فصل مشترک زمینه-الیاف شده یا باعث اصلاح لایه اکسیدی که اغلب آلومینیوم مذاب را پوشش می دهد ، می شود. عناصر واکنش زا به طور وسیعی برای پخش کردن ذرات سرامیکی در مذاب فلزی بکار رفته است.
واکنش میان نقویت کننده ها و زمینه اغلب مطلوب نیست، زیرا باعث کاهش استحکام تقویت کننده می شود. یک روش دیگر که بر اساس همان اصول است، پوشش دادن الیاف یا سطح ذرات است. پوششهای فلزی روی ذرات سرامیکی انرژی سطحی جامد را افزایش داده و توسط تعویض فصل مشترک از فلز – سرامیک به فلز-فلز خاصیت تر شوندگی را بهبود می بخشند.
پوششها به طور عمومی به دو دسته برای افزودنیهای آلیاژها بکار رفته است:
الف) پوششهایی که جهت واکنش با زمینه طراحی شده اند. این پوششها متعدد بوده و شامل پوششهای فلزی برای انواع تقویت کننده ها در آلومینیوم، پوششهای اکسیدی برای کاربید سیلیسیم در آلومینیوم است.
ب) پوششهایی که جهت واکنش با لایه اکسیدی پوشش دهنده مذاب آلومینیوم طراحی شده اند.
 
همچنین عملیات حرارتی ذرات قبل از پخش نمودن آنها در مذاب باعث بهبود انتقال و خاصیت تر شوندگی توسط دفع سطحی گازهای جذب شده در سطح می شود.
از طرفی امواج اولتراسونیک باعث بهبود تر شوندگی سرامیکها در نتیجه دفع جزیی سطحی گازهای جذب شده از سطح ذرات می شود. به علاوه این امواج باعث ایجاد یک انرژی اضافی در ذوب حفره ها شده که باعث آسانتر شدن پراکندگی ذرات در مذاب می شود.
v    مرحله 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 مرحله قبل از مرحله نهایی است، که انجماد به صورت کامل صورت گرفته است. همانند ترشوندگی 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 اول اغلب کامپوزیت به طور 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 روشهایی 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: فرایند 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.
-فرایند دوغاب کامپوزیت زمینه فلزی AL-SiC: هنگامی که تقویت کننده ها شامل عناصر 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 باعث 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 ALرا در کوره تا بالای دمای لیکدوس حرارت می دهیم تا کاملا ذوب شود و سپس آن را تا پائین دمای لیکدوس 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 مرحله ذرات پیش گرم شده را به دوغاب اضافه می کنیم و آنها 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.
برای بهبود توزیع ذرات مخلوط کردن مرحله دوم مورد نیاز است. مثلاً، حرارت دادن دوغاب کامپوزیتی تا دمایی بالاتر از دمای لیکدوس پس چرخش مذاب به‌وسیله ابزار اتوماتیک، بهترین راه‌حل است. در نتیجه مخلوط کردن دو مرحله‌ای به توزیع هموژن ذرات کمک می‌کند.هم زدن دو مرحله‌ای، تنها راه مناسب نیست. با توجه به آنالیزهای انجام شده هر روشی که بتواند لایه‌های گازی را بشکند، مانند روش هم زدن از کف و پاشش ذرات و... می‌تواند 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 باعث 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 آلیاژ ی (AA6061) از ALبا 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.تشکیلAL4C3 بوسیله انحلال SiC در مذاب AL و تشکیل  رسوب AL4C3 ،انجام می گیرد و این یعنی جوانه زنی غیر همگن کریستال های AL4C3 است.
در آلیاژSi  AL-7% سیالیت با افزایش دما تا 750ْC افزایش یافته وسپس با افزایش بیشتر دما کاهش می یابد.علت آن پایدار ماندن ذرات SiC تقریبا تا زیر دمای 750ْC است که در بالا آن با مذاب واکنش داده و سیالیت کاهش می یابد.
اگر چه سیالیت کامپوزیتها با افزایش ذرات کاهش می یابد اما چنانچه ترکیب کامپوزیت و نوع ذره به شکلی باشد که از واکنش در فصل مشترک جلوگیری کند، دوغاب کامپوزیتی با روشهای رایج ریخته گری قابل تولید خواهد بود.
v  مرحله نهایی:
   نحوه انجماد در کامپوزیتها می تواند تاثیر بسزایی در ساختار و خواص مکانیکی کامپوزیتها داشته باشد. استفاده مستقیم از قوانین و روابط برای کنترل ریزساختار فلزات برای MMC غیر ممکن است، زیرا فاز تقویت شده پیوسته باعث 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 همجهت 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 اولیه شود، می تواند باعث کاهش اندازه دانه زمینه شود. اگر تقویت کننده باعث جوانه زنی فاز اولیه 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 ترمو فیزیکی متفاوتی نسبت به مذاب دارند آنچه مسلم است کمتر بودن هدایت حرارتی و نفوذپذیری ذرات SiC نسبت به AL مذاب است. بنابراین، ذرات SiC نمی‌توانند به سرعت مذاب سرد شوند. در نتیجه، دمای ذرات بالاتر از دمای 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.