SUPERVISOR
Behzad Niroumand
بهزاد نيرومند (استاد راهنما)
STUDENT
Amir Jazini Dorcheh
امير جزيني درچه
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1394
TITLE
Fabrication and characterization of aluminum syntactic foam using expanded pearlite particles by melt infiltration method
: Combined metal foams have been considered in recent years due to their composite nature and higher mechanical properties than conventional metal foams. The properties of this foam group depend on a number of factors, such as the alloy of the field and the properties of the spatial material. In the meantime, the use of mineral porous particles as a spatial agent is due to the decrease in the cost of foam production. In this research, the design and characterization of aluminum composite foam using Al-4.5wt% Cu alloy as a metal background and expanded perlite particles with a mean particle size of 2 mm and a density of 0.33 g / cm3 As a spatial agent, we investigated the gas infiltration method using gaseous gas. For this purpose, the effect of melt and gas pressure factors on the molten ingosity process was first investigated and, after various experiments, the temperature of 750 ° C and atmospheric pressure were selected as the optimum foam formation conditions. The foam was made with a density of 1.55 ± 0.3 g / cm3, the diameter of the perlite particles expanded 50.3 ± 0.8 and the total porosity was about 45%. Microstructural investigations showed that, despite the directional cooling of the mold after the intrusion process, except for limited areas in the mold which were grown as directed dendrites in the opposite direction for heat transfer, the microstructure of the field It was mainly co-axial dendritic structure. The effect of this was the low thermal conductivity of expanded perlite particles relative to aluminum melt, the creation of thermal concentration points in the structure and interference with the thermal slip caused by external cooling. The average distance between the dendritic cells was 41.2 ?m for the lower part in the areas near the mold floor and 64.3 ± 1.4 mm for the upper areas of foam near the remaining aluminum part. The results of XRD and EDS tests indicated a chemical reaction and reduction of oxide compounds of perlite particles by aluminum molten to a small extent in the molten and particulate phase. In order to improve the mechanical properties of the foams made, the thermal treatment of T6 is performed on the foam samples in two atmospheres of ordinary and protected air (inside quartz-free air pipes) and the effect of thermal atmosphere on the mechanical properties of the final Also reviewed. Based on the results obtained, the thermal treatment in the ordinary atmosphere did not lead to the massive oxidation of aluminum foams, but the process carried out in the protective atmosphere in the method used in this study, due to the reduced cooling rate of the samples, caused a slight loss in properties The mechanical foam has become more common to atmospheric air. The results of thermal treatment T6 showed an increase of about 44 MPa in compressive strength, 90 MPa in constant region stress and 28 MJ / m in the absorption capacity of foams compared to casting mode. The same compression strain for all foams (averaging 39 to 40%) and the uniform strain of the samples during the pressure test showed a nearly uniform distribution of EP particles in the aluminum field and process repeatability. Keywords: syntactic foam, Al-4.5wt%Cu alloy, expanded perlite, interface, microstructure, mechanical properties, heat treatment.
چکيده فومهاي فلزي ترکيبي بهدليل ماهيت کامپوزيتي و خواص مکانيکي بالاتر نسبت به فومهاي فلزي معمولي، در سالهاي اخير مورد توجه ويژهاي قرار گرفتهاند. خواص اين دسته از فومها به عوامل متعددي همچون آلياژ زمينه و ويژگيهاي ماده فضاساز بستگي دارد. در اين ميان استفاده از ذرات متخلخل معدني بهعنوان عامل فضاساز بهدليل کاهش هزينههاي اقتصادي توليد فوم مورد توجه پژوهشگران قرارگرفته است. در اين پژوهش ساخت و مشخصهيابي فوم ترکيبي آلومينيومي با استفاده از آلياژ Al-4.5wt%Cuبهعنوان فلز زمينه و ذرات پرليت منبسطشده با اندازه متوسط ذرات 2 ميليمتر و چگالي 33/0 گرم بر سانتيمترمکعب بهعنوان عامل فضاساز و با استفاده از روش رخنهدهي مذاب تحت فشارگاز مورد بررسي قرار گرفت. بدين منظور ابتدا تاثير عوامل دماي مذاب و فشارگاز بر فرايند رخنهدهي مذاب بررسي و پس از انجام آزمايشات مختلف دماي 750 درجه سانتيگراد و فشار اتمسفري بهعنوان شرايط بهينه ساخت فوم انتخاب شدند. فومهاي ساختهشده داراي چگالي 3/0±55/1 گرمبرسانتيمترمکعب، کسرحجمي ذرات پرليت منبسطشده 8/0±3/50 ، و ميزان تخلخل کل حدود 45 درصد بودند. بررسيهاي ريزساختاري نشان داد که با وجود سرد کردن جهتدار قالب پس از فرايند رخنهدهي، بهجزمناطقمحدودي درکف قالب که بهصورتدندريتهاي جهتداردرخلافجهتانتقال حرارت رشد کردهبودند، ريزساختار زمينهعمدتاداراي ساختار دندريتي هم محور بود.علت اين مسئله هدايت حرارتي پائين ذرات پرليت منبسطشده نسبت به مذاب آلومينيومي، ايجاد نقاط تمرکز حرارت در ساختار و تداخل با شيب حرارتي ناشي از سردکردن خارجي دانسته شد. فاصله ميانگين بين سلولهاي دندريتي 0/2 ± 2/41 ميکرومتر براي قسمت پاييني در مناطق نزديک به کف قالب و 4/1± 3/64 ميکرومتر براي مناطق بالايي فوم نزديک به قسمت آلومينيوم باقيمانده بهدستآمد. نتايج آزمونهاي XRD و EDحاکي از واکنششيميايي و احيا ترکيبات اکسيدي ذرات پرليت توسط مذاب آلومينيومي به مقدار جزئي در فصلمشترکمذاب و ذرات بود. بهمنظور بهبود خواص مکانيکي فومهاي ساخته شده، عمليات حرارتي T6بر روي نمونههاي فومي در دو اتمسفر هواي معمولي و محافظت شده (درون لولههاي خالي از هوا از جنس کوارتز) انجام و تاثير اتمسفرعمليات حرارتي بر خواص مکانيکي نهايي نيز بررسي شد. بر اساس نتايج بهدستآمده، انجام عمليات حرارتي در اتمسفر معمولي باعث اکسيداسيون گسترده فومهاي آلومينيوم نشد ولي انجام فرايند در اتمسفر محافظ به روش مورد استفاده در اين پژوهش، به دليل کاهش سرعت سردکردن نمونهها باعث افت جزئي در خواص مکانيکي فوم نسبت به حالت اتمسفر هواي معمولي شد. نتايج حاصل از عمليات حرارتيT6، افزايش حدود 44 مگاپاسکال در استحکام فشاري، 90 مگاپاسکال در تنش ناحيه ثابت و 28 مگاژول بر مترمکعب در قابليت جذب انرژي فومها را نسبت به حالت ريختگي نشان داد. کرنش فشردگي مشابه براي تمامي فومها (بهطور ميانگين 39 تا 40 درصد) و کرنش يکنواخت نمونهها در حين آزمون فشار، توزيع تقريبايکنواخت ذرات EP در زمينه آلومينيوميو تکرارپذيري فرايندرا نشان داد. کلمات کليدي: فوم ترکيبي، آلياژAl-4.5wt%Cu، پرليت منبسطشده، فصلمشترک، ريزساختار، خواص مکانيکي، عمليات حرارتي