اتصال نانو کامپوزيت Al/Al2O3 به روش فاز مايع گذرا

STUDENT

DEGREE

YEAR

Todays, aluminum matrix composites are widely used in many industrial applications such as aerospace, automotive, electronics due to their good properties such as high strength to weight ratio, low density, high hardness and good oxidation and wear resistance. These properties can be superior when the composites structures become nanostructure. Challenges in joining of nano structured aluminum matrix composites to produce complex shape structures limits their application. In the current study, the joining mechanism of aluminum matrix nanocomposite reinforced by nano metric alumina particles was investigated. Transient liquid phase (TLP) diffusion bonding method was used for joining and the effect of joint parameters such as temperature and time on joint properties was investigated. Al / 10 wt. % Al 2 O 3 nanocomposite samples were produce by hot pressing using nanocomposite powders produced by mechanical alloying. A thin layer of copper coating was deposited on joining surfaces of the composite by electrodeposition technique. The TLP bonding was carried out at various bonding temperature and time. In order to investigate of microstructural studies of powder nanocomposit, bulk nanocomposite components and the bonded interfaces at different joint conditions, optical microscopy was used. Evaluation of nanocomposite powder particles morphology and bulk components microstructure, as well as the joint fracture surfaces was carried out by scanning electron microscopy (SEM). In order to investigate of the aluminum crystallite size in the powder and nanocomposite bulk components after hot pressing, the X-ray diffraction pattern was used. Shear strength of the bonded joints was evaluated by means of a specially designed fixture in a tension testing machine with a loading speed of 1 mm/min. In order to determine the micro-hardness profiles across the bonded interface, micro-hardness test was carried out applying load of 50 g. Results showed that the average crystallite size of nanocomposite powder was about 52 nm and there were no significant changes in the crystallite size during hot pressing. Some micro‌cracks and porosities were found in the joint areas that were filled from ?-Al phase and fine CuAl 2 precipitated particles. By increasing the joint temperature, the filled areas were increased due to a higher amount of molten material produced during joining. Moreover, by increasing the joining temperature, the amount of CuAl 2 precipitated particles were reduced, resulting in reduction of the hardness of the ?-Al phase in the joint area. The maximum shear strength (85 percent of the base metal shear strength) was acheived at the bonding temperature and time of 580 ° C and 60 minutes, respectively. High actual contact between the liquid phase and base metal (due to porosity) and high diffusion coefficient of copper in nanostructured base metal, are the main factors for the low isothermal solidification time in the nanocomposite compared to conventional aluminum matrix composites. Investigation of fracture surfaces after shear strength tests showed shear dimples, CuAl 2 precipitated particles and porosities. At low joining temperatures, joint strength increased by increasing time. At high joining temperatures joint strength decreased by increasing time due to decreasing CuAl 2 particles in the ?-Al phase. Keywords : Aluminum matrix composites, Nanocomposite, Mechanical alloying, Transient liquid phase, Inter layer, Hot press, Microstructure, Nanostructure, Isothermal solidification.

چکيده امروزه کامپوزيت‌هاي زمينه آلومينيومي به‌دليل دارا بودن خواص مطلوبي از قبيل نسبت استحکام به وزن بالا، چگالي کم، سختي زياد و مقاومت سايشي مناسب در صنايعي چون هوافضا، خودروسازي، الکترونيک و به‌طور کلي در صنايعي که به‌نوعي نياز به مواد سبک و در عين حال مستحکم دارند، به‌طور وسيعي کاربرد يافته‌اند. اين خواص مطلوب در کامپوزيت‌هاي با ساختار نانو بسيار چشمگيرتر و شاخص تر است. يکي از چالش هاي استفاده از اين مواد، اتصال آن ها مي باشد که به‌دليل عدم اطلاع کافي از آن، کاربرد اين قطعات را محدود کرده است. از طرفي با‌توجه به کاربرد بالقوه‌ي اين نوع نانوکامپوزيت ها و عدم اطلاعات کافي در مورد نحوه ي اتصال آن ها، مي توان اظهار نمود که بررسي اتصال اين مواد، زمينه ي جديدي به شمار مي آيد که مي تواند در به فعليت رساندن کاربرد آن‌ها و استفاده ي بهينه از اين مواد راه گشا باشد. در تحقيق حاضر فرايند اتصال نانوکامپوزيت زمينه آلومينيومي تقويت شده با ذرات نانومتري آلومينا، به‌روش فاز مايع گذرا مورد بررسي و ارزيابي قرار گرفته است و تأثير پارامترهاي دما و زمان بر روي خواص اتصال بررسي شده است. براي اين‌منظور ابتدا پودر نانو‌کامپوزيت Al /10 wt.% Al 2 O 3 با‌استفاده از فرايند آسياب‌کاري مکانيکي توليد و پس از فرايند پرس‌گرم پودر حاصله، قطعات حجمي نانو‌کاموزيتي بدست آمد. در ادامه با لايه‌نشاني فلز مس به‌عنوان لايه واسطه، اتصال اين قطعات به‌روش فاز مايع گذرا، در شرايط متفاوت دمايي و زماني مورد بررسي قرار گرفت. به‌منظور بررسي‌هاي ريز‌ساختاري پودر نانو‌کامپوزيت، قطعات نانو‌کامپوزيت و درز اتصال در شرايط مختلف اتصالي، از ميکروسکوپ نوري استفاده شد. بررسي مورفولوژي ذرات پودر و ريز‌ساختار قطعات نانو‌کامپوزيت، همچنين سطوح شکست اتصال‌ها توسط ميکروسکوپ الکتروني روبشي انجام گرديد. جهت بررسي اندازه دانه‌هاي آلومينيوم زمينه در پودر نانو‌کامپوزيت و قطعات نانو‌کامپوزيت پس از پرس گرم، از الگوي پراش پرتو ايکس استفاده شد. استحکام برشي اتصال‌ها، توسط دستگاه تست فشار و با استفاده از فيکسچر مخصوصي صورت پذيرفت. در نهايت به‌منظور بررسي تغييرات سختي در حوالي درز اتصال، ريز‌سختي‌سنجي در اطراف تمام درز اتصال‌ها انجام گرفت. نتايج نشان داد که پودر نانو‌کامپوزيت حاصله اندازه دانه‌هايي در حدود 52 نانو‌متر دارد که در حين عمليات پرس‌گرم، نيز اين اندازه‌ي دانه‌ ثابت مانده و رشد دانه‌ها صورت نگرفته است. در حوالي درز تمام اتصال‌ها، تخلخل‌ها و ميکرو‌ترک‌هايي ديده شد که اکثراً با جامد –Al? پرشده‌اند و در درون آن‌ها ذرات پراکنده و ريز CuAl 2 قابل مشاهده است. با افزايش دماي اتصال، به‌دليل افزايش حجم مذاب ايجاد شده در درز، سطح وسيع‌تري از درز اتصال و تخلخل‌ها توسط مذاب خيس شده و يا از مذاب پر مي‌گردد، از‌طرفي ريزساختار اتصال‌هاي انجام شده در دماهاي بالاتر حاوي ذرات کمتري از CuAl 2 نسبت به ريزساختار اتصال‌هاي انجام شده در دماهاي پايين‌تر مي‌باشد که همين عامل نيز موجب کاهش سختي فاز Al- ? با افزايش دماي اتصال شده است. در دماي اتصال 580 درجه‌ي سانتي‌گراد، با افزايش زمان اتصال استحکام اتصال‌ها افزايش مي‌يابد طوري که حداکثر استحکام برشي در همين دما و زمان اتصال 60 دقيقه و در‌حدود 85 در‌صد استحکام برشي فلز پايه بدست آمده است. افزايش سطح تماس واقعي مذاب با فلز پايه (‌به‌خاطر تخلخل‌ها) و بالا بودن ضريب نفوذ مس در فلز پايه‌ي نانو‌ساختار، عوامل اصلي پايين بودن زمان لازم براي انجماد هم‌دما، در اين نانو‌کامپوزيت در مقايسه با ديگر کامپوزيت‌هاي زمينه آلومينيومي بوده است. در تمامي سطوح شکست بررسي شده، ديمپل‌هاي برشي مشهود است که بعضاً در انتهاي آن‌هاتخلخل‌ها و ذرات رسوبي CuAl 2 ديده مي‌شود. در دماهاي اتصال پايين با افزايش زمان، استحکام اتصالات افزايش يافته ولي در دماهاي اتصال بالاتر که انجماد هم‌دما کامل شده افزايش زمان موجب کاهش مقدار مس و بنابراين کاهش ذرات رسوبي CuAl 2 در زمينه‌ي نرم -Al? شده و در نتيجه استحکام اتصال‌ها کاهش مي‌يابد. کلمات کليدي: کامپوزيت‌هاي زمينه آلومينيومي، نانو‌کامپوزيت، آسياب‌کاري مکانيکي، فاز مايع گذرا، لايه واسطه، پرس‌گرم، ريز‌ساختار، نانو‌ساختار، انجماد هم‌دما.