پایان نامه : تولید آلیاژ نانوساختار یوتکتیکی آلومینیوم- سیلیسیوم توسط فرآیند آلیاژسازی مکانیکی برای لحیم­کاری سخت قطعات مورد استفاده در صنایع هوایی

دانلود متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته مهندسی مواد

گرایش : شناسایی، انتخاب و روش ساخت مواد مهندسی

عنوان : تولید آلیاژ نانوساختار یوتکتیکی آلومینیوم- سیلیسیوم توسط فرآیند آلیاژسازی مکانیکی برای لحیم­کاری سخت قطعات مورد استفاده در صنایع هوایی

دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی

دانشکده مهندسی و علم مواد

پایان‌نامه کارشناسی ارشد

گرایش  شناسایی، انتخاب و روش ساخت مواد مهندسی

تولید آلیاژ نانوساختار یوتکتیکی آلومینیوم- سیلیسیوم توسط فرآیند آلیاژسازی مکانیکی برای لحیم­کاری سخت قطعات مورد استفاده در صنایع هوایی

استاد راهنما:

دکتر حمید خرسند

 

تابستان 1393

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

چکیده

برای تهیه نانوساختار یوتکتیک آلومینیوم- سیلیسیوم به عنوان فلز یا آلیاژ پرکننده برای لحیم­کاری سخت آلیاژ تیتانیوم از روش آلیاژسازی مکانیکی استفاده شد. فرآیند لحیم­کاری با اعمال یک فلز یا آلیاژ مذاب به عنوان پرکننده به سطوح اتصال موجب تشکیل پیوند متالورژیکی (نفوذی) می­­گردد. آلیاژسازی مکانیکی یک تکنیک تولید پودر است که اجازه می­دهد تا مواد همگن شکل گیرد. مطابق تحقیقات انجام شده این روش به دلیل مزایایی نسبت به روش‌های دیگر، برای تولید آلیاژ نانوساختار زمینه آلومینیومی مناسب می­باشد. پارامترهای مختلفی از جمله زمان در این فرآیند تأثیرگذار است و برای آن­که از اکسیداسیون پودرها در حین فرآیند جلوگیری شود فرآیند آلیاژسازی مکانیکی تحت گاز خنثی (آرگون) انجام گرفت. همچنین به منظور تهیه نمونه بالک از روش پرس‌گرم برای فشرده‌سازی پودرها استفاده شد. فرآیند آلیاژسازی مکانیکی در زمان­های 5، 15، 30 ، 45 و 60 ساعت با نسبت وزن گلوله به پودر 10:1 انجام شد. برای تعیین زمان رسیدن به نانوساختار و خواص ساختاری زمینه پودر تولیدی، آزمایش‌های پراش اشعه ایکس (XRD) و میکروسکوپ الکترونی روبشی(SEM) مورد بررسی قرار گرفت. با برش نمونه بالک، قرص­هایی با ضخامت 7/0 میلی­متر به عنوان آلیاژ پرکننده تهیه شد. نتایج XRD نشان­دهنده آن است که در محدوده 45 ساعت کریستال­ها به نانوساختار (nm 764/44) رسیده­اند و نتایج SEM نشان­دهنده آن است که ذرات Si در زمینه Al به صورت همگن پراکنده شده است. فرآیند لحیم­کاری با درنظر گرفتن 4 دما و زمان مختلف انجام شد و در دمای C 750 به مدت  min30 به کمک کوره مادون قرمز تحت گاز آرگون خالص اتصال Ti-6Al-4V با آلیاژ پرکننده یوتکتیک برقرار شد و مشاهدات ریزساختار اتصال تمیز و نفوذ متالورژیکی و همچنین آزمون میکروسختی، سختی برابر 58/76 ویکرز را نشان­ می­دهد.

 

کلمات کلیدی:

آلیاژ آلومینیوم- سیلیسیوم، آلیاژسازی مکانیکی، نانو ساختار، لحیم­کاری سخت، ریزساختار، کوره مادون قرمز

فصل 1: مقدمه                                                                                                                                      1

فصل 2:  مروری بر منابع                                           4

2-1-          معرفی سیستم آلومینیوم- سیلیسیوم. 5

2-2-          تعیین سیستم آلیاژی.. 6

2-3-          مواد نانوساختار. 7

2-4-          فصل مشترک­ها در مواد نانوکریستال.. 8

2-5-          روش­های تولید مواد نانوساختار. 8

2-6-          خواص مواد نانوساختار. 8

2-7-          فرآیند آلیاژسازی مکانیکی.. 9

2-8-          قابلیت­های آلیاژسازی مکانیکی.. 10

2-9-          تولید مواد نانوساختار به روش آلیاژسازی مکانیکی.. 10

2-10-        مکانیزم فرآیند.. 11

2-11-        عمل آسیاب­کردن.. 16

2-11-1-   آهنگری میکرونی.. 16

2-11-2-   شکست… 17

2-11-3-   آگلومره شدن.. 17

2-12-        افزایش انحلال­پذیری در حین آلیاژسازی مکانیکی.. 18

2-13-        ترکیب مواد در آلیاژسازی مکانیکی.. 18

2-13-1-   مکانیزم سیستم نرم – نرم. 18

2-13-2-   مکانیزم سیستم نرم – ترد. 20

2-13-3-   سیستم ترد – ترد. 21

2-13-3-1-     دما 23

2-13-3-2-     مسیرهای نفوذی   24

2-13-4-   اندازه دانه. 24

2-13-5-   پارامتر شبکه. 25

2-13-6-   عوامل موثر بر روش آلیاژسازی مکانیکی. 25

2-13-6-1-     مواد خام  26

2-13-6-2-     انواع آسیاب   26

2-13-6-3-     محفظه آسیاب   28

2-13-6-4-     سرعت آسیاب‌کاری   28

2-13-6-5-     زمان آسیاب   29

2-13-6-6-     نسبت وزنی گلوله به پودر 29

2-13-6-7-     میزان پرکردن محفظه  30

2-13-6-8-     اتمسفر آسیاب   30

2-13-6-9-     عنصر کنترل‌کننده فرآیند  30

2-13-6-10-   دمای آسیاب‌کاری   31

2-14-        فرآیند لحیم کاری.. 32

2-14-1-   لحیم‌کاری سخت… 32

2-14-2-   بعضی از کاربردهای لحیم­کاری.. 34

2-14-3-   لحیم‌کاری سخت در کوره. 34

2-14-4-   آماده­سازی سطحی برای لحیم‌کاری   36

2-14-5-   آلیاژ لحیم سخت… 36

2-14-6-   اصول لحیم‌کاری سخت آلیاژهای تیتانیوم. 38

2-15-        پارامترهای لحیم‌کاری سخت تیتانیوم. 39

2-16-        انتخاب فلزات پرکننده. 39

2-17-        آلیاژهای پرکننده پایه آلومینیوم. 40

2-18-        پیشینه تحقیق.. 41

فصل 3:  مواد آزمایش و روش تحقیق                                                                                                   45

3-1-          مراحل انجام تحقیق.. 46

3-2-          مواد اولیه انجام آزمایش…. 47

3-2-1-     پودر آلومینیوم و سیلیسیوم      47

3-2-2-     اسید استئاریک…. 47

3-2-3-     دستگاه آسیاب مکانیکی.. 48

3-3-          پراش اشعه X.. 49

3-4-          تجهیزات پرس­گرم. 51

3-5-          آنالیز گرماسنج افتراقی.. 54

3-6-          آماده­سازی آلیاژ پرکننده. 54

3-7-          شرایط لحیم­کاری.. 55

3-8-          بست مکانیکی.. 56

3-9-          آزمون میکروسختی.. 57

3-10-        مشاهدات ریزساختاری.. 57

فصل 4:  نتایج آزمایشگاهی/ بحث و بررسی                59

4-1-          SEM پودرهای اولیه. 60

4-2-          بررسی فازی XRD.. 61

4-2-1-     تعیین پارامترهای ساختاری با استفاده از نتایج XRD       61

4-2-2-     بررسی فازی XRD زمینه. 61

4-3-          SEM پودرهای تولید شده با آلیاژسازی مکانیکی.. 67

4-4-          نتایج آنالیز حرارتی افتراقی.. 69

4-5-          آنالیز ساختاری نمونه بالک پودر Al-12%wtSi 69

4-6-          میکروسختی نمونه بالک…. 70

4-7-          لحیم­کاری سخت… 70

4-7-1-     ریز ساختار محل اتصال.. 72

4-8-          میکروسختی نمونه لحیم­سخت… 73

فصل 5:  نتیجه گیری، پیشنهادها          74

5-1-          نتیجه گیری.. 75

5-2-          پیشنهادها برای تحقیقات آتی.. 76

مراجع                77

پیوست        ……………………………………………………………………………………………………………………………………………..81

جدول ‏2‑1- شرح مشخصات آلیاژ Ti-6Al-4V [33]. 40

جدول ‏3‑1- درصد خلوص و اندازه تقریبی پودرهای اولیه. 47

جدول ‏3‑2- شرایط انجام آزمایش پرس­گرم. 54

جدول ‏3‑3- خلاصه­ای از پارامترهای مختلف آزمایش شده. 56

جدول ‏4‑1- اندازه بلورهای محلول جامد Al-Si برحسب زمان آسیاب­کاری. 64

جدول ‏4‑2- سختی نمونه بالک آلیاژ Al-12%wtSi. 70

جدول ‏4‑3- سختی فلز پایه. 73

جدول ‏4‑4- سختی آلیاژ پرکننده لحیم سخت. 73

جدول ‏4‑5- مقایسه میکروسختی قبل و بعد از لحیم­کاری. 73

شکل ‏2‑1- دیاگرام فازی دوتایی Al-12%wt Si[15]. 7

شکل ‏2‑2- تشکیل پودرهای کامپوزیتی زمینه فلزی پس از فرآیند آسیابکاری به صورت شماتیک [21]. 11

شکل ‏2‑3- برخورد گلوله‌ها با پودر و تشکیل و نازک شدن لایه‌های نفوذی [23]. 12

شکل ‏2‑4- تغییرات اندازه ذرات در برابر زمان آسیاب‌کاری [23]. 15

شکل ‏2‑5- ریز شدن اندازه ذرات با زمان آسیاب‌کاری [23]. 16

شکل ‏2‑6-تصویر میکروسکوپ الکترونی یک ذره در سیستم (Ag-Cu) [23]. 19

شکل ‏2‑7- ریزساختار به دست آمده در حین آسیاب‌کاری از پودرهای اولیه در سیستم نرم – ترد [23]. 21

شکل ‏2‑8- مکانیزم آلیاژسازی مکانیکی برای سیستم نرم – ترد [25]. 21

شکل ‏2‑9-تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری که نشان دهنده توزیع یکنواخت ذرات Er2O3 [23]. 22

شکل ‏2‑10- تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی که نشان‌دهنده قرار گرفتن ذرات سخت Si[23]. 23

شکل ‏2‑11- رابطه دما و مسیرهای نفوذی[27]. 24

شکل ‏2‑12- رابطه اندازه دانه با ضریب نفوذ [27]. 25

شکل ‏2‑13-  الگوی Al- 12%wt Si XRD [29]. 42

شکل ‏2‑14- تصاویر SEM برای پودر Al-20 wt% Si در زمان های مختلف [31]. 43

شکل ‏3‑1- فلوچارت مراحل انجام تحقیق. 46

شکل ‏3‑5- دستگاه آلیاژسازی مکانیکی. 48

شکل ‏3‑6- محفظه استفاده شده برای انجام فرآیند آلیاژسازی.. 48

‏3‑7- الف) شماتیک قالب پرس­گرم ب) جزئیات قالب پرس­گرم. 51

‏3‑8- الف)تصویر سیستم پرس­گرم مورد استفاده ب) سیستم کنترل دقیق دما و هیتر. 52

‏3‑9- تاثیر اعمال فشار برای حذف تخلخل­ها و افزایش مناطق تماس بین ذرات پودر و فشرده شدن پودر [47]. 53

شکل ‏3‑10- شماتیک اعمال روانکار بر سطح داخلی قالب. 53

شکل ‏3‑11- پودر Al-12%wtSi، 45ساعت آلیاژسازی شده و نمونه بالک به دست آمده از پرس­گرم. 69

شکل ‏3‑14- اره موئی و سمباده برای تهیه آلیاژ پرکننده. 55

شکل ‏3‑15- نقشه فنی کوره لحیم­کاری سخت با اشعه مادون قرمز [51]. 55

شکل ‏3‑16- الف) فیکسچر برای بستن نمونه­ها و قرار دادن درون کوره و ب) آلیاژپرکننده و فلز پایه. 57

شکل ‏3‑17- الف) پمپ خلأ و ب) کوره لحیم­کاری سخت. 57

شکل ‏3‑2- الف) پودر آلومینیوم خالص و ب) پودر سیلیسیوم خالص. 60

شکل ‏4‑1-  نمودار ویلیامسون- هال پودر Al-12%wtSi در 45 ساعت. 61

شکل ‏4‑2- الف) الگوی پراش اشعهX  پودر Al-12%wtSi تا 45 ساعت و ب) الگوی پراش… 63

شکل ‏4‑3- تابع اندازه کریستال­ها بر حسب افزایش زمان آسیاب­کاری. 64

شکل ‏4‑4- پهن شدگی پیک Al (111) در حین آلیاژسازی مکانیکی. 66

شکل ‏4‑5- تغییر مورفولوژی آلیاژ Al-12%wt Si با افزایش زمان آسیاب کاری. 67

شکل ‏4‑6- آنالیز EDS آلیاژ Al-12%wtSi، 45 ساعت آلیاژسازی شده. 68

شکل ‏4‑7- آنالیز حرارتی افتراقی Al-12%wtSi. 69

شکل ‏4‑8- عکس میکرو آلیاژ Al-12%wtSi، 45 ساعت آلیاژسازی مکانیکی شده پس از پرس­گرم. 70

شکل ‏4‑9- نمونه لحیم­کاری شده توسط کوره مادون قرمز. 71

شکل ‏4‑10- پروفیل دما- زمان: به دست آمده از لحیم سخت در دما و زمان­های مختلف.. 71

شکل ‏4‑11- تصاویر میکرو، آلیاژ پرکننده لحیم سخت شده. 72

شکل ‏4‑12- ذوب آلیاژ پس از اعمال دمای لحیم­کاری. 72

لحیم‌کاری از کهن‌ترین فرآیندهای اتصال فلزات و مواد است که جنبه‌های علمی و فنی آن همواره مورد توجه متخصصین متالورژی و علم مواد بوده است.

این روش یکی از روش‌های انجام اتصال است که با اعمال یک فلز یا آلیاژ پرکننده[1] به عنوان ماده واسط به سطوح اتصال موجب تشکیل پیوند متالورژیکی بین اجزای اتصال می­شود. به دلیل کمتر بودن دمای لحیم‌کاری نسبت به فلز پایه، پدیده اکسید شدن فلز پایه رخ نمی­دهد. واکنش بین فلز پرکننده مذاب و اجزای جامد منجر به تشکیل پیوند در لایه نازکی از سطوح اتصال می­شود.

بطور کلی فرآیند لحیم‌کاری به دو بخش لحیم‌کاری نرم و لحیم‌کاری سخت تقسیم می­شود که وجه تمایز آن‌ها در دمای ذوب آلیاژ پرکننده می­باشد، بدین صورت که اگر دمای کاری کمتر از C 450 باشد، فرآیند لحیم‌کاری نرم و اگر بیشتر از C 450 باشد، فرآیند لحیم‌کاری سخت نام‌گذاری می­شود.

لحیم‌کاری سخت نیز به عنوان یکی از روش‌های ایجاد اتصال دائمی برای گستره وسیعی از مواد است. موانع اصلی برای پیوند مستقیم بین دو فلز متفاوت با روش جوشکاری می­تواند تفاوت در ضریب انبساط حرارتی، ایجاد فازهای ترد، کاهش مقاومت به خوردگی، کاهش چقرمگی در دمای پایین و ترک انجمادی باشد. لذا معمولاً برای این­گونه اتصالات نمی­توان از جوشکاری ذوبی استفاده کرد. امروزه از روش لحیم‌کاری در کوره تحت خلأ یا اتمسفر خنثی، به طور گسترده‌ای در صنایع هوا – فضا و صنعت خودروسازی استفاده می­شود.

امروزه در صنایع مختلف مانند صنایع خودرو و نظامی نیاز به مواد با استحکام بالا و روش تولید آسان و ارزان از اهمیت ویژه‌ای برخوردار می­باشد. همچنین با توجه به تحقیقات صورت گرفته در طی سال­های گذشته مشخص گردیده که آلومینیوم پتانسیل قابل توجهی برای کاربرد عملی در صنایع گوناگون را دارد و به دلیل مزایای آن نسبت به فولاد، وزن سبک (یک سوم فولاد)، خاصیت انعطاف‌پذیری بیشتر و نقطه ذوب کمتر مورد توجه قرار گرفته است. از این‌رو تلاش‌های زیادی در توسعه خواص آلومینیوم انجام گرفته است.

مشکل اصلی آلیاژهای آلومینیوم تریبولوژی ضعیف و پایداری حرارتی کم آن­ها می­باشد. حضور ذرات سرامیکی تقویت­کننده نانومتری در ساختار می­تواند با ایجاد مانع بر سر حرکت نابجایی­ها، این آلیاژها را برای کاربردهای سایشی و دمای بالا مناسب سازد. پودرهای نانو آلومینیوم به طور گسترده به دلیل کاربرد به عنوان اصلاح نرخ سوخت، مواد افزودنی، مواد منفجره و مایکروسیستم پرانرژی مورد مطالعه قرار گرفته است. برای این منظور ابتدا تولید آلیاژ آلومینیوم- سیلیسیوم مورد بررسی قرار گرفت.

تحقیقات نشان داده است، روشی مناسب برای تولید نانوساختار روش آلیاژسازی مکانیکی است زیرا رسیدن به یکنواختی پودرها آسان‌تر است. این روش سبب تولید مواد همگن از مواد اولیه پودری عنصری و یا آلیاژی می­شود. کاربردهای عمده این روش در تولید ساختارهای آمورف، تولید آلیاژهای تقویت شده با اکسیدها[2]، ترکیب‌های بین­فلزی، پودرهای آلیاژی، نانوکریستال‌ها و نانوکامپوزیت‌ها (زمینه فلزی و سرامیکی) می­باشد. سپس به منظور تهیه آلیاژ پرکننده برای لحیم­کاری، پودرها با روش پرس­گرم[3] فشرده­سازی شدند. آلیاژهای آلومینیوم حاوی سیلیسیوم به عنوان آلیاژی اصلی به علت سیالیت زیاد که ناشی از وجود ذرات Si است، شناخته شده است. سیلیسیوم ضریب انبساط حرارتی را کاهش می­دهد [1-4].

انرژی ضربه گلوله‌ها در هر برخورد اثر مشخصی بر مورفولوژی، اندازه دانه‌ها و کرنش شبکه دارد. در این تحقیق بهترین شرایط برای سنتز آلیاژ آلومینیوم- سیلیسیوم مورد استفاده به عنوان پرکننده لحیم­سخت آلیاژ تیتانیوم، آلیاژسازی مکانیکی معرفی شد. با مطالعه و بررسی تحقیقات مشابه انجام شده با تحقیق حاضر، زمان مناسب برای تهیه نانوساختار یوتکتیک آلومینیوم- سیلیسیوم، تعیین شد.

در این تحقیق، پودر آلومینیوم- سیلیسیوم به روش آلیاژسازی مکانیکی در زمان­های 5، 15، 30، 45 و 60 ساعت تهیه شد. زمان کار با حرکت معکوس به مدت 1 ساعت و 30 دقیقه زمان استراحت به منظور کاهش دمای محفظه­ها در نظر گرفته شد [5-7].

با انجام آنالیزهای XRD و SEM، مشخص شد در 45 ساعت ساختار نانو حاصل شد و به عنوان فیلر برای لحیم­کاری سخت آلیاژ تیتانیوم استفاده شد. در فصل دوم این پژوهش به مطالعه تحقیقات انجام گرفته توسط سایرین در خصوص تهیه پودر نانوساختار به روش آلیاژسازی مکانیکی، معرفی این روش و نیز پارامترهای موثر در لحیم­کاری سخت پرداخته شد. در فصل سوم بعد از بررسی مواد اولیه و تجهیزات استفاده شده، روش­های مورد استفاده برای انجام این تحقیق بیان شده است. در فصل چهارم نتایج آزمایش‌ها و تحلیل­ها ارائه گردید. نهایتاً در فصل پنجم این تحقیق، به نتیجه‌گیری و ارائه پیشنهادها پرداخته شد.

تعداد صفحه : 97

قیمت : 14000تومان

بلافاصله پس از پرداخت ، لینک دانلود پایان نامه به شما نشان داده می شود

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می شود.

پشتیبانی سایت :        09361998026        info@arshadha.ir

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

شماره کارت :  6037997263131360 بانک ملی به نام محمد علی رودسرابی

11

مطالب مشابه را هم ببینید

فایل مورد نظر خودتان را پیدا نکردید ؟ نگران نباشید . این صفحه را نبندید ! سایت ما حاوی حجم عظیمی از پایان نامه های دانشگاهی است. مطالب مشابه را هم ببینید. برای یافتن فایل مورد نظر کافیست از قسمت جستجو استفاده کنید. یا از منوی بالای سایت رشته مورد نظر خود را انتخاب کنید و همه فایل های رشته خودتان را ببینید