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.
فصل اول: مقدمه
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.
فصل دوم: مروری بر منابع
1-2- معرفی سیستم آلومینیوم- سیلیسیوم
مدت بسیاری است که آلومینیوم و آلیاژهای آن توجه زیادی را به خود جلب کرده است. آلومینیوم و آلیاژهای آلومینیوم به دلیل خواص عالی مانند نسبت استحکام به وزن بالا و استحکام مناسب در صنایع مختلف مانند صنایع هوافضا و خودروسازی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. این امر به دلایل مزایایی است که آلومینیوم و آلیاژهای آن در مقایسه با فلزات دیگر دارند. این مزایا عبارتند از:
1- دانسیته پایین در حدود 7/2
2- قیمت ارزان نسبت به دیگر فلزات سبک مانند منیزیم و تیتانیوم
3- مقاومت به خوردگی مناسب
4- شکل پذیری مناسب
تمام این موارد باعث شده است که آلومینیوم و آلیاژهای آن در صنایع بسیاری مانند اتومبیل‌سازی، هوافضا و دفاعی مورد استفاده قرار گیرند. ساختارهای آلومینیوم و سیلیسیوم به ترتیب مکعب با سطوحمرکزدار[1] و الماسی[2] میباشند. آلیاژهای آلومینیوم حاوی سیلیسیوم به عنوان آلیاژی اصلی به علت سیالیت زیاد که ناشی از وجود سیلیسیوم است، شناخته شده است همچنین سیلیسیوم ضریب انبساط حرارتی را کاهش میدهد [8].
Al-Si کاربرد بسیاری به علت چگالی پایین، ریختهگری خوب و استحکام کافی در دماهای بالا دارد. اما شکلپذیری و چقرمگی کم که موجب شده کاربرد این آلیاژ در برخی موارد محدود شود و از معایب این آلیاژ میباشد. دلیل اصلی برای خواص ضعیف آلیاژهای Al-Si، کریستالهای درشت و ترد Si هستند. زیرا کریستالهای درشت Si منجر به شکلگیری ترکهای اولیه و شکست در کشش میشوند. به این منظور، تلاشهای بسیاری برای اصلاح ریزساختار Al-Si انجام شده است. به عنوان مثال رسیدن به فازهای ریز Si با ساختار و توزیع همگن و جلوگیری از رشد کریستالهای Si را میتوان نام برد. تلاشهای بسیاری در سالیان گذشته برای بالا بردن خواص مکانیکی با تغییر شرایط انجماد، اعمال عملیات حرارتی یا با عناصر اصلاحشده در مورفولوژی ذرات Si انجام شده است. تأثیر درجه حرارت بالا روی ریزساختار، خواص مکانیکی، انبساط حرارتی و هدایت بررسی شده است [9].
در صنایع هوافضا، ساختارهای ترکیبی از تیتانیوم و آلیاژهای آلومینیومی در مقایسه با مواد معمولی دارای مزایای بسیاری است. بیش از 100 فلز پرکننده در لحیمکاری سخت توسعه یافته و در طول 50 سال گذشته برای اتصال آلیاژهای تیتانیوم در موشک‌های سبک وزن و صنایع هوافضا مورد آزمایش قرار گرفته است. هدف اصلی از این تلاش‌ها رسیدن به استحکام و مقاومت به خوردگی بالا و بهبود آن در لحیمکاری سخت قطعات است. علارغم اینکه تعداد زیادی از پرکننده‌ها مورد آزمایش قرار گرفته‌اند، ولی تنها تعداد کمی از آنها برای تولید در صنایع هوافضا مورد پذیرش قرار گرفته است. اتصال آلیاژهای تیتانیوم به آلیاژهای آلومینیوم با اعمال روشهای نفوذی مرسوم دشوار است زیرا عملکرد تیتانیوم و آلومینیوم در ریزساختار کریستالی، نقطه ذوب، هدایت حرارتی و ضریب انبساط خطی تفاوت زیادی دارند. ترکیب غیر مشابه آلومینیوم و تیتانیوم توسط جوشکاری نفوذی، جوشکاری اصطکاکی و انفجاری شناخته شده است. باید خاطر نشان شد که روشهای جوشکاری بالا از نظر موقعیت اتصال دارای محدودیت بوده و همچنین خواص مکانیکی پائین برای این اتصالات یکی از مشکلات این روش‌ها میباشد [10–12].
2-2- تعیین سیستم آلیاژی
سیستم‌های آلیاژی یوتکتیکی، یکی از ارجح‌ترین انتخاب‌ها برای لحیمکاری سخت مواد فلزی به شمار میرود. برخی از دلایل انتخاب آلیاژهای یوتکتیک به عنوان فلز پرکننده لحیمکاری در زیر اشاره شده است [13و 14].
1- رفتار بسیار مناسب ترکنندگی آلیاژ مذاب
آلیاژهای یوتکتیک و نزدیک به یوتکتیک، در گسترده دمایی مابین مذاب و جامد سیالیت مناسبی را ارائه میدهند. برای آلیاژهای با برد انجماد وسیع مانند Au -18 Ni، در این گستره دمایی امکان تشکیل یک حالت خمیری از فلز پرکننده وجود دارد و مذابی با حرکت کند و چسبندگی (ویسکوزیته) بالا ایجاد میشود.
2- خواص مکانیکی مناسب
خواص مکانیکی مناسب از خصوصیات ریزساختار یوتکتیک و دانه‌های ریز به وجود آمده در این فرآیند متالوژیکی است که باعث افزایش توأم استحکام و انعطاف‌پذیری فلز میباشد. همچنین باعث