كنترل هدفمند ساختار انجمادي آلياژ آلومينيوم Al-4.5wt%Cu با استفاده از ماده تغييرفازدهنده (PCM)

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مواد

دكتري

عوامل متعددي در طول فرايند ريخته¬گري و انجماد، بر ساختار انجمادي قطعات تاثير مي¬گذارند كه از آن جمله مي¬توان به نحوه و سرعت سردشدن مذاب، استفاده از مواد جوانه¬زا و اعمال تلاطم، ارتعاش يا فشار بر مذاب اشاره كرد. هدف از پژوهش حاضر، ارائه و توسعه روشي جديد براي كنترل ساختار انجمادي با استفاده از مواد تغيير فاز دهنده فلزي و گرماي نهان ذوب آن¬ است. در اين پژوهش، ابتدا متغيرهاي فرايند با استفاده از شبيه¬سازي¬هاي كامپيوتري بهينه¬يابي شده، سپس آزمايش¬هاي تجربي جهت تعيين ميزان و چگونگي تاثير استفاده از ماده تغيير فاز دهنده بر ساختار انجمادي آلياژ آلومينيوم Al-4.5 wt% Cu انجام شد. بدين منظور از دو نوع مبرد، يك مبرد فولادي توپر متداول و يك مبرد فولادي توخالي حاوي مقداري فلز روي خالص به عنوان ماده تغيير فازدهنده، استفاده شده، نمونه¬هايي تحت شرايط انجماد جهت¬دار ريخته¬گري شدند. طراحي مبرد نوع دوم بر اساس تاثيرگذاري مشابه دو مبرد بر آلياژ ريختگي Al-4.5wt%Cu تا قبل از ذوب ماده تغيير فازدهنده انجام شد، به¬طوري¬كه بتوان تاثير ماده تغيير فازدهنده در دو حالت جامد و مذاب را بر ساختار قطعه ريختگي را مشاهده نمود. نمودارهاي دما-زمان نمونه¬هاي ريختگي و مبردها در هر دو حالت شبيه¬سازي و تجربي، تطابق خوبي از خود نشان دادند. طول منطقه ستوني در نمونه ريخته شده با استفاده از مبرد فولادي توپر 46 ميلي¬متر و در نمونه ريخته شده با استفاده از مبرد حاوي ماده تغيير فاز دهنده 33 ميلي¬متر اندازه¬گيري شد كه نشان¬دهنده نقش ماده تغيير فاز دهنده در تسريع پديده تبديل دانه¬هاي ستوني به هم¬محور است. همچنين مشاهده¬هاي درشت¬ساختاري نشان داد كه نمونه ريخته شده با استفاده از مبرد فولادي توپر، داراي ساختار پر¬شكل در منطقه ستوني است، درحالي¬كه ساختار نمونه با مبرد حاوي ماده تغيير فاز دهنده به¬صورت ستوني معمولي است. علت اين پديده به تفاوت قدرت سرمايش دو مبرد در مرحله جوانه¬زني و تفاوت غلظت موضعي عناصر آلياژي در نمونه¬ها در حين رشد نسبت داده شد، . از طرف ديگر، مشاهده شد كه هر دو نوع مبرد، اثر يكساني بر توزيع و اندازه دانه¬هاي هم-محور در جلوي منطقه ستوني دارند و هرچند متوسط اندازه دانه¬هاي هم¬محور در هر دو نمونه يكسان است ولي فاصله بين بازوهاي ثانويه دندريتي (اعم از هم¬محور و ستوني) در طول قطعه در نمونه ريخته شده با استفاده از ماده تغيير فازدهنده كمتر از نمونه با مبرد توپر فولادي است كه اين پديده به نرخ سرد شدن بالاتر در نمونه حاوي ماده تغيير فاز دهنده مرتبط دانسته شد. در همين راستا، در نقاط مشابه قطعات، سختي نمونه ريخته شده با ماده تغيير فازدهنده از سختي نمونه ريخته شده با مبرد توپر فولادي بيشتر بود. نتايج تاييد¬كننده حضور فازهاي مياني غني از آهن (3 تا 16 درصد وزني آهن) و درصد بالاي آهن در زمينه در نزديكي اين فازهاي مياني (تا حدود 38/1 درصد وزني) در نمونه ريخته شده با استفاده از مبرد فولادي توپر است. اين در حالي است كه در نمونه ريخته شده با استفاده از مبرد حاوي ماده تغيير فاز دهنده، ميزان آهن هم در فازهاي مياني غني از مس و هم در زمينه ناچيز است. ريخت¬هاي متنوعي از فازهاي مياني شامل ريخت حروف¬چيني، سوزني، كروي و نامنظم، با تركيب¬هاي شيميايي متفاوت، در ريزساختار دو نمونه مشاهده شد كه ريخت غالب در ريزساختار هر دو نمونه، فاز حروف¬چيني از نوع Al2Cu بود. همچنين مقدار فاز مخرب سوزني¬شكل در نمونه ريخته شده با مبرد حاوي ماده تغيير فاز دهنده كمتر از نمونه ريخته شده با مبرد توپر فولادي و مقدار فازهاي مطلوب كروي آن بيشتر بو¬د. فازهاي كروي از نوع فاز θ-Al2Cu تشخيص داده شد كه به نظر مي¬رسد در حين سردشدن قطعه از فاز جامد رسوب ¬كرده است. به-علاوه، نتايج نشان داد كه استفاده از مبرد نسل جديد، برد تغذيه را افزايش داده، عيوب انقباضي كمتري در قطعه بوجود آمده و منطقه بزرگتري از قطعه عاري از عيوب انقباضي منجمد مي¬شود. به¬طور كلي، استفاده از مبرد نسل جديد مي¬تواند رخداد پديده تبديل ستوني به هم¬محور را تسريع بخشد و بدين طريق كنترل بيشتري بر ساختار حاصل شود. به¬علاوه، با به¬كارگيري اين نوع مبرد، مي¬توان از ايجاد برخي ساختارهاي نامطلوب مانند ساختار پرشكل و عيوب انقباضي اجتناب كرد كه هر دو مي¬توانند اثر مثبتي بر خواص مكانيكي و كاركرد قطعه داشته باشند.

222704

مهندسي مواد

مهندسي مواد

دانشگاه صنعتي اصفهان