1- مقدمه

كامپوزيت‌ها به ‌طور مداوم در حال جايگزيني مواد با ساختارهاي سنتي هستند. مواد کامپوزيتي شامل حداقل دو فاز متفاوت از لحاظ خواص مکانيکي، فيزيکي و شيميايي هستند که به منظور فراهم کردن خصوصياتي که بوسيله‌ي هيچ يک از فازها به طور مستقل ايجاد نمي‌شود، در هم توزيع ‌شده‌اند. زمينه‌ي كامپوزيت‌ها مي‌تواند فلز، پليمر و يا سراميك باشد. توسعه‌ي كامپوزيت‌هاي زمينه فلزي تقويت ‌شده با ذرات از مهم‌ترين ابداعات در زمينه‌ي مواد پيشرفته قلمداد شده است ]1[. کامپوزيت‌هاي زمينه فلزي به روش‌هاي مختلفي ساخته مي‌شوند از جمله مي‌توان به روش‌هاي آلياژ‌سازي مکانيکي، متالوژي پودر، ايجاد باند نفوذي، ريخته‌گري و… اشاره کرد. در کامپوزيت‌هاي زمينه فلزي، روش‌هاي ريخته‌گري به دليل سهولت توليد و هزينه‌ي پايين‌تر، بيش از ساير روش‌ها در توليد انبوه قطعات صنعتي مورد توجه قرار گرفته‌اند ]2.[ در فرآيند‌هاي پيشرفته‌ي توليد كامپوزيت‌ها از مزاياي روش‌هاي ريخته‌گري نيمه‌جامد نيز استفاده شده است. در روش‌هاي ريخته‌گري نيمه‌جامد، فرآوري خاصي بر روي آلياژ مورد نظر در ناحيه‌ي دو فازي جامد-مذاب انجام مي‌شود. بر خلاف روش‌هاي رايج شکل‌دهي که در حالت کاملا جامد و يا در حالت کاملا مذاب انجام مي‌شوند، فرايندهاي نيمه‌جامد در ناحيه‌ي خميري انجام مي‌گيرند. در اين حالت ذرات جامد اوليه غير دندريتي در زمينه‌‌اي از مذاب تشکيل مي‌شوند که در نتيجه‌ي آن دوغاب حاصل، رفتار رئولوژيكي خاصي از خود به نمايش مي‌گذارد. در روش هاي نيمه‌جامد ساخت کامپوزيتهاي زمينه فلزي، ذرات جامد سراميکي به مذاب يک آلياژ که در منطقه‌ي دمايي نيمه‌جامد به شدت هم زده مي‌شود، اضافه مي‌گردند. اين روش مزايايي از قبيل توزيع يکنواخت‌تر ذرات تقويت‌کننده، شکسته‌ شدن خوشه‌هاي تقويت‌کننده در نتيجه‌ي برخورد مکانيکي با ذرات جامد اوليه، ترشوندگي مناسب‌تر اين ذرات با آلياژ، درصد تخلخل پايين‌تر به علت پايين بودن دماي ريخته‌گري، سيلان آرام دوغاب نيمه‌جامد به هنگام پرکردن قالب، کاهش واکنش‌هاي نامطلوب بين زمينه و تقويت‌کننده به علت دماي کاري پايين‌تر را به خود اختصاص داده است ]3 و 4[. در بين کامپوزيت‌هاي زمينه فلزي، کامپوزيت‌هاي زمينه آلومينيومي که داراي ذرات سراميکي به عنوان تقويت‌کننده مي‌باشند، ساختار جالبي دارند زيرا خواص مکانيکي برتر زمينه مانند انعطاف پذيري و چقرمگي، با استحکام و سختي بالاي ذرات سراميکي ترکيب مي‌شوند ]5 .[تحقيقات نشان داده است كه ويژگي‌ها و مشخصات سطح تماس زمينه-تقويت‌كننده تا حدود زيادي خواص مكانيكي كامپوزيت‌هاي زمينه فلزي را تحت كنترل قرار مي‌دهد. يك سطح تماس مناسب و پيوند قوي ميان ذره و زمينه موجب افزايش مقاومت به سايش و ديگر خواص كامپوزيت مي‌گردد. مقاومت به سايش كامپوزيت‌هاي زمينه آلومينيومي علاوه بر ماهيت سطح مشترك زمينه-ذره، به توزيع و درصد حجمي ذرات نيز وابسته است ]6 .[

اثر ذرات آلومينا روي خواص و ريزساختار آلياژ ريختگي Al_–Si توسط محققان بسياري بررسي شده است. بنابر گزارشات اين محققان خواص كامپوزيت‌هاي زمينه‌ي Al وابستگي گسترده‌اي به اندازه، شكل، تركيب و خواص شيميايي و فيزيكي سطح ذرات پودر آلومينا دارد. همچنين، مهم‌ترين مشکلات آلياژ ريختگي Al_–Alumina در روش‌هاي مختلف توليد، ترشوندگي پايين ذرات با مذاب آلومينيم و همچنين توزيع غير يکنواخت ذرات در زمينه عنوان شده است ]5_–2 .[اكثر تحقيقات انجام شده در اين زمينه تاكنون در محدوده‌ي دمايي مايع بوده است و در زمينه‌ي ساخت كامپوزيت A356_–alumina به روش نيمه‌جامد مقالات محدودي در دسترس مي‌باشد. همچنين اکثر کامپوزيت هاي توليدي در پژوهش هاي مختلف از ذرات با اندازه ميکروني استفاده نموده اند. در اين تحقيق علاوه بر استفاده از روش نيمه‌جامد در ساخت كامپوزيت A356_–Al₂O₃، از ذرات نانومتري به منظور بهبود خواص استفاده گرديده است.

2- روش تحقيق

2-1- مواد اوليه

هدف اين پ‍‍ژوهش توليد کامپوزيت Al356-2vol.%Al₂O₃ با اندازه‌ي ذرات تقويت‌کننده کوچکتر از 100 نانومتر به روش گردابي و نيمه‌جامد (کامپوکست) و بررسي اثر دماي ريخته گري بر ساختار و خواص مکانيکي کامپوزيت هاي توليدي بود. به اين منظور ذرات تقويت‌کننده صورت پودر آلومينا به مذاب آلياژ آلومينيم A356 اضافه ‌مي‌شدند. شکل 1 تصاوير ميکروسکوپ الکتروني عبوري (TEM) پودر آلوميناي اوليه را نشان مي‌دهد.

شكل 1– تصاوير ميکروسکوپ الکتروني عبوري پودر آلوميناي مورد استفاده.

ترکيب شيميايي مورد نظر براي كامپوزيت ريختگي توليد شده در اين پژوهش، ترکيب شيميايي آلياژ Al356 بود که در جدول 1 نشان داده شده است. از آنجايي كه اين آلياژ دامنه‌ي انجماد وسيعي دارد، قابليت عمليات در منطقه‌ي نيمه‌جامد را فراهم مي‌سازد.

جدول 1- ترکيب شيميايي آلياژ مورد استفاده Al356

2-2- ساخت کامپوزيت ريختگي

پس از آماده‌سازي پودر کامپوزيتي، مقاديري مناسب از آلياژ زمينه در بوته‌اي گرافيتي با ظرفيت 5/1 كيلوگرم آلومينيم قرار گرفته و در داخل كوره‌ي ذوب مقاومتي با قابليت تنظيم خودکار دما قرار داده مي‌شد. پس از رسيدن دماي مذاب به 700 درجه سانتيگراد، اضافه کردن پودر تقويت‌کننده بوسيله‌ي دمش گاز آرگون (با دبي L/min 5) به داخل مذاب انجام مي‌گرفت تا پودرها به آرامي وارد مذاب گردند. هم‌زمان همزن گرافيتي استوانه‌اي شكل متصل به موتور DC با سرعت rpm 500 شروع به هم‌زدن دوغاب مي‌نمود. تصويري شماتيک از دستگاه استفاده شده در اين پژوهش در شکل 2 نشان داده شده است.

شكل 2- تصويري شماتيك از دستگاه استفاده شده در اين پژوهش.

پس از پايان تزريق، دماي مذاب کاهش يافته و هم‌زدن تا دماي ريخته‌گري مورد نظر ادامه داشت. با رسيدن به دماي مورد نظر توپي كف بوته کشيده شده و دوغاب کامپوزيتي از پايين به داخل قالب تخليه مي‌گرديد. آلياژ در دماي 650-615 و 605 درجه سانتيگراد به ترتيب در حالت کاملا مذاب (ريخته‌گري گردابي) و در حالت نيمه‌جامد مي‌باشد. جدول 2 به طور خلاصه شرايط ساخت نمونه‌هاي ريخته شده در اين پژوهش را نشان مي دهد.

جدول 2- خلاصه‌ي مشخصات نمونه‌هاي ريخته شده در اين پژوهش

1. 1. 1. 2-3- بررسي تخلخل نمونه ها

آزمايش تعيين تخلخل به منظور ارزيابي ميزان معايب حجمي داخلي (مک‌ها، حفرات گازي و انقباضي) بر روي قطعات صورت گرفت. در اين آزمايش از روش غوطه وري نمونه‌ها در آب استفاده شد. براي اين منظور وزن نمونه‌ها در دو حالت خشک و غوطه وري بوسيله يک ترازوي ديجيتال با دقت چهار رقم اعشار اندازه گيري شد. بر اساس قانون ارشميدس و با فرض اينکه دانسيته آب برابر با يک گرم بر سانتيمتر مکعب باشد اختلاف دو عدد فوق، برابر با حجم قطعه مي باشد. با داشتن حجم و وزن قطعه، دانسيته ظاهري نمونه ها (ρ_app) به دست آمده و درصد حجمي تخلخل از رابطه 1 محاسبه گرديد. در اين رابطه، P درصد تخلخل،   ρ_appدانسيته ظاهري نمونه ها،  ρ_m و  ρ_p به ترتيب دانسيته تئوري آلياژ زمينه و تقويت‌کننده و  کسر حجمي ذرات تقويت‌کننده مي‌باشد.

(1)                               

1. 1. 2. 2-4- مشخصه‌يابي ريزساختاري

پس از عمليات سنباده‌زني و پوليش، نمونه‌ها توسط محلول Keller به مدت زمان بين 5 تا 10 ثانيه حکاکي شدند. براي بررسي ريزساختار نمونه‌ها از ميکروسکوپ نوري NIKON EPIPHOT 300 و ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM) PHILIPS XL30 استفاده شد.

1. 1. 3. 2-5- اندازه‌گيري مقدار ذرات تقويت‌كننده‌ي باقيمانده در مذاب

آزمايش انحلال در اسيد HCl به منظور بررسي کمي ذرات تقويت‌کننده در داخل زمينه به کار گرفته شد. در اين آزمايش حدود 4 گرم براده‌ از هر نمونه‌ برداشته شده و قبل از انحلال در اسيد بوسيله‌ي ترازويي با دقت ده هزارم گرم وزن مي‌شد. سپس براده‌ها در اسيد حل شده و پس از انحلال کامل، مخلوط از صافي عبور داده مي‌شد. پس از خشک کردن پودر باقيمانده‌ي روي کاغذ، وزن آن اندازه‌گيري ‌شده و با تقسيم اين مقدار بر مقدار اوليه، درصد تقويت‌کننده باقيمانده در نمونه اندازه‌گيري مي‌گرديد.

1. 1. 4. 2-6- اندازه گيري سختي

سختي نمونه ها به صورت ماکرو در مقياس برينل و با نيروي اعمال N 31.25 اندازه گيري شد. اين کار پس از سنباده زني نمونه‌ها  و به طور ميانگين 7 بار براي هر نمونه انجام شد.

1. 1. 5. 2-7- آزمون کشش

آزمايش‌ كشش‌ در دماي محيط توسط دستگاه‌ Santam STM-150 و با سرعت کرنش(mm/min)  2 انجام گرديد. نمونه‌هاي‌ آزمايش‌ كشش‌ طبق‌ استاندارد ASTM B557 M تهيه‌ شد.

3- نتايج و بحث

1. 2. 3-1-تخلخل

شکل 3 درصد حجمي تخلخل اندازه گيري شده را براي نمونه هاي ريختگي مختلف نشان مي دهد. همان گونه که در شکل مشاهده مي شود کامپوزيت توليد شده به روش نيمه جامد (ريخته گري شده در دماي 605) داراي تخلخل کمتري نسبت به نمونه هاي توليدي به روش گردابي مي باشند. در روش ريخته گري گردابي که در دماي بالاي ليکوئيدوس انجام مي شود علاوه بر انقباض انجمادي بيشتر زمينه، تلاطم ناشي از گرداب ايجاد شده بوسيله همزن نيز بيشتر از ريخته گري در دماي نيمه جامد است که هر دو عامل مي تواند منجر به افزايش مقدار تخلخل شود.

شکل 3- مقادير درصد حجمي تخلخل براي نمونههاي نانوکامپوزيتي ريختگي مختلف.

در روش ريخته گري نيمه جامد، کسري از انجماد قبل از ريخته گري انجام شده است و دماي کاري نيز پايينتر است که اين مسئله منجر به کاهش انقباض ناشي از انجماد و کمتر شدن حفرات انقباضي ميشود. همچنين با حضور کسر جامد 20 درصدي، حلاليت گازها در دوغاب کاهش يافته و کسر بالايي از گازهاي حل شده در مذاب پيش از ريخته گري از دوغاب خارج ميشوند. علاوه بر اينها، دليل مهم ديگر که ميتوان به آن اشاره کرد کاهش تلاطم دوغاب در هنگام پر کردن قالب در اثر افزايش ويسکوزيته دوغاب ميباشد که در تحقيقات ديگر نيز به آن اشاره شده است [5]. در نتيجه تمامي موارد ذکر شده درصد حجمي تخلخل کامپوزيتهاي ريختگي توليد شده به روش نيمهجامد کاهش يافته است. شکل 3 همچنین نشان مي دهد نانوکامپوزيت هاي توليد شده نسبت به نمونه هاي غير کامپوزيتي داراي تخلخل بسيار بيشتري مي باشند. اين مسئله بدين دلي