تولید کامپوزیت درجای Al 3003/〖"Al" 〗_"3" "Ti" با استفاده از ذرات عنصری تیتانیم توسط فرآیند اصطکاکی اغتشاشی

محورهای موضوعی : فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

مجتبی زاد علی ¹ , محمد کوتیانی ² , خلیل رنجبر ³

1 - کارشناس ارشد جوشکاری، گروه مهندسی مواد، دانشکده مهندسی، دانشگاه شهید چمران اهواز، ایران
2 - کارشناس ارشد جوشکاری، گروه مهندسی مواد، دانشکده مهندسی، دانشگاه شهید چمران اهواز، ایران
3 - استاد، گروه مهندسی مواد، دانشکده مهندسی، دانشگاه شهید چمران اهواز، ایران

تاریخ دریافت : 1396/04/24 تاریخ پذیرش : 1396/08/08 تاریخ انتشار : 1397/05/01

کلید واژه: کامپوزیت درجا, فرآیند اصطکاکی اغتشاشی, آلیاژ Al 3003-H14, آلومیناید 〖"Al" 〗_"3" "Ti",

چکیده مقاله :

در این پژوهش، کامپوزیت درجای زمینه آلومینیمی تقویت‌شده با نانوذرات آلومینایدی  با استفاده از فرآیند اصطکاکی اغتشاشی (FSP) تولید شد. برای این منظور از آلیاژ کار شده‌ی Al 3003-H14به‌عنوان فلز پایه و پودر تیتانیم با اندازه‌ی ذرات کوچک‌تر از 45 میکرومتر به‌عنوان تقویت‌کننده استفاده گردید. استحکام کششی و سختی نمونه‌ی فلز پایه، فلز پایه FSPشده و کامپوزیت‌ تولیدشده تحت 6 پاس فرآیند اصطکاکی اغتشاشی اندازه‌گیری شد و ریزساختار توسط روش میکروسکوپی نوری و الکترونی و هم‌چنین آنالیز XRDبررسی و مورد مطالعه قرار گرفت. بررسی‌های ریزساختاری نشان داد که اعمال فرآیند اصطکاکی اغتشاشی منجر به تغییر ریزساختار فلز پایه از دانه‌های بزرگ و کشیده به دانه‌های ریز و هم‌محور در نمونه‌ی کامپوزیتی می‌شود. هم‌چنین مشاهده شد که وقوع واکنش شیمیایی در فصل مشترک بین ذرات تیتانیم افزوده شدهو زمینه آلومینیم باعث تشکیل ترکیبات آلومینایدی  به‌صورت یک لایه‌ی پوسته کروی می‌شود که در ادامه فرآیند این لایه شکسته شده و در سرتاسر زمینه به‌طور یکنواختی توزیع می‌شود. نتایج هم‌چنین نشان داد که استحکام کششی و سختی کامپوزیت‌ نسبت به فلز پایه حدود 30 % افزایش یافته است.

چکیده انگلیسی:

A rolled AA3003-H14 aluminum alloy sheet and Titanium metal powders were used to fabricate Al-surface composites reinforced by in-situ formed Al₃Ti aluminide nanoparticles while applying friction stir processing (FSP). The titanium powder of particle sizes smaller than 45 microns was used as reinforcement. Tensile strength and the hardness of the surface composites were determined after applying 6 passes FSP. Its phase analysis was done by using an X-ray diffraction and the microstructural examinations were performed using an optical microscope and scanning electron microscopy.  Microstructural examinations revealed that the large size and elongated grains of the base metal have transformed into a more homogeneous, equiaxed and smaller ones after applying FSP. It was also noticed that the reaction between the titanium powders and the aluminum matrix led to the formation of Al3Ti aluminide at the interface between the two elements. This aluminide formation was in the form of a spherical shell around the aluminum, wherein the later stage of processing fragmented into smaller particles and distributed throughout the matrix. Results showed that tensile strength and the hardness of the base metal were increased by about 30% after applying 6 passes FSP.

منابع و مأخذ:

References:
1- M. Salehi, M. Saadatmand, J. Aghazadeh mohandesi, ''Optimization of process parameters for producing AA6061/SiC nanocomposites by friction stir processing'', Trans. Nonferrous Met. Soc. China, Vol. 22, pp. 1055-1063, 2012.

2- I. Sudhakar, V. Madhu, G. Madhusudhan reddy, K. Srinivasa roa, ''Enhancement of wear and ballistic resistance of armour grade AA7075 aluminium alloy using friction stir processing'', Vol.11, pp.10-17, 2015.

3- R.S. Mishra, Z.Y. Ma, I. Charit, ''Friction stir processing: a novel technique for fabrication of surface Composite'', Materials Science and Engineering A, Vol. 341, pp. 307-/310, 2003.

4- R.S. Mishra, Z.Y. Ma, ''Friction stir welding and processing'', Materials Science and Engineering R, Vol. 50, pp. 1-78, 2005.           

5- Ehab A. El-Danaf, Magdy M. El-Rayes, Mahmoud S. Soliman, ''Friction stir processing: An effective technique to refine grain structure and enhance ductility'', Materials and Design, Vol. 31, pp. 1231-1236, 2010.           

6- Arora H.S., Singh H., Dhindaw B.K, ''Composite fabrication using friction stir processing- a review'', Int J Adv Manuf Technol, Vol. 61, pp.1043-1055, 2012.

7- S.C. Tjong, Z.Y. Ma, ''Microstructural and mechanical characteristics of in situ metal matrix composites'', Materials Science and Engineering, Vol. 29, pp. 49-113, 2000.       

8-  C.J. Hsu, C.Y. Chang, P.W. Kao, N.J. Ho, C.P. Chang, ''Al–Al3Ti nanocomposites produced in situ by friction stir processing'', Acta Materialia, Vol. 54, pp. 5241-5249, 2006.    

9- F. Khodabakhshi, A. Simchi, A.H. Kokabi, A.P. Gerlich, ''Friction stir processing of aluminum matrix nanocomposites by pre-placing elemental titanium powder: In-situ formation of Al3Ti nanoparticles and metallurgical characteristics'', Materials Characterization, Vol. 108, pp. 102-114, 2015.

10- C.J. Hsu, P.W. Kao, N.J. Ho, ''Ultrafine-grained Al–Al2Cu composite produced in situ by friction stir processing'', Scripta Materialia, Vol. 53, pp. 341-345, 2005.

11- J.Qian, J. Li, J. Xiong, F. Zhang, X. Lin, ''In situ synthesizing Al3Ni for fabrication of intermetallic-reinforced aluminum alloy composites by friction stir processing'', Materials Science and Engineering A, Vol. 550, pp. 279-285, 2012.

12- M. Sarkari Khorrami, S. Samadi, Z. Janghorban, M. Movahedi, ''In-situ aluminum matrix composite produced by friction stir processing using Fe particles'', Materials Science & Engineering A, Vol. 641, pp. 380-390, 2015.      

13- A.Thangarasu, N.Murugan, I.Dinaharan S.J.Vijay, ''Synthesis and characterization of titanium carbide particulate reinforced AA6082 aluminium alloy composites via friction stir processing'', Archives of Civil and Mechanical Engineering, Vol.15, pp. 324-334, 2015.           

14- M. Narimani, B. Lotfi, Z. Sadeghian, ''Evaluation of the microstructure and wear behaviour of AA6063-B4C/TiB2 mono and hybrid composite layers produced by friction stir processing'', Surface & Coatings Technology, Vol. 285, pp.1-10, 2016.           

15- A. Shafiei-Zarghani, S.F. Kashani-Bozorg, A. Zarei-Hanzaki, Microstructures and mechanical properties of Al/Al2O3 surface nano-composite layer produced by friction stir processing, Materials Science and Engineering A, Vol. 500, pp. 84-91, 2009.   

 16- N. Yuvaraj, S. Aravindan, Vipin, ''Fabrication of Al5083/B₄C surface composite by friction stir processing and its tribological characterization'', Journal of Materials Research and Technology, Vol. 4, pp. 398-410, 2015.           

17- P. asadi, G. faraji, A. masoumi, M.K. besharati givi, ''Experimental Investigation of Magnesium-Base Nanocomposite Produced by Friction Stir Processing: Effects of Particle Types and Number of Friction Stir Processing Passes'', Metallurgical and Materials Transactions A, Vol. 42, pp. 2820-2832, 2011.

18- Y. S. Sato, S. H. C. Park, H. Kokawa, ''Microstructural Factors Governing Hardness in Friction-Stir Welds of Solid-Solution-Hardened Al Alloys'', Metallurgical and Materials Transactions A, Vol. 32, pp. 3033-3042, 2001.  

19- M. Amra, Kh. Ranjbar, R. Dehmolaei, ''Mechanical Properties and Corrosion Behavior of CeO2 and SiC Incorporated Al5083 Alloy Surface Composites'', Journal of Materials Engineering and Performance, Vol. 24, pp. 3169-31798, 2015.

20- T.R. Mcnelley, S. Swaminathan, J.Q. Su, ''Recrystallization mechanisms during friction stir welding/processing of aluminum alloys'', Scripta Materialia, Vol. 58, pp. 349-354, 2008. 

21- A.H. Ammouri, G. Kridli, G. Ayoub, R.F. Hamade, ''Relating grain size to the Zener-Hollomon parameter for twin-roll-cast AZ31B alloy refined by friction stir processing'', Journal of Materials Processing Technology, Vol. 222, pp.301-306, 2015.  

22- Q. Zhang, B.L. Xiao, D. Wang, Z.Y. Ma, ''Formation mechanism of in situ Al3Ti in Al matrix during hot pressing and subsequent friction stir processing'', Materials Chemistry and Physics, Vol. 130,   pp. 1109-1117, 2011.  

23- B. Abnar, M. Kazeminezhad, A.H. Kokabi, ''Effects of heat input in friction stir welding on microstructure and mechanical properties of AA3003-H18 plates'', Trans. Nonferrous Met. Soc. China, Vol. 25, pp. 2147-2155, 2015.
 

24- D.J. Lloyd, ''Particle reinforced aluminium and magnesium matrix composites'', Journal of International Materials Reviews, Vol. 39, pp. 1-23, 1991.

25- S.A. Hossieni, K. Ranjbar, R. Dehmolaei, A.R. Amirani, ''Fabrication of Al5083 surface composites reinforced by CNTs and cerium oxide nano particles via friction stir processing'', Journal of Alloys and Compounds, Vol. 622, pp. 725–733, 2015.