تف‌جوشی پلاسمای جرقه‌ای (SPS) پودر آلیاژ آلومینیوم 3000 و 5000 تهیه شده از بازیافت قوطی‌های مستعمل نوشیدنی

الموضوعات : فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

هادی رضازاده ¹ , مازیار آزادبه ²

1 - دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی سهند تبریز، تبریز، ایران
2 - استاد، دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی سهند تبریز، تبریز، ایران

تاريخ الإرسال : 26 الخميس , شعبان, 1445 تاريخ التأكيد : 18 الأحد , ذو القعدة, 1445 تاريخ الإصدار : 09 الأحد , رجب, 1445

الکلمات المفتاحية: خواص مکانیکی, پودر آلومینیوم, قطعات بالک نانوساختار, تف‌جوشی پلاسمای جرقه‌ای,

ملخص المقالة :

چکیده
مقدمه: در تحقیق حاضر، قطعات بالک آلومینیم با روش تف­ جوشی پلاسمای جرقه ­ای پودر آلیاژهای آلومینیوم 3004 و 5182 که یکی از روش­ های نوین متالورژی پودر برای تولید قطعات فلزی است، تولید شدند. پودر آلیاژ آلومینیوم از طریق بازیافت قوطی­ های آلومینیومی مستعمل نوشیدنی که متشکل از آلیاژ 5182 برای قسمت سر و 3004 برای قسمت بدنه قوطی هستند؛ با استفاده از دستگاه آسیای گلوله ­ای سیاره ­ای حاصل شده ­بود.
روش­: پودرهای آلیاژ 5182 و آلیاژ 3004 تحت شرایط؛ به ­ترتیب در دمای 530  و 570 درجه سانتی­گراد، با نرخ گرمایش  20 درجه سانتی گراد بر دقیقه، تحت خلأ به مدت‌زمان 30 دقیقه و فشار اعمالی تک‌محوره تا حداکثر 35 مگا پاسکال در قالب گرافیتی با قطر 25 میلی­ متر، هر کدام بطور جداگانه به روش پلاسمای جرقه­ ای تف­ جوشی شدند. محصول تف ­جوشی، قطعات قرصی شکل با قطر 25 میلی ­متر و ضخامت 17 میلی­ متر بودند. ابتدا چگالی هر قرص به روش ارشمیدس تعیین شد. سپس برای بررسی استحکام کششی از هر کدام از آلیاژهای ساخته شده، بترتیب ازنواحی بالا، وسط و پائین سطح مقطع هر قرص سه نمونه استخراج شد. ریزساختار بررسی و خواص مکانیکی نظیر استحکام کششی و سختی تعیین گردید.
یافته­ ها: چگالی نمونه 5182  و 3004 به ترتیب  61/2 و  g/cm³ 71/2 به دست آمده، همچنین میانگین سختی برای نمونه 5182 و نمونه 3004 به­ترتیب، 11±109 و  HV8±231 و میانگین استحکام کششی برای این دو آلیاژ بترتیب 7±194 و  MPa17±243 اندازه­گ یری شده است.  تف­ جوشی هر دو آلیاژ با مکانیزم تف­ جوشی فاز مایع فراجامد تحت فشار انجام شده است. مطالعات ریزساختاری و شکست نگاری حاکی از پیدایش ساختار گرادیانی است، بطوریکه در ناحیه پائینی هر دو نمونه ساختار متراکم­ تری بدلیل تجمع فاز مایع بوجود آمده است. ضمنا فازهای ناپایدار در ریزساختار آلیاژ تف­ جوشی شده­ ی 3004 ریزتر از آلیاژ 5182 است که بدلیل متراکم بودن بیشتر آن آلیاژ است.

نتیجه­ گیری: با توجه به ریزساختار و موفولوژی شکست می ­توان نتیجه گرفت که قابلیت تف­جوشی آلیاژ 3004 بهتر از آلیاژ 5182 است و هم چنین خواص فیزیکی و مکانیکی بهتری دارد. ضمنا گرادیان بوجود آمده در فرآیند تف­جوشی قوس پلاسما از اهمیت به­ سزایی برخوردار است، که این رخداد به ­ویژه در آلیاژ 5182 بوضوح قابل ردیابی و تعقیب است.

المصادر:

[1] K.A. AlSaffar, and L.M. Bdeir, “Recycling of aluminum beverage cans.” Journal of Engineering and Sustainable Development, vol. 12(3), pp. 157-163, 2008. ISSN 1813-7822

[2] M.E. Schlesinger, “Aluminum recycling.” CRC press; 2006. https://doi.org/10.1201/9781420006247

[3] K. Liu, and X.G. Chen, “Development of Al–Mn–Mg 3004 alloy for applications at elevated temperature via dispersoid strengthening.” Materials & Design, vol. 84, pp. 340-350, 2015. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2015.06.140

[4] N. Jamaly, N. Haghdadi, and A.B. Phillion, “Microstructure, macrosegregation, and thermal analysis of direct chill cast AA5182 aluminum alloy.” Journal of Materials Engineering and Performance, vol. 24, pp. 2067-2073, 2015. https://doi.org/10.1007/s11665-015-1480-7

[5] A. von Hehl, P. Krug, “Aluminum and aluminum alloys.” Structural materials and processes in transportation, pp. 49-112, 2013. DOI:10.1002/9783527649846

[6] J.R. Groza, “Nanocrystalline powder consolidation methods.” InNanostructured Materials, William Andrew Publishing, pp. 173-233, 2007. https://doi.org/10.1016/B978-081551534-0.50007-5

[7] H. He, C. Ma, B. Song, R. Zhao, P. Zhao, H. Wang, D. Han, H. Lu, H. Xu, R. Zhang, and L. An, “A novel sintering method of Al2O3/SiCw ceramic composites with improved wear resistance: Oscillatory pressure‐assisted sinter forging.” Ceramics International, vol. 49(21), pp. 34223-34231, 2023. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.08.136

[8] C. Muñoz-Rodríguez, L. Feng, E.M. Palmero, T. Mix, J. Rial, F. Olsson, B. Skårman, H. Vidarsson, P.O. Larsson, T.G. Woodcock, and A. Bollero, “Fabrication of bulk τ MnAl–C magnets by hot-pressing from ε-phase gas-atomized and milled powder.” Journal of Alloys and Compounds, vol. 847, pp. 156361, 2020. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.156361

[9] D. You, Y. Wang, C. Yang, and F. Li, “Comparative analysis of the hot-isostatic-pressing densification behavior of atomized and milled Ti6Al4V powders.” Journal of Materials Research and Technology, vol. 9(3), pp. 3091-3108, 2020. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.01.055

[10] S.B. Alemán-Córdova, L. Ceja-Cárdenas, J.C. Méndez-García, and S. Diaz-de La Torre, “Densification of silicon nitride powder by spark plasma extrusion.” Ceramics International, vol. 47(6), pp. 7966-7973, 2021. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.11.147

[11] B. Matović, J. Maletaškić, T. Prikhna, V. Urbanovich, V. Girman, M. Lisnichuk, B. Todorović, K. Yoshida, and I. Cvijović-Alagić, “Characterization of B4C-SiC ceramic composites prepared by ultra-high pressure sintering.” Journal of the European Ceramic Society, vol. 41(9), pp. 4755-4760, 2021. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.03.047

[12] J. Noh, Q. Bai, R. Shen, and D. Kim, “Laser-induced shock wave sintering of silver nanoparticles on flexible substrates.” Applied Surface Science, vol. 546, pp. 149097, 2021. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.149097

[13] W. Huang, H. Qiu, Y. Zhang, F. Zhang, L. Gao, M. Omran, and G. Chen, “Microstructure and phase transformation behavior of Al2O3–ZrO2 under microwave sintering.” Ceramics International, vol. 49(3), pp. 4855-4862, 2023. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.09.376

[14] A. Montón, F. Maury, G. Chevallier, C. Estournès, M. Ferrato, and D. Grossin, “Densification of surface-modified silicon carbide powder by spark-plasma-sintering.” Journal of the European Ceramic Society, vol. 41(15), pp. 7543-7551, 2021. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.07.036

[15] M. Tokita, “Progress of spark plasma sintering (SPS) method, systems, ceramics applications and industrialization.” Ceramics, vol. 4(2), pp. 160-198, 2021. https://doi.org/10.3390/ceramics4020014

[16] B. Singarapu, D. Galusek, A. Durán, and M.J. Pascual, “Glass-ceramics processed by spark plasma sintering (SPS) for optical applications.” Applied Sciences, vol. 10(8), pp. 2791, 2020. https://doi.org/10.3390/app10082791

[17] P. Cavaliere, B. Sadeghi, and A. Shabani, “Spark plasma sintering: process fundamentals.” Spark plasma sintering of materials: advances in processing and applications, pp. 3-20, 2019. https://doi.org/10.1007/978-3-030-05327-7_1

[18] M. Asadikiya, C. Zhang, C. Rudolf, B. Boesl, A. Agarwal, and Y. Zhong, “The effect of sintering parameters on spark plasma sintering of B4C.” Ceramics International, vol. 43(14), pp. 11182-11188, 2017. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.05.167

[19] P. Barick, D. Chakravarty, B.P. Saha, R. Mitra, and S.V. Joshi, “Effect of pressure and temperature on densification, microstructure and mechanical properties of spark plasma sintered silicon carbide processed with β-silicon carbide nanopowder and sintering additives.” Ceramics International, vol. 42(3), pp. 3836-3848, 2016. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2015.11.048

[20] D.M. Hulbert, A. Anders, D.V. Dudina, J. Andersson, D. Jiang, C. Unuvar, U. Anselmi-Tamburini, E.J. Lavernia, and A.K. Mukherjee, “The absence of plasma in “spark plasma sintering.” Journal of Applied Physics, vol. 104(3), 2008. https://doi.org/10.1063/1.2963701

[21] J.P. Kelly, and O.A. Graeve, “Spark plasma sintering as an approach to manufacture bulk materials: feasibility and cost savings.” Jom, vol. 67, pp. 29-33, 2015. https://doi.org/10.1007/s11837-014-1202-x

[22] C.E. Wen, M. Mabuchi, Y. Yamada, K. Shimojima, Y. Chino, H. Hosokawa, and T. Asahina, “Processing of fine-grained aluminum foam by spark plasma sintering.” Journal of materials science letters, vol. 22, pp. 1407-1409, 2003. DOI:10.1023/A:1025751128104

[23] J.S. Kim, H.S. Choi, D.V. Dudina, J.K. Lee, and Y.S. Kwon, “Spark plasma sintering of nanoscale (Ni+ Al) powder mixture.” Solid State Phenomena, vol. 119, pp. 35-38, 2007. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.119.35

[24] Z.F. Liu, Z.H. Zhang, J.F. Lu, A.V. Korznikov, E. Korznikova, and F.C. Wang, “Effect of sintering temperature on microstructures and mechanical properties of spark plasma sintered nanocrystalline aluminum.” Materials & Design, vol. 64, pp. 625-630, 2014. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2014.08.030

[25] L. Cao, W. Zeng, Y. Xie, J. Liang, and D. Zhang, “Effect of powder oxidation on interparticle boundaries and mechanical properties of bulk Al prepared by spark plasma sintering of Al powder.” Materials Science and Engineering: A, vol. 742, pp. 305-308, 2019. https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.11.024

[26] ه. رضازاده, م. آزادبه, "تولید پودر نانوکریستالی آلومینیوم از ضایعات آلیاژ آلومینیوم به روش بازیافت حالت جامد" فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین، دوره 14، شماره 51، اردیبهشت 1402، صفحه 1-16 Doi 10.30495/jnm.2023.32501.2015

[27] C. Carrasco, G. Inzunza, C. Camurri, C. Rodríguez, L. Radovic, F. Soldera, and S. Suarez, “Optimization of mechanical properties of Al-metal matrix composite produced by direct fusion of beverage cans.” Materials Science and Engineering: A, vol. 617, pp. 146-155, 2014. https://doi.org/10.1016/j.msea.2014.08.057

[28] N. Malekpoor, and M. Azadbeh, “Mechanical Milling of Aluminum Chips, 3000 and 5000 series.” Metallurgical Engineering, vol. 20(4), pp. 270-282, 2017. DOI: 10.22076/ME.2018.49941.1099

[29] م. آزادبه, ع. صباحی نمین, ا. محمدزاده, ح. شفیعی, "بررسی تاثیر تف‌جوشی در فاز مایع بر چگالش و ریزساختار آلیاژ Cu-xZn " فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین, دوره 4، شماره 12، مرداد 1392، صفحه 37-50.

[30] M. Mousapour, M. Azadbeh, and H. Danninger, “Effect of compacting pressure on shape retention during supersolidus liquid phase sintering of Cu base alloys.” Powder Metallurgy, vol. 60(5), pp. 393-403, 2017.  https://doi.org/10.1080/00325899.2017.1357781

[31] D.R. Gaskell, “Introduction to the Thermodynamics of Materials.” MRS BULLETIN, pp. 975, 2004. https://doi.org/10.1557/mrs2004.272

[32]https://www.google.com/search client=firefoxbd&sca_esv=3cf5305f7235dc23&sxsrf=ADLYWIIAtPRqshE6MdjbyJw4Vgy-6IWlmA:1715971521915&q=hardness+of+(Fe+Mn)Al+6&spell=1&sa=X&ved=2ahUKEwiwkYiIrJWGAxWngf0HHT6cDywQBSgAegQIChAB&biw=1366&bih=607&dpr=1