ساخت و مشخصه‌یابی کامپوزیت زمینه آلیاژ هایپویوتکتیک آلومینیوم-سیلیسیوم تقویت‌شده با ذرات آمورف

رضائی, محمدرضا; ناظم نژاد, رضا; خان محمدی, عرفان

doi:10.30501/jamt.2023.401190.1281

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

¹ استادیار، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه دامغان، دامغان، سمنان، ایران

² دانشیار، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه دامغان، دامغان، سمنان، ایران

³ دانشجوی کارشناسی، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه دامغان، دامغان، سمنان، ایران

10.30501/jamt.2023.401190.1281

چکیده

در پژوهش حاضر، کامپوزیت زمینه آلیاژ هایپویوتکتیک آلومینیوم-سیلیسیوم با تقویت‌کننده ذرات آمورف بهروش متالورژی پودر تولید شد. در مرحله اوّل، ذرات پودر زمینه با ترکیب آلیاژ هایپویوتکتیک (11 درصد وزنی) Al-Si، با استفاده از روش آلیاژسازی مکانیکی تولید شد. سپس، پودر زمینه و تقویت‌کننده ذرات آمورف پایه آهن (Fe-based metallic glass (FMG)) با هم مخلوط شدند. درادامه، جهت تولید قطعات حجیم کامپوزیتی از روش تف جوشی به کمک قوس پلاسما (SPS) استفاده شد. برای مقایسه، ذرات پودر آلومینیوم خالص نیز در شرایط مشابه تف جوشی شدند. مشخصه یابی نمونه های آلومینیوم خالص و نمونه کامپوزیتی تولید شده شامل بررسی تغییرات فازی، بررسی های ریزساختاری، مقدار تخلخل ها و خواص مکانیکی انجام شد. بررسی های فازی نشان دهنده تغییر شدت و زاویه پراش قله های کریستالی نمونه کامپوزیتی نسبت به آلومینیوم خالص بود. انجام فرایند تف جوشی تغییری در ساختار ذرات آمورف به وجود نیاورد. همچنین، مکان برآمدگی فاز آمورف در نمونه کامپوزیتی نسبت به مکان برآمدگی ذرات پودر آمورف اولیه تغییر کرد. حلالیت بخش زیادی از سیلیسیوم در ساختار آلومینیوم هم با تحلیل الگوهای فازی به اثبات رسید. بررسی های ریزساختاری به همراه تحلیل کمّی صورتگرفته نشانگر توزیع مناسب ذرات تقویت‌کننده آمورف و ذرات حل‌نشده سیلیسیوم در زمینه آلومینیوم بود. استحکام تسلیم و استحکام فشاری نمونه کامپوزیتی به‌ترتیب 165 و 289 مگاپاسکال تعیین شد که افزایش قابل‌توجهی را نسبت به آلومینیوم خالص نشان داد. درپایان، ساز و کارهای استحکام بخشی مؤثر در افزایش استحکام، موردبحث قرار گرفتند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

متالورژی پودر

عنوان مقاله [English]

Production and Characterization of Hypoeutectic Al-si Matrix Composite Reinforced with Metallic Glass Particles

نویسندگان [English]

Mohammad Reza Rezaei ¹
Reza Nazemnezhad ²
Erfan Khanmohammadi ³

¹ Assistant Professor, School of Engineering, Damghan University, Damghan, Semnan, Iran

² Associated Professor, School of Engineering, Damghan University, Damghan, Semnan, Iran

³ Bachelor of Science, School of Engineering, Damghan University, Damghan, Semnan, Iran

چکیده [English]

In the present study, an aluminum-silicon hypoeutectic alloy matrix composite reinforced with metallic glass particles was produced through Powder Metallurgy (PM) method. In the first step, the synthesized matrix powder particles with Al-11wt%Si composition were mixed with Fe-based Metallic Glass (FMG) particles as the reinforcements. In the next step, Spark Plasma Sintering (SPS) method was employed to produce composite bulk parts. For comparison, pure aluminum powder particles were sintered under the same conditions. The phase studies confirmed some alterations in the intensity and diffraction angle of crystalline peaks for the composite compared to pure aluminum. Moreover, they remarked a change in the location of the amorphous hump in the XRD pattern of composite, compared to its former location in the amorphous powder particles. Further analysis of the XRD patterns proved the solubility of a large portion of silicon in the aluminum. Microstructural studies, along with quantitative analysis, indicated the homogenous distribution of the FMG particles and undissolved silicon particles in the aluminum matrix. The yield and compressive strength values of the composite sample were obtained as 165 and 289 MPa, respectively, showing a significant increase compared to the pure aluminum sample. Finally, the contributions of different strengthening mechanisms to the enhancement of the composite strength was elaborated.

کلیدواژه‌ها [English]

hypoeutectic Al-Si Matrix Composite
FMG Particles
SPS
Microstructure
Mechanical Properties

مراجع

Alizadeh, M., Soltani, M., Kazemzadeh, A., & Ebadzadeh, T. (2020). Investigation of Addition of CNT and Sintering Process on Microstructure and Mechanical Properties of Al-Si3N4-CNT Nano Composite. Journal of Advanced Materials and Technologies, 9(1), 39-48. https://doi.org/10.30501/jamt.2019.99427

Amirkhanlou, S., Ketabchi, M., Parvin, N., Orozco-Caballero, A., & Carreño, F. (2015). Homogeneous and ultrafine-grained metal matrix nanocomposite achieved by accumulative press bonding as a novel severe plastic deformation process. Scripta Materialia, 100, 40-43. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2014.12.007

Bao, W., Yang, X., Chen, J., Xiang, T., Zhou, T., & Xie, G. (2023). Strengthening and toughening of Cu matrix composites reinforced by metallic glass particles with variable size. International Journal of Plasticity, 103530. https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103530

Bardel, D., Perez, M., Nelias, D., Deschamps, A., Hutchinson, C. R., Maisonnette, D., . . . Bourlier, F. (2014). Coupled precipitation and yield strength modelling for non-isothermal treatments of a 6061 aluminium alloy. Acta Materialia, 62, 129-140. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2013.09.041

Dwivedi, S. P., Saxena, A., Sharma, S., Singh, G., Singh, J., Mia, M., . . . Wojciechowski, S. (2021). Effect of ball-milling process parameters on mechanical properties of Al/Al2O3/collagen powder composite using statistical approach. Journal of Materials Research and Technology, 15, 2918-2932. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.09.082

Fathy, A., Omyma, E.-K., & Mohammed, M. M. (2015). Effect of iron addition on microstructure, mechanical and magnetic properties of Al-matrix composite produced by powder metallurgy route. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 25(1), 46-53. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(15)63577-4

Ghasali, E., Yazdanirad, R., Asadian, K., & Ebadzadeh, T. (2013). The effect of TiC additive on microstructure and final properties of microwave and conventional sintered Al-SiC composite. Journal of Advanced Materials and Technologies, 2(3), 42-49. https://doi.org/10.30501/jamt.2011.70223

Guan, H., Li, C., Gao, P., Yi, J., Bao, R., Tao, J., . . . Feng, Z. (2020). Fe-based metallic glass particles reinforced Al-7075 matrix composites prepared by spark plasma sintering. Advanced Powder Technology, 31(8), 3500-3506. https://doi.org/10.1016/j.apt.2020.06.038

Guo, X., Louzguine, D. V., Yamaura, S., Ma, L., Sun, W., Hasegawa, M., & Inoue, A. (2002). Hydrogen absorption in Ti–Zr–Ni–Cu amorphous alloy. Materials Science and Engineering: A, 338(1-2), 97-100. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(02)00091-6

Jayalakshmi, S., & Gupta, M. (2015). Metallic amorphous alloy reinforcements in light metal matrices. Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-319-15016-1

Li, X., Wang, Y., Wang, L., Xu, M., & Yi, J. (2023). High thermal stability of residual amorphous regions in metallic glasses. Materials letters, 340, 134210. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.matlet.2023.134210

Lin, F., Ren, M., Jia, F., Huo, M., Yang, M., Chen, Z., & Jiang, Z. (2023). Achieving balanced strength-ductility of heterostructured TiC/graphene nanoplatelets (GNPs) reinforced Al matrix composites by tuning TiC-to-GNPs ratio. Composites Communications, 38, 101529. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.coco.2023.101529

Milligan, J., Vintila, R., & Brochu, M. (2009). Nanocrystalline eutectic Al–Si alloy produced by cryomilling. Materials Science and Engineering: A, 508(1-2), 43-49. https://doi.org/10.1016/j.msea.2008.12.017

Myhr, O. R., Grong, Ø., & Andersen, S. J. (2001). Modelling of the age hardening behaviour of Al–Mg–Si alloys. Acta Materialia, 49(1), 65-75. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/S1359-6454(00)00301-3

Neamţu, B., Chicinaş, H., Marinca, T., Isnard, O., Chicinaş, I., & Popa, F. (2016). Synthesis of amorphous Fe75Si20− xMxB5 (M= Ti, Ta, Zr) via wet mechanical alloying and its structural, thermal and magnetic characterisation. Advanced Powder Technology, 27(2), 461-470. https://doi.org/10.1016/j.apt.2016.01.027

Nieh, T., Wadsworth, J., Liu, C., Ohkubo, T., & Hirotsu, Y. (2001). Plasticity and structural instability in a bulk metallic glass deformed in the supercooled liquid region. Acta Materialia, 49(15), 2887-2896. https://doi.org/10.1016/S1359-6454(01)00218-X

Rezaei, M., Albooyeh, A., Chachei, R., & Malahi, P. (2022). Effect of the spark plasma sintering temperature on the microstructure and mechanical properties of a ceramic/metallic glass reinforced hybrid composite. Journal of Composite Materials, 56(17), 2779-2788. https://doi.org/10.1177/00219983221078188

Rezaei, M., Albooyeh, A., Shayestefar, M., & Shiraghaei, H. (2020). Microstructural and mechanical properties of a novel Al-based hybrid composite reinforced with metallic glass and ceramic particles. Materials Science and Engineering: A, 786, 139440. https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139440

Rezaei, M., Shabestari, S., & Razavi, S. (2019). Investigation on equal-channel angular pressing-induced grain refinement in an aluminum matrix composite reinforced with Al-Cu-Ti metallic glass particles. Journal of Materials Engineering and Performance, 28, 3031-3040. https://doi.org/10.1007/s11665-019-04059-2

Rezaei, M. R., Razavi, S. H., & Shabestari, S. (2017). Study of strengthening mechanisms in an Al-Cu-Ti metallic glass reinforced Al matrix composite consolidated by ECAP process. Journal of Science and Technology of Composites, 4(2), 171-178.

Tang, Y., Liu, C., Liu, J., Zhang, C., Chen, H., Shi, Q., . . . Chen, Z. (2023). Improving the ductility of Al matrix composites through bimodal structures: Precise manipulation and mechanical responses to coarse grain fraction. Materials Science and Engineering: A, 145139. https://doi.org/10.1016/j.msea.2023.145139

Wang, W. H., Wang, R. J., Yang, W., Wei, B., Wen, P., Zhao, D., & Pan, M. (2002). Stability of ZrTiCuNiBe bulk metallic glass upon isothermal annealing near the glass transition temperature. Journal of Materials Research, 17(6), 1385-1389. https://doi.org/10.1557/JMR.2002.0206

Wang, Z., Tan, J., Scudino, S., Sun, B., Qu, R., He, J., . . . Eckert, J. (2014). Mechanical behavior of Al-based matrix composites reinforced with Mg58Cu28. 5Gd11Ag2. 5 metallic glasses. Advanced Powder Technology, 25(2), 635-639. https://doi.org/10.1016/j.apt.2013.10.005

Xi, H. H., Ming, W. Q., He, Y., Xie, P., Xu, X. D., Zhang, Z., & Chen, J. H. (2022). Unveiling the fine microstructure of nanoscale composite particles embedded in brittle Si phase in an Al-Si-Cu-Mg alloy. Journal of Alloys and Compounds, 906, 164238. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.164238

Xie, K.-w., Nie, J.-f., Hu, K.-q., Ma, X., & Liu, X.-f. (2022). Improvement of high-temperature strength of 6061 Al matrix composite reinforced by dual-phased nano-AlN and submicron-Al2O3 particles. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 32(10), 3197-3211. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/S1003-6326(22)66013-8

Xie, M. S., Suryanarayana, C., Zhao, Y. L., Zhang, W. W., Yang, C., Zhang, G. Q., . . . Wang, Z. (2020). Abnormal hot deformation behavior in a metallic-glass-reinforced Al-7075 composite. Materials Science and Engineering: A, 785, 139212. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139212

Xie, X., Yin, S., Raoelison, R.-n., Chen, C., Verdy, C., Li, W., . . . Liao, H. (2021). Al matrix composites fabricated by solid-state cold spray deposition: A critical review. Journal of Materials Science & Technology, 86, 20-55. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.01.026

Xu, T., Mei, Q. S., Liao, L. Y., Ma, Y., Chen, Z. H., Wang, Y. C., & Li, J. Y. (2023). A comparative study on the microstructure and strengthening behaviors of Al matrix composites containing micro- and nano-sized B4C particles. Materials Science and Engineering: A, 874, 145066. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.msea.2023.145066

Yadav, M., Kumaraswamidhas, L. A., & Singh, S. K. (2022). Investigation of solid particle erosion behavior of Al-Al2O3 and Al-ZrO2 metal matrix composites fabricated through powder metallurgy technique. Tribology International, 172, 107636. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.triboint.2022.107636

Yang, C. M. Y., Li, X., Li, C. J., Peng, Y. Z., Xing, Y., Feng, Z. X., . . . Yi, J. H. (2023). Interface and strengthening mechanisms of Al matrix composites reinforced with in-situ CNTs grown on Ti particles. Materials & Design, 229, 111923. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.111923

Zhai, J. T., Gao, W. J., Dong, H. K., Hu, Y.-C., Zhang, T., Zhu, X. G., . . . Liu, L. H. (2022). Novel metal matrix composites reinforced with Zr-based metallic glass lattices. Applied Materials Today, 29, 101649. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.apmt.2022.101649

Zou, Q., Xu, C., Dong, Z., Wu, D., An, X., & Jie, J. (2023). Deformation behavior and mechanical properties of rolled carbon fiber reinforced Al-matrix composites via protection with Sn layer. Journal of Materials Processing Technology, 315, 117902. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2023.117902

مواد و فناوری‌های پیشرفته

ساخت و مشخصه‌یابی کامپوزیت زمینه آلیاژ هایپویوتکتیک آلومینیوم-سیلیسیوم تقویت‌شده با ذرات آمورف

مراجع

مراجع

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از تاریخ 16 آبان 1402

ساخت و مشخصه‌یابی کامپوزیت زمینه آلیاژ هایپویوتکتیک آلومینیوم-سیلیسیوم تقویت‌شده با ذرات آمورف

مراجع

مراجع

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده انتشار آنلاین از تاریخ 16 آبان 1402

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از تاریخ 16 آبان 1402