Βελτιστοποίηση και παραγωγή σύνθετων υλικών αλουμίνας/μήτρας κράματος αλουμινίου 5083, με χρήση της διαδικασίας δια τριβής με ανάδευση (FSP)

Abstract

Στην παρούσα μεταπτυχιακή εργασία μελετήθηκε η παραγωγή επιφανειακού σύνθετου υλικού με διασπορά σωματιδίων αλούμινας (Al2O3) νανοδιαμέτρου σε μήτρα κράματος αλουμινίου ΑΑ5083, με τη χρήση της κατεργασίας δια τριβής μέσω ανάδευσης (Friction Stir Processing, FSP). Η εισαγωγή των σωματιδίων αλουμίνας στο δοκίμιο έγινε με την κατασκευή αυλακίων κατά μήκος του δοκιμίου παράλληλα στη φορά της έλασης. Στην πειραματική διαδικασία μελετήθηκαν αρχικά δοκίμια χωρίς την προσθήκη σωματιδίων ενίσχυσης για την εύρεση των κατάλληλων παραμέτρων, για τις οποίες τα δοκίμια αλουμινίου AA5083 παρουσιάζουν καλύτερη μικροδομή στη ζώνη ανάδευσης χωρίς να εμφανίζουν ατέλειες. Στη συνέχεια οι παράμετροι της κατεργασίας που προέκυψαν από τα αρχικά πειράματα εφαρμόστηκαν σε δοκιμές με την προσθήκη σωματιδίων ενίσχυσης (πειράματα FSP) σε διάφορα “σετ” αυλακίων διαφορετικής γεωμετρίας. Στο σύνολο των πειραμάτων FSP παρατηρήθηκε η ύπαρξη μεγάλου “flow arm” στη ζώνη ανάδευσης. Το “flow arm”, όπως αναφέρεται σε ξένες μελέτες, πρόκειται για θερμομομηχανικά επηρεασμένο μητρικό υλικό, το οποίο εισάγεται από την υποχωρούσα πλευρά στη ζώνη ανάδευσης και μεταφέρεται προς την προωθούμενη. Έτσι αφού καταλήξαμε σε δύο βέλτιστες γεωμετρίες αυλακιών ξεκινήσαμε σειρά πειραμάτων για την εύρεση των παραμέτρων που επηρεάζουν το “flow arm” με σκοπό τη μείωσή του. Μελετήσαμε επίδραση της αλλαγής της απόστασης μεταξύ των αυλακίων, την επίδραση εργαλείου FSP με διαφορετικής γεωμετρίας πείρο και την επίδραση των παραμέτρων που επηρεάζουν περισσότερο την παροχή θερμότητας (ταχύτητα πρόωσης και ταχύτητα περιστροφής εργαλείου FSP). Τα βέλτιστα αποτελέσματα προέκυψαν με την αύξηση της παροχής θερμότητας, κυρίως μειώνοντας την ταχύτητα πρόωσης, η οποία είχε ως αποτέλεσμα την πολύ μεγάλη μείωση του “flow arm” καθώς και την εξαφάνιση των συσσωματωμένων σωματιδίων και τη βέλτιστη διασπορά των σωματιδίων ενίσχυσης, στη σύνθετη ζώνη ανάδευσης. Στο βέλτιστο δοκίμιο που προέκυψε πραγματοποιήθηκαν μικροσκληρομετρήσεις, τόσο κάθετα, όσο και κατά μήκος του κατεργασμένου δοκιμίου για την εξακρίβωση της μεταβολής της σκληρότητας και έγιναν μετρήσεις του μεγέθους των κόκκων εντός της ζώνης ανάδευσης. Ταυτόχρονα κατασκευάστηκε δοκίμιο bead-on-plate (δοκίμιο χωρίς αυλάκια και χωρίς προσθήκη νανοσκόνης αλουμίνας), με ακριβώς τις ίδιες συνθήκες, έτσι ώστε να μπορούμε να υπολογίσουμε την πραγματική επίδραση των σωματιδίων ενίσχυσης στη μεταβολή του μεγέθους των κόκκων, καθώς και στις τιμές της μικροσκληρότητας. Η προσθήκη των σωματιδίων ενίσχυσης στη ζώνη ανάδευσης επέφερε σημαντική εκλέπτυνση του μεγέθους των κόκκων αυτής, καθώς και αύξηση στις τιμές μικροσκληρότητάς της. Τέλος, πραγματοποιήσαμε πείραμα FSP (με τις ίδιες συνθήκες με αυτές που είχαμε στο βέλτιστο) με τέσσερα περάσματα, με σκοπό να μελετήσουμε τη μεταβολή της μικροσκληρότητας και της κοκκομετρίας στην ζώνη ανάδευσης συναρτήσει του αριθμού περασμάτων. Παράλληλα πραγματοποιήσαμε αντίστοιχο πείραμα bead on plate. Οι τιμές μικροσκληρότητας στη ζώνη ανάδευσης στο δοκίμιο με τα τέσσερα περάσματα παρουσίασαν μια πολύ μικρή αύξηση, ενώ αντίστοιχα οι τιμές της κοκκομετρίας παρουσίασαν μικρή μείωση σε σχέση με το δοκίμιο με τα δύο περάσματα κάτι το οποίο οφείλεται σε μία ενδιαφέρουσα παρατήρηση που έγινε στη μεταβολή της μορφής στη ζώνη ανάδευσης. Παρατηρήθηκε πως λόγω της δημιουργίας του “flow arm” δημιουργείται ένα διακριτό κομμάτι ζώνης ανάδευσης, κυρίως στην υποχωρούσα πλευρά, το οποίο αυξάνεται σε κάθε πέρασμα, με αποτέλεσμα την αύξηση της συνολικής επιφάνειας του συνθέτου, ενώ ταυτόχρονα μειώνεται το ποσοστό της φάσης ενίσχυσης εντός της ζώνης ανάδευσης.

In the current thesis we studied the production of composite surface layer by dispersing nanosized particulates Al2O3 on bulk aluminum alloy AA5083-H111 with the use of Friction Stir Processing technique. The importation of the Al2O3 particulates was achieved with the construction of grooves along the plate parallel to the rolling direction. Initially, in the experimental procedure we carried out FSP experiments without addition of nanoparticles in order to find the parameters for which the FSP processed plates of aluminum AA5083 present better microstructure on the stir zone without defects. Then the processing parameters, resulting from the initial experiments, were applied to tests with the addition of nanosized particulates Al2O3 to various sets of grooves with different geometry. In all FSP experiments, the creation of a large "flow arm" upward of the stir zone was observed. The "flow arm", as referred to in foreign studies, is a thermomechanically affected material which is imported, from the retreating side of the stir zone and is transferred to the advancing side. Thus, having found two optimal groove geometries we initiated a series of FSP experiments to find the parameters that affect the “flow arm” in order to reduce it. The effect of varying the distance between the grooves, the influence of FSP tool with different pin geometry and the effect of changing the parameters of the heat input by changing the travel speed and the FSP tool rotation speed was studied. The best results were obtained by increasing the heat input mainly by reducing the travel speed which resulted in a very large reduction of the "flow arm", as well as the extinction of the aggregated particles and the optimum dispersion of the particles in the composite stir zone. At the optimum composite that was created microhardness measurements were performed, both vertically and along the processed surface of the composite in order to observe the change in hardness. The grain size in the stir zone was also observed. At the same time we performed an FSP process without grooves and without adding nanoparticles with exactly the same conditions so that we can calculate the Al2O3 particle effect on the composite grain size and the values of microhardness. The addition of Al2O3 particles in the stir zone led to a significant refinement of the grain size as well as an increase of the values of microhardness. Finally, we conducted FSP experiments (with the optimal processing parameters that we achieved) with four FSP passes in order to study the change of the microhardness and the grain size in reference to the number of passes. Alongside we carried out an bead on plate experiment with the same parameters and without addition of nanoparticles. In the four passes FSP experiment we had a very small refinement of grain size and also a very small increase of microhardness compared to the two passes FSP experiment, due to an interesting change of the stir zone form caused by the four FSP passes. Namely we observed that due to the existence of "flow arm" a discrete piece of the stir zone is created on the retreating side, which increases in each FSP pass resulting in the expansion of the overall surface of the composite while the powder phase on the stir zone is decreased.