Χαρακτηρισμός προηγμένων δομών παραγόμενων με χρήση της κατεργασίας δια τριβής με ανάδευση (FSP)

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας είναι η δημιουργία και ο χαρακτηρισμός επιφανειακά σύνθετου υλικού με διασπορά σωματιδίων αλούμινας (Al2O3), μίκρο και νάνο διαμέτρου, σε μήτρα κράματος αλουμινίου ΑΑ7075-Τ651, με τη χρήση της κατεργασίας δια τριβής μέσω ανάδευσης (Friction Stir Processing, FSP). Η κατεργασία δια τριβής μέσω ανάδευσης είναι μια μέθοδος με πολλές και αλληλοεξαρτώμενες παραμέτρους. Για το λόγο αυτό, αρχικά, μελετήθηκε η εύρεση των βέλτιστων παραμέτρων για το συγκεκριμένο κράμα αλουμινίου και εν συνεχεία η εύρεση των βέλτιστων παραμέτρων για τη δημιουργία σύνθετου επιφανειακού στρώματα με την εισαγωγή σωματιδίων ενίσχυσης. Με την ολοκλήρωση της παραπάνω διερεύνησης πραγματοποιήθηκε μελέτη της επίδρασης του μεγέθους των σωματιδίων ενίσχυσης, διατηρώντας τις υπόλοιπες παραμέτρους σταθερές. Με τη βοήθεια της οπτικής και ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης, προσδιορίστηκε η μικροδομή και το μέγεθος των κόκκων των παραχθέντων επιφανειακά σύνθετων υλικών. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκαν δοκιμές μικροσκληρότητας καθώς και ενδελεχής μελέτη των νανομηχανικών ιδιοτήτων. Τα σύνθετα επιφανειακά στρώματα που παρήχθησαν για μεγέθη σωματιδίων ενίσχυσης 2μm και 20nm βρέθηκαν να παρουσιάζουν ομοιόμορφη διασπορά. Επίσης, παρατηρήθηκε ότι η μείωση του μεγέθους των σωματιδίων ενίσχυσης οδήγησε σε μείωση του μεγέθους των κόκκων και σε μικρή αύξηση της μικροσκληρότητας. Όσον αφορά τις μετρήσεις των νανομηχανικών ιδιοτήτων παρατηρήθηκε αύξηση της νανοσκληρότητας και της αντοχής σε μηχανική καταπόνηση με τη μείωση του μεγέθους των σωματιδίων ενίσχυσης. Ωστόσο, οι τιμές σκληρότητας που λάβαμε, ανεξαρτήτως του μεγέθους των σωματιδίων ενίσχυσης, εμφανίστηκαν μικρότερες σε σχέση με τη σκληρότητα του μετάλλου βάσης ενώ παρόμοια συμπεριφορά παρατηρήθηκε και κατά τη μελέτη των νανομηχανικών ιδιοτήτων. Με βάση, λοιπόν, τα παραπάνω κρίθηκε απαραίτητο να εφαρμοστεί η θερμική κατεργασία Τ6. Επιδίωξή μας με τη θερμική μετα-κατεργασία (Postprocess heat treatment, PPHT) είναι η ισχυροποίηση, που θα επιτευχτεί μέσω κατακρήμνισης να λειτουργήσει συνδυαστικά με τους δύο μηχανισμούς ενίσχυσης που έχουμε επιβάλλει (ισχυροποίηση με μείωση του μεγέθους των κόκκων και με διασπορά σωματιδίων ενίσχυσης) καταλήγοντας σε ένα ισχυροποιημένο επιφανειακό σύνθετο στρώμα. Έπειτα από την εφαρμογή της θερμικής μετα-κατεργασίας το μέγεθος των κόκκων του μητρικού υλικού των σύνθετων ζωνών ανάδευσης παρουσίασε μικρή αύξηση ενώ περαιτέρω αύξηση δεν επήλθε εξαιτίας της ύπαρξης των σωματιδίων ενίσχυσης, τα οποία παρεμποδίζουν την κίνηση των περατωτικών ορίων των κόκκων και κατ’ επέκταση την ανάπτυξη αυτών (pinning effect). Η μικροσκληρότητα της σύνθετης ζώνης ανάδευσης παρουσίασε περαιτέρω μείωση, στην περίπτωση του συνθέτου με ενίσχυση σωματιδίων Al2O3 μεγέθους 2μm. Αντιθέτως, στη περίπτωση του συνθέτου με ενίσχυση σωματιδίων Al2O3 μεγέθους 20nm η μικροσκληρότητα της ζώνης αυτής αυξήθηκε φθάνοντας τις τιμές του μετάλλου βάσης. Από τα αποτελέσματα που ελήφθησαν έπειτα από τη μελέτη των νανομηχανικών ιδιοτήτων παρατηρήθηκε σημαντική βελτίωση αυτών όσον αφορά το βέλτιστο δοκίμιο με μέγεθος σωματιδίων ενίσχυσης 20nm ενώ το δοκίμιο με μέγεθος σωματιδίων ενίσχυσης 2μm παρουσίασε τιμές παρόμοιες ή ελάχιστα αυξημένες σε σχέση με τις τιμές που παρουσίαζε πριν την εφαρμογή της θερμικής μετα-κατεργασίας.

The objective of this work was to synthesize and charactirise a surface composite layer through micro and nano powder (alumina, Al2O3) dispersion in aluminum alloy ΑΑ7075-Τ651, using Friction Stir Processing (FSP) technique. Friction Stir Process is a multi-parameter technique; thus, in this work, optimal conditions were first derived for aluminum alloy ΑΑ7075-Τ651 followed by optimal conditions for synthesis of a surface composite layer through micro and nano powder (alumina, Al2O3) dispersion (so as to enhance the properties). After optimization completion, the grain size of the strengthening particles was investigated, keeping all the other parameters constant. Microstructure and grain size was further investigated through optical and scanning electron microscopy. Microindentation was conducted, along with thorough analysis of nanomechanical properties and plasticity. Composite layers consisting of alumina strengthening particles of 2μm and 20nm of grain size revealed a homogeneous dispersion. Additionally, the decrease of particles size had lead to decrease in grain size and significant increase of microhardness. Concerning nanomechanical properties, nanohardness and resistance to deformation (wear) were increased, attributed to decrease of strengthening particles’ size. However, both micro and nanohardness were lower than this of base metal, independent of strengthening particles’ size. Friction Stir Process was then followed by Postprocess Heat Treatment (PPHT) T6. The main goal of PPHT was to enhance the composite through precipitations formations, decrease of grain size and strengthening particles dispersion. After PPHT, grain size of stir zone alloy was slightly increased; this limited increase was attributed to strengthening particles, which limit the grain boundaries and formation (pinning effect). Stir zone microhardness was decreased for composite with 2 μm Al2O3 particles. On the contrary, microhardness was increased for composite with 20 nm Al2O3 particles (almost reaching base metal values). Comparing both, nanomechanical properties were enhanced for composite with 20 nm Al2O3 particles, while composite with 2 μm Al2O3 particles revealed no significant differences before and after PPHT.