Επίδραση της προσθήκης ιπτάμενης τέφρας λιγνίτη και λιθάνθρακα στις ιδιότητες συνθέτων υλικών μεταλλικής μήτρας κραμάτων αλουμινίου

Abstract

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την παρασκευή συνθέτων υλικών με μητρική φάση Al και κράματά του, και ενισχυτική φάση ιπτάμενες τέφρες από τους λιγνιτικούς ατμοηλεκτρικούς σταθμούς (ΑΗΣ) της Καρδιάς και της Μεγαλόπολης. Η παρούσα έρευνα αποτελεί την πρώτη προσπάθεια παγκοσμίως να χρησιμοποιηθούν τόσο έντονα ασβεστούχες τέφρες (CaO>40% κ.β.) ως υλικά ενίσχυσης συνθέτων μήτρας Al, ενώ επίσης για πρώτη φορά διερευνάται η επίδραση της χρήσης αλεσμένων τεφρών στις ιδιότητες των υλικών. Ακόμα, διερευνάται η επίδραση της χρήσης των διαφόρων σωματιδιακών κλασμάτων των τεφρών στις ιδιότητες των συνθέτων, μια επιπρόσθετη καινοτομία της συγκεκριμένης μελέτης. Για την παρασκευή των συνθέτων υλικών εφαρμόζεται η τεχνική της κονιομεταλλουργίας (powder metallurgy), καθώς επίσης και τεχνικές με τη μητρική (μεταλλική) φάση υπό μορφή τήγματος: η έγχυση-υπό-πίεση (pressure infiltration) και η χύτευση-υπό-ανάδευση (stir casting). Στην περίπτωση της κονιομεταλλουργίας, το κ.β. ποσοστό αντικατάστασης της μητρικής από την ενισχυτική φάση φθάνει στο 20%, στη χύτευση-υπό-ανάδευση το 10%, ενώ στην έγχυση-υπό-πίεση το 50%, όπου πρακτικά δεν αναφερόμαστε πλέον σε καθεστώς μητρικής-ενισχυτικής φάσης, αλλά σε ισόποση συμμετοχή δυο διαφορετικών υλικών εντός του συνθέτου. Στην περίπτωση της κονιομεταλλουργίας, οι τέφρες χρησιμοποιήθηκαν σε δύο διαφορετικές μορφές: α) ως παρελήφθησαν από τα Ηλεκτροστατικά Φίλτρα (Η/Φ) των αντιστοίχων ΑΗΣ και β) κατόπιν λειοτρίβισής τους έως κοκκομετρίας < 56 μm. Έπειτα από τον έλεγχο της θερμικής συμπεριφοράς των συμπιεσμένων δοκιμίων με διαφορική θερμική ανάλυση (Differential Thermal Analysis, DTA) ακολουθεί η διαδικασία της πυροσυσσωμάτωσης. Τα σύνθετα υλικά που προκύπτουν, υποβάλλονται σε: α) μικροσκοπικό έλεγχο, αρχικά με τη χρήση οπτικού μικροσκοπίου και στη συνέχεια με τη χρήση Ηλεκτρονικού Μικροσκοπίου Σάρωσης (Scanning Electron Microscopy, SEM), β) έλεγχο της χημικής και ορυκτολογικής τους σύστασης με τη χρήση Φασματοσκοπίας Φθορισμού Ακτινών-Χ και Περίθλασης Ακτινών-Χ (X-Ray Fluorescence (XRF) & Diffraction (XRD) Spectroscopy), αντίστοιχα, γ) έλεγχο των τριβολογικών τους επιδόσεων με τη χρήση τριβομέτρου ακίδας - δίσκου και εφαρμογή του πρωτοκόλλου ASTM G99-90, δ) έλεγχο της επιφανειακής σκληρότητάς τους με τη χρήση σκληρομέτρου και εφαρμογή του πρωτοκόλλου ASTM B648-10 και ε) έλεγχο της ανθεκτικότητάς τους στη διάβρωση με τη χρήση μις σειράς από αναλυτικές τεχνικές. Στην περίπτωση της παρασκευής των συνθέτων με τη χρήση τεχνικών τηγμένου μετάλλου, οι τέφρες διαχωρίζονται στα σωματιδιακά κλάσματά τους με τη χρήση των αντιστοίχων κοσκίνων. Επιλέγεται η χρήση κλασμάτων με μικρό εύρος μεγέθους διαμέτρου προκειμένου να επιτευχθεί η -κατά το δυνατόν- μεγαλύτερη ομοιογένεια των δύο φάσεων στο εσωτερικό των συνθέτων. Επίσης, επιλέγονται σωματίδια > 90μm. Προτού της χρήσης τους για την παραγωγή των συνθέτων υλικών, τα σωματιδιακά κλάσματα των ιπτάμενων τεφρών υποβάλλονται σε διαδικασία χαρακτηρισμού με τις ακόλουθες τεχνικές: α) προσδιορισμός της χημικής τους σύστασης με τη χρήση XRF, β) προσδιορισμός της ορυκτολογικής τους σύστασης με τη χρήση XRD και γ) προσδιορισμός των θερμοκρασιών μαλάκυνσής τους κατόπιν εφαρμογής του πρωτοκόλλου ASTM D1857 και χρήση του αντιστοίχου οργάνου της LECO. Αφότου διαπιστωθεί ότι στις συγκεκριμένες θερμοκρασίες που θα λάβουν χώρα οι διαδικασίες της έγχυσης-υπό-πίεση και της χύτευσης-υπό-ανάδευση δε συμβαίνουν φυσικοχημικές μεταβολές στις τέφρες (η θερμοκρασίες αρχικής παραμόρφωσης όλων των σωματιδιακών κλασμάτων των τεφρών βρίσκονται πολύ υψηλότερα από τη θερμοκρασία κατά την οποία παρασκευάζονται τα σύνθετα), κατόπιν αξιολογείται η χημική και ορυκτολογική τους σύσταση σε σχέση με την πιθανή επίδρασή τους στη μορφολογία και τη μικροδομή των συνθέτων, και κατ’ επέκταση στις ιδιότητές τους. Επίσης, προκειμένου να διερευνηθεί η επίδραση της χρήσης αλεσμένων τεφρών στα σύνθετα, επιλέγεται ένα συγκεκριμένο σωματιδιακό κλάσμα (25-45μm) προκειμένου να αλεσθεί και να αξιολογηθεί συγκριτικά με το όμορό του, ως παρελήφθη από το κόσκινο. Επιλέγεται το συγκεκριμένο αυτό κλάσμα καθώς περιέχει τη μεγαλύτερη συγκέντρωση αργιλοπυριτικού υαλώματος από όλα και συνεπώς μέσω της θραύσης του θα είναι ευκολότερο να αξιολογηθεί συγκριτικά η επίδραση της άλεσης των τεφρών στη σύνθεση και τις επιδόσεις των υλικών. Τελικά, με τη χρήση της τεχνικής της έγχυσης-υπό-πίεση, παρασκευάζονται οχτώ διαφορετικές σειρές δοκιμίων με ιπτάμενη τέφρα Καρδιάς και Μεγαλόπολης, εισάγοντας στο κράμα A356 (Al-7Si-0.35Mg) σωματίδια τεφρών διαμέτρου έως 90μm. Με τη χρήση της χύτευσης-υπό-ανάδευση, παρασκευάζονται δύο σειρές δοκιμίων, η μία με τα πολύ λεπτά σωματίδια της ιπτάμενης τέφρας Καρδιάς (<25μm) και η άλλη με τα πολύ λεπτά σωματίδια της ιπτάμενης τέφρας Μεγαλόπολης (<25μm). Τα σύνθετα υλικά που παρασκευάσθηκαν με τις τεχνικές τηγμένου μετάλλου υποβλήθηκαν στις ίδιες διαδικασίες χαρακτηρισμού όπως και στην κονιομεταλλουργία, με την εξαίρεση του ελέγχου της διάβρωσης. Διαπιστώνεται ότι η ασβεστούχος σύσταση των ελληνικών ιπταμένων τεφρών δεν συνιστά εμπόδιο στην επιτυχή παρασκευή συνθέτων μήτρας Al και κραμάτων του με τις προαναφερθήσες τεχνικές. Αντιθέτως, ο σχηματισμός νέων φάσεων λόγω αντίδρασης του Ca των τεφρών με το Si του κράματος, φάσεων σκληρότερων από ότι οι προϋπάρχουσες των τεφρών, φαίνεται ότι λειτουργεί ευεργετικά στην ανάπτυξη των επιφανειακών ιδιοτήτων των νέων συνθέτων υλικών.

In the this PhD study, Hellenic Class C fly ashes were utilized for the synthesis of Al- and Al-alloy-matrix composites by means of Powder Metallurgy, Pressure Infiltration, and Stir Casting techniques. Fly ashes were sampled from the lignite-fired power stations of Kardia, Northern Greece (KFA, high-Ca fly ash) and Megalopolis, Southern Greece (MFA, barely Class C ash) under maximum electricity load. This is the first research attempt to use such highly calcareous fly ash for the production of “AshAlloy” composites, and also the first attempt to investigate the effect of using ground fly ash particles on the properties of composites. Moreover, the effect of using the various particle size fractions of both types of ashes on the properties of composites has been investigated. In the case of Powder Metallurgy (P/M), aluminum–fly ash and aluminum/silicon alloy (Al-12Si)-fly ash mixtures, containing 5, 10, 15, and 20 wt.% fly ash were prepared and compacted. KFA and MFA particles were used: i) as they were received from the electrostatic precipitators and ii) ground to a diameter < 56 μm. After examining their thermal behavior by means of Differential Thermal Analysis (DTA), the green products were sintered for 2 and 6 hours in an inert atmosphere. The composites are tested for: a) their microstructure by means of optical and Scanning Electron Microscopy coupled with EDS, b) their chemical composition by means of X-Ray Fluorescence (XRF) Spectroscopy, c) their mineralogy by means of X-Ray Diffraction (XRD) Spectroscopy, d) their tribological performance by examining their dry sliding wear behavior using a pin-on-disc machine against spheres of alumina; the worn surfaces of composites were then examined by using SEM and Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDS), e) their hardness by applying the Vickers method, and f) their corrosion behavior by applying a combination of analytical testing methods. The density of composites was decreasing with the increase of the percentage participation of fly ash particles. Apart from that, although FA clusters had been developing in the metal matrix, hardness of MMCs was enhancing with the increase of fly ash content, which is mainly attributed to the intense calcareous nature of the reinforcement material. Volume and mass changes throughout sintering were also estimated as a function of increasing ash weight percent and it seems that CaO plays a crucial role in the post-sintering increase in the mass and volume of composites. Microscopic studies of green and sintered compacts clearly indicated the effectiveness of the sintering process. Moreover, it was shown that the addition of both types of ash enhanced the tribo-performance of Al, with the optimum metal powder replacement determined to the point of 15% wt., in the case of high-Si and 10% wt., in the case of high-Ca ash particles. Regarding alloy-matrix composites, although they generally presented worse tribological performance than pure Al/Si products, the addition of ash up to 15% wt. resulted in only slight deterioration of the wear performance of composites. Despite the mechanical upgrade though, corrosion resistance of P/M Al- and Al-alloy composites is declined compared to the matrix materials. The degradation phenomena occurring on the FA containing samples might be related to the following mechanisms: 1) Partial detachment or dissolution of the FA soluble phases, in particular based on Si, Fe and Ca, 2) dissolution of the Al matrix surrounding the FA particles due to crevice corrosion, and 3) Al localized dissolution due to galvanic coupling between the Fe-rich intermetallics and the matrix. In the case of pressure infiltration, KFA and MFA were separated into their particle fractions by means of manual screening. Narrow-sized particle fractions were selected so as to better facilitate homogeneity into the composites. Moreover, particles with a diameter not bigger than 90μm are finally selected to manufacture the composites. Before they are incorporated into composites, the various fractions are characterized in terms of their chemical, mineralogical composition and thermal properties by means of X-Ray Florescence (XRF) Spectroscopy, X-Ray Diffraction (XRD) Spectroscopy, and fusion temperature analysis (LECO AF-700, ASTM C642), respectively. The particular characteristics of the various ash fractions are then linked to the properties of the respective composite specimens. Moreover, so as to investigate the effect of using ground ash particles on the composite properties, one specific particle fraction (25-40μm) is ground and the final specimens are comparatively examined on the basis of the effect of “as received” and ground ash particles. This particular fraction is selected as it contains the biggest fraction of aluminosilicate glass which can release active Si when it is broken. The composite specimens underwent the same series of characterization tests with the P/M products, with the exception of corrosion resistance determination. It was concluded that using fine, high-Ca ash particles can improve the properties of composites, and that using ash particles in a ground form can better facilitate the production process of MMCs. In the case of stir casting, as it was previously reported and currently experimentally shown after several alloy-FA stir-mixing attempts, molten Al alloys normally present no wettability with as received high-Ca FA particles, a fact leading to ash particles being almost totally rejected by the metallic matrix. However, through the current research study, it was verified that conducting stir mixing of fine, gradually pre-heated calcareous FA particles at a higher molten alloy-temperature (Tmelt > 900ºC, while previous attempts referred to ~700ºC) can eventually result in the incorporation of high-Ca FA particles into the melt and in the subsequent successful synthesis of lightweight Al alloy composites containing at least 10 wt. % FA, with enhanced tribo-properties. For the synthesis of “AshAlloy” composites by means of stir casting technique, the finest ash particles obtained were utilized and the specimens underwent the same characterization testing as the Pressure Infiltration ones.