امکان سنجی ساخت ماده مدرج تابعی بر پایه آلومینا – آلومینیم

امکان سنجی ساخت ماده مدرج تابعی بر پایه آلومینا – آلومینیم

مواد مدرج تابعی دسته ای از مواد غیر همگن هستند که مشخصات فیزیکی و مکانیکی آنها (ترکیبات شیمیایی، اندازه دانه، چگالی، مدول الاستیک، چقرمگی شکست، ضریب انبساط حرارتی، حد تسلیم و ….) حداقل در یک جهت تغییر نماید . تغییر در مشخصات مطرح شده، به وسیله تغییر پیوسته یا لایه ای در نسبت حجمی مواد تشکیل دهنده ایجاد می شوند.

در علوم مهندسی، مواد مدرج تابعی به طور معمول از دو ماده اصلی سرامیک و فلز تشکیل شده اند که یکی از دلایل اصلی استفاده از این مواد در یک سازه، به خدمت گرفتن ویژگیهای مفید ذاتی سرامیکها و فلزات می باشد. مواد سرامیکی با توجه به مقاومت دمایی و سایشی بسیار بالاتر نسبت به فلزات در پرههای توربین و کمپرسور در صنایع هوافضا و نیروگاهی، راکتورهای هسته ای، ایمپلنت های استخوانی، نازل راکتها و …. مورد استفاده قرار می گیرند. علی رغم مزایای ذکر شده، مقدار پایین چقرمگی شکست در مواد سرامیکی و سرعت رشد ترک بالا سبب استفاده محتاطانه از این دسته از مواد می گردد.

امکان سنجی ساخت ماده مدرج تابعی بر پایه آلومینا – آلومینیم

به گونه ای که، طول ترک بحرانی بسیار کوچک سرامیک ها موجب گردیده استفاده از آزمون غیر مخرب ( آزمون های فراصوتی، مایع نافذ و ذرات مغناطیسی) جهت بازرسی عیوب احتمالی ایجاد شده در این دسته از مواد ترد بسیار مشکل بوده و در نتیجه بازرسی های دوره ای از این مواد را دچار چالش جدی کرده است. در نتیجه، رهیافتی جز استفاده محتاطانه و هزینه بالای تعویض زود هنگام قطعات فوق نخواهد داشت. لذا بکارگیری همزمان فلزات در کنار سرامیکها و ساخت قطعه با معماری مدرج تابعی که همراه با افزایش چقرمگی شکست و مقاومت به آسیب سرامیک می گردد بسیار مورد توجه قرار گرفته است.

چکیده امکان سنجی ساخت ماده مدرج تابعی بر پایه آلومینا – آلومینیم

می توان مهم ترین چالش در تولید مواد مدرج تابعی پایه فلزی و سرامیکی را اختلاف زیاد در دمای ذوب و تف جوشی آنها دانست. با توجه به بالا بودن دمای ذوب سرامیکها اگر از فرایند ریخته گری برای تولید این دسته از مواد پیشرفته استفاده شود، قبل از ذوب شدن کامل سرامیک، فلز استفاده شده ذوب می گردد و امکان جدایش مواد تشکیل دهنده فلز و سرامیک وجود دارد. لذا در برخی از موارد از روش های تف جوشی جهت ساخت مواد مدرج تابعی استفاده میشود (۵, ۶). استفاده از روش تف جوشی به طور معمول موجب دست یابی به چگالی های بالاتر و همچنین توزیع یکنواخت تر ذرات تقویت کننده نسبت به روش ریخته گری می شود.

متالورژی و پاشش پودر معمول ترین روش برای ایجاد تغییر در نسبت حجمی ذرات تقویت کننده و فاز پایه در این روش می باشد. در این روش به طور معمول، پرس سرد قبل از فرایند تف جوشی برای تثبیت آرایش ذرات و ایجاد اتصال مکانیکی بین ذرات اعمال می شود که نمونه به شکل قرص در می آید. در ماده مدرج تابعی تغییر در نسبت حجمی ذرات تقویت کننده در راستای ضخامت صورت می گیرد.

ساده ترین روش تف جوشی شامل متراکم سازی پودرها و افزایش دمای آنها می باشد. به منظور افزایش چگالی نمونه های تولید شده به روش تف جوشی، در روش های جدید از اعمال فشار و دمای به صورت همزمان استفاده شده است. برای مثال در تف جوشی پرس گرم، فشار به صورت محوری بر قرص متراکم شده اعمال می شود و همزمان دما نیز افزایش می یابد که اعمال فشار و دمای همزمان موجب دستیابی به چگالیهای بالاتر می گردد.