کامپوزیت زمینه فلزی (MMC)
در سالهای اخیر باتوجه به نقش مهم کامپوزیتهای زمینه فلزی (MMC) در بهسازی آلیاژها، فرآیندهای ساخت آنها بسیار مورد توجه قرار گرفته است. با انتخاب مواد تقویت کننده مختلف و انواع آنها به لحاظ ساختاری (ذرهای، الیافی، ….) میتواند روشهای ساخت متفاوت باشد.
مراحل فرآیند
مراحل فرآیند شامل ۴ مرحله است.
- پیش فرآیند Pro-Processing
- فرآیند اولیه Primery – Processing
- فرآیند ثانویه Secondary-Processing
- ماشینکاری و اتصال Machining and/ or Joining
پیش فرآیند Pro-Processing
تمام مراحلی که قبل از فرآیند اولیه انجام میشود پیش فرایند گویند. مانند عملیات سطحی روی اجزاء ترکیبی کامپوزیت ، تهیه ساختار اولیه Preform برای انجام فرآیندهای ثانویه، تهیه پودر فلز شامل عملیات آسیاب کردن، فشرده کردن، مخلوط کردن و تولید تک رشتهها یا الیاف چند رشتهای به صورت انباشته یا به هم پیچیده است. تهیه ذرات و الیاف کوتاه تقویت کننده و هر گونه انجام عملیات سطحی جهت آماده سازی زمینه نیز از مراحل پیش فرایند است.
فرآیند اولیه تولید کامپوزیت زمینه فلزی Primary Processing of composite
در این مرحله ، مواد کامپوزیتی توسط اتصال اجزاء ترکیبی مواد توسط فرایندهای فاز مایع، فرایندهای فاز جامد و فرایندهای رسوبی تولید میشوند. اما ضرورتاً شکل نهائی یا میکرواستراکچر نهایی تشکیل نمیشود. فرایند اولیه تولید کامپوزیت زمینه فلزی الیاف پیوسته مانند اتصال دیفوزیونی فویل – الیاف – فویل استفاده از فرایند نورد یا درونن تراوری است.
فرآیند ثانویه Secondary Processing
فرآیند ثانویه ، فرآیندی است که بعد از فرآیند اولیه انجام میشود و هدف آن تغییر دادن شکل یا میکرواستراکچر مواد است. فرایندهای ریخته گری، فورجینگ، نورد، اکستروژن و عملیات حرارتی و … از فرآیندهای ثانویه به شمار میآیند. بعد از انجام این فرایند، فازهای موجود در ترکیبات و شکل نهایی کامپوزیت تغییر میکند.
فرایندهای ثانویه شامل تحکیم کامپوزیت زمینه فلزی consolidation of MMC، ریخته گری مواد افزوده کامپوزیت زمینه فلزی MMC insertion casting و کامپوزیت زمینه فلزی در جای خود in situ MMC که در آن فاز تقویت کننده در مرحله اول طی انجام واکنش تولید میشود.
فرایند حالت جامد Solid state methods
این فرآیندها شامل فرآیند اتصال دیفوزیونی، نورد گرم، اکستروژن، مفتول کشی، جوشکاری انفجاری، روش متالورژی پودر PM و .. باشد. اما در میان آنها، فرایندهای اتصال دیفوزیونی متالورژی پودر به طور گسترده مورد استفاده قرار میگیرد.
اتصال دیفوزیونی Diffusion bonding
معمولاً این روش در ساخت کامپوزیت زمینه فلزی که مواد تقویت کننده الیاف و مواد زمینه ورق و یا فویل هستند استفاده میشود. ابتدا در این روش، مواد زمینه و تقویت کنننده به طور شیمیایی تحت عملیات سطح قرار می گیرند. الیاف روی ورقهای نازک فلز در جهت از قبل تعیین شده قرار داده میشوند و اتصال به وسیله پرسکاری ایجاد میشود. بنابراین گهگاه الیاف قبل از اتصال دیفوزیونی، توسط پاشش پلاسما یا آبکاری یون، پوشش داده میشوند تا استحکام پیوند را بالا ببرند. بعد از اتصال، ماشینکاری ثانویه انجام میشود. با اتصال قطعات و کنترل نهایی، کامپوزیت زمینه فلزی تهیه شده است. فشار و درجه حرارت اعمالی، در فرآیند اتصال دیفوزیونی در سیستمهای کامپوزیت به راحتی تغییر مییابد. به هرحال این روش، روش پر هزینه برای ساخت کامپوزیت زمینه فلزی است.
روش متالورژی پودر PowderMetallorgy
روش متالورژی پودر، بیشتر برای تهیه کامپوزیت زمینه فلزی که با الیاف ناپیوسته، ذرات و ویسکردها تقویت شدهاند، استفاده میشود. در فرآیند اصلی، ابتدا پودرهایی از مواد زمینه و تقویت کننده در هم آمیخته میشوند. سپس داخل یک قالب با شکل مطلوب، تغذیه میشوند. پس از آن فشار به سیستم وارد میشود تا تماس بیشتر بین پودر ایجاد شود (پرسکاری سرد) به منظور اتصال بهتر، ذرات پودر (ذرات به هم پیوسته) تا درجه حرارتی که زیر نقطه ذوب است، حرارت داده میشوند. افزایش درجه حرارت باید به قدری کافی باشد تا نفوذ حالت جامد (زینتر کردن) انجام شود. سپس بعد از انجام عملیات ثانویه (اکستروژن، نورد، فورج) به عنوان کامپوزیت مورد استفاده قرار میگیرد. این روش در مقابل سایر روشها قابلیت اطمینان بیشتری دارد بنابراین عمومیتر است، اما مرحله ترکیب و مخلوط کردن آن وقت گیر است و گران نیز است. به علاوه، توزیع درست ذرات محصول مشکل است و استفاده از پودر نیازمند تمیزی زیاد در آنها است. اگر اینگونه نباشد، وجود آخالهای به هم پیوسته در محصول باعث اثر زیان آور بر روی چقرمگی شکست، طول عمر خستگی و غیره میشود.
روش پیچی Wire Winding
در این روش، مواد اولیه MFRM با سیمهای فلزی و الیاف سرامیکی تولید میشوند و برای عملیات بعدی مانند اتصال دیفوزیونی، از نوع پرس گرم آماده میشوند.
روش پوشش پودری Powder Cloth Method
نوعی از روش Foil-Fibre-Foil برای تولید MERM است. در این روش پودرهای فلز زمینه با چسب مخلوط شده و داخل یک پوشش یا فویل قبل از دسته بندی قرار میگیرند.
تحکیم پودر Powder Consolidation
در یک اتصال دیفوزیونی (اولیه) زمینه به شکل پودر، مخلوط شده و با فشار یا بدون فشار در درجه حرارت مورد ارزیابی با جزء تقویت کننده تحکیم میشود.
زینتر کردن MMC Sintering
ترکیب مواد مجتمع در درجه حرارتهای مختلف مورد نظر بدون کاربرد فشار.
پرس گرم MMC Hot Pressing
ترکیب مواد مجتمع توسط اتصال دیفوزیونی با کاربرد فشار توسط پیستون (پرس گرم) در درجه حرارتهای بالا به قدر کافی مؤثر در زینتر کردن همزمان زمینه که زمینههای فلز معمولاً بالاتر از درجه حرارت تبلور مجدد زمینه است.
پرس سرد MMC Cold Pressing
ترکیب جزء مواد با کاربرد فشار توسط پیستون، در درجه حرارت پایین و مؤثر در زینتر همزمان زمینه که در زمینههای فلزی معمولاً زیر درجه حرارت تبلور مجدد زمینه است.
پرس ایزواستاتیک گرم MMC Hot Isostatic Pressing
اتصال دیفوزیونی جزء مواد با کاربرد فشار هیدوراستاتیک توسط گاز، در درجه حرارتهای به قدر کافی بالا برای زینتر کردن همزمان زمینه که در زمینههای فلزی بالاتر از درجه حرارت تبلوار مجدد است.
پرس ایزواستاتیک سرد MMC Cold Isostatic Pressing
پرس سرد جزء مواد با کاربرد فشار هیدرواستاتیکی به وسیله مایع یا گاز، در درجه حرارتهای به قدر کافی مؤثر در زینتر کردن همزمان زمینه، که در مورد زمینههای فلزی معمولاً زیر درجه حرارتهای تبلور مجدد است.
نورد پور MMC Powder Rolling
ترکیب اجزاء مواد با کاربرد فشار به وسیله غلتکهای نورد، نورد سرد زیر درجه حرارت تبلور مجدد فلز و نورد گرم در درجه حرارتهای بالا از تبلور مجدد انجام میشود.
اکستروژن پودر MMC Powder Extrusion
ترکیب اجزاء مواد با کاربرد فشار به وسیله پرس اکستروژن، اکستروژن سرد زیر درجه حرارت تبلور مجدد فلز و اکستروژن گرم در درجه حرارتهای بالاتر انجام میشود.
فورجینگ پودر MMC Powder Forjing
ترکیب اجزاء مواد با کاربرد فشار به وسیله پرس فورجینگ. فورجینگ سرد زیر درجه حرارت تبلور مجدد و فورجینگ گرم در درجه حرارتهای بالاتر انجام میشود.
فرایندهای حالت مایع Liquid state methods
اغلب کامپوزیتهای زمینه فلزی توسط فرایندهای حالت مایع ساخته میشوند. در این روش ذرات سرامیکی داخل فلز مذاب با استفاده از فرآیندهای مختلف به هم پیوستهاند. کامپوزیت مایع حالت آبکی دارد و به شکلهای گوناگون قالب ریزی میشود، این کار توسط روشهای ریخته گری معمولی
یا داخل قالب ریخته گری، برای فرآیندهای ثانویه انجام میشود. مزیت اصلی این فرایند، تولید MMC با هزینه پایین است و مشکل اصلی این روش، عدم مرطوب کردن ذرات توسط آلومینوم مایع و در نتیجه طرد ذرات از مذاب است و مشکل دیگر توزیع غیر یکنواخت ذرات ناشی ازجداسازی و واکنش سریع فصل مشترک است. تولید کامپوزیت زمینه فلزی از طریق روش مایع / فلز انجام میشود. با درون تراوی فلز مذاب به درون دسته الیاف و مخلوط کردن فلز مذاب با ذرات تقویت کننده، فرآیند در درجه حرارت بالا همراه با خطر انجام واکنشهای شیمیایی انجام میشود. این فرآیند به صورتهای مختلف میتواند انجام شود. در درون تراوی خود بخودی، بدون اعمال نیرو، زمینه به طور خودبخودی نفوذ میکند. مانند مس داخل تنگستن توسط رطوبت مستقیم و یا پوشش نیکل روی تقویت کننده برای درون تراوی با آلومینیوم با کنترل کردن اتمسفر.
درون تراوی فلز مایع Liquid metal infiltration
این فرآیند میتواند تراوش الیاف نیز نامیده شود. الیاف فیبری میتواند با گذراندن از یک حمام فلز مذاب درون تراوری شود. معمولاً الیاف باید در جریان این فرآیند با رطوبت بالا، پوشش داده شوند. فقط یک مرتبه سیمهای تراوش شده تولید می شود بنابراین باید به شکل ساختار اولیه مونتاژ شود و طی فرآیند ثانویه یک ترکیب را تولید کنند.
ریخته گری فشاری Squeeze casting
ریخته گری فشاری یک مرحله اولیه از فرآیند شکل دهی فلز است. در این فرایند مقدار تعیین شدهای از فلز مایع در یک قالب که قابلیت استفاده مجدد را دارد، تحت فشار بالا ۵۰ تا ۱۰۰ مگاپاسکال در معرض انجماد سریع قرار میگیرد و محصولی با تلرانس دقیق و شکل نهایی با دقت بالا، تولید میکند.
این فرآیند میتواند برای ساخت در مقیاس بزرگ استفاده شود. اما این عملیات نیازمند کنترل دقیق متغیرهای فرآیند، شامل الیاف و درجه حرارت پیش گرم فلز مایع، عناصر آلیاژی فلز ، سرد کردن خارجی، کیفیت ذوب، درجه حرارت ابزار، تأخیر زمانی بین بستن در قالب و تنظیم فشار درونی آن، سطح فشار و مدت آن و سرعت بار ریز ریخته گری است. کنترل ناقص متغیرهای فرآیند منجر به عیوب مختلف میشود. شامل تغییر شکل ساختار اولیه، سستی الیاف، آخالهای اکسیدی و دیگر عیوبهای معمولی ریخته گری . بنابراین در استفاده کاربردی، ریخته گری فشاری، روش بسیار مؤثری در ساخت قطعات ماشین با اشکال پیچیده و در زمان کوتاه است.
روش همنشت پاششی Spray co-deposition method
این روش یک روش اقتصادی برای تولید کامپوزیت ذرهای است. در زمان مشخص، ذرات (تقویت کننده) داخل فلز اتمایز شده از نازل تزریق میشوند و روی زمینه از پیش گرم شده در مسیر جریان اسپری کردن به حالت رسوب قرار میگیرند. رسوب جامد روی جمع کننده (کلکتور) ایجاد میشود. نوار رسوب شده، هنگامی که سرد شد، برای نورد بعدی منتقل میشود. شکل محصول نهایی به شرایط پاشش فلز، شکل و حرکت جمع کننده بستگی دارد.
ریخته گری تلاطمی Stir casting
سادهترین و اقتصادیترین روش تولید کامپوزیت زمینه فلزی، روش ریخته گری تلاطمی است. در این روش، مخلوط مکانیکی از ذرات تقویت کننده داخل حمام فلز مذاب است. این مخلوط توسط همزن یکنواخت میشود و به طور مستقیم به قالبی که از قبل تعیین شده است انتقال مییابد، سپس سرد شده و انجماد تکمیل میشود. در این فرایند، ایجاد رطوبت خوب بین ذرات تقویت کننده و فلز مذاب یک مشکل بحرانی است. ساختار میکروسکپی ناهمگن میتواند باعث آلگومره شدن قابل توجه ذرات وو رسوب در مذاب در مدت انجماد شود. ناهمگنی در توزیع تقویت کننده در این کامپوزیتهای ریختگی میتواند در نتیجه فعل و انفعال شیمیایی میان ذرات سرامیکی معلق شده و حرکت فصل مشترک جامد – مایع در مدت انجماد،
ایجاد شود. مزیت اصلی این فرآیند، تولید کامپوزیت زمینه فلزی با هزینه پایین است.
ریخته گری ترکیبی Compocasting
روش ریخته گری ترکیبی برای ساخت کامپوزیت با الیاف ناپیوسته (الیاف ریز ریز شده، ویسکرها و ذرات) روشی اقتصادی است. این فرآیند، اصلاح شده فرآیند ریخته گری پوستهای یا تلاطمی است.
فرآیندهای رسوبی Deposition Process
به طور معمولی روش ساخت فاز مایع نسبت به روش ساخت فاز جامد، مؤثرتر است، زیرا فرآیند فاز جامد زمان طولانیتری را نیاز دارد. با توجه به نوع شکل فاز زمینه مورد استفاده، روشهای ساخت متفاوت خواهد بود. به عنوان مثال زمینه پودر، در فشار پنوماتیکی و روش متالورژی پودر و زمینه مایع در روش درون تراوی فلز مایع استفاده میشود، در روشهای پاشش پلاسما، ریخته گری پاششی، ریخته گری فشاری، ریخته گری فشاری (درون قالب فلزی) ، ریخته گری ثقلی، ریخته گری تلاطمی، ریختهگری دقیق، یک شکل مولکولی از زمینه استفاده میشود. ورقهای فلزی در اتصال دیفوزیونی (نفوذی) رولینگ، اکستروژن و غیره استفاده میشود. از این فرایندها، فرآیندهای اصلی ساخت، اتصال دیفوزیونی، روش متالورژی پودر، درون تراوی فلز مایع، ریخته گری فشاری، هم نشست پاششی ، ریخته گری تلاطمی و ریخته گری ترکیبی هستند که امروزه در صنایع استفاده میشوند.