توسعه نانو كامپوزيت هيبريدي در سيستم Al-Ni-O بر سطح قطعات متالورژي پودر با استفاده از فرايند اصطكاكي اغتشاشي و ارزيابي خواص مكانيكي آن

Fabrication of Hybrid Al-Ni-O Nanocomposites on Surface of powder Metallurgy Parts by Friction Stir Processing and Evaluation of Their Mechanical Behaviour

در اين مقاله با استفاده از فرايند اصطكاكي اغتشاشي (Friction Stir Processing:FSP) نانو كامپوزيت هاي حاوي ذرات تقويت كننده در سيستم Al-Ni-O بر سطح قطعات متالورژي پودر آلومينيومي ايجاد و خواص مكانيكي آن بررسي شد. به منظور رفع معايب روش هاي متداول در توليد نانو كامپوزيت هاي سطحي با استفاده از فرايند اصطكاكي اغتشاشي، از ايده جديدي جهت ساخت نانو كامپوزيتي سطحي استفاده شد. بر اين اساس ابتدا مخلوط پودرهاي آلومينيوم و نيكل خالص (Al-15wt%Ni) تحت عمليات پرس سرد با فشار 225 مگاپاسكال قرار گرفته و سپس در دماي 520 درجه سانتيگراد به مدت 20 دقيقه سينتر شدند و نمونه هاي بالك Al-15wt%Ni به دست آمد. در ادامه به منظور توسعه نانو كامپوزيت مورد نظر بر سطح قطعات، فرايند اصطكاكي اغتشاشي روي نمونه هاي Al-15wt%Ni اعمال شد و ساختار و خواص نانو كامپوزيت ايجاد شده توسط ميكروسكوپ نوري، ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM)، ميكروسكوپ الكتروني عبوري (TEM) و آزمايش ريز سختي سنجي مورد ارزيابي قرار گرفت. همچنين به منظور تعيين فازهاي موجود در ساختار از آناليز پراش پرتوايكس استفاده شد. بررسي ريزساختار، آناليز فازي و آناليز EDS نمونه هاي نانو كامپوزيتي حاكي از ايجاد ذرات Al3Ni در زمينه آلومينيومي در اثر واكنش پودرهاي نيكل و الومينيوم در اثر اعمال فرايند اصطكاكي اغتشاشي بود. بررسي هاي انجام شده با TEM نشان داد با اعمال پاس هاي بعدي فرايند اصطكاكي اغتشاشي، ذرات تقويت كننده به طور يكنواخت در زمينه آلومينيومي پراكنده شدند. مكانيزم تشكيل نانو كامپوزيت مورد نظر به اين صورت پيشنهاد شد كه در اثر اعمال فرايند اصطكاكي اغتشاشي به دليل اعمال كرنش پلاستيك زياد، واكنش آلومينيوم و نيكل در فصل مشترك Al/Ni صورت مي گيرد. سختي بيشينه براي نمونه هاي فلز پايه، نمونه فرايند شده و نمونه نانو كامپوزيتي بعد از شش پاس فرايند، به ترتيب 30 و 41 و 89 ويكرز اندازه گيري شد.

In this research, friction stir processing was used to develop in-situ surface Al-Ni-O nanocomposite on powder metallurgy parts. A new procedure was introduced for applying the reinforcement particles, in which 15wt% of pure Ni powder were added to Al powder and mixed for 30 minutes. The prepared mixture, cold pressed at 250 MPa and sintered in 520 Co for 20 minutes. The FSP was performed on the powder metallurgy billet. As a result of FSP, reinforcements were produced in-situ with reaction between Al and Ni powders. Microstructural evaluation was performed by optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). Phase analysis was carried out with X-ray diffraction. In order to evaluation the effects of the friction stir processing on mechanical behavior hardness tests were performed on base metal, FS processed and nanocomposite samples. Evaluation of nanocomposite microstructure with EDS analysis showed that as a result of reaction between Al and Ni powder during FSP, Al3Ni intermetallic particles appeared in stir zone. TEM analysis showed that nanosize reinforcements distribute uniformly in aluminum matrix. As a result of FSP, NiAl3 grows via the diffusion of Al to the Ni phase at Al/Ni interface. When the nickel powder is not aggregated, it formed Al3Ni particles directly and then dispersed in the matrix following the metal flow of FSP. Maximum hardness of base metal, FS processed sample without reinforcements and surface nanocomposite were measured to be 30, 41 and 89 HV respectively.