Ανάπτυξη σύνθετων υλικών κράματος αλουμινίου 7075 με ιπτάμενη τέφρα και επίδραση των μεθόδων παραγωγής στις ιδιοτητές τους

Abstract

The objects of this work were: firstly to create a new metal matrix composite material, consisting of aluminum alloy AA7075 / fly ash and secondly to investigate the way that production methods affect the final product properties. The composites were manufactured following conventional industrial techniques (such as preform preparation, infiltration, stir casting, compocasting, squeeze casting) and they were subsequently hardened by an ageing thermal process (T6). Finally the composites were anodized by immersing into a sulfuric acid solution, while connected with a DC power supply. The microstructure of AA7075, fly ash and composites was examined in every stage of this work, giving emphasis to the changes that took place. Several physical and mechanical properties were measured such as: compression strength, Young modulus, Charpy test absorption energy, micro – macro hardness, linear thermal expansion coefficient, wear resistance and the corrosion behavior was investigated, before and after the anodizing process. A number of conclusions can be reached through this work such as: i) the creation of composite materials consisting of AA7075 and fly ash particles, ii) optimization of industrial production methods, iii) ageing thermal treatment process T6, iv) anodization as a surface protection, for some cases and final v) estimations, relative to the impact of production methods to the final composite properties, were gathered. In general from this work it can be concluded that: ALFA composites having a concentration of fly ash particles up to 10%vol. can be produced by stir casting techniques, where fly ash particles can’t be considered as a crystallization cell. The increase of the fly ash particle concentration in the composite results in a decrease of the metal matrix grain size. The particle dispersion within the composites is not uniform. For the preform production method an optimization methodology was evaluated taking under consideration the binder quantity, the wet cake compaction pressure, the porosity and the geometric characteristics of the infiltration molds and preforms. As the amount of fly ash particles increases, the hardness, the compaction strength, the Young’s modulus and the thermal expansion coefficient are reduced whereas the corrosion rate increases, even in the case of the anodizing protection process. Finally, the presence of fly ash in the composites enhances the homogenization and ageing procedure, when the optimum ageing hardness period is 12 hours.

Στόχοι της εργασίας ήταν: αφενός η παραγωγή σύνθετων υλικών μεταλλικής μήτρας, αποτελούμενων από κράμα αλουμινίου ΑΑ7075 και ιπτάμενη τέφρα και αφετέρου να διερευνηθεί πως οι συγκεκριμένες μέθοδοι παραγωγής επιδρούν στις ιδιότητες των τελικών σύνθετων υλικών. Η μεθοδολογία που εφαρμόστηκε ήταν συγκεκριμένη: Τα υλικά παρασκευάστηκαν με τις συμβατικές μεθόδους παραγωγής, οι οποίες βρίσκουν ευρεία εφαρμογή στην βιομηχανία (διαποτισμός, ανάδευση, χύτευση υπό πίεση), όπως επίσης υπέστησαν και δευτερογενή θερμική κατεργασία σκλήρυνσης με κατακρήμνιση – γήρανση (Τ6), καθώς και ανοδείωση με επιβολή ηλεκτρικού ρεύματος σε λουτρό Θειικού οξέος. Εξετάστηκε η μικροδομή των γονικών υλικών (ΑΑ7075, Ιπτάμενη τέφρα) ξεχωριστά, των τελικών σύνθετων υλικών και εκτιμήθηκαν οι μεταβολές της, τόσο στην απλή μορφή, όσο και στην θερμικά κατεργασμένη. Μετρήθηκαν οι μηχανικές ιδιότητες των τελικών σύνθετων προϊόντων, δηλαδή: η αντοχή σε θλίψη, το μέτρο ελαστικότητας, η ενέργεια θραύσης σε κρούση, η σκληρότητα (μίκρο και μάκρο), ο συντελεστής θερμικής γραμμικής διαστολής, η αντίσταση σε φθορά και τέλος η συμπεριφορά σε διάβρωση πριν και μετά την ανοδείωση, Τα αποτελέσματα που διεξήχθησαν από την διατριβή αυτή είναι: παραγωγή σύνθετων υλικών αποτελούμενα από ΑΑ7075 και Ιπτάμενη τέφρα με τις συγκεκριμένες μεθόδους, βελτιστοποίηση των παραμέτρων παραγωγής, διερεύνηση της αποδοχής στην θερμική κατεργασία σκλήρυνσης με κατακρήμνιση – γήρανση (Τ6) και σε πιο βαθμό, διερεύνηση της αποδοχής σε επιφανειακή ανοδείωση, ανιχνεύθηκε η μεταβολή της μικροδομής των σύνθετων υλικών ανάλογα με τις μεθόδους παραγωγής τους και εκτιμήθηκε η επίδραση τους στις τελικές τους ιδιότητες. Συμπεράσματα: Σύνθετα υλικά μήτρας κράματος ΑΑ7075 με ΙΤ μπορούν να παραχθούν με stir casting με μέγιστο ποσοστό ΙΤ 10% κ.ο., Τα σωματίδια της ιπτάμενης τέφρας δεν αποτελούν θέσεις πυρήνωσης στα σύνθετα υλικά που μελετήθηκαν και παρασκευάσθηκαν με stir casting. Αύξηση του ποσοστού της ΙΤ επιφέρει μείωση του μεγέθους των δενδριτών του μητρικού υλικού. Η διασπορά των σωματιδίων της ΙΤ στη δομή των ΣΥ παρασκευάσθηκαν με stir casting δεν είναι ομοιόμορφη. Για τη βελτιστοποίηση της αντοχής των preforms αναπτύχθηκε μεθοδολογία συνδυασμού των μεγεθών των παραμέτρων binder, πίεσης μορφοποίησης υγρών preforms και πορώδους. Η γεωμετρία των καλουπιών διαποτισμού πρέπει να είναι συγκλίνουσα για επιτυχή διαποτισμό. Η σκληρότητα των ΣΥ αυξάνεται, με την αύξηση του ποσοστού της ΙΤ. Αύξηση της περιεκτικότητας της ΙΤ στα ΣΥ μειώνει την αντοχή σε θλίψη και το μέτρο ελαστικότητας. Η ευθραυστότητα των ΣΥ που μελετήθηκαν αυξάνεται με το ποσοστό της ΙΤ. Αύξηση της περιεκτικότητας της ΙΤ στα ΣΥ αυξάνει το ρυθμό διάβρωσης. Η ανοδείωση επηρεάζει πολύ λίγο τη διαβρωτική συμπεριφορά του ΣΥ. Ο συντελεστής θερμικής γραμμικής διαστολής ελαττώνεται με την αύξηση του ποσοστού της ΙΤ στα ΣΥ. Η ιπτάμενη τέφρα επιταχύνει τη διαδικασία ομογενοποίησης και γήρανσης. Η θερμική κατεργασία γήρανσης βελτιώνει τη σκληρότητα των ΣΥ και μεγιστοποιείται για 12 ώρες γήρανσης.