Συστήματα βασισμένα σε πολύπλοκα μεταλλικά κράματα αλουμινίου: ανάπτυξη, χαρακτηρισμός και επιφανειακές ιδιότητες

Abstract

Complex metallic alloys (CMAs) is a new category of metallic materials that are characterized by very large unit cells that contain a substantial number of atoms and very big lattice parameters. CMAs exhibit a lot of attractive properties such as high hardness, low friction coefficient and high resistance to oxidation. Their application has been restricted by a major drawback, their low ductility at room temperature. A feasible way to overcome this limitation is to use CMAs as reinforcement in a ductile matrix. Some known CMAs are: Al-Cu-Fe, Al-Cu-Fe-Cr, Al-Cr-Fe, Al13Co4, Al9Co2. This thesis is focused on Al-Al9Co2 system (Al-Co alloys). The main objective of this effort is to study the influence of the preparation method on the microstructure and surface degradation properties of Al-Co alloys. Moreover, to study a wide range of Al-Co compositions as far as their microstructure, corrosion resistance and wear resistance are concerned. Al-Co alloys of various compositions (2-20 wt.% Co) were prepared by casting, vacuum arc melting and powder metallurgy. Their microstructure was studied by Χ-ray diffraction, optical microscopy and scanning electron microscopy. Corrosion behaviour was evaluated by potentiodynamic polarization and chronoamperometry measurements in 3,5% NaCl and 1M H2SO4. Sliding wear experiments were performed to evaluate the wear performance of Al-Co alloys. For comparison reasons, the corrosion behaviour, sliding wear resistance of pure aluminum, widely used aluminum alloys and industrial alloys were evaluated. The preparation method and composition heavily affect the attained microstructures. However, regardless of the preparation method, all Al-Co alloys exhibited high resistance to localized forms of corrosion in all studied environments. Furthermore, Al-Co alloys exhibited better sliding wear performance compared to widely used commercial aluminum alloys. It is worth noticing that Al-Co alloys with modest Co compositions had significantly improved resistance to surface degradation compared to aluminum alloys. Corrosion and sliding wear mechanisms were formulated.

Τα πολύπλοκα μεταλλικά κράματα (Complex Metallic Alloys) αποτελούν μια νέα κατηγορία μεταλλικών υλικών που χαρακτηρίζονται από πολύπλοκη κρυσταλλική δομή και μεγάλες μοναδιαίες κυψελίδες. Εμφανίζουν ελκυστικές ιδιότητες όπως υψηλή σκληρότητα, χαμηλό συντελεστή τριβής και υψηλή αντίσταση σε οξείδωση. Παρόλα αυτά, η εφαρμογή τους είναι περιορισμένη λόγω της χαμηλής ολκιμότητας που εμφανίζουν σε θερμοκρασία δωματίου. Ένας πιθανός τρόπος να ξεπεραστεί αυτός ο περιορισμός είναι να χρησιμοποιηθούν σαν ενίσχυση σε μια όλκιμη μήτρα. Ορισμένα γνωστά πολύπλοκα μεταλλικά κράματα είναι τα Al-Cu-Fe, Al-Cu-Fe-Cr, Al-Cr-Fe, Al13Co4, Al9Co2. Στα πλαίσια αυτής της διατριβής μελετήθηκε το σύστημα Al-Al9Co2 (κράματα Al-Co). Βασική επιδίωξη αυτής της ερευνητικής προσπάθειας ήταν να μελετηθεί η επίδραση της μεθόδου παρασκευής αλλά και της σύστασης των μελετώμενων κραμάτων, στη μικροδομή και την αντίσταση σε επιφανειακή υποβάθμιση του συστήματος. Επιπρόσθετα, να προσδιοριστεί η χαμηλότερη δυνατή σύσταση κοβαλτίου που οδηγεί σε βελτιωμένη αντίσταση σε επιφανειακή υποβάθμιση. Παρασκευάστηκαν κράματα Al-Co με διαφορετικές συστάσεις (2-20 %κ.β. Co) με χύτευση, τήξη τόξου και κονεομεταλλουργία. Η μικροδομή τους αξιολογήθηκε με περίθλαση ακτίνων-Χ, οπτική μικροσκοπία και ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης. Η συμπεριφορά σε διάβρωση των παραχθέντων κραμάτων αξιολογήθηκε με ποτενσιοδυναμικές πολώσεις και μετρήσεις χρονοαμπερομετρίας σε υδατικά διαλύματα 3,5% NaCl, 1M H2SO4. Επιπλέον, αξιολογήθηκε η απόκριση των κραμάτων Al-Co σε φθορά ολίσθησης. Για λόγους σύγκρισης αξιολογήθηκε η συμπεριφορά σε διάβρωση και φθορά ολίσθησης καθαρού αλουμινίου, ευρέως χρησιμοποιούμενων κραμάτων αλουμινίου και άλλων βιομηχανικών κραμάτων. Σύμφωνα με τα ευρήματα, η μέθοδος παρασκευής και η σύσταση των κραμάτων Al-Co επηρεάζουν έντονα την παρατηρούμενη μικροδομή. Σε κάθε περίπτωση, ανεξαρτήτως της μεθόδου παρασκευής και της σύστασης, τα κράματα Al-Co εμφάνισαν χαμηλή επιδεκτικότητα σε τοπικές μορφές διάβρωσης σε όλα τα εξεταζόμενα περιβάλλοντα. Επιπρόσθετα, τα κράματα Al-Co παρουσίασαν υψηλότερη αντίσταση σε φθορά ολίσθησης σε σχέση με ευρέως χρησιμοποιούμενα κράματα αλουμινίου. Αξίζει να τονιστεί ότι τα κράματα Al-Co με σχετικά χαμηλή περιεκτικότητα σε κοβάλτιο εμφάνισαν σημαντικά βελτιωμένη αντίσταση σε επιφανειακή υποβάθμιση σε σχέση με ευρέως χρησιμοποιούμενα κράματα αλουμινίου. Έλαβε χώρα ανάλυση των μηχανισμών διάβρωσης και φθοράς ολίσθησης για τα μελετώμενα κράματα Al-Co.