Ανάπτυξη μεθόδου παραγωγής αφρών αλουμινίου με χρήση τεχνολογίας με τριβή και ανάδευση (friction stir processing)

Abstract

Metal foams that are based on lightweight metals and especially aluminum and its alloys constitute a promising family of materials for structural elements in many sectors, due to an unusual combination of properties that they offer, such as high stiffness at low density, high impact energy absorption capacity at low stresses and good damping properties. Metal foams are expected to be used mainly as components in automotive, aerospace and marine industries, where the large strength and stiffness to weight ratios and the safety are crucial issues. Therefore, the production and characterization of these composite materials have become an interesting and popular research topic. Worldwide, there is a significant number of ongoing research projects aiming at cheaper and more standardized production of metal foams with high quality, because of their ever-increasing applications. Nevertheless, the applicability of metal foams remains limited. In order to promote the use of metal foams in the industrial sector, it is of great importance to introduce a low-cost, environmentally friendly manufacturing process, with high productivity. Friction stir process (FSP) is a surface modifying technique which involves the generation of friction heat and intense plastic flow. During FSP a rotating tool with pin and shoulder is inserted in a single piece of material for microstructural modification and traversed along the desired line to cover the region of interest. FSP was developed from the basic principles of friction stir welding (FSW), which is a solid-state bonding process. The main goal of the present research is to produce composite metal matrix foams on localized regions on a single aluminum plate. To accomplish this, a single groove has been machined on the aluminum plate and has been uniformly filled with a premixed mixture of foaming (TiH2) and stabilizing/reinforcing (nano γ-Al2O3) particles. FSP passes were then carried out sequentially in the same direction for the integration of the particles on the aluminum alloy metal matrix. The precursor specimens were afterwards placed in a laboratory furnace for the foaming process. The microstructure evolution of the optimum specimens during the foaming process were investigated by the use of Optical Microscopy (OM), Electron Backscatter Diffraction (EBSD) and Scanning Electron Microscopy (SEM), X-ray Diffraction (XRD), Atomic Force Microscopy (AFM) techniques; these microstructural observations were used to correlate the microhardness distribution for precursors and foamed specimens to the fabricating conditions. For the investigation of the mechanical properties, large reinforced foamed specimens were manufactured using the FSP process into multiple grooves. The large specimens were subjected to uniaxial compressive tests. From the stress-strain curves the plastic collapse stress (plateau stress), the onset strain of densification, the specific modulus of elasticity and the energy absorption by volume for 15%, 25% and 50% strain were obtained.

Οι μεταλλικοί αφροί που βασίζονται σε ελαφρά μέταλλα και ειδικά στο αλουμίνιο και στα κράματά του αποτελούν μια πολλά υποσχόμενη οικογένεια υλικών, με εφαρμογές ως δομικά στοιχεία σε πολλούς βιομηχανικούς τομείς, εξαιτίας ενός ασυνήθιστου συνδυασμού ιδιοτήτων που προσφέρουν, ιδιότητες όπως υψηλή δυσκαμψία σε χαμηλή πυκνότητα, μεγάλη ικανότητα απορρόφησης ενέργειας σε χαμηλές τιμές τάσεων, καθώς και υψηλή απόσβεση κραδασμών. Οι μεταλλικοί αφροί αναμένεται να χρησιμοποιηθούν ως δομικά εξαρτήματα στην αυτοκινητοβιομηχανία, στην αεροδιαστημική και στη θαλάσσια βιομηχανία, όπου η μεγάλη αντοχή και η δυσκαμψία ως προς το βάρος είναι κρίσιμα ζητήματα. Επομένως, η παραγωγή και ο χαρακτηρισμός αυτών των σύνθετων κυψελοειδών υλικών αποτελούν ένα ενδιαφέρον και δημοφιλές ερευνητικό αντικείμενο. Την τελευταία δεκαετία υπάρχει ένας σημαντικός αριθμός ερευνητικών έργων που στοχεύουν στη φθηνότερη και πιο τυποποιημένη παραγωγή μεταλλικών αφρών υψηλής ποιότητας, λόγω των συνεχώς αυξανόμενων εφαρμογών τους. Ωστόσο, η εφαρμογή των μεταλλικών αφρών παραμένει περιορισμένη. Προκειμένου να προωθηθεί η χρήση μεταλλικών αφρών στο βιομηχανικό τομέα, είναι εξαιρετικά σημαντικό να εισαχθούν διαδικασίες κατασκευής χαμηλού κόστους, φιλικές προς το περιβάλλον, με υψηλή παραγωγικότητα. Η μέθοδος κατεργασίας δια τριβής με ανάδευση (Friction Stir Process, FSP) είναι μια τεχνική επιφανειακής τροποποίησης μεταλλικών υλικών που περιλαμβάνει την παραγωγή θερμότητας μέσω τριβής και την έντονη ροή υλικού μέσω πλαστικής παραμόρφωσης. Κατά τη διάρκεια του FSP, ένα περιστρεφόμενο εργαλείο με πείρο και περιαυχένιο εισάγεται σε ένα μεταλλικό υλικό και διασχίζοντας κατά μήκος την επιθυμητή περιοχή ενδιαφέροντος πραγματοποιεί τροποποίηση της μικροδομής. Η μέθοδος FSP αναπτύχθηκε από τις βασικές αρχές της συγκόλλησης δια τριβής μέσω ανάδευσης (Friction Stir Welding, FSW), η οποία είναι μια διαδικασία συγκόλλησης στερεάς κατάστασης. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναπτύχθηκε μια καινούργια μέθοδος παραγωγής μεταλλικών αφρών ενισχυμένων με νανοσωματίδια. Η μέθοδος στηρίζεται στην εφαρμογή της FSP για την εισαγωγή και ενσωμάτωση μίγματος κόνεων αφροποιητικού παράγοντα (TiH2) και ενισχυτικού παράγοντα (nano γ-Al2O3) σε πλάκα αλουμινίου κράματος AA5083-H111. Η προσθήκη του μίγματος κόνεων στην πλάκα κατέστη δυνατή ύστερα από την διάνοιξη αυλάκων κατά μήκος των δοκιμίων. Στην συνέχεια, μέσω ξεχωριστού σταδίου θερμικής κατεργασίας αφροποίησης, πραγματοποιείται η διάσπαση του ενσωματωμένου αφροποιητικού παράγοντα, με αποτέλεσμα τη δημιουργία πορώδους δομής. Με αυτήν τη μέθοδο είναι δυνατή η δημιουργία ενισχυμένων αφροποιημένων περιοχών σε μεταλλικές πλάκες/εξαρτήματα, βελτιώνοντας έτσι τοπικά τις επιθυμητές μηχανικές ιδιότητες. Αρχικά, πραγματοποιήθηκαν πειράματα εύρεσης των παραμέτρων που οδηγούν σε μια βέλτιστη πορώδη δομή. Ο χαρακτηρισμός της δομής πραγματοποιήθηκε μακροσκοπικά με χρήση οπτικών μεθόδων. Στην συνέχεια, πραγματοποιήθηκε εκτενής μεταλλογραφικός έλεγχος τόσο στα βελτιστοποιημένα αφροποιημένα δοκίμια, όσο και στα αντίστοιχα πρόδρομα δοκίμια (δοκίμια πριν το στάδιο της αφροποίησης), με σκοπό τη συσχέτιση της επίδρασης των χαρακτηριστικών της ζώνης ανάδευσης στην τελική πορώδη δομή. Για τον μεταλλογραφικό χαρακτηρισμό των δοκιμίων χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές οπτικής μικροσκοπίας (OM), ηλεκτρονικής μικροσκοπίας (SEM), μικροσκοπίας ατομικών δυνάμεων (AFM), περίθλασης ακτίνων-Χ (XRD) και περίθλασης οπισθοσκεδαζόμενων ηλεκτρονίων (EBSD). Επιπλέον, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις μικροσκληρότητας, οι οποίες συσχετίστηκαν με τα αποτελέσματα του μεταλλογραφικού χαρακτηρισμού. Η περαιτέρω μελέτη των μηχανικών ιδιοτήτων των παραχθέντων μεταλλικών αφρών δεν ήταν δυνατό να πραγματοποιηθεί σε μικρές τοπικές περιοχές, γι’ αυτό δημιουργήθηκαν σε δεύτερη φάση με την ίδια μέθοδο ενισχυμένοι μεταλλικοί αφροί μεγάλης επιφάνειας, στους οποίους πραγματοποιήθηκαν στατικές δοκιμές θλίψης. Από τα αποτελέσματα των πειραμάτων της μονοαξονικής θλίψης υπολογίστηκε η κρίσιμη τάση (τάση πλατώ), η τιμή παραμόρφωσης έναρξης της πύκνωσης, το ειδικό μέτρο ελαστικότητας, καθώς και ο βαθμός απορρόφησης ενέργειας κατ’ όγκο για χαρακτηριστικές τιμές παραμόρφωσης.