An'anaviy alyuminiy ko'pikli sendvich paneli bilan solishtirganda mis yotqizilgan uglerod tolali alyuminiy ko'pikli sendvich panelning ishlash xususiyatlari

Alyuminiy ko'pikli sendvich(AFS) panellari past zichlik, yuqori o'ziga xos kuch, qulay energiyani yutish, damping qobiliyati va elektromagnit ekranlash kabi tizimli va funktsional xususiyatlarning kombinatsiyasiga ega. Ushbu ajoyib xususiyatlar AFSni aerokosmik, transport va dengiz sohalarida katta salohiyatga ega qiladi. Zo'rg'a metall ko'piklar bilan solishtirganda, AFS ning tashqi metall plitalari ko'pikni samarali tarzda yopishi va uning keng qamrovli mexanik xususiyatlarini yaxshilashi mumkin, masalan, valentlik va egilish kuchi. Odatda, AFS yopishtiruvchi bog'lash usuli bilan ishlab chiqarilgan, bu alyuminiy ko'pikni epoksi qatronlar yopishtiruvchi yordamida qattiq metall panellarga biriktirishni o'z ichiga oladi.

Yopishqoq bog'lash usuli tizimli dampingni samarali ravishda kuchaytirsa-da, u cheklovlar bilan birga keladi, jumladan, qayta ishlashdagi qiyinchiliklar va yuqori harorat yoki korroziy sharoitlarda delaminatsiyaning buzilishiga moyillik. Ushbu cheklovlarni bartaraf etish uchun panel va yadro qatlami o'rtasidagi metallurgiya bog'lanishiga erishish uchun keng ko'lamli tadqiqot ishlari olib borildi.

Hozirgi vaqtda metallurgiya bog'lanishiga erishishga qaratilgan AFSni tayyorlashning asosiy usullari odatda uchta toifaga bo'linadi: payvandlash, eritilgan ko'piklash va o'rash kukunli metallurgiya usuli. Ushbu usullar orasida g'ovak tuzilishini nazorat qilish va past haroratli ko'piklanishga erishish uchun qadoqlash prokatli kukunli metallurgiya usuli ustun hisoblanadi. Bizning oldingi ishimiz sanoat ilovalari uchun yaxshi kengaytirish xususiyatlari va uyali tuzilishga ega bo'lgan katta o'lchamli AFSni ishlab chiqarish uchun ushbu texnologiyadan foydalangan.

Biroq, ko'pikli yadroning nisbatan past bosimli mexanik xususiyatlari tufayli, AFSning mexanik mustahkamligini yaxshilash cheklangan, shuning uchun ko'pik yadrosining mustahkamligini yanada yaxshilash AFS uchun juda muhimdir.

Bugungi kunga kelib, siqish mexanik xususiyatlarini yaxshilash uchun umumiy usullar xabar qilinganalyuminiy ko'pikquyidagilardan iborat: sirtga ishlov berish, issiqlik bilan ishlov berish va zarrachalar, tolalar, qotishma elementlar va boshqalarni qo'shish orqali mustahkamlash. Ular orasida past zichlikli, yuqori elastik modulli va katta nisbatli qisqa uglerod tolalari istiqbolli mustahkamlovchi materiallar sifatida keng e'tiborni tortdi. Bundan tashqari, uglerod tolalarini elektrokaplama yoki kimyoviy qoplama, masalan, mis qoplama yoki nikel qoplamasi orqali sirt metallizatsiyasi alyuminiy eritmasidagi uglerod tolalarining namlanishini yanada yaxshilaydi va uglerod tolalari va alyuminiy eritmasi o'rtasidagi zararli interfeys reaktsiyalarini oldini oladi. Qisqa uglerod tolasi hozirda alyuminiy matritsali kompozitlarni mustahkamlash uchun keng qo'llaniladi.

Bhav Singhetal. tayyorlangan mis qoplangan uglerod tolalari alyuminiy matritsali kompozitlarni aralashtirib quyish usuli bilan mustahkamladi. Muetal. ikki rulonli quyish usuli yordamida nikel bilan qoplangan uglerod tolalari bilan mustahkamlangan ishlab chiqarilgan alyuminiy matritsali kompozitlar. Natijalar uglerod tolalari qo'shilishi bilan kompozitlarning kuchlanish kuchini sezilarli darajada oshirishni ko'rsatdi. Biroq, bu borada cheklangan tadqiqotlar olib borildialyuminiy ko'pik bilan mustahkamlanganmis bilan qoplangan uglerod tolalari bilan. Kaoetal. birinchi tayyorlangan mis qoplangan uglerod tolalari alyuminiy ko'pikni eritish ko'piklash usuli orqali mustahkamladi. Natijalar shuni ko'rsatadiki, 0,35 vol% Cf suyuq plyonka yorilishining oldini olish orqali alyuminiy ko'pikni barqarorlashtirishi mumkin va ko'pikka qo'shilgan tolalar miqdori qanchalik barqaror bo'ladi. Muetal. eritilgan ko'piklash usuli bilan tayyorlangan alyuminiy ko'pikning damping xususiyatlari Cf qo'shilishi bilan sezilarli darajada yaxshilanganligini ko'rsatdi.

Shunga ko'ra, Cf qo'shilishi ko'pikning barqarorligini va mexanik xususiyatlarini bir vaqtning o'zida yaxshilash uchun samarali strategiya bo'lishi mumkin degan xulosaga kelish mumkin.alyuminiy ko'piklar. Bundan tashqari, chang metallurgiya usuli bilan tayyorlangan mis bilan qoplangan uglerod tolalari bilan mustahkamlangan alyuminiy ko'pikli sendvich panellar haqida hech qanday ma'lumot yo'q, bu tadqiqotchilarni ushbu sohada chuqurroq tadqiqotlar olib borishga undaydi.

ning yadrolanish mexanizmi va barqarorligi bo'yicha ko'plab tadqiqotlar o'tkazildialyuminiy ko'piklarmustahkamlash bosqichlari qo'shilishi bilan. Teshiklar soni va gözenek morfologiyasidagi farqlar,

hajmi, taqsimlanishi va shakli kabi, odatda yadrolanish mexanizmlari va barqarorligi bilan bog'liq. Kukunli metallurgiya tizimida geterogen yadrolanish ta'siri va oksid tarmog'ini barqarorlashtirish mexanizmlari to'liq o'rganildi. Ushbu maqolada ishlatilgan Al-Si-Mg-Cu dan tashkil topgan to'rtlamchi qotishma kukunlari ajoyib kengayish tezligi va past ko'piklanish haroratini ko'rsatdi, qattiq harorat 507 ◦C va suyuqlik harorati 596 ◦C. Shunga qaramay, ushbu maxsus qotishma tarkibini o'z ichiga olgan kukunli ixchamlarning yadrolanish mexanizmi, barqarorligi va siqish mexanik xususiyatlari bo'yicha tadqiqotlar etishmasligi mavjud, ayniqsa Cf. Oldingi ishlarda yadrolanish va stabilizatsiya mexanizmlarini o'rganish asosan ko'piklanish uzilishidan keyin tez sovutilgan namunalarning tomografik tahlilini o'z ichiga olgan in situ usullari orqali amalga oshirildi. Afsuski, submikron pufakchalari yadrolari birinchi navbatda prekursorni isitish vaqtida yuzaga keladi va 100 ms dan 1 sekundgacha bo'lgan vaqt oralig'ida tez kengayadi va ko'pincha real vaqt rejimida kuzatish uchun qiyinchiliklar tug'diradi. Zamonaviy sinxrotronli nurlanish rentgenogramma texnikasi yuqori energiya va fazoviy-vaqtinchalik aniqlikka ega bo'lib, yuqori haroratlarda alyuminiy ko'piklarining yadrolanishi va o'sish jarayonini real vaqt rejimida kuzatish imkonini beradi. Hozirgi vaqtda faqat cheklangan tadqiqotchilar sinkrotron nurlanishi bilan Al-Si-Mg qotishma kukunining ko'pikli kinetikasini o'rgandilar. Masalan, Garsiya-Morenoetal. suyuq alyuminiy ko'pikdagi muhim dinamik hodisalar, jumladan yadrolanish va o'sish, qabariqni qayta tashkil etish, suyuqlikni tortib olish, aglomeratsiya va kino yorilishi haqida xabar berdi. Kamm va boshqalar. sinxrotron nurlanishi bilan AlSi8Mg4 alyuminiy ko'pikining yadrolanishi va o'sish jarayonini o'rgandi. Ularning topilmalari shuni ko'rsatdiki, metall kukunlari yuzasida adsorbatlarning parchalanishi natijasida hosil bo'lgan vodorod yana bir muhim yadrolanish mexanizmidir. Shunga qaramay, prekursor tarkibiy qismlarining o'zaro ta'siri murakkab va ko'piklanish dinamikasiga ularning tarkibi ta'sir qilishi mumkin. Al-Si-Cu-Mg kukunlari tizimi va Cf qo'shilgan Al-Si-Cu-Mg kukunlari tizimi uchun metall ko'pikning boshlanishi va o'sishini tushunish va o'rganish xususiyatlarni yaxshilash uchun ko'pikning keyingi tarkibiy rivojlanishi uchun juda muhimdir. ilovalar uchun.

Ushbu ishda Cf/AFS va AFS metallurgiya o'zaro bog'lanishi bilan o'rash prokatli kukunli metallurgiya usuli bilan tayyorlangan. Cf/AFS va AFS pufakchalarining evolyutsiyasi sinxrotron nurlanishi orqali in situ kuzatildi, bu Cf ning pufak yadrolanishi, o'sishi va qo'shilishi va barqarorligi mexanizmini ochib beradi. Bundan tashqari, Cf/AFS va AFS kamerali pechda 15 daqiqa davomida 620 ◦C da ko'piklangan. Keyinchalik, ko'pikli namunalarning g'ovak o'lchamlari taqsimoti, g'ovak mikro tuzilishi va siqish mexanik xususiyatlari tavsiflandi va sinovdan o'tkazildi. Yuqorida aytib o'tilgan tadqiqotlarga asoslanib, Cf / AFS va AFS ning tuzilishi va bosim kuchi tizimli ravishda baholandi.

2. Materiallar va usullar

2.1. Xomashyo

AFS va Cf/AFS ni tayyorlash uchun oltita xom ashyo ishlatilgan: Al kukuni (o‘rtacha hajmi: 45 mkm, tozaligi >99,70%), Si kukuni (o‘rtacha hajmi: 38 mkm, tozaligi >99,50%), Cu kukuni (o‘rtacha hajmi: 38 mkm, tozaligi >99,90%), Mg kukuni (o'rtacha hajmi: 75 mkm, tozaligi) >99,70%), TiH2 kukuni (o'rtacha hajmi: 45 mkm, tozaligi >99,70%) va mis bilan qoplangan uglerod tolasi (o'rtacha hajmi: 1～2 mm, mis qoplangan qalinligi: 1,4 mkm).

2.2. Cf/AFS ishlab chiqarish

Qadoqlash prokatining kukunli metallurgiya usulining sxemasi tasvirlangan1-rasm. Aralashtirish bosqichida to'rtlamchi qotishma AlSi6Mg4Cu4 kukuni tayyorlangan bo'lib, Al, Si, Cu va Mg kukunlari mos ravishda og'irligi 86%, og'irligi 6%, og'irligi 4% va 4 og'irlikda. Og'irligi 1% oksidlangan TiH2 kukuni (havoda 1,5 soat davomida 470 ◦C da issiqlik bilan ishlov berish) eritmani kengaytiradigan eritma haroratida H2 ni tez chiqaradigan puflovchi vosita sifatida qo'shildi. Bundan tashqari, uglerod tolalarining 0,5% og'irligi mustahkamlovchi fazalar sifatida kiritilgan. Ta'kidlash joizki, ko'piklanish jarayonida tola-alyuminiy eritmasi interfeysida namlanishni kuchaytirish va Al4C3 kabi zararli reaktsiyalarning oldini olish uchun uglerod tolalari elektrokaplama orqali mis bilan qoplangan. Elektrokaplama jarayoni Refsda tasvirlangan.2-rasmelektrsiz qoplama jarayoni natijasida olingan mis bilan qoplangan uglerod tolalarini ko'rsatadi. Qoplama tolalar yuzasini bir xil va uzluksiz qoplaydi(2-rasm (a)–(b)). Keyinchalik, ushbu tadqiqotda foydalanilgan turli xil qotishma kompozitsiyalari yuqorida aytib o'tilgan kukunlarni Cf bilan va bo'lmagan holda uch o'lchovli mikserda 3 soat davomida yaxshilab aralashtirish orqali tayyorlangan. Bir xil aralashtirilgan kukun muhrlangan bo'shliqqa solinadi, so'ngra sovuq va issiq haddeleme protseduralari amalga oshiriladi.

Sovuq haddeleme bosqichi havoni bo'shliqlar ichidan va zarralar orasidagi oraliq bo'shliqlardan bir qator ko'p o'tishlar va kichik chuqurliklar orqali samarali ravishda evakuatsiya qiladi. Issiq haddeleme bosqichi panel va kukunning birgalikda deformatsiyasi orqali prekursorning 98% dan ortiq nisbiy zichlikka erishishini ta'minlaydi, bu esa keyingi ko'piklanish jarayonini osonlashtiradi. Batafsil prokat jarayoni parametrlari Refsda tasvirlangan. AFS va Cf/AFS ko'pikli prekursorlari yuqorida aytib o'tilgan jarayon orqali olinadi. Oxir-oqibat, har ikkala ko'pikli prekursorlar gözenek hajmini tahlil qilish, mikrostrukturani tavsiflash va siqilish mexanik xususiyatlarini sinovdan o'tkazish uchun ishlatiladigan Cf/AFS va AFS namunalarini yaratish uchun 15 daqiqa davomida 620 ◦C da qizdirildi.

2.3. Belgilash va sinov usullari

2.3.1. Mikrostruktura xarakteristikasi

Cf/AFS va AFS ning mikrostruktura morfologiyasi dala emissiyasini skanerlovchi elektron mikroskop (SEM, Zeiss Ultra Plus) yordamida tekshirildi. Energiya dispersiv spektroskopiyasi (EDS) ko'pikli namunalarning hujayra devoridagi turli fazalar tarkibini aniqlash uchun ishlatilgan. Namunalarning uzunlamasına bo'laklari ko'pikli namunalarni elektr zaryadsizlantirish mashinasi (EDM, DK7745) yordamida kesish orqali olingan. Shundan so'ng, namunalarning bo'ylama qismlari bo'yoq bilan qoplangan, so'ngra mos ravishda 800 va 1500 gritli zımpara yordamida silliqlangan va silliqlangan. Oxir-oqibat, silliqlangan namunaning kesmasining ekvivalent hujayra diametrlari (Dmean) tasvirni tahlil qilish dasturi, Image Pro Plus 6.0 yordamida aniqlandi.

1-rasm.Qadoqlash prokatli kukunli metallurgiya usulining sxemasi.

2-rasm.(a) mis bilan qoplangan uglerod tolalarining SEM tasvirlari va (b) (a) da qizil kvadrat bilan belgilangan hududning kattalashtirilgan ko'rinishini ko'rsatadi. Rasmlar (c) va (d) (b) dagi A nuqtaning EDS natijalaridir.

3-rasm.Sinxrotron nurlanish tajribasini o'rnatishning sxematik diagrammasi.

2.3.2. Sinxrotron nurlanishi bilan in-situ ko'pikli kuzatishlar

Sinxrotron nurlanish tajribasini o'rnatish sxematik diagrammasi chizilgan3-rasm. Tajribalar Pekin Sinxrotron radiatsiya inshootining (BSRF, Pekin Oliy energiya fizikasi instituti, Xitoy Fanlar akademiyasi, Xitoy) 4W1A nurlanish chizig‘ida o‘tkazildi. An'anaviy yutilish-kontrastli tasvirlashdan farqli o'laroq, bu qog'oz Sinxrotron nurlanish yorug'lik manbai bilan fazali kontrastli tasvirdan foydalanadi. Ushbu yondashuv an'anaviy assimilyatsiya ko'rishning cheklovlarini ko'rib chiqadi, bu zaif yutuvchi moddalarni ko'rish uchun samarasizdir. Namunalarni ko'piklash jarayoni rentgen nurlari yo'nalishiga perpendikulyar joylashgan 15 mm dan 15 mm gacha kvadrat oynani o'z ichiga olgan maxsus mo'ljallangan ko'pikli pechda amalga oshirildi. Namuna o'lchami, 3-rasmda ko'rsatilganidek, 15 mm × 15 mm × 2 mm. Namuna ma'lum miqdordagi keramik plitalardan iborat ko'pikli qolipga joylashtiriladi. Ko'piklanish jarayonida rentgen nurlari namunadan o'tishi mumkin va zaryadlangan qurilma (CCD) kamerasi tomonidan ushlanadi. Tanlangan rentgen nurlari manbai 20 Kev intensivlikda ishladi va butun ko'piklanish jarayonini har tomonlama kuzatish uchun maksimal 7,4 mm × 7,4 mm ko'rish o'lchamidan foydalanildi.

Shuni ta'kidlash kerakki, kuzatilgan namunalar aylanma yo'nalishga ham, tangensial yo'nalishga ham perpendikulyar tarzda joylashtirilgan. 0,5 wt% Cf va 0,5 wt% Cf bo'lmagan prekursorlarning ikkala tomoni EDM yordamida namunalarning har ikki tomonidan yon panellari olib tashlangan. Cf ning alyuminiy ko'pikning ko'piklanish xususiyatlariga ta'siri o'rganildi. Bundan tashqari, turli xil tarkibga ega bo'lgan prekursorlar bir xil isitish pechida oldindan belgilangan 620 ◦C haroratda ko'piklangan.

2.3.3. Siqish mexanik xususiyatlari sinovi

Siqilish namunalari EDM tomonidan balandligi 23 mm va diametri 20 mm bo'lgan silindrsimon namunalarga kesilgan va har bir yo'nalishda o'lcham ta'siridan qochish uchun kamida 10 ta to'liq g'ovak bo'lishi ta'minlangan. Kvazistatik siqish sinovlari ISO13314–2011 va GB/T31930–2015 standartlariga muvofiq, maksimal yuk koʻtarish quvvati 100 KN boʻlgan AG-XPLUS elektron universal material sinov mashinasi yordamida oʻtkazildi. Har bir guruh uchun uchta namuna sinovdan o'tkazildi va ushbu maqoladagi bosim kuchlanish-deformatsiya egri chiziqlari uchta sinovdan o'tgan namunadan olingan o'rtacha natijalarni ifodalaydi. Barcha sinovlar xona haroratida 2 mm/min (dastlabki kuchlanish tezligi 10−3 s−1 ga toʻgʻri keladi) doimiy oʻzaro faoliyat tezligini saqlab, joy almashish nazorati ostida oʻtkazildi.

4-rasm.Cf/AFS ko'piklanish jarayonining vaqt bo'yicha rivojlangan sinxrotron nurlanish tasvirlari: (a) 380 ◦C t0 momentida ko'piksiz prekursor; (b) – (c) elementar misning erishi va prekursorning erishi paytida II turdagi yadrolanish; (d) – (g) pufakchalarning geterogen yadrolanishi va o‘sish jarayonlari; va (h) – (i) pufakchalarning birlashishi va yorilishi.

3. Natijalar va muhokama

3.1. Sinxrotron nurlanishi ostida in situ ko'piklanish harakati

3.1.1. Cf/AFS ning ko'pik evolyutsiyasi

4-rasmCf/AFS ning ko'piklanish jarayonini tasvirlaydigan bir qator sinxrotron nurlanish tasvirlarini ko'rsatadi. Cf/AFS ning asl tasvirlari(4-rasm (a))matritsa 380 ◦C da qattiq holatda bo'lganida ushlandi va bu vaqt t0 sifatida o'rnatildi. Prekursorning boshqa komponentlari bilan taqqoslaganda, Cf asosan kulrang alyuminiyga boy matritsada qora ko'rinadi. Buni yuqorida ko'rsatilganidek, tolalar yuzasida yuqori mis miqdori bilan bog'lash mumkin2(c)–(d)-rasm, bu prekursorning boshqa tarkibiy qismlariga nisbatan eng katta nisbiy atom massasiga ega. Bundan tashqari, Cf ning ko'p qismi bir joyga to'plangan emas, balki tarqoq va alohida bo'lishi kuzatiladi.4(a)-rasm. Bu shuni anglatadiki, 0,5 g% Cf qo'shilishi bilan 3 soat aralashtirish jarayoni istalgan dispersiya holatiga samarali erishish mumkin.

t0+194s da (ko'rsatilgandek4(b)-rasm), kulrang alyuminiy matritsada (qizil o'q bilan belgilangan) diametri 90 mkm dan 180 mkm gacha bo'lgan juda ko'p oq, deyarli sharsimon pufakchalar kuzatilishi mumkin. Ko'rsatilgandek, pufakchalar soni 46 soniya ichida o'sishda davom etdi4(c)-rasm. Bundan tashqari, matritsada ro'y berayotgan yana bir e'tiborga molik o'zgarish shundaki, Cu eritmalarining boshlanishi bilan Cf yuzasida ba'zi kichik pufakchalar paydo bo'ladi (qizil nuqta bilan belgilangan). Bu hodisa mis o'z ichiga olgan kukunli ixcham ichida sodir bo'lgan II turdagi yadrolanish bilan bog'liq. Cu qo'shilishi qotishmalarning erish haroratini sezilarli darajada kamaytirishi keng e'tirof etilgan. Bu isitish jarayonida mis kukunini o'z ichiga olgan kukun prekursoridagi alohida kukun zarralari atrofida lokal erishga olib keladi va past haroratlarda katta miqdorda Al-Si-Mg-Cu to'rtlamchi evtektik eritma hosil qiladi. To'rtlamchi evtektik eritmalar hovuzi qotishmadagi zaif hudud bo'lib, yadrolanishga ko'proq moyil bo'ladi. Natijada, pufakchalar ko'proq yadro hosil qiladi va tolalar yuzasida mis bilan qoplangan yaqin joyda o'sadi. Bundan tashqari, hozirgi vaqtda matritsadagi past suyuqlik fraktsiyasi TiH2 parchalanishidan gazlarning alyuminiy matritsada osongina to'planishiga olib keladi. II turdagi yadrolanish to'plangan gazning past suyuqlik fraktsiyasi matritsasini ajratishga va suyuqlik orqali yoriqlarni ko'paytirishga samarali ta'sir qilishi mumkin, bu esa vodorod miqdorini jiddiy yo'qotishiga olib keladi.

4(d)-rasmpufakchalar dastlab yadro hosil bo'lishini va matritsa to'liq erishi natijasida Cf hududida o'sib borishini ko'rsatadi va pufakchalar yo'qolib borayotgan mis qoplamali qatlamga to'g'ri keladi (qizil nuqta bilan belgilangan). Ikkilamchi fazalarning qo'shilishi heterojen yadrolanish joylari sonini ko'paytirishi va shu bilan qotishma eritmasida yangi pufakchalar paydo bo'lishi uchun energiya to'sig'ini kamaytirishi yaxshi tasdiqlangan. Shu bilan birga, yadrolanish tezligi birlik hajmdagi umumiy heterojen yadrolanish maydoniga bog'liq. Shunday qilib, pufakchalar dastlab uglerod tolalari joylashgan joylarda yadro hosil qilishini va uglerod tolasi uzunligi bo'ylab kengayishini kuzatish mumkin. Eritma fraktsiyasining yanada ortishi bilan ko'plab yangi pufakchalar paydo bo'lishda davom etmoqda4(e)–4(g)-rasm. Shu bilan birga, pufakchalarning mahalliy qo'shilish va yorilish tezligi sekin, bu pufakchalar yuqori barqarorlikka ega ekanligini ko'rsatadi. t0+426s da pufakchalar soni sezilarli darajada oshadi va

prekursor hajmi katta kengayishni namoyon qiladi(4-rasm (h)). Bundan tashqari, ba'zi pufakchalarning birlashishi (qizil o'q bilan belgilangan), bu erda Ostvaldning etukligi tufayli kichik pufakchalar kattaroqlari tomonidan so'riladi, bu metall ko'piklar evolyutsiyasi jarayonida muqarrar jarayondir [40]. Ushbu kamolot hodisasi, shuningdek, kichik miqdordagi katta va tartibsiz pufakchalarning paydo bo'lishiga olib keladi (qizil o'q bilan belgilangan4(i)-rasm).

5-rasm.Turli bosqichlarda AFS ning ko'piklanish jarayonining vaqt bo'yicha rivojlangan tasvirlari: (a) 380 ◦C t0 momentida eritilmagan prekursor; (b) elementar misning erishi va prekursorning erishi paytida II turdagi yadrolanish; v) pufakchalarning yadrolanish va o'sish jarayonlari; va (d) – (f) pufakchalarning birlashishi va yorilishi.

3.1.2. AFSning ko'pikli evolyutsiyasi

5-rasmda AFS ning ko'piklanish jarayonini aks ettiruvchi bir qator sinxrotron nurlanish tasvirlari ko'rsatilgan. Cf/AFSga o'xshab, sinxrotron nurlanish ketma-ketligining dastlabki tasviri AFS 380 ◦C da qattiq fazada bo'lganida olingan (qarang.5(a)-rasm). Matritsa solidus haroratidan yuqori qizdirilganda kichik oq pufakchalar paydo bo'ladi5(b) va (c)-rasm, TiH2 ning parchalanishi va Cu ga boy mintaqada II turdagi yadrolanishning paydo bo'lishi natijasida. Biroq, hosil bo'lgan pufakchalar soni va ularning tarqalish zichligi5-rasm (c)bilan solishtirganda sezilarli darajada past4(c)-rasm. Bu shuni ko'rsatadiki, Cf/AFS yadrolanish jarayonida gazni erta chiqarish uchun ko'proq kanallarni ta'minlaydi va alyuminiy matritsada past suyuqlik fraktsiyali yoriqlar paydo bo'lishining oldini oladi.

AFS yadrolanish joylarining kamroq soni va Cf/AFS bilan solishtirganda g'ayritabiiy qabariq o'sishi ehtimoli yuqoriroq.5(d)–(f)-rasm. AFS pufakchalarining evolyutsiyasi tartibsiz bo'lib, ularning o'lchamlari mikrometr o'lchamdagi pufakchalar va g'ayritabiiy millimetr o'lchamdagi katta pufakchalar (qizil o'q bilan belgilangan) birgalikda mavjudligi sababli keng tebranishlarni ko'rsatadi. Bundan tashqari, erta yadrolanish jarayonidagi bu beqarorlik va bir xillik AFS va Cf / AFS o'rtasidagi yakuniy gözenek tuzilishi va mexanik xususiyatlarda sezilarli farqlarga olib kelishi mumkin.

3.2. Makrostruktura tahlili

Makroskopik gözenek morfologiyasi va AFS va Cf / AFS o'rtasidagi gözenek diametridagi farqlarni o'rganish uchun laboratoriya sharoitida 620 ◦C ko'pikli haroratda 15 daqiqa davomida ikkita sendvich tuzilma tayyorlandi. AFS va Cf/AFS ning makro tuzilmalari va hujayra o'lchamlari taqsimoti ko'rsatilgan6-rasm. Ikki sendvich tuzilma namunalarining vertikal qismlarini taqqoslash shuni ko'rsatadiki, Cf/AFS ko'piklari nozik hujayralarga ega va hujayralarning yorilishi yoki birlashishi kabi kamroq nuqsonlarga ega (qarang.6-rasm (b)). Aksincha, rasmda ko'rsatilganidek6(a)-rasm, AFS ba'zi g'ayritabiiy darajada katta gözenekler mavjudligi bilan yomon gözenek bir hilligini ko'rsatadi. Shu bilan birga, AFS va Cf/AFS uchun ekvivalent gözenek diametri mos ravishda 2,9 ± 0,2 mm va 1,9 ± 0,1 mm bo'lib, bu teshik diametri Cf qo'shilishi bilan yanada aniqlanganligini ko'rsatadi (qarang.6(c) va (d)-rasm).

Teshik tuzilishining evolyutsiyasiga ikkita raqobat mexanizmi ta'sir qiladi: TiH2 ning parchalanishi va ko'pikning birlashishi va yorilishi. TiH2 ning parchalanishi yadrolanish soni, g'ovaklik va kengayish tezligining oshishiga yordam beradi, pufakchalarning birlashishi va yorilishi esa teshiklar sonini kamaytiradi va teshiklarning diametrini oshiradi. Pufakchalarning birlashishi va yorilishi hodisalarining kamayishi yaxshi hujayra tuzilishini olishga yordam beradi. Demak, ko'pikning yuqori barqarorligi ko'piklanish jarayonida g'ovak strukturasining bir xilligini saqlash uchun zarurdir. Cf/AFS uchun Cf qo'shilishi alyuminiy eritmasi bilan tolalarning namlanishini sezilarli darajada yaxshilaydi. Eritma ko'piklash usuli bilan tayyorlangan Cf mustahkamlangan alyuminiy ko'pik [44] ga o'xshab, Cf qo'shilishi hujayra devorining yorilishining oldini olish va aglomeratsiyani kamaytirish orqali alyuminiy ko'pikni barqarorlashtiradi. Ayni paytda, Cf hujayra devorida to'rga o'xshash tuzilmani yaratishi mumkin, bu ajratish kuchini hosil qiladi va pufakchalarning yorilishining oldini oladi, shu bilan hujayra tuzilishini, ko'pikning barqarorligini va gözenek taqsimotining bir xilligini yaxshilaydi.

3.3. Mikrostruktura xarakteristikasi

7(a)-rasmAFS bilan ko'piklangandan keyin hujayra devorining mikro tuzilishini ko'rsatadi. AlSi6Cu4Mg4 qotishma ko'piklari uchun xabar qilinganidek, qotishmada evtektik Al-Si, Mg2Si, Al2Cu va Al5Cu2Mg8Si6 mavjud bo'lib, bu EDS tahlilidan olingan natijalarga mos keladi.7(b)-rasm. Ushbu mo'rt fazalar alyuminiy ko'pikning mexanik xususiyatlarini pasaytiradi, bu teshik devorini zaiflashtiradi yoki deformatsiya paytida yoriqlar manbai bo'lib xizmat qiladi. Shuning uchun, mustahkamlovchi bosqichlarni qo'shish orqali g'ovak devorining mexanik xususiyatlarini oshirish hayotiy va samarali strategiyadir.

Cf/AFS uchun uni dan kuzatish mumkin7(c)-rasm va (d)Cf hujayra devori ichida yoki hujayra devorining chetida taqsimlanganligi, Cf alyuminiy eritmasi bilan mukammal namlanish qobiliyatiga ega ekanligini ko'rsatadi. Bundan tashqari, u sezilarli (qarang7-rasm (d)) Al2Cu cho'kma fazasining oz miqdori tolalar va alyuminiy eritmasi orasidagi interfeysda hosil bo'ladi. Bu hodisa tolalar va matritsa o'rtasida mustahkam bog'lanishga erishishga yordam beradi. Ushbu diffuziya reaktsiyasining rivojlanishini intuitiv ravishda kuzatish mumkin4(a)–(c)-rasm. E'tibor bering, cho'kma bosqichi uglerod tolalarini to'liq o'rab olmaydi va bu taqsimotning holati va miqdori Cf/AFS uchun foydalidir. Lv va boshqalarning Cf mustahkamlangan alyuminiy matritsali kompozit materiallari bo'yicha o'rganishlari asosida cho'kma fazaning tegishli miqdori o'zaro bog'lanish kuchiga ta'sir qilishi va tartibga solishi mumkinligini ko'rsatdi.

6-rasm.Vakillik namunasining vertikal qismlari (a) AFS va (b) Cf/AFS. (a) va (b) ga to'g'ri keladigan ekvivalent diametrga nisbatan maydon ulushi mos ravishda (c) va (d) da tasvirlangan. (c) va (d) dagi qattiq uzluksiz chiziq log-normal moslikni ifodalaydi. Regressiya (R2) moslikning yaxshiligini ifodalaydi.

7-rasm.SEM tasvirlari (a) va (b) mos keladigan mikro tuzilmalarni ko'rsatadi6-rasm(a) AFS va6-rasm(b) mos ravishda Cf/AFS, bundan tashqari,7-rasm(b) va (d) mahalliylashtirilgan kattalashtirishni ko'rsatadi7-rasm(a) va (c) mos ravishda.

3.4. Al-Si-Mg-Cu ko'pikni barqarorlashtiruvchi Cf mexanizmi

Yuqorida aytib o'tilgan tahlilga asoslanib, Cf/AFS va AFS uchun ko'piklanish mexanizmining sxematik tasviri umumlashtiriladi.8-rasm. Nukleatsiya bosqichida, qabariq o'sishi va birlashish bosqichida va asta-sekin qotib qolish bosqichida Cf / AFS va AFS o'rtasidagi sezilarli farqlar, rasmda ko'rsatilgan.8(a) va (b)-rasm.

8-rasm.Cf/AFS va AFS ko'piklanish harakatining sxematik diagrammasi: (a) Cf/AFS; va (b) AFS.

AlSi6Cu4Mg4 qotishma ko'piklarining yadrolanish bosqichida pufakchalar TiH2 zarralari joylashgan joyda yadrolanish o'rniga mis zarralarini o'rab turgan suyuq to'rtlamchi evtektikada yadrolanishga moyil bo'ladi. Prekursorning eng zaif hududida (II turdagi yadrolanish) bu turdagi yadrolanish TiH2 parchalanishi natijasida chiqarilgan gazlar uchun ko'proq qochish kanallarini ta'minlaydi, gazlarning to'planishiga yo'l qo'ymaydi va alyuminiy eritmasida yoriqlar tarqalishiga olib keladi. Mis bilan qoplangan uglerod tolalarining qo'shilishi, ehtimol, H2 ni chiqarish uchun ko'proq kanallarni yaratadi. Biroq, alyuminiy eritmasida bu bosqichda etarli suyuqlik fraktsiyasi yo'qligi sababli, bunday kichik pufakchalar o'sishda davom etishi uchun H2 ning etarli manbasiga ega bo'lishi qiyin. Natijada, harorat ko'tarilishi bilan bu kichik pufakchalar eritma ichida yorilib ketadi. Prekursor to'liq eritilganda, TiH2 ning zo'ravon dehidrogenatsiya reaktsiyasidan ajralib chiqadigan H2 yadrolanadi va yadrolanish nuqtasiga qarab tez o'sadi. Cf pufakchalar paydo bo'lishi uchun ko'plab heterojen yadrolanish joylarini ta'minlaydi, bu yadrolanish tezligini sezilarli darajada oshiradi. Bir vaqtning o'zida Cf ning mavjudligi birlamchi pufakchalarning aloqasi va birlashishini samarali ravishda inhibe qiladi va anomal darajada katta pufakchalar paydo bo'lishining oldini oladi.

Pufakchalarning o'sishi va birlashishi bosqichida Cf qo'shilishi ko'pikning barqarorligini sezilarli darajada yaxshilaydi. Buning sababi shundaki, Cf va alyuminiy eritmasi yaxshi namlanadi va tolalar tarmoq strukturasini hosil qilish uchun ikkita gaz-suyuqlik interfeysi orasiga osongina ushlanishi mumkin (rasmda ko'rsatilganidek).7(c)-rasm). Suyuq plyonka yupqalashtirilganda, tolalar plato chegarasidan assimilyatsiya qilishga qarshilik ko'rsatish uchun ajratish bosimini hosil qilishi mumkin, bu esa suyuqlik plyonkaning yorilishining oldini oladi. Shunday qilib, Cf / AFS AFS bilan solishtirganda ko'proq vaqt talab qiladi, ko'pikning evolyutsiyasi paytida gözenek tuzilishining bir xilligini saqlab turishi mumkin bo'lgan yuqori barqarorlikka ega.

Sekin qotib qolish bosqichida Cf/AFSdagi pufakchalar endi o'smaydi va tolalar hujayra devoriga o'rnatiladi (qizil nuqta bilan belgilangan). Elyaflarning bunday tutilishi, Ostvaldning kamolotida ko'rinib turganidek, kichik pufakchalarning kattaroqlari tomonidan so'rilishini oldini oladi va qotib qolish kengayishi tufayli hujayra devorining yorilishiga to'sqinlik qiladi. Natijada, Cf/AFS AFS bilan solishtirganda bir hil gözenek tuzilishini va kamroq gözenek nuqsonlarini namoyish etadi.

3.5. Mexanik xususiyatlar

Deyarli bir xil g'ovaklikka ega Cf/AFS va AFS (mos ravishda 83,2% va 81,4%) bo'lgan siqilish kuchlanish-deformatsiya egri chiziqlari quyida keltirilgan.9(a)-rasm. Siqilish kuchlanish-deformatsiya egri chizig'i chiziqli elastik mintaqa, plato mintaqasi va zichlik mintaqasini o'z ichiga olgan aniq uch bosqichli xususiyatni ko'rsatadi. AFS va Cf/AFS ning siqilish rentabelligi mos ravishda 8,44 MPa va 11,87 MPa edi. Cf/AFS ning siqilish rentabelligi AFSga nisbatan 40,6% ga oshdi. Shu bilan birga, Cf / AFS ning energiyani yutish qobiliyati xuddi shu kuchlanishdagi AFS ga qaraganda yaxshiroq.9(b)-rasm. AFS va Cf/AFS ning energiyani yutish qobiliyati mos ravishda taxminan 3,3 MJ/m3 va 6,1 MJ/m3 ni tashkil qiladi. Cf/AFS ning energiyani yutish qobiliyati AFS bilan solishtirganda 84,8% ga yaxshilandi.

9-rasm.Cf/AFS va AFS ning siqilish kuchlanish-poezd egri chiziqlari va energiyani yutish qobiliyati egri chiziqlari: (a) siqish kuchlanish-poezd egri chiziqlari; (b) energiyani yutish qobiliyati egri chiziqlari.

Cf ning kiritilishi ko'pik yadrosining mexanik xususiyatlarini sezilarli darajada oshirdi. Ma'lumki, ning mexanik xususiyatlarialyuminiy ko'pikgözenek tuzilishi va strutning mexanik xususiyatlari bilan chambarchas bog'liq. Makrostrukturaviy tahlil shuni ko'rsatdiki, Cf qo'shilishi gözenek hajmini yaxshilagan, gözeneklerin taqsimlanishi yaxshilangan va gözeneklerin nuqsonlari kamaygan. Sasikumar va boshqalarning topilmalariga o'xshash. va Yangetal. kichik gözenek diametri va tor gözenek taqsimoti bosim kuchini va energiyani yutish samaradorligini oshirish uchun foydalidir. Bundan tashqari, mikro tuzilmaning ko'pikning mexanik xususiyatlariga ta'siri asosan ko'pikning gözenek devorlariga o'rnatilgan Cf ga bog'liq. Alyuminiy matritsadagi uglerod tolalarining mis bilan qoplangan diffuziyasi va erishi tolalar va alyuminiy matritsa o'rtasida yanada mustahkam o'zaro bog'lanishga erishish mumkin, bu esa yukni uzatishga yordam beradi. Teshik devoriga biriktirilgan yuqori modulli uglerod tolasi siqish yuki ostida g'ovak devorining deformatsiyasini cheklashi va yuk ko'tarish qobiliyatini yaxshilashi mumkin. Bu omillarning barchasi AFS bilan solishtirganda yuqori rentabellikga va energiyani yutish qobiliyatiga erishish uchun Cf/AFS ni qo'llab-quvvatlaydi.

4. Xulosalar

Bu ishda Cf/AFS va AFS qadoqlash prokatli kukunli metallurgiya usuli bilan tayyorlangan. Cf/AFS va AFS ning ko'piklanish harakati sinxrotron nurlanishi orqali dinamik ravishda kuzatilgan.

Cf ning pufakcha yadrolanishi va o'sishiga ta'sirini o'rganing. Bundan tashqari, alyuminiy ko'piklarning g'ovak morfologiyasi, g'ovak taqsimoti va siqilish xususiyatlari bo'yicha Cf to'liq tahlil qilindi. Asosiy xulosalar quyidagilardan iborat:

(1) Sinxrotron nurlanishi in situ kuzatuvlari shuni ko'rsatadiki, Cf / AFS va AFS ko'piklanish jarayonlari uchta alohida bosqichni ko'rsatadi: qabariq yadrolari, qabariq o'sishi va qo'shilishi va qotib qolish.

AFS bilan solishtirganda, Cf/AFS ning ko'piklanish jarayoni yuqori barqarorlik va qabariq bir xilligini namoyish etadi. AFS g'ovak evolyutsiyasi jarayonida g'ayritabiiy darajada katta va qo'pol teshiklarni hosil qilishga ko'proq moyil bo'ladi. Bundan tashqari, nomutanosiblik Cf ning heterojen yadrolanish ta'siri bilan bog'liq bo'lib, u pufakchalar devorining yorilishining oldini oladi va yadrolanish tezligini oshirganda birlashishni kamaytiradi.

(2) 0,5 wt.% Cf qo'shilishi ekvivalent gözenek diametrini 2,9 ± 0,2 mm dan 1,9 ± 0,1 mm gacha tozalaydi, qo'pol teshik nuqsonlarini sezilarli darajada kamaytiradi. Bir vaqtning o'zida mikroyapı Cf ning yaxshi namlanishini ochib beradi, bu esa g'ovak devori va gaz-qattiq interfeys bo'ylab taqsimlanadi va shu bilan ko'pikning barqarorligini oshiradi.

(3) AFS bilan solishtirganda, Cf / AFS ning siqilish rentabelligi va energiyani yutish qobiliyati mos ravishda taxminan 40,6% va 84,8% ga oshdi. Ushbu tadqiqot natijalari alyuminiy ko'pikli sendvich panellarni avtomobilsozlik va aerokosmik sanoat sohasida muhandislik dasturlari uchun potentsialga ega bo'lgan metallurgiya bog'lash interfeyslari bilan mustahkamlash bo'yicha g'oyalarni taqdim etishi mumkin.

Materials Research and Technology jurnalidan olingan maqola