خلاصه‌اي از توصيف اختراع - زمينه فني اختراع حاضر متالورژي – مواد نوين و كامپوزيت‌هاي اليافي مي باشد. - عنوان دقيق اختراع " توليد و مشخصه‌يابي كامپوزيت رشته‌اي و درجاي Al-AlxNiy از روش مذاب خوراني فعال" مي باشد. - كاربرد كامپوزيت‌هاي زمينه آلومينويم تقويت شده با تركيبات بين فلزي آلومينايد نيكل در صنايع هوا و فضا، صنايع توليد خودروهاي موتوري، صنايع نيروگاهي و توليد قطعاتي نظير پروانه‌ها، پره‌هاي توربين، پيستون‌ها و شير‌ها در موتورهاي ديزل مي‌باشد. - در اين اختراع، سيم‌هاي نيكل خالص با قطر 150 ميكرومتر و آلومينيم خالص تجارتي، جهت ساخت كامپوزيت‌هاي زمينه آلومينيم حاوي تركيبات بين فلزي آلومينايد نيكل به صورت درجا، استفاده شدند. به اين منظور پيش سازه‌هايي متشكل از 12 رشته سيم نيكل در داخل قالب فولادي طراحي شده به همين منظور قرار داده شدند و مذاب آلومينيم با دماي مناسب درون قالب ريخته شد. در اثر واكنش بين Al و Ni تركيبات بين فلزي AlxNiy در داخل زمينه به روش درجا ايجاد شدند. با تعيين شرايط و پارامترها، نظير استفاده از حوضچه مذاب، پيش‌گرم كردن قالب و حوضچه مذاب تا دماي °C770 و اعمال پوشش گرافيت بر ديواره قالب و بارريزي در دماي °C770، شرايط به نحوي بهينه سازي شد كه تركيبات بين فلزي حاصل، در راستاي سيم‌هاي اوليه قرار داده شده در قالب، به صورت اليافي در نمونه قرار بگيرند. همچنين از عمليات حرارتي براي تكميل فرايند واكنش بين آلومينيم و نيكل استفاده شد. بررسي‌هاي ريزساختاري توسط ميكروسكوپ‌هاي نوري و الكتروني انجام شد و آناليز فازي به كمك EDS انجام گرفت. جهت بررسي خواص استحكامي، فازهاي مختلف درون ريزساختار نمونه‌ها ميكروسختي سنجي شده و همچنين نمونه‌ها تحت آزمون كشش قرار گرفتند. كامپوزيت توليد شده و عمليات حرارتي شده در دماي °C625، مقادير مدول الاستيسيته 15/22 گيگاپاسكال، استحكام تسليم 83/30 مگاپاسكال، استحكام نهايي 99/76 مگاپاسكال، درصد ازدياد طول 66/32 و چقرمگي 56/230 كيلوژول بر مترمكعب را ارائه داد. مدول الاستيسيته و استحكام كششي نهايي اين كامپوزيت بالاتر از نمونه آلومينيم خالص مي باشد. كامپوزيت توليد شده و عمليات حرارتي شده در دماي °C645، مقادير مدول الاستيسيته 8/24 گيگاپاسكال، استحكام تسليم 26/34 مگاپاسكال، استحكام نهايي 09/70 مگاپاسكال، درصد ازدياد طول 63/13 و چقرمگي 06/90 كيلوژول بر مترمكعب را ارائه داد. مدول الاستيسيته و استحكام تسليم اين كامپوزيت بالاتر از نمونه آلومينيم خالص مي باشد. سختي فازهاي بين فلزي ايجاد شده نيز حدود 300 ويكرز براي Al3Ni و 980 ويكرز براي Al3Ni2 مي‌باشد.

در اين اختراع با استفاده از خاصيت عدم تر شدن ذرات SiC و گرافيت به وسيله مذاب آلومينيوم، كه در اغلب روش هاي توليد كامپوزيت ها جزو موانع توليد محسوب مي شود، اقدام به توليد مخلوط پودري و كامپوزيت هاي هيبريدي Al/SiC/Gr شده است. حضور ذرات سخت SiC باعث افزايش استحكام و بهبود خواص مكانيكي كامپوزيت شده و گرافيت نيز به عنوان روانكار جامد عمل كرده و ضريب اصطكاك را كاهش مي دهد. در نتيجه، حضور همزمان SiC و گرافيت با نسبت هاي مشخص در كامپوزيت هاي هيبريدي باعث دستيابي يه خواص تريبولوژيكي قابل توجهي مي شود. از مزاياي روش متالورژي پودر درجا در توليد كامپوزيت هاي هيبريدي Al/SiC/Gr مي توان به عدم نياز به مراحل اضافي توليد و مخلوط سازي پودر، توزيع يكنواخت ذرات تقويت كننده در زمينه، عدم تشكيل اكسيدهاي فلزي در حين توليد پودر، عدم انجام واكنش هاي مخرب در فصل مشترك زمينه - تقويت كننده، توليد قطعاتي با ريزساختار يكنواخت، هزينه پايين توليد و عدم نياز به سرمايه گذاري كلان اوليه اشاره كرد.

در اين اختراع با استفاده از تمايل ذرات si به شناوري و ذرات sic به ته نشيني در داخل مذاب الومينيوم روشي براي توليد مواد تابعي دو لبه پيشنهاد شده است قطعات توليدي با اين نوع مواد تابعي به علت حضور ذرات sic در پايين و ذرات si در بالاي قطعه، سختي قابل توجهي در اين مناطق داشته در حالي كه وسط قطعه نرم و قابل انعطاف است. مزيت اصلي اين روش سادگي و كاهش هزينه هاي توليد مواد تابعي است.

در تحقيق حاضر براي اولين بار با بهره گيري از فرايند متالورژي پودر دوغابي، كامپوزيت آلومينيوم A413 تقويت شده با الياف پيوسته بازالت فراوري شده است. بدين منظور پودر آلومينيوم A413 مورد نياز، با قطر متوسط 95/4 ميكرومتر به روشSAMD(Solid-assisted melt disintegration) توليد شد. سپس محلول 44 گرم در ليتر پليمر پلي متيل متاكريلات PMMA در حلال تولوئن به عنوان چسب مناسب انتخاب شد. الياف بازالت مورد استفاده نيز به كمك دستگاه جدا كننده الياف كه در اين تحقيق طراحي و ساخته شده، از هم جدا شدند. در ادامه روش لايه گذاري پيوسته پودر - الياف به عنوان يك روش ابداعي جهت توليد پريفورم ، مورد استفاده قرار گرفت. به منظور تثبيت و متراكم سازي پريفورم ها، از روش پرس گرم استفاده شد. براساس نتايج بدست آمده از بهينه سازي فرايند پرس گرم، دماي 330 درجه سانتي گراد ، زمان 15 دقيقه و فشار 400 مگا پاسكال به عنوان پارامترهاي مناسب براي فراوري اين كامپوزيت ها، با حداقل صدمه به الياف و حداكثر خواص مكانيكي قابل حصول، تعيين شدند. مطالعات با ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM) و ميكروسكوپ نوري نشان داد كه ساختار اين كامپوزيت هاي شبه لايه اي مي باشد. بررسي خواص حرارتي كامپوزيت مذكور حاكي از رفتار ناهمسانگرد آن مي باشد.

هر سنتز نانو لوله هاي كربني با استفاده از كاتاليست، كنترل و تثبيت قطر ذرات كاتاليست در دماي بالا از جمله مهمترين مسائل در سنتز اين نانوساختارها است. استفاده از كاتاليستهاي لانتانيم - كروم - كبالت (با مقادير متفاوتي از كبالت) به دليل پايداري بسيار بالاي آنها در دماي بالا و محيط احيايي و همچنين تشكيل ذرات بسيار ريز فلزي كه ابعاد و اندازۀ خود را در طول فرآيند سنتز حفظ نموده اند، منجر به سنتز نانو لوله هايي با تغييرات قطر محدود و در بازه اي بين 10 تا 30 نانومتر شده است. در حقيقت نزديكي قطر اين نانولوله ها به يكديگر منجر به نزديكي خصوصيات مكانيكي آنها مي گردد. شايان ذكر است خصوصيات ظاهري نانولوله ها با تغيير مقدار كبالت تغيير يافته است بدين معنا كه در نمونه اي با 0/05=X قطر داخلي نانولوله هاي كربني بسيار كمتر از نمونه هايي با 0/1 و 0/02=X است كه علت آن قطر اندك ذرات فلزي اين كاتاليست است.

كامپوزيت هاي ذره اي Al6061-Al2O3 نمونه اي از كامپوزيت هاي زمينه آلومينيمي هستند كه به دليل خواص مكانيكي و سايشي بالا مورد توجه محققين قرار گرفته اند. در اين طرح براي اولين بار از روش متالورژي پودر درجا براي توليد كامپوزيت هاي Al6061-Al2O3 استفاده شده است و هدف بررسي پارامترهاي مؤثر و توليد كامپوزتي هايي با مقاومت سايشي بالا مي باشد. روش متالورژي پودر درجا از پودر ماد سراميكي و شمش فلز به عنوان ماده اوليه استفاده مي كند و محصول فرآيند مخلوط پودر فلز - سراميك مي باشد. از پودر اكسيد آلومينيم آلفا (آلوميناي سفيد با خلوص 99درصد)، با اندازه متوسط 150 ميكرومتر براي توليد پودر آلومينيم استفاده شد. در اين طرح دما و زمان همزدن به عنوان دو پارامتر اساسي مؤثر در فرآيند بررسي شدند. مخلوط هاي پودري حاوي 20 درصد حجمي آلومينا در دو دماي 710 و 780 درجه سانتي گراد و زمان هاي همزدن 4،6،8 و 10 دقيقه (1400 دور بر دقيقه) توليد شدند. نتايج نشان داد كه مخلوط پودري با ريزترين دانه بندي پس از 8 دقيقه همزدن در دماي 710 درجه سانتي گراد به دست آمد. همچنين، بررسي هاي ميكروسكوپي نشان د اد كه ذرات ريز آلومينا (در محدوده ابعاد 400 نانومتر تا 3 ميكرومتر) به داخل ذرات آلومينيم نفوذ كرده و ذرات كامپوزيتي تشكيل داده اند. اينذرات ريز در اثر برخورد ذرات درشت آلومينا به يكديگر در حين همزدن، از ذرات درشت جدا شده و به داخل مذاب آلومينيم نفوذ مي كنند. توليد كامپوزيت هايي حاوي ذرات تقويت كننده با ابعاد 400 نانومتر تا 3 ميكرومتر از طريق ساير روش هاي متداول كار بسيار مشكلي مي باشد چرا كه ذرات ريز تمايل به آگلومره شدن دارند و دستيابي به توزيع مناسب به راحتي ممكن نمي باشد. پديده نفوذ ذرات آلومينا به داخل ذرات آلومينيم كه در پژوهش حاضر مشاهده شده است در نهايت مي تواند منجر به توليد كامپوزيت هايي با توزيع يكنواخت ذرات تقويت كننده نانومتري شود. مخلوط پودري بهينه توليد شده، تحت فشار 800 مگاپاسگال، به صورت قرصي با ارتفاع 10 ميلي متر و قطر 25 ميلي متر در دماي محيط پرس شد. سپس عمليات تف جوشي و عمليات حرارتي رسوب سختي نيز بر روي نمونه انجام گرفت. نتايج تست سايش نشان داد كه رفتار تريبولوژيكي كامپوزيت توليد شده در اين تحقيق و به روش متالورژي پودر درجا، نسبت به آلياژ زمينه به طور چشمگيري بهبود يافته است به طوري كه ضريب اصطكاك در مقايسه با آلياژ زمينه تقريبا نصف شده و حجم سايش 95 درصد كاهش يافته است.

در اين اختراع براي نخستين بار در جهان با استفاده از نمك طعام به عنوان ماده جامد واسطه پودر آلياژ آلومينيم از طريق از هم گسيختگي مذاب با كمك ماده جامد Solid Assisted Melt Disintegration(SAMD) توليد شده است. به اين منظور پودر نمك طعام با مقدار و اندازه ذرات مشخص به مذاب آلومينيم خالص تجاري و آلياژهاي A1-Si ( حاوي 6 تا 20 درصد وزني سيليسيم) اضافه شد . پس از همزدن مخلوط در 50 درجه سانتيگراد فوق گداز ، مذاب آلومينيم به قطراتي تبديل شد و سپس مخلوط حاصله تا دماي اتاق سرد و به اين ترتيب قطرات آلومينيم به پودر تبديل شدند .پودر آلومينيم پس حل شدن نمك طعام در آب مقطر ، جداسازي و استخراج گرديد از جمله مزاياي توليد پودر از اين روش ، ارزان قيمت بودن فرآيند ، سرمايه گذاري اندك اوليه توليد پودرهاي فاقد تخلخل در مقايسه با پودرهاي افشانشي و توليد انواع پودرهاي آلياژي مي باشد. روش اخير جهت توليد پودر قابل رقابت با روش هاي متداول ديگر مانند روش افشانش گازي مي باشد و در برخي موارد داراي مزايايي نسبت به روش هاي مرسوم مي باشد. همچنين از نظر اقتصادي نيز استفاده از اين روش در مقايسه با ساير روش هاي متداول مقرون به صرفه مي باشد.

1- روش جديد باريكه مذاب به سادگي قابليت توليد ساختار موسوم به ساختار گلبولي را دارد 2- اين روش به هيچ عنوان نياز به تجهيزات پيچيده و گران قيمت ندارد تجهيزات ان شامل كوره بوته فلزي و نازل و قالب فلزي است 3- به دليل عدم نياز به وسايل همزن مكانيكي آلودگي مذاب كمتر خواهد بود 4- به دليل عدم نياز به انرژي الكتريكي اضافي به عنوان مثال در روش همزدني اعم از مكانيكي و الكترومغناطيسي توليدات اين روش ارزان تر تمام مي شوند 5- اين روش به دليل سادگي به راحتي قابليت اتوماسيون را دارد و مي تواند در صنايع براي توليد قطعات نيمه جامد مورد استفاده قرار گيرد 6- اين روش جديد به دليل نوظهور بودن و فرصت ناكافي براي تكميل داراي جنبه هاي بسيار در بهينه سازي است به عنوان مثال قابليت حذف عمليات حرارتي بعدي انجام آزمايش بر روي آلياژهاي ديگر موارد ديگر توسعه اين روش مي باشند

در اين اختراع كامپوزيتهاي آلومينيوم گرافيت حاوي درصدهاي مختلف از طريق يك روش جديد بنام متالوژي پودر در جا توليد شده اند در اين روش شمش آلومينيوم در كوزه ذوب شده و پس از رسيدن به فوق گدار معين ذرات گرافيت به آن اضافه مي شوند و در يك سيكل دما زمان مشخص مخلوط مذكور به توسط همزن گرافيتي به موتور الكتريكي هم زده مي شود تا مذاب به قطراتي تبديل شود كه پس از انجماد مخلوط پودر آلومينيم گرافيت حاصل مي شود اين مخلوط تحت عمليات متراكم سازي و سينترينگ قرار گرفته و كامپوزيت آلومينيوم گرافيت توليد مي شود كه در صورت لزوم تحت عمليات حرارتي نيز قرار مي گيرد اين روش داراي مزايايي بشرح زير مي باشد حذف مرحله مخلوط سازي نسبت به روش متالوژي پودر سنتي توليد مخلوط پودري آلومينيوم و گرافيت با توزيع يكنواخت در يك مرحله و در مدت زمان بسيار كوتاه امكان توليد كامپوزيتهاي آلومينيوم گرافيت با درصد بالاي گرافيت توزيع يكنواخت گرافيت در زمينه كامپوزيت هزينه توليد پايين