Кәдімгі алюминий көбікті сэндвич-панельмен салыстырғанда, мыс шөгінділері бар көміртекті талшықты алюминий көбік сэндвич панелінің өнімділік сипаттамалары

Алюминий көбік сэндвичі(AFS) панельдері төмен тығыздық, жоғары меншікті беріктік, қолайлы энергияны сіңіру, демпферлік сыйымдылық және электромагниттік экрандау сияқты құрылымдық және функционалдық сипаттамалардың үйлесімі бар. Бұл тамаша қасиеттер AFS-ті аэроғарыштық, көліктік және теңіздік өрістерде үлкен әлеуетке ие етеді. Металл көбіктерімен салыстырғанда, AFS сыртқы металл тақталары көбікті тиімді түрде тығыздап, оның созылу және иілу беріктігі сияқты жан-жақты механикалық қасиеттерін жақсарта алады. Әдетте, AFS адгезивтік байланыстыру әдісімен дайындалған, ол алюминий көбікті эпоксидті шайырлы желім арқылы қатты металл панельдерге бекітуді талап етеді.

Жабысқақ байланыстыру әдісі құрылымдық демпфингті тиімді түрде жақсартса да, ол шектеулермен, соның ішінде қайта өңдеудегі қиындықтармен және жоғары температура немесе коррозиялық жағдайларда қабаттасудың бұзылуына бейімділікпен бірге жүреді. Осы шектеулерді шешу үшін кең ауқымды зерттеу жұмыстары панель мен негізгі қабат арасындағы металлургиялық байланысқа қол жеткізуге арналды.

Қазіргі уақытта металлургиялық байланыстыруға қол жеткізуге бағытталған AFS-ті дайындаудың басым әдістері әдетте үш санатқа жіктеледі: дәнекерлеу, балқыма көбіктеу және орама илемді ұнтақты металлургиялық әдіс. Осы әдістердің ішінде кеуектер құрылымын бақылау және төмен температурада көбіктенуге қол жеткізу үшін орауыш илемдеу ұнтағының металлургиясы әдісі жоғарырақ болып саналады. Біздің алдыңғы жұмысымызда бұл технология өнеркәсіптік қолданбалар үшін жақсы кеңейту қасиеттері мен ұялы құрылымы бар үлкен өлшемді AFS жасау үшін пайдаланылды.

Бірақ көбік өзегінің салыстырмалы түрде төмен қысу механикалық қасиеттеріне байланысты АФС механикалық беріктігінің жақсаруы шектелген, сондықтан көбік өзегі беріктігін одан әрі жақсарту АФС үшін шешуші мәнге ие.

Бүгінгі күні сығымдау механикалық қасиеттерін жақсартуға арналған жалпы әдістер айтылдыалюминий көбіктөмендегідей: бетті өңдеу, термиялық өңдеу және бөлшектерді, талшықтарды, легирлеуші ​​элементтерді және т.б. қосу арқылы күшейту. Олардың ішінде тығыздығы төмен, серпімділік модулі жоғары және пропорциясы үлкен қысқа көміртекті талшықтар перспективалы арматуралық материалдар ретінде көпшіліктің назарын аударды. Сонымен қатар, көміртекті талшықтарды мыс жалату немесе никельмен қаптау сияқты электрокаптау немесе химиялық қаптау арқылы беттік металдандыру алюминий балқымасындағы көміртекті талшықтардың сулануын одан әрі жақсартады және көміртекті талшықтар мен алюминий балқымасы арасындағы зиянды фазааралық реакцияларды болдырмайды. Қысқа көміртекті талшық қазір алюминий матрицалық композиттерді нығайту үшін кеңінен қолданылады.

Бхав Сингетал. дайындалған мыс қапталған көміртекті талшықтар арматураланған алюминий матрицалық композиттер араластыру арқылы құю әдісімен. Muetal. екі орамды құю әдісімен никельмен қапталған көміртекті талшықтармен нығайтылған алюминий матрицалық композиттер. Нәтижелер көміртекті талшықтарды қосу арқылы композиттердің созылу беріктігінің айтарлықтай жақсарғанын көрсетті. Дегенмен, бұл туралы шектеулі зерттеулер жүргізілдіалюминий көбік күшейтілгенмыс қапталған көміртекті талшықтармен. Caoetal. бірінші дайындалған мыс қапталған көміртекті талшықтар алюминий көбікті балқыма көбіктену әдісі арқылы күшейтті. Нәтижелер көрсеткендей, 0,35 көлем% Cf сұйық қабықтың жарылуын болдырмай алюминий көбігін тұрақтандырады және көбікке қосылған талшықтардың мөлшері неғұрлым тұрақты болады. Muetal. балқыма көбіктену әдісімен дайындалған алюминий көбіктің демпферлік қасиеттері Cf қосқанда айтарлықтай жақсарғанын көрсетті.

Тиісінше, Cf қосу көбіктің тұрақтылығын және механикалық қасиеттерін бір уақытта жақсартудың тиімді стратегиясы болуы мүмкін деген қорытынды жасауға болады.алюминий көбіктері. Сонымен қатар, ұнтақ металлургия әдісімен дайындалған мыс жалатылған көміртекті талшықтармен күшейтілген алюминий көбікті сэндвич панельдері туралы есептер жоқ, бұл зерттеушілерді осы салада тереңірек зерттеулер жүргізуге ынталандырады.

Ядролану механизмі мен тұрақтылығы туралы көптеген зерттеулер жүргізілдіалюминий көбіктерікүшейту фазаларын қосу арқылы. Кеуектер саны мен кеуек морфологиясындағы айырмашылықтар,

өлшемі, таралуы және пішіні сияқты әдетте нуклеация механизмдері мен тұрақтылыққа жатады. Ұнтақты металлургия жүйесінде гетерогенді нуклеация әсерлері және оксидті желіні тұрақтандыру механизмдері жан-жақты зерттелді. Осы жұмыста пайдаланылған Al–Si–Mg–Cu құрамдас төрттік қорытпасының ұнтақтары 507 ◦C қатты күйде және 596 ◦C сұйық күйде ерекше кеңею жылдамдығын және төмен көбіктену температурасын көрсетті. Осыған қарамастан, құрамында осы арнайы қорытпа құрамы бар ұнтақ компакттерінің нуклеация механизмі, тұрақтылығы және қысу механикалық қасиеттеріне қатысты зерттеулер жеткіліксіз, әсіресе Cf. Алдыңғы жұмыстарда нуклеация және тұрақтандыру механизмдерін зерттеу, ең алдымен, көбік пайда болған үзілістен кейін тез салқындатылған үлгілердің томографиялық талдауын қамтитын in situ емес әдістер арқылы жүргізілді. Өкінішке орай, субмикронды көпіршікті нуклеация негізінен прекурсорларды қыздыру кезінде орын алады және 100 мс-тен 1 с-қа дейінгі уақыт аралықтарында жылдам кеңейеді, бұл көбінесе нақты уақыттағы бақылау үшін қиындықтар тудырады. Қазіргі заманғы синхротрондық сәулелену рентгендік бейнелеу техникасы жоғары температурада алюминий көбіктерінің ядролануын және өсу процесін нақты уақыт режимінде бақылауға мүмкіндік беретін жоғары энергия мен кеңістіктік-уақыттық рұқсатқа ие. Қазіргі уақытта тек шектеулі зерттеушілер синхротрондық сәулелену арқылы Al-Si-Mg қорытпасы ұнтағының көбіктену кинетикасын зерттеді. Мысалы, Гарсиа-Мореноеталь. сұйық алюминий көбігіндегі маңызды динамикалық құбылыстарды, соның ішінде ядролардың түзілуін және өсуін, көпіршікті қайта реттеуді, сұйықтықтың тартылуын, агломерацияны және қабықтың жарылуын хабарлады. Камм және т.б. синхротрондық сәулелену арқылы AlSi8Mg4 алюминий көбігінің ядролануын және өсу процесін зерттеді. Олардың нәтижелері металл ұнтағының бетіндегі адсорбаттардың ыдырауы нәтижесінде пайда болатын сутегі тағы бір маңызды ядролық механизм болып табылатынын көрсетті. Дегенмен, прекурсорлық компоненттер арасындағы өзара әрекеттесу күрделі және көбіктену динамикасына олардың құрамы әсер етуі мүмкін. Al–Si–Cu–Mg ұнтақ жүйесі үшін де, Cf қосылған Al–Si–Cu–Mg ұнтақ жүйесі үшін металл көбіктің басталуын және өсуін түсіну және зерттеу қасиеттерін жақсарту үшін көбіктің одан әрі құрылымдық дамуы үшін өте маңызды. қолданбалар үшін.

Бұл жұмыста металлургиялық фазааралық байланысы бар Cf/AFS және AFS буып-түю ұнтақты металлургиялық әдіспен дайындалды. Cf/AFS және AFS көпіршіктерінің эволюциясы синхротрондық сәулелену арқылы in situ байқалды, бұл көпіршікті нуклеация, өсу және қосылу және тұрақтылық бойынша Cf механизмін анықтау. Сонымен қатар, Cf/AFS және AFS камералық пеште 620 ◦C температурада 15 минут көбіктендірілді. Одан кейін көбіктенген үлгілердің кеуек өлшемдерінің таралуы, кеуек микроқұрылымы және қысу механикалық қасиеттері сипатталды және сынақтан өтті. Жоғарыда аталған зерттеулердің негізінде Cf/AFS және AFS құрылымы мен қысу беріктігі жүйелі түрде бағаланды.

2. Материалдар мен әдістер

2.1. Шикізат

AFS және Cf/AFS дайындау үшін алты шикізат пайдаланылды: Al ұнтағы (орташа мөлшері: 45 мкм, тазалығы >99,70%), Si ұнтағы (орташа мөлшері: 38 мкм, тазалығы >99,50%), Cu ұнтағы (орташа мөлшері: 38 мкм, тазалығы >99,90%), Mg ұнтағы (орташа мөлшері: 75 мкм, тазалық) >99,70%), TiH2 ұнтағы (орташа мөлшері: 45 мкм, тазалығы >99,70%) және мыс қапталған көміртекті талшық (орташа өлшемі: 1～2 мм, мыс қапталған қалыңдығы: 1,4 мкм).

2.2. Cf/AFS өндірісі

Қаптау прокатының ұнтақ металлургиясы әдісінің схемасы суретте көрсетілген1-сурет. Араластыру кезеңінде AlSi6Mg4Cu4 төрттік қорытпасы ұнтағы дайындалды, оның құрамында Al, Si, Cu және Mg ұнтақтары сәйкесінше 86 масса%, 6 масса%, 4 масса% және 4 масса% құрайды. 1 масса% тотыққан TiH2 ұнтағы (470 ◦C температурада ауада 1,5 сағат термиялық өңдеу) балқыманы кеңейтетін балқыма температурасында H2 тез бөлетін үрлеуші ​​агент ретінде қосылды. Сонымен қатар, арматуралық фазалар ретінде көміртекті талшықтардың салмағы 0,5% қосылды. Атап айтқанда, көбіктену кезінде талшық-алюминий балқымасының интерфейсінде ылғалдануды жақсарту және Al4C3 сияқты зиянды реакциялардың алдын алу үшін көміртекті талшықтар электропландау арқылы мыспен қапталған. Электрлік қаптау процесі Сілтемелерде сипатталған.2-суретэлектрсіз қаптау процесі арқылы алынған мыс қапталған көміртекті талшықтарды көрсетеді. Жабын талшық бетін біркелкі және үздіксіз жабуға ие(2(a)–(b)-сурет). Кейіннен осы зерттеуде пайдаланылған әртүрлі қорытпа композициялары жоғарыда аталған ұнтақтарды Cf ​​бар және онсыз үш өлшемді араластырғышта 3 сағат бойы мұқият араластыру арқылы дайындалды. Біркелкі араласқан ұнтақ тығыздалған қуыста инкапсуляцияланады, содан кейін суық және ыстық илемдеу процедуралары орындалады.

Суық илемдеу сатысы ауаны қуыстар мен бөлшектер арасындағы интерстициалды кеңістіктерден бірнеше өтулер мен шағын ойыстар арқылы тиімді түрде эвакуациялайды. Ыстық илемдеу сатысы панель мен ұнтақтың бірлескен деформациясы арқылы прекурсордың 98%-дан асатын салыстырмалы тығыздыққа жетуін қамтамасыз етеді, бұл кейінгі көбіктену процесін жеңілдетеді. Прокат процесінің егжей-тегжейлі параметрлері Сілтемелерде сипатталған. AFS және Cf/AFS көбік беретін прекурсорлар жоғарыда аталған процесс арқылы алынады. Сайып келгенде, екі көбік беретін прекурсорлар 620 ◦C температурада 15 минут бойы Cf/AFS және AFS үлгілерін жасау үшін қыздырылды, олар кеуектер мөлшерін талдау, микроқұрылымдық сипаттамалар және қысу механикалық қасиеттерін сынау үшін пайдаланылды.

2.3. Сипаттама және сынақ әдістері

2.3.1. Микроқұрылымдық сипаттама

Cf/AFS және AFS микроқұрылымының морфологиясы далалық эмиссиялық сканерлеуші ​​электронды микроскопия (SEM, Zeiss Ultra Plus) арқылы зерттелді. Көбіктелген үлгілердің жасуша қабырғаларындағы әртүрлі фазалардың құрамын анықтау үшін энергетикалық дисперсиялық спектроскопия (EDS) пайдаланылды. Үлгілердің бойлық кесінділері көбіктенген үлгілерді электр разрядтау машинасының (EDM, DK7745) көмегімен кесу арқылы алынды. Осыдан кейін үлгілердің бойлық бөліктері бояумен қапталды, содан кейін тиісінше 800 және 1500 тегіс тегістеуішпен тегістеліп, жылтыратылды. Сайып келгенде, жылтыратылған үлгінің көлденең қимасының баламалы ұяшық диаметрлері (Dmean) кескінді талдау бағдарламалық құралы, Image Pro Plus 6.0 көмегімен анықталды.

1-сурет.Қаптамалық илемді ұнтақты металлургия әдісінің схемасы.

2-сурет.(a) мыс қапталған көміртекті талшықтардың SEM кескіндері және (b) (a) ішіндегі қызыл шаршымен белгіленген аймақтың үлкейтілген көрінісін көрсетеді. (c) және (d) кескіндері (b) пунктіндегі А нүктесінің ЭСҚ нәтижелері болып табылады.

3-сурет.Синхротронды сәулелену тәжірибесін орнату схемасы.

2.3.2. Синхротрондық сәулелену арқылы көбік түзу кезіндегі бақылаулар

Синхротронды сәулелену тәжірибесін орнатудың схемалық диаграммасы сызылған3-сурет. Тәжірибелер Бейжің синхротрондық радиациялық қондырғысының (BSRF, Пекин жоғары энергия физикасы институты, Қытай ғылым академиясы, Қытай) 4W1A сәулелік сызығында жүргізілді. Кәдімгі абсорбциялық контрастты бейнелеуден айырмашылығы, бұл қағаз синхротронды сәулелену жарық көзімен фазалық контрастты бейнені пайдаланады. Бұл тәсіл нашар сіңіретін заттарды визуализациялау үшін тиімсіз дәстүрлі абсорбциялық бейнелеудің шектеулерін қарастырады. Үлгілердің көбіктену процесі рентген сәулесінің бағытына перпендикуляр орналасқан 15 мм-ден 15 мм-ге дейінгі шаршы терезесі бар тапсырыс бойынша жасалған көбік түзетін пеште орындалды. Үлгі өлшемі, 3-суретте көрсетілгендей, 15 мм × 15 мм × 2 мм өлшемді. Үлгіні керамикалық парақтардың белгілі бір санынан тұратын көбік түзетін қалыпқа салады. Көбік түзу процесінде рентген сәулелері үлгі арқылы өте алады және зарядты байланыстыратын құрылғы (CCD) камерасымен түсіріледі. Таңдалған рентген көзі 20 Кев қарқындылықта жұмыс істеді және бүкіл көбік түзу процесін жан-жақты бақылауға мүмкіндік беру үшін 7,4 мм × 7,4 мм максималды көру өлшемі қолданылды.

Айта кету керек, бақыланатын үлгілер домалау бағытына да, тангенциалды бағытқа да перпендикуляр түрде орналастырылған. Құрамында 0,5 масса% Cf бар прекурсорлардың да, 0,5 масса% Cf жоқтардың да бүйірлік панельдері EDM көмегімен үлгілердің екі жағынан алынып тасталды. Алюминий көбіктің көбіктену сипаттамаларына Cf әсері зерттелді. Сонымен қатар, құрамы әртүрлі прекурсорлар бір қыздыру пешінде алдын ала орнатылған 620 ◦C температурада көбіктендірілді.

2.3.3. Сығымдау механикалық қасиеттерін сынау

Сығымдау үлгілері EDM арқылы биіктігі 23 мм және диаметрі 20 мм цилиндрлік үлгілерге кесілді және өлшем әсерін болдырмау үшін әрбір бағытта кемінде 10 толық кеуектер болуы қамтамасыз етілді. Квазистатикалық қысу сынақтары ISO13314–2011 және GB/T31930–2015 стандарттарына сәйкес, максималды жүк сыйымдылығы 100 КН болатын AG-XPLUS электронды әмбебап материалды сынау машинасын пайдалана отырып жүргізілді. Әр топ үшін үш үлгі сыналған және осы қағаздағы қысу кернеуі-деформация қисығы үш сыналған үлгіден алынған орташа нәтижелерді көрсетеді. Барлық сынақтар бөлме температурасында 2 мм/мин (бастапқы деформация жылдамдығына 10− 3 с− 1 сәйкес) тұрақты айқас жылдамдығын сақтай отырып, ығысу бақылауымен орындалды.

4-сурет.Cf/AFS көбіктену процесінің уақыт бойынша дамыған синхротрондық сәулелену кескіндері: (a) t0 380 ◦C моментіндегі көбіктенбеген прекурсор; (b) – (c) прекурсорларды балқыту кезінде элементарлы мыстың және II типті ядролардың еруі; (d) – (g) көпіршіктердің гетерогенді нуклеация және өсу процестері; және (h) – (i) көпіршіктердің қосылуы және жарылуы.

3. Нәтижелер және талқылау

3.1. Синхротрондық сәулелену кезінде in situ көбіктену әрекеті

3.1.1. Cf/AFS көбік эволюциясы

4-суретCf/AFS көбіктену процесін бейнелейтін синхротрондық сәулелену кескіндерінің сериясын көрсетеді. Cf/AFS түпнұсқа суреттері(4 (а)-сурет)матрица 380 ◦C қатты күйде болғанда түсірілді және бұл уақыт t0 ретінде орнатылды. Прекурсордағы басқа компоненттермен салыстырғанда, Cf негізінен сұр алюминийге бай матрицада қара болып көрінеді. Бұл суретте көрсетілгендей талшық бетіндегі мыс мөлшерінің жоғары болуына байланысты болуы мүмкін2(c)–(d)-сурет, бұл прекурсордың басқа компоненттерімен салыстырғанда ең үлкен салыстырмалы атомдық массаға ие. Сонымен қатар, Cf-ның көпшілігі бір-біріне шоғырланбай, шашыраңқы және бөлек болады.4(a)-сурет. Бұл Cf массасының 0,5% қосқанда 3 сағаттық араластыру процесі қажетті дисперсиялық күйге тиімді түрде қол жеткізе алатынын білдіреді.

t0+194s кезінде (көрсетілгендей4(b)-сурет), сұр алюминий матрицасында (қызыл көрсеткімен белгіленген) диаметрі 90 мкм-ден 180 мкм-ге дейінгі ақ, дерлік сфералық көпіршіктердің айтарлықтай санын байқауға болады. Көпіршіктердің саны көрсетілгендей 46 секунд ішінде көбейе берді4(c)-сурет. Сонымен қатар, матрицада орын алатын тағы бір назар аударарлық өзгеріс, Cu еруінің басталуымен (қызыл нүктелі қораппен белгіленген) Cf бетінде кейбір кішкентай көпіршіктердің пайда болуы. Бұл құбылыс құрамында мыс бар ұнтақ компактінде орын алатын II типті нуклеацияға байланысты болуы мүмкін. Cu қосындысы қорытпалардың балқу температурасын айтарлықтай төмендететіні кеңінен мәлім. Бұл қыздыру процесінде құрамында мыс ұнтағы бар ұнтақ прекурсорындағы жеке ұнтақ бөлшектерінің айналасында локализацияланған балқуға әкеледі, төмен температураларда Al-Si-Mg-Cu төрттік эвтектикалық балқымасының айтарлықтай мөлшерін тудырады. Төрттік эвтектикалық балқыма бассейні қорытпадағы әлсіз аймақ болып табылады және нуклеацияға көбірек бейім. Нәтижесінде көпіршіктер талшық бетіндегі мыс қапталған жердің жанында ядроланып, өседі. Сонымен қатар, қазіргі кезде матрицадағы төмен сұйық фракция TiH2 ыдырауынан болатын газдардың алюминий матрицасында оңай жиналуын тудырады. II типті нуклеация сұйықтықтың төмен фракциясының матрицасын бөлуге және сұйықтық арқылы жарықтардың таралуына әкелетін жинақталған газды тиімді болдырмайды, бұл сутегі мөлшерінің айтарлықтай жоғалуына әкеледі.

4(d)-суреткөпіршіктердің бастапқыда ядроға айналуын және Cf аймағында өсетінін көрсетеді, өйткені матрица толығымен балқиды және көпіршік орындары жоғалып бара жатқан мыс қапталған қабатқа сәйкес келеді (қызыл нүктелі қораппен белгіленген). Екінші реттік фазалардың қосылуы гетерогенді нуклеация орындарының санын көбейтетіні, осылайша қорытпа балқымасының ішінде жаңа көпіршіктердің пайда болуы үшін энергетикалық кедергіні азайтатыны жақсы дәлелденген. Сонымен қатар, нуклеация жылдамдығы бірлік көлемдегі гетерогенді нуклеацияның жалпы ауданына байланысты. Демек, көпіршіктердің бастапқыда көміртекті талшықтар орналасқан жерлерде ядроланып, көміртекті талшықтың ұзындығы бойынша кеңейетінін байқауға болады. Балқыма фракциясының одан әрі ұлғаюымен көптеген жаңа көпіршіктер пайда болуын жалғастыруда4(e)–4(g)-сурет. Дегенмен, көпіршіктердің локализацияланған қосылуы мен үзілу жылдамдығы баяу, бұл көпіршіктердің жоғары тұрақтылыққа ие екендігін көрсетеді. t0+426s кезінде көпіршіктер саны айтарлықтай артады, және

прекурсордың көлемі үлкен кеңеюді көрсетеді(Cурет 4(h)). Сонымен қатар, Оствальдтың жетілуіне байланысты кішкене көпіршіктер үлкеніректерге сіңетін кейбір көпіршіктердің қосылуының (қызыл көрсеткімен белгіленген) пайда болуы металл көбіктердің эволюциясы кезінде сөзсіз процесс болып табылады [40]. Бұл пісіп-жетілу құбылысы сонымен қатар аздаған үлкен және дұрыс емес көпіршіктердің пайда болуына әкеледі (ішінде қызыл көрсеткімен белгіленген4(i)-сурет).

5-сурет.Әртүрлі кезеңдердегі AFS көбіктену процесінің уақыт бойынша дамыған суреттері: (а) 380 ◦C t0 моментіндегі балқымаған прекурсор; (b) прекурсорларды балқыту кезінде элементтік мыстың еруі және II типті нуклеация; (c) көпіршіктердің ядролану және өсу процестері; және (d) – (f) көпіршіктердің қосылуы және жарылуы.

3.1.2. AFS көбік эволюциясы

5-суретте AFS көбіктену процесін суреттейтін синхротрондық сәулелену кескіндерінің сериясы көрсетілген. Cf/AFS сияқты, синхротрондық сәулелену тізбегінің бастапқы кескіні AFS 380 ◦C температурада қатты фазада болғанда түсірілді (қараңыз.5(a)-сурет). Матрица солидус температурасынан жоғары қыздырылғанда, ішінде кішкентай ақ көпіршіктер көрінеді5(b) және (c)-сурет, TiH2 ыдырауы және Cu-ға бай аймақта II типті нуклеацияның пайда болуы нәтижесінде пайда болады. Дегенмен, пайда болатын көпіршіктердің саны және олардың таралу тығыздығы5(c)-суретсалыстырғанда айтарлықтай төмен4(c)-сурет. Бұл Cf/AFS сұйық фракциясы төмен алюминий матрицасында сызаттардың шамадан тыс түзілуіне жол бермей, ядролану кезінде газды ерте босату үшін көбірек арналарды қамтамасыз етеді деп болжайды.

Cf/AFS-пен салыстырғанда AFS нуклеациялау орындарының азырақ саны және әдеттен тыс көпіршік өсу ықтималдығы жоғарырақ.5(d)–(f)-сурет. AFS көпіршіктерінің эволюциясы біркелкі емес және олардың өлшемдері микрометр өлшемді көпіршіктердің де, әдеттен тыс миллиметрлік үлкен көпіршіктердің де (қызыл көрсеткімен белгіленген) бірге болуына байланысты кең тербелістерді көрсетеді. Сонымен қатар, ерте нуклеация процесі кезіндегі бұл тұрақсыздық пен біртектілік AFS және Cf/AFS арасындағы соңғы кеуек құрылымында және механикалық қасиеттерде айтарлықтай айырмашылықтарға әкелуі мүмкін.

3.2. Макроқұрылымдық талдау

AFS және Cf/AFS арасындағы макроскопиялық кеуек морфологиясы мен кеуек диаметріндегі айырмашылықтарды зерттеу үшін зертханалық жағдайларда 620 ◦C көбіктену температурасында 15 минут ішінде екі сэндвич құрылымы дайындалды. AFS және Cf/AFS макроқұрылымдары мен ұяшық өлшемдерінің таралуы мынада көрсетілген6-сурет. Екі сэндвич құрылымы үлгілерінің тік бөліктерін салыстыру Cf/AFS көбіктерінің жұқа жасушалары бар екенін және ұяшықтардың жарылуы немесе біріктірілуі сияқты ақаулары аз екенін көрсетеді (қараңыз.6-сурет (b)). Керісінше, көрсетілгендей6(a)-сурет, AFS кейбір қалыптан тыс үлкен кеуектердің болуымен нашар кеуектер біртектілігін көрсетеді. Сонымен қатар, AFS және Cf/AFS үшін тесігінің баламалы диаметрі тиісінше 2,9 ± 0,2 мм және 1,9 ± 0,1 мм болды, бұл кеуек диаметрінің Cf қосу арқылы одан әрі тазартылғанын көрсетеді (қараңыз).6(c) және (d)-суреттер).

Кеуек құрылымының эволюциясына екі бәсекелес механизм әсер етеді: TiH2 ыдырауы және көбіктің қосылуы және жарылуы. TiH2 ыдырауы нуклеация санының, кеуектіліктің және кеңею жылдамдығының артуына ықпал етеді, ал көпіршіктердің қосылуы және жарылуы кеуектер санын азайтады және тесіктердің диаметрін арттырады. Көпіршікті біріктіру және жару оқиғаларын азайту жақсы жасушалық құрылымды алуға ықпал етеді. Демек, көбік түзу процесінде кеуектер құрылымының біртектілігін сақтау үшін көбіктің жоғары тұрақтылығы қажет. Cf/AFS үшін Cf қосу алюминий балқымасы бар талшықтардың сулануын айтарлықтай жақсартады. Балқыма көбіктену әдісімен дайындалған Cf күшейтілген алюминий көбікке [44] ұқсас, Cf қосу жасуша қабырғасының жарылуын болдырмай және агломерацияны азайту арқылы алюминий көбігін тұрақтандырады. Сонымен қатар, Cf жасуша қабырғасында бөлу күшін тудыратын және көпіршіктердің жарылуын болдырмайтын тор тәрізді құрылымды жасай алады, осылайша жасуша құрылымын, көбік тұрақтылығын және кеуектерді бөлудің біркелкілігін жақсартады.

3.3. Микроқұрылымдық сипаттама

7(a)-суретAFS-пен көбіктенгеннен кейін жасуша қабырғасының микроқұрылымын көрсетеді. AlSi6Cu4Mg4 қорытпасы көбіктері үшін хабарланғандай, эвтектикалық Al–Si, Mg2Si, Al2Cu және Al5Cu2Mg8Si6 қорытпада бар, бұл EDS талдауынан алынған нәтижелерге сәйкес келеді.7(b)-сурет. Бұл сынғыш фазалар кеуек қабырғасын әлсірету немесе деформация кезінде жарықтар көзі ретінде әрекет ету арқылы алюминий көбіктің механикалық қасиеттерін төмендетеді. Сондықтан, арматуралық фазаларды қосу арқылы кеуек қабырғасының механикалық қасиеттерін арттыру өміршең және тиімді стратегия болып табылады.

Cf/AFS үшін оны мына жерден байқауға болады7(c)-сурет және (d)Cf жасуша қабырғасының ішінде немесе жасуша қабырғасының шетінде таралғаны, бұл Cf алюминий балқымасымен тамаша сулану қабілетін көрсетеді. Сонымен қатар, ол байқалады (қараңыз7(d)-сурет) талшықтар мен алюминий балқымасының арасындағы шекарада тұндырылған Al2Cu фазасының аздаған мөлшері түзіледі. Бұл құбылыс талшықтар мен матрица арасындағы күшті байланысқа қол жеткізуге ықпал етеді. Бұл диффузиялық реакцияның дамуын интуитивті түрде байқауға болады4(a)–(c)-сурет. Назар аударыңыз, тұндырылған фаза көміртекті талшықтарды толығымен қоршамайды және бұл таралу күйі мен мөлшері Cf/AFS үшін тиімді. Lv және т.б., Cf күшейтілген алюминий матрицалық композиттік материалдарда жүргізген зерттеулерінің негізінде тұндырылған фазаның тиісті мөлшері фазааралық байланыс беріктігіне әсер етіп, реттей алатыны көрсетілді.

6-сурет.Өкілдік үлгінің тік қималары (a) AFS және (b) Cf/AFS. (a) және (b) тармақтарына сәйкес келетін эквивалентті диаметрге қарсы аумақтық үлес сызбалары тиісінше (c) және (d) тармақтарында көрсетілген. (c) және (d) тармақтарындағы тұтас үздіксіз сызық лог-қалыпты сәйкестікті білдіреді. Регрессия (R2 ) сәйкестік жақсылығын білдіреді.

7-сурет.SEM кескіндері (a) және (b) сәйкес микроқұрылымдарды көрсетеді6-сурет(а) AFS және6-сурет(b) Cf/AFS, тиісінше, сонымен қатар,7-сурет(b) және (d) локализацияланған үлкейтулерін көрсетеді7-сурет(a) және (c) тиісінше.

3.4. Cf тұрақтандыратын Al–Si–Mg–Cu көбікінің механизмі

Жоғарыда аталған талдау негізінде Cf/AFS және AFS үшін көбік түзу механизмінің схемалық көрінісі мынада жинақталған:8-сурет. Көрсетілгендей нуклеация сатысындағы, көпіршікті өсу мен біріктіру сатысындағы және біртіндеп қатаю сатысындағы Cf/AFS және AFS арасындағы елеулі айырмашылықтар.8(a) және (b)-суреттер.

8-сурет.Cf/AFS және AFS көбіктену әрекетінің схемалық диаграммасы: (a) Cf/AFS; және (b) AFS.

AlSi6Cu4Mg4 қорытпасының көбіктерінің ядролану сатысында көпіршіктер TiH2 бөлшектерінің орналасқан жерінде нуклеацияланбай, мыс бөлшектерін қоршап тұрған сұйық төрттік эвтектикада ядролануға бейім. Прекурсордың ең әлсіз аймағындағы нуклеацияның бұл түрі (II типті нуклеация) TiH2 ыдырауы нәтижесінде бөлінетін газдар үшін көбірек шығу арналарын қамтамасыз етеді, бұл газдардың жиналуын болдырмайды және алюминий балқымасында жарықтардың таралуын болдырмайды. Мыспен қапталған көміртекті талшықтарды қосу H2 шығару үшін көбірек арналарды жасайды. Дегенмен, алюминий балқымасының осы кезеңде жеткілікті сұйық фракциясы болмағандықтан, мұндай кішкентай көпіршіктердің өсуін жалғастыру үшін H2 жеткілікті көзі болуы қиын. Нәтижесінде бұл кішкентай көпіршіктер температура көтерілген кезде балқыма ішінде жарылып кетеді. Прекурсор толығымен еріген кезде, TiH2 күшті дегидрлеу реакциясынан бөлінген H2 ядроға айналады және нуклеация нүктесіне негізделген жылдам өседі. Cf көпіршіктердің пайда болуы үшін көптеген гетерогенді нуклеация учаскелерін қамтамасыз етеді, бұл нуклеация жылдамдығын айтарлықтай арттырады. Бір мезгілде Cf болуы бастапқы көпіршіктердің жанасуын және қосылуын тиімді тежейді және аномальды үлкен көпіршіктердің пайда болуын болдырмайды.

Көпіршіктердің өсу және қосылу кезеңінде Cf қосу көбік тұрақтылығын айтарлықтай жақсартады. Себебі, Cf және алюминий балқымасының жақсы сулануы бар және талшықтар желілік құрылымды қалыптастыру үшін екі газ-сұйықтық интерфейсі арасында оңай ұсталады (суретте көрсетілгендей).7(c)-сурет). Сұйық қабық жұқарған сайын, талшықтар плато шекарасынан соруға қарсы тұру үшін бөлу қысымын тудыруы мүмкін, осылайша сұйық қабықтың жарылуын болдырмайды. Сондықтан Cf/AFS көбіктің эволюциясы кезінде кеуек құрылымының біркелкілігін сақтай алатын тұрақтылығы жоғары AFS-пен салыстырғанда ұзағырақ көбіктену уақытын қажет етеді.

Баяу қатаю сатысында Cf/AFS көпіршіктері енді өспейді және талшықтар жасуша қабырғасына ендірілген (қызыл нүктелі қораппен белгіленген). Талшықтардың бұл ұсталуы Оствальдтың жетілуінде байқалғандай үлкенірек көпіршіктердің кішкентай көпіршіктердің сіңуіне жол бермейді және қатаю кеңеюіне байланысты жасуша қабырғасының жарылуын тежейді. Нәтижесінде, Cf/AFS AFS-пен салыстырғанда біртекті кеуек құрылымын және аз кеуек ақауларын көрсетеді.

3.5. Механикалық қасиеттері

Кеуектілігі бірдей дерлік (тиісінше 83,2% және 81,4%) Cf/AFS және AFS үшін қысу кернеуі-деформациялану қисықтары берілген.9(a)-сурет. Қысу кернеуі-деформация қисығы сызықтық серпімді аймақты, плато аймағын және тығыздау аймағын қамтитын айқын үш сатылы сипаттаманы көрсетеді. AFS және Cf/AFS сығымдалу шегі сәйкесінше 8,44 МПа және 11,87 МПа болды. Cf/AFS сығымдалу шегі AFS салыстырғанда 40,6%-ға артты. Сонымен қатар, Cf/AFS энергияны сіңіру қабілеті сол штаммдағы AFS-ке қарағанда жақсырақ.9(b)-сурет. AFS және Cf/AFS энергияны сіңіру мүмкіндіктері сәйкесінше шамамен 3,3 МДж/м3 және 6,1 МДж/м3 құрайды. Cf/AFS энергияны сіңіру қабілеті AFS-пен салыстырғанда 84,8%-ға жақсарды.

9-сурет.Cf/AFS және AFS-тің қысу кернеуі-поезд қисықтары және энергияны сіңіру қабілетінің қисықтары: (а) қысу кернеуі-поезд қисықтары; (b) энергияны сіңіру қабілетінің қисықтары.

Cf қосу көбік өзегінің механикалық қасиеттерін айтарлықтай жақсартты. -ның механикалық қасиеттері белгіліалюминий көбіккеуек құрылымымен және тірек механикалық қасиеттерімен тығыз байланысты. Макроқұрылымдық талдау Cf қосу кеуек өлшемін нақтылағанын, кеуекті бөлуді жақсартқанын және кеуек ақауларын азайтатынын көрсетті. Сасикумар және басқаларының нәтижелеріне ұқсас. және Янгетал. кішкене кеуектер диаметрі және тар кеуектерді бөлу қысу күші мен энергияны сіңіру тиімділігін арттыру үшін тиімдірек. Сонымен қатар, микроқұрылымның көбіктің механикалық қасиеттеріне әсері негізінен көбіктің кеуекті қабырғаларына енгізілген Cf-ге байланысты. Алюминий матрицасында көміртекті талшықтардың мыспен қапталған диффузиясы және еруі талшықтар мен алюминий матрицасының арасындағы берік фазааралық байланысқа қол жеткізе алады, бұл жүктеменің берілуіне ықпал етеді. Кеуекті қабырғаға бекітілген жоғары модульді көміртекті талшық қысу жүктемесі кезінде кеуек қабырғасының деформациясын шектеп, жүк көтеру қабілетін жақсарта алады. Осы факторлардың барлығы AFS-пен салыстырғанда жоғары шығымдылық пен энергияны сіңіру қабілетіне қол жеткізу үшін Cf/AFS-ті қолдайды.

4. Қорытындылар

Бұл жұмыста Cf/AFS және AFS орауыш илемді ұнтақты металлургия әдісімен дайындалды. Cf/AFS және AFS көбіктену әрекеті синхротрондық сәулелену арқылы динамикалық түрде байқалды.

көпіршікті нуклеацияға және өсуге Cf әсерін зерттеу. Сонымен қатар, алюминий көбіктерінің кеуектерінің морфологиясы, кеуектерінің таралуы және қысу қасиеттері туралы Cf мұқият талданды. Негізгі қорытындылар келесідей:

(1) Синхротрондық сәулелену in situ бақылаулары Cf/AFS және AFS көбіктену процестерінің үш түрлі сатысын көрсететінін көрсетеді: көпіршік ядросының түзілуі, көпіршіктердің өсуі және қосылуы және қатаю.

AFS-пен салыстырғанда, Cf/AFS көбіктену процесі жоғары тұрақтылық пен көпіршік біркелкілігін көрсетеді. AFS кеуектер эволюциясы кезінде әдеттен тыс үлкен және дөрекі тері тесігін қалыптастыруға бейім. Сонымен қатар, диспропорция Cf гетерогенді нуклеация әсеріне жатады, ол көпіршікті қабырғаның жарылуын болдырмайды және нуклеация жылдамдығын арттыра отырып, бірігуді азайтады.

(2) 0,5 масса% Cf қосу кеуектердің баламалы диаметрін 2,9 ± 0,2 мм-ден 1,9 ± 0,1 мм-ге дейін нақтылайды, бұл дөрекі тесік ақауларын айтарлықтай азайтады. Бір мезгілде микроқұрылым Cf жақсы ылғалдану қабілетін көрсетеді, ол кеуек қабырғасы мен газ-қатты интерфейс бойымен таралады, осылайша көбік тұрақтылығын арттырады.

(3) AFS-пен салыстырғанда, Cf/AFS-тің қысу шығымдылығы мен энергияны сіңіру қабілеті сәйкесінше шамамен 40,6% және 84,8% өсті. Бұл зерттеудің нәтижелері автомобиль және аэроғарыш өнеркәсібі саласында инженерлік қолданбалы әлеуеті бар металлургиялық байланыс интерфейстері бар алюминий көбікті сэндвич панельдерін нығайтуға арналған идеяларды бере алады.

Материалдарды зерттеу және технологиялар журналынан алынған мақала