Μελέτη δομής και ιδιοτήτων κονιομεταλλουργικά παραχθέντων σύνθετων μεταλλικών αφρών αλουμινίου

Abstract

This study is related to the investigation of the microstructure and properties of Aluminium Matrix Syntactic Foams (Al-MSFs) fabricated by a powder metallurgy technique. The research led to the development of mechanisms that describe the evolution of procedures and properties of this type of composite. Commercial pure aluminium with commercial ceramic cenospheres from mullite were selected as matrix and reinforcement material, respectively. Microstructural characteristics as well as different kind of physical and mechanical properties were examined. A description of the sintering mechanism is presented for different composites produced at different sintering temperatures. Also, the influence of the powder metallurgy technique on the fracture mechanism of the Al-MSFs is analyzed. A new mathematic equation is proposed for the calculation of the compressive stress of Al-MSFs, based on existing formulations, while considering the production conditions (compact pressure) of the “green body”. Apart from that, a methodology of 3D design of the structure of the Al-MSFs is proposed based on Delaunay triangulation with FEM analysis. Appropriate equivalent electrical circuit and the mechanism of the early stages of corrosion of Al-MSFs were proposed and described. The investigation showed that powder metallurgy can successfully be used to produce Al-MSFs. Furthermore, the observed diffusion of Si from the cenospheres in the matrix structure highly influence the microstructure of the composite. Corrosion experiments showed that the corrosion rates are higher for the Al-MSFs compared to pure sintered aluminium. The formation of micro – pits at reaction zones (e.g. interfaces between ceramic and metal) and the evolution of them into pits through time seems to be the main mechanism of the early stages of Al-MSFs corrosion.

Η παρούσα εργασία πραγματεύεται τη μελέτη της δομής και ιδιοτήτων Σύνθετων Μεταλλικών Αφρών Αλουμινίου (ΣΜΑΑκ) παραγόμενων με την τεχνική της κονιομεταλουργίας. Στόχος ήταν η διερεύνηση μηχανισμών που σχετίζονται με την παραγωγή και την απόκριση αυτών σε διάφορες συνθήκες φυσικο – μηχανικών ελέγχων. Χρησιμοποιήθηκαν καθαρό αλουμίνιο και κεραμικές κενόσφαιρες από μουλίτη ως μητρικό και ως ενισχυτικό υλικό, αντιστοίχως. Μέσω τεχνικών ελέγχου δομής, μηχανικών ιδιοτήτων και ηλεκτροχημικών ελέγχων της διάβρωσης: Αναπτύχθηκε μηχανισμός περιγραφής των σταδίων της συσσωμάτωσης των ΣΜΑΑκ. Επίσης, αναπτύχθηκε νέα μαθηματική σχέση η οποία συνδέει άμεσα την αντοχή των σύνθετων υλικών με τις αρχικές συνθήκες παραγωγής των πορωδών συσσωματωμάτων. Αναπτύχθηκε νέα μεθοδολογία μοντελοποίησης των ΣΜΑΑκ (χρήση τριγωνοποίησης Delaunay) και έγινε προσδιορισμός μηχανικών ιδιοτήτων μέσω FEM. Ακόμα, αναλύθηκαν οι μηχανισμοί θραύσης των ΣΜΑΑκ υπό θλιπτικά φορτία. Τέλος, προτάθηκε ηλεκτρικό κύκλωμα προσομοίωσης των αρχικών σταδίων διάβρωσης των ΣΜΑΑκ και αναπτύχθηκε ο αντίστοιχος μηχανισμός. Από την όλη μελέτη διαπιστώθηκε ότι: Οι τεχνικές της κονιομεταλλουργίας μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ΣΜΑΑκ. Η διάχυση ποσοτήτων πυριτίου από τις κενόσφαιρες στο μητρικό υλικό επιδρά σημαντικά στην τελική μικροδομή των ΣΜΑΑκ. Η αύξηση του ποσοστού των κενοσφαιρών μειώνει την αντοχή σε διάβρωση των ΣΜΑΑκ. Το προτεινόμενο ηλεκτρικό κύκλωμα περιγράφει ικανοποιητικά τις διαδικασίες διάβρωσης των ΣΜΑΑκ. Βάσει του αναπτυχθέντος μηχανισμού διάβρωσης, η δημιουργία μικροτρημάτων σε ενεργές περιοχές στην επιφάνεια των ΣΜΑΑκ και η ανάπτυξη αυτών με το χρόνο αποτελούν το βασικό μηχανισμό διάβρωσης.