Nodweddion perfformiad panel brechdan ewyn alwminiwm ffibr carbon wedi'i adneuo â chopr o'i gymharu â phanel brechdan ewyn alwminiwm confensiynol

Brechdan ewyn alwminiwmMae gan baneli (AFS) gyfuniad o nodweddion strwythurol a swyddogaethol megis dwysedd isel, cryfder penodol uchel, amsugno ynni ffafriol, gallu dampio, a cysgodi electromagnetig. Mae'r eiddo rhagorol hyn yn golygu bod gan AFS botensial mawr mewn meysydd awyrofod, trafnidiaeth a morol. O'i gymharu ag ewynau prin metel, gall platiau metelaidd allanol AFS selio'r ewyn yn effeithiol a gwella ei briodweddau mecanyddol cynhwysfawr, megis cryfder tynnol a phlygu. Yn gyffredinol, cafodd yr AFS ei wneud trwy ddull bondio gludiog, sy'n golygu cysylltu'r ewyn alwminiwm â phaneli metel solet gan ddefnyddio gludiog resin epocsi.

Er bod y dull bondio gludiog yn gwella dampio strwythurol yn effeithiol, mae cyfyngiadau yn cyd-fynd ag ef, gan gynnwys heriau mewn ailgylchu a thueddiad i fethiant delamination o dan amodau tymheredd uchel neu gyrydol. Er mwyn mynd i'r afael â'r cyfyngiadau hyn, mae ymdrechion ymchwil helaeth wedi'u neilltuo i gyflawni bondio metelegol rhwng y panel a'r haen graidd.

Ar hyn o bryd, mae'r prif ddulliau paratoi ar gyfer AFS sydd â'r nod o gyflawni bondio metelegol yn cael eu dosbarthu'n gyffredinol yn dri chategori: weldio, ewyn toddi, a phacio dull rholio meteleg powdr. Ymhlith y dulliau hyn, ystyrir bod y dull meteleg powdr rholio pacio yn well ar gyfer rheoli strwythur mandwll a chyflawni ewyniad tymheredd isel. Defnyddiodd ein gwaith blaenorol y dechnoleg hon i wneud AFS maint mawr gyda gwell eiddo ehangu a strwythur cellog ar gyfer cymwysiadau diwydiannol.

Fodd bynnag, oherwydd priodweddau mecanyddol cywasgol cymharol isel y craidd ewyn, mae gwelliant cryfder mecanyddol yr AFS yn gyfyngedig, felly mae gwella cryfder y craidd ewyn ymhellach yn hanfodol ar gyfer yr AFS.

Hyd yn hyn, mae'r dulliau cyffredin a adroddwyd i wella priodweddau mecanyddol cywasgol oewyn alwminiwmfel a ganlyn: triniaeth arwyneb, triniaeth wres, ac atgyfnerthu trwy ychwanegu gronynnau, ffibrau, elfennau aloi, ac ati Yn eu plith, mae ffibrau carbon byr â dwysedd isel, modwlws elastig uchel, a chymhareb agwedd fawr wedi denu sylw eang fel deunyddiau atgyfnerthu addawol. Ar ben hynny, mae meteleiddio arwynebau ffibrau carbon, trwy electroplatio neu blatio cemegol fel platio copr neu blatio nicel, yn gwella ymhellach wlybedd y ffibrau carbon yn y toddi alwminiwm ac yn osgoi adweithiau rhyngwynebol niweidiol rhwng y ffibrau carbon a'r toddi alwminiwm. Bellach defnyddir ffibr carbon byr yn eang i atgyfnerthu cyfansoddion matrics alwminiwm.

Bhav Singhetal. ffibrau carbon wedi'u gorchuddio â chopr parod atgyfnerthu cyfansoddion matrics alwminiwm trwy ddull castio troi. Muetal. cyfansoddion matrics alwminiwm ffug wedi'u hatgyfnerthu â ffibrau carbon wedi'u gorchuddio â nicel gan ddefnyddio'r dull castio dwy gofrestr. Dangosodd y canlyniadau welliant sylweddol yng nghryfder tynnol y cyfansoddion trwy ychwanegu ffibrau carbon. Fodd bynnag, ychydig o ymchwil a wnaed arewyn alwminiwm wedi'i atgyfnerthugyda ffibrau carbon wedi'u gorchuddio â chopr. Caoetal. ffibrau carbon wedi'u gorchuddio â chopr yn gyntaf wedi'u hatgyfnerthu ewyn alwminiwm trwy'r dull ewyno toddi. Mae'r canlyniadau'n dangos y gall 0.35 vol% o Cf sefydlogi'r ewyn alwminiwm trwy atal rhwygiad ffilm hylif, a pho fwyaf y bydd y ffibrau a ychwanegir at yr ewyn yn fwy sefydlog. Muetal. yn dangos bod priodweddau dampio ewyn alwminiwm a baratowyd gan y dull ewyn toddi wedi'u gwella'n sylweddol trwy ychwanegu Cf.

Yn unol â hynny, gellir dod i'r casgliad y gall ychwanegu Cf fod yn strategaeth effeithiol i wella sefydlogrwydd ewyn a phriodweddau mecanyddol yr un pryd.ewynau alwminiwm. At hynny, ni fu unrhyw adroddiadau ar baneli brechdanau ewyn alwminiwm wedi'u hatgyfnerthu â ffibrau carbon copr a baratowyd trwy'r dull meteleg powdr, sy'n cymell ymchwilwyr i gynnal astudiaethau manylach yn y maes hwn.

Mae nifer o astudiaethau wedi'u cynnal ar fecanwaith cnewyllol a sefydlogrwyddewynau alwminiwmgan ychwanegu cyfnodau atgyfnerthu. Y gwahaniaethau mewn rhif mandwll a morffoleg mandwll,

megis maint, dosbarthiad, a siâp, fel arfer yn cael eu priodoli i fecanweithiau cnewyllol a sefydlogrwydd. Mae effeithiau cnewyllol heterogenaidd a mecanweithiau sefydlogi rhwydwaith ocsid mewn system meteleg powdr wedi'u hymchwilio'n drylwyr. Mae powdrau aloi cwaternaidd sy'n cynnwys Al–Si–Mg–Cu a ddefnyddir yn y papur hwn wedi dangos cyfraddau ehangu eithriadol a thymheredd ewynnog isel, gyda thymheredd solidus o 507 ◦C a thymheredd hylifol o 596 ◦C. Serch hynny, mae diffyg ymchwil ynghylch mecanwaith cnewyllol, sefydlogrwydd, a phriodweddau mecanyddol cywasgol compactau powdr sy'n cynnwys y cyfansoddiad aloi penodol hwn, yn enwedig wrth ymgorffori Cf. Mewn gweithiau blaenorol, cynhaliwyd ymchwiliadau i fecanweithiau cnewyllol a sefydlogi yn bennaf trwy ddulliau nad ydynt yn y fan a'r lle, gan gynnwys dadansoddiad tomograffig o samplau a gafodd eu hoeri'n gyflym yn dilyn ymyrraeth ewynnog. Yn anffodus, mae cnewyllyn swigen submicron yn digwydd yn bennaf yn ystod gwresogi rhagflaenol ac yn ehangu'n gyflym o fewn cyfnodau amser sy'n rhychwantu o 100 ms i 1 s, gan gyflwyno heriau yn aml ar gyfer arsylwi amser real. Mae'r dechneg ddelweddu pelydr-X ymbelydru synchrotron modern yn meddu ar egni uchel a datrysiad ysbeidiol, gan ganiatáu ar gyfer arsylwi amser real, yn y fan a'r lle, ar broses gnewyllol a thwf ewynau alwminiwm ar dymheredd uchel. Ar hyn o bryd, dim ond ymchwilwyr cyfyngedig sydd wedi archwilio cineteg ewynnog powdr aloi Al-Si-Mg gan ymbelydredd synchrotron. Er enghraifft, García-Morenoetal. adroddwyd am ffenomenau deinamig sylweddol mewn ewyn alwminiwm hylifol, gan gynnwys cnewyllyn a thwf, ad-drefnu swigod, tynnu hylif yn ôl, crynhoad, a rhwygo ffilm. Roedd Kamm et al. astudio proses gnewyllol a thwf ewyn alwminiwm AlSi8Mg4 gan ymbelydredd synchrotron. Dangosodd eu canfyddiadau fod hydrogen a gynhyrchir trwy ddadelfennu arsugnadau ar wyneb y powdr metel yn cynrychioli mecanwaith cnewyllol arwyddocaol arall. Ac eto, mae'r rhyngweithio rhwng cydrannau rhagflaenol yn gymhleth, a gall eu cyfansoddiad ddylanwadu ar ddeinameg ewyno. Ar gyfer y system powdwr Al-Si-Cu-Mg a'r system powdr Al-Si-Cu-Mg gyda Cf ychwanegol, mae deall ac archwilio cychwyniad a thwf ewyn metel yn hanfodol ar gyfer datblygiad strwythurol pellach yr ewyn i wella priodweddau. ar gyfer ceisiadau.

Yn y gwaith hwn, paratowyd Cf/AFS ac AFS gyda bondio rhyngwynebol metelegol gan y dull pacio rholio meteleg powdr. Gwelwyd esblygiad swigod Cf/AFS ac AFS yn y fan a'r lle gan belydriad syncrotron i ddatgelu mecanwaith Cf ar gnewyllyn swigen, twf ac uno, a sefydlogrwydd. Yn ogystal, ewynwyd Cf/AFS ac AFS ar 620 ◦C am 15 munud mewn ffwrnais siambr. Yn dilyn hynny, nodweddwyd a phrofwyd dosbarthiad maint mandwll, microstrwythur mandwll, a phriodweddau mecanyddol cywasgol y samplau ewynog. Yn seiliedig ar yr astudiaethau uchod, gwerthuswyd strwythur a chryfder cywasgol Cf / AFS ac AFS yn systematig.

2. Deunyddiau a dulliau

2.1. Deunyddiau crai

Defnyddiwyd chwe deunydd crai ar gyfer paratoi'r AFS a Cf / AFS: powdr Al (maint cyfartalog: 45 μm, purdeb > 99.70%), powdr Si (maint cyfartalog: 38 μm, purdeb > 99.50%), powdwr Cu (maint cyfartalog: 38 μm, purdeb >99.90%), powdr Mg (maint cyfartalog: 75 μm, purdeb >99.70%), powdr TiH2 (maint cyfartalog: 45 μm, purdeb >99.70%), a ffibr carbon wedi'i orchuddio â chopr (maint cyfartalog: 1 ～2 mm, trwch wedi'i orchuddio â chopr: 1.4 μm).

2.2. Ffugio Cf/AFS

Darlunnir sgematig y dull meteleg powdr rholio pacio ynFfig. 1. Yn ystod y cam cymysgu, paratowyd y powdr aloi cwaternaidd AlSi6Mg4Cu4, gyda phowdrau o Al, Si, Cu, a Mg mewn cyfrannau o 86 wt%, 6 wt%, 4 wt%, a 4 wt%, yn y drefn honno. Ychwanegwyd 1 wt% powdr TiH2 ocsidiedig (triniaeth wres mewn aer am 1.5 h ar 470 ◦C) fel asiant chwythu sy'n rhyddhau H2 yn gyflym ar y tymheredd toddi gan ehangu'r toddi. Yn ogystal, ymgorfforwyd 0.5 wt% o ffibrau carbon fel cyfnodau atgyfnerthu. Yn nodedig, er mwyn gwella gwlybedd ac atal adweithiau niweidiol fel Al4C3 yn y rhyngwyneb toddi ffibr-alwminiwm yn ystod ewynu, cafodd ffibrau carbon eu gorchuddio â chopr trwy electroplatio. Disgrifiwyd y broses electroplatio yn Cyf.Ffig. 2yn dangos y ffibrau carbon wedi'u gorchuddio â chopr a gafwyd trwy'r broses platio electroless. Mae gan y cotio orchudd unffurf a pharhaus o'r wyneb ffibr(Ffig. 2(a)–(b)). Yn dilyn hynny, paratowyd y gwahanol gyfansoddiadau aloi a ddefnyddiwyd yn yr astudiaeth hon trwy gymysgu powdrau a grybwyllwyd uchod yn drylwyr gyda Cf a hebddo mewn cymysgydd tri dimensiwn am 3 h. Mae'r powdr cymysg unffurf wedi'i amgáu o fewn ceudod wedi'i selio, ac yna gweithdrefnau rholio oer a phoeth.

Mae'r cam treigl oer i bob pwrpas yn gwacáu aer o'r tu mewn i'r ceudodau a'r gofodau rhyngosodol rhwng y gronynnau trwy gyfres o basiau lluosog a phantiau bach. Mae'r cam treigl poeth yn sicrhau bod y rhagflaenydd yn cyflawni dwysedd cymharol uwch na 98% trwy gyd-ddadffurfiad y panel a'r powdr, sy'n hwyluso'r broses ewyno ddilynol. Disgrifir paramedrau proses dreigl manwl yn Cyf. Ceir rhagsylweddion ewynnog AFS a Cf/AFS drwy'r broses a grybwyllwyd uchod. Yn y pen draw, cynheswyd y ddau ragflaenydd ewynnog ar 620 ◦C am 15 munud i wneud sbesimenau Cf / AFS ac AFS, a ddefnyddiwyd ar gyfer dadansoddi maint mandwll, nodweddu microstrwythurol, a phrofion priodweddau mecanyddol cywasgol.

2.3. Dulliau nodweddu a phrofi

2.3.1. Nodweddu microstrwythurol

Archwiliwyd morffoleg Microstrwythur y Cf/AFS ac AFS gan ficrosgopeg electron sganio allyriadau maes (SEM, Zeiss Ultra Plus). Defnyddiwyd sbectrosgopeg gwasgaredig egni (EDS) i nodi cyfansoddiad gwahanol gamau yn waliau celloedd y samplau ewynog. Cafwyd adrannau hydredol o'r samplau trwy dorri'r sbesimenau ewynog gan ddefnyddio'r peiriant rhyddhau electro (EDM, DK7745). Yn dilyn hyn, cafodd rhannau hydredol y sbesimenau eu gorchuddio â phaent ac yna eu sandio a'u sgleinio gan ddefnyddio papur tywod 800-graean a 1500-graean, yn y drefn honno. Yn y pen draw, pennwyd diamedrau celloedd cyfatebol (Dmean) y trawstoriad sbesimen caboledig gan ddefnyddio meddalwedd dadansoddi delwedd, Image Pro Plus 6.0.

Ffig. 1 .Sgematig o'r pacio rholio dull meteleg powdr.

Ffig. 2 .Mae delweddau SEM o'r (a) ffibrau carbon wedi'u gorchuddio â chopr, a (b) yn dangos golygfa chwyddedig o'r rhanbarth sydd wedi'i farcio gan sgwâr coch yn (a). Delweddau (c) a (ch) yw canlyniadau EDS y pwynt A yn (b).

Ffig. 3.Diagram sgematig o'r arbrawf pelydriad syncrotron.

2.3.2. Arsylwadau ewynnog yn y fan a'r lle gan ymbelydredd synchrotron

Mae'r diagram sgematig o'r arbrawf pelydriad syncrotron wedi'i fraslunio i mewnFfig. 3. Cynhaliwyd yr arbrofion yn beamline 4W1A o Gyfleuster Ymbelydredd Synchrotron Beijing (BSRF, Sefydliad Ffiseg Ynni Uchel Beijing, Academi Gwyddorau Tsieineaidd, Tsieina). Yn wahanol i ddelweddu confensiynol amsugniad-cyferbyniad, mae'r papur hwn yn defnyddio delweddu cyferbyniad cam â Ffynhonnell Golau Ymbelydredd Synchrotron. Mae'r dull hwn yn mynd i'r afael â chyfyngiadau delweddu amsugno traddodiadol, sy'n aneffeithiol ar gyfer delweddu sylweddau sy'n amsugno'n wan. Perfformiwyd proses ewyno'r sbesimenau o fewn ffwrnais ewynnog wedi'i dylunio'n arbennig, yn cynnwys ffenestr sgwâr 15 mm wrth 15 mm wedi'i lleoli'n berpendicwlar i gyfeiriad y pelydr-X. Mae maint y sampl, fel y dangosir yn Ffig. 3, yn mesur 15 mm × 15 mm × 2 mm. Rhoddir y sampl mewn mowld ewynnog sy'n cynnwys nifer benodol o ddalennau ceramig. Drwy gydol y broses ewyno, gall pelydrau-X fynd drwy'r sampl a chael eu dal gan gamera dyfais cyplydd gwefr (CCD). Roedd y ffynhonnell pelydr-X a ddewiswyd yn gweithredu ar ddwysedd o 20 Kev, a defnyddiwyd maint gwylio uchaf o 7.4 mm × 7.4 mm i alluogi arsylwi cynhwysfawr ar y broses ewyno gyfan.

Mae'n werth nodi bod y samplau a arsylwyd wedi'u lleoli mewn modd perpendicwlar i'r cyfeiriad treigl a'r cyfeiriad tangiadol. Cafodd y rhagflaenwyr sy'n cynnwys 0.5 wt% Cf a'r rhai heb 0.5 wt% Cf eu paneli ochr wedi'u tynnu o ddwy ochr y samplau gan ddefnyddio EDM. Ymchwiliwyd i effaith Cf ar nodweddion ewynnog ewyn alwminiwm. Ar ben hynny, cafodd y rhagflaenwyr â gwahanol gyfansoddiadau eu ewyno yn yr un ffwrnais wresogi ar dymheredd rhagosodedig o 620 ◦C.

2.3.3. Prawf priodweddau mecanyddol cywasgu

Torrwyd y sbesimenau cywasgu yn sbesimenau silindrog gydag uchder o 23 mm a diamedr o 20 mm gan EDM, a sicrhawyd bod pob cyfeiriad yn cynnwys o leiaf 10 mandyllau cyflawn er mwyn osgoi effaith maint. Cynhaliwyd profion cywasgu lled-statig yn unol â safonau ISO13314-2011 a GB/T31930–2015, gan ddefnyddio peiriant profi deunydd cyffredinol electron AG-XPLUS gyda chynhwysedd llwyth uchaf o 100 KN. Profwyd tri sampl ar gyfer pob grŵp, ac mae'r cromliniau straen cywasgol yn y papur hwn yn cynrychioli'r canlyniadau cyfartalog a gafwyd o'r tri sampl a brofwyd. Perfformiwyd yr holl brofion o dan reolaeth dadleoli, gan gynnal cyflymder traws-pen cyson o 2 mm/mun (sy'n cyfateb i gyfradd straen gychwynnol o 10 - 3 s - 1) ar dymheredd ystafell.

Ffig. 4.Delweddau pelydriad syncrotron cyfnod-ddatblygedig o broses ewyno Cf/AFS: (a) rhagflaenydd di-ewyn ar t0 eiliad o 380 ◦C; (b)–(c) hydoddiant copr elfennol a chnewyllyn math II yn ystod toddi rhagflaenol; (ch)–(e) prosesau cnewyllol a thyfiant heterogenaidd swigod; ac (f)–(i) swigod yn uno ac yn rhwygo.

3. Canlyniadau a thrafodaeth

3.1. Ymddygiad ewynnu yn y fan a'r lle o dan ymbelydredd synchrotron

3.1.1. Esblygiad ewyn o Cf/AFS

Ffig. 4yn arddangos cyfres o ddelweddau pelydriad syncrotron sy'n darlunio proses ewyno'r Cf/AFS. Y delweddau gwreiddiol o'r Cf/AFS(Ffig. 4(a))eu dal pan oedd y matrics mewn cyflwr solet ar 380 ◦C, a gosodwyd yr amser hwn fel t0. O'i gymharu â'r cydrannau eraill yn y rhagflaenydd, mae Cf yn ymddangos yn ddu o fewn y matrics sy'n llawn alwminiwm llwyd yn bennaf. Gellir priodoli hyn i'r cynnwys copr uchel ar yr wyneb ffibr, fel y dangosir ynFfig. 2(c)–(d), sydd â'r màs atomig cymharol mwyaf o'i gymharu â chydrannau eraill y rhagflaenydd. At hynny, gwelir bod y mwyafrif o Cf yn wasgaredig ac ar wahân, yn hytrach na chlystyru gyda'i gilydd, fel yr arddangosir ynFfig. 4(a). Mae hyn yn awgrymu, gydag ychwanegiad 0.5 wt% o Cf, y gall proses droi 3 awr gyrraedd y cyflwr gwasgariad dymunol yn effeithiol.

Ar t0+194s (fel y gwelir ynFfig. 4(b)), gellir gweld nifer sylweddol o swigod gwyn, bron yn sfferig gyda diamedrau yn amrywio o 90 μm i 180 μm yn y matrics alwminiwm llwyd (wedi'i farcio â'r saeth goch). Parhaodd nifer y swigod i gynyddu o fewn 46 s, fel y dangosir ynFfig. 4(c). Yn ogystal, newid nodedig arall sy'n digwydd yn y matrics yw bod rhai swigod bach yn tueddu i ffurfio ar wyneb Cf gyda chychwyn diddymiadau Cu (wedi'i farcio â'r blwch dotiog coch). Mae'n debyg bod y ffenomen hon wedi'i phriodoli i gnewyllyn math II sy'n digwydd o fewn y compact powdr sy'n cynnwys copr. Cydnabyddir yn eang bod ychwanegu Cu yn lleihau tymheredd toddi aloion yn sylweddol. Mae hyn yn arwain at doddi lleol o amgylch gronynnau powdr unigol yn y rhagflaenydd powdr sy'n cynnwys powdr copr yn ystod y broses wresogi, gan gynhyrchu swm sylweddol o doddi ewtectig cwaternaidd Al-Si-Mg-Cu ar dymheredd is. Mae'r pwll toddi ewtectig cwaternaidd yn tueddu i fod yn rhanbarth gwan yn yr aloi ac mae'n fwy tueddol o gael cnewyllyn. O ganlyniad, mae swigod yn fwy tebygol o gnewyllo a thyfu ger y gorchudd copr ar yr wyneb ffibr. Ar ben hynny, mae'r ffracsiwn hylif isel yn y matrics ar hyn o bryd yn achosi nwyon o ddadelfennu TiH2 i gronni'n hawdd yn y matrics alwminiwm. Gall cnewyllo Math II osgoi'r nwy cronedig yn effeithiol gan orfodi'r matrics ffracsiwn hylif isel ar wahân a lluosogi craciau trwy'r hylif, gan arwain at golled ddifrifol o faint o hydrogen.

Ffig. 4(ch)yn dangos bod y swigod yn cnewyllo i ddechrau ac yn tyfu ar ranbarth y Cf wrth i'r matrics doddi'n llwyr, ac mae lleoliadau'r swigen yn cyfateb i'r haenen gopr sy'n diflannu (wedi'i farcio â'r blwch dotiog coch). Mae wedi'i hen sefydlu bod ychwanegu cyfnodau eilaidd yn cynyddu nifer y safleoedd cnewyllol heterogenaidd, a thrwy hynny leihau'r rhwystr ynni ar gyfer ffurfio swigod newydd o fewn y toddi aloi. Yn y cyfamser, mae cyfradd cnewyllol yn gysylltiedig â chyfanswm arwynebedd cnewyllol heterogenaidd fesul uned gyfaint. O ganlyniad, gellir sylwi bod y swigod yn cnewyllo i ddechrau yn y safleoedd lle mae ffibrau carbon wedi'u lleoli ac yn ehangu ar hyd y ffibr carbon. Gyda chynnydd pellach yn y ffracsiwn toddi, mae nifer o swigod newydd yn parhau i ddod i'r amlwgFfig. 4(e)–4(g). Fodd bynnag, mae cyfradd uno lleol a rhwygo'r swigod yn araf, sy'n dangos bod gan y swigod sefydlogrwydd uchel. Ar t0+426s, mae nifer y swigod yn cynyddu'n sylweddol, a

mae'r gyfrol rhagflaenol yn arddangos ehangiad mawr(Ffig. 4(h)). Ar ben hynny, mae'r digwyddiad o uno swigod (wedi'i farcio â'r saeth goch), lle mae swigod bach yn cael eu hamsugno gan rai mwy oherwydd aeddfedu Ostwald, yn broses anochel yn ystod esblygiad ewynau metelaidd [40]. Mae'r ffenomen aeddfedu hon hefyd yn arwain at ymddangosiad nifer fach o swigod mawr ac afreolaidd (wedi'u marcio â'r saeth goch ynFfig. 4(i)).

Ffig. 5.Delweddau amser-ddatblygedig o broses ewyno AFS ar wahanol gamau: (a) rhagflaenydd heb ei doddi ar t0 moment o 380 ◦C; ( b ) hydoddiant copr elfennol a chnewyllyn math II yn ystod toddi rhagflaenol; (c) prosesau cnewyllol a thyfiant swigod; a (ch)–(dd) swigod yn uno ac yn rhwygo.

3.1.2. Esblygiad ewyn AFS

Mae Ffig. 5 yn dangos cyfres o ddelweddau pelydriad syncrotron sy'n dangos proses ewyno AFS. Yn debyg i Cf/AFS, cipiwyd y ddelwedd gychwynnol ar gyfer y dilyniant ymbelydredd syncrotron pan oedd AFS yn y cyfnod solet ar 380 ◦C (gwelerFfig. 5(a)). Pan fydd y matrics yn cael ei gynhesu uwchlaw'r tymheredd solidus, mae swigod gwyn bach yn dod i'r golwgFfig. 5(b) ac (c), sy'n deillio o ddadelfennu TiH2 ac achosion cnewyllol math II yn y rhanbarth Cu-gyfoethog. Fodd bynnag, mae nifer y swigod a gynhyrchir a'u dwysedd dosbarthu ynFfig. 5(c)yn nodedig yn is o'i gymharu âFfig. 4(c). Mae hyn yn awgrymu bod Cf/AFS yn darparu mwy o sianeli ar gyfer rhyddhau nwy cynnar yn ystod cyfnod cnewyllol, gan atal craciau rhag ffurfio'n ormodol mewn matrics alwminiwm gyda ffracsiwn hylif isel.

Gellir gweld nifer llai o safleoedd cnewyllol AFS a thebygolrwydd uwch o dwf swigod annormal o gymharu â Cf/AFS oFfig. 5(ch)–(f). Mae esblygiad swigod AFS yn afreolaidd, ac mae eu meintiau'n dangos amrywiadau eang oherwydd bod swigod maint micromedr yn cydfodoli a swigod mawr annormal o faint milimetr (wedi'u marcio â'r saeth goch). At hynny, gall yr ansefydlogrwydd a'r anhomogenedd hwn yn ystod y broses gnewyllol gynnar arwain at wahaniaethau sylweddol yn y strwythur mandwll terfynol a'r priodweddau mecanyddol rhwng AFS a Cf/AFS.

3.2. Dadansoddiad macrostrwythur

Er mwyn ymchwilio i'r gwahaniaethau mewn morffoleg mandwll macrosgopig a diamedr mandwll rhwng AFS a Cf/AFS, paratowyd dau strwythur rhyngosod o dan amodau labordy ar dymheredd ewynnog o 620 ◦C am 15 munud. Dangosir macrostrwythurau a dosbarthiad maint celloedd AFS a Cf/AFS ynFfig. 6. Mae cymhariaeth o adrannau fertigol y ddau sampl o strwythurau rhyngosod yn datgelu bod gan yr ewynau Cf/AFS gelloedd mân a llai o ddiffygion megis rhwyg neu uno celloedd (gwelerFfig. 6 (b)). I'r gwrthwyneb, fel y dangosir ynFfig. 6(a), mae'r AFS yn arddangos homogenedd mandwll gwael gyda phresenoldeb rhai mandyllau annormal o fawr. Yn y cyfamser, y diamedr mandwll cyfatebol ar gyfer AFS a Cf/AFS oedd 2.9 ± 0.2 mm a 1.9 ± 0.1 mm, yn y drefn honno, sy'n awgrymu bod diamedr y mandwll wedi'i fireinio ymhellach trwy ychwanegu Cf (gwelerFfig. 6(c) a (ch)).

Mae dau fecanwaith cystadleuol yn dylanwadu ar esblygiad y strwythur mandwll: dadelfennu TiH2 ac uno a rhwygo'r ewyn. Mae dadelfennu TiH2 yn cyfrannu at y cynnydd yn nifer y cnewyllyn, mandylledd, a chyfradd ehangu, tra bod uno a rhwygo swigod yn lleihau nifer y mandyllau ac yn cynyddu diamedr y mandyllau. Mae lleihau digwyddiadau uno swigen a rhwygo yn cyfrannu at gael gwell strwythur cellog. Felly, mae angen sefydlogrwydd uchel yr ewyn i gynnal homogenedd y strwythur mandwll yn ystod y broses ewyno. Ar gyfer Cf / AFS, mae ychwanegu Cf yn gwella gwlybedd y ffibrau gyda'r toddi alwminiwm yn fawr. Yn debyg i'r ewyn alwminiwm atgyfnerthu Cf a adroddwyd [44] a baratowyd gan y dull ewyn toddi, mae ychwanegu Cf yn sefydlogi'r ewyn alwminiwm trwy atal rhwyg wal gell a lleihau crynhoad. Yn y cyfamser, gall Cf greu strwythur tebyg i rwyd yn y wal gell, sy'n cynhyrchu grym gwahanu ac yn atal swigod rhag rhwygo, gan wella strwythur y gell, sefydlogrwydd ewyn, ac unffurfiaeth y dosbarthiad mandwll.

3.3. Nodweddu microstrwythurol

Ffig. 7(a)yn dangos microstrwythur y wal gell ar ôl ewynu ag AFS. Fel yr adroddwyd ar gyfer ewynau aloi AlSi6Cu4Mg4, mae eutectig Al-Si, Mg2Si, Al2Cu, ac Al5Cu2Mg8Si6, yn bresennol yn yr aloi, sy'n cyd-fynd â'r canfyddiadau a gafwyd o ddadansoddiad EDS ynFfig. 7(b). Mae'r cyfnodau brau hyn yn lleihau priodweddau mecanyddol yr ewyn alwminiwm trwy wanhau'r wal mandwll neu weithredu fel ffynhonnell craciau yn ystod anffurfiad. Felly, mae gwella priodweddau mecanyddol y wal mandwll trwy ychwanegu cyfnodau atgyfnerthu yn strategaeth ymarferol ac effeithiol.

Ar gyfer Cf/AFS, gellir ei arsylwi oFfig. 7(c) ac (ch)bod y Cf yn cael ei ddosbarthu y tu mewn i'r wal gell neu ar ymyl y wal gell, sy'n dangos bod gan Cf wlybedd rhagorol gyda'r toddi alwminiwm. Ar ben hynny, mae'n amlwg (cyfeiriwch atFfig. 7(ch)) bod ychydig bach o'r cyfnod gwaddodi Al2Cu yn ffurfio ar y rhyngwyneb rhwng y ffibrau a'r toddi alwminiwm. Mae'r ffenomen hon yn cyfrannu at gyflawni bond cryf rhwng y ffibrau a'r matrics. Gellir gweld dilyniant yr adwaith gwasgariad hwn yn reddfol ynFfig. 4(a)–(c). Sylwch, nid yw'r cyfnod dyddodiad yn amgylchynu'r ffibrau carbon yn llwyr, ac mae cyflwr a maint y dosbarthiad hwn o fudd i Cf / AFS. Yn seiliedig ar yr astudiaeth o Lv et al, ar ddeunyddiau cyfansawdd matrics alwminiwm atgyfnerthu Cf, dangoswyd y gall y swm priodol o gyfnod gwaddod ddylanwadu a rheoleiddio cryfder y bond rhyngwyneb.

Ffig. 6.Adrannau fertigol y sampl cynrychioliadol (a) AFS a (b) Cf/AFS. Mae'r plotiau ffracsiwn diamedr cyfatebol yn erbyn arwynebedd sy'n cyfateb i (a) a (b) wedi'u darlunio yn (c) a (d), yn y drefn honno. Mae'r llinell ddi-dor solet yn (c) a (d) yn cynrychioli'r ffit log-normal. Mae atchweliad (R2 ) yn cynrychioli daioni ffit.

Ffig. 7.Mae delweddau SEM (a) a (b) yn dangos y microstrwythurau sy'n cyfateb iddyntFfig. 6(a) AFS aFfig. 6(b) Cf/AFS, yn y drefn honno, ymhellach,Ffig. 7(b) a (ch) dangos chwyddhadau lleoledig oFfig. 7(a) ac (c), yn y drefn honno.

3.4. Mecanwaith Cf yn sefydlogi ewyn Al–Si–Mg–Cu

Yn seiliedig ar y dadansoddiad uchod, mae cynrychiolaeth sgematig o'r mecanwaith ewyno ar gyfer Cf/AFS ac AFS wedi'i grynhoi ynFfig. 8. Y gwahaniaethau sylweddol rhwng Cf/AFS ac AFS yn y cyfnod cnewyllol, twf swigod, a'r cam uno, a'r cam solidoli graddol, fel y dangosir ynFfig. 8(a) a (b).

Ffig. 8.Diagram sgematig o ymddygiad ewyn Cf/AFS ac AFS: (a) Cf/AFS; a (b) AFS.

Yng nghyfnod cnewyllol ewynau aloi AlSi6Cu4Mg4, mae swigod yn tueddu i gnewyllo o fewn yr ewtectig cwaternaidd hylifol o amgylch y gronynnau copr, yn hytrach na chnewyllo yn lleoliad y gronynnau TiH2. Mae'r math hwn o gnewyllyn yn rhanbarth gwannaf y rhagflaenydd (cnewyllyn math II) yn darparu mwy o sianeli dianc ar gyfer y nwyon a ryddheir gan ddadelfennu TiH2, gan osgoi cronni nwyon ac achosi craciau i ymledu yn y toddi alwminiwm. Mae'n debyg bod ychwanegu ffibrau carbon wedi'u gorchuddio â chopr yn creu mwy o sianeli ar gyfer rhyddhau H2. Fodd bynnag, gan nad oes gan y toddi alwminiwm ffracsiwn hylif digonol ar hyn o bryd, mae'n anodd i swigod bach o'r fath gael ffynhonnell ddigonol o H2 i barhau i dyfu. O ganlyniad, mae'r swigod bach hyn yn rhwygo o fewn y toddi wrth i'r tymheredd godi. Pan fydd y rhagflaenydd wedi'i doddi'n llwyr, bydd yr H2 a ryddhawyd o adwaith dadhydrogeniad treisgar TiH2 yn cnewyllo ac yn tyfu'n gyflym yn seiliedig ar y pwynt cnewyllol. Mae'r Cf yn darparu nifer o safleoedd cnewyllol heterogenaidd ar gyfer cynhyrchu swigod, sy'n cynyddu'r cyfraddau cnewyllol yn fawr. Ar yr un pryd, mae presenoldeb Cf yn atal cyswllt ac uno'r swigod cynradd yn effeithiol ac yn osgoi ffurfio swigod mawr afreolaidd.

Yn ystod cam twf ac uno'r swigod, mae ychwanegu Cf yn gwella sefydlogrwydd ewyn yn sylweddol. Y rheswm yw bod gan Cf ac alwminiwm toddi wlybedd da, a gellir dal y ffibrau'n hawdd rhwng y ddau ryngwyneb nwy-hylif i ffurfio strwythur rhwydwaith (fel y dangosir ynFfig. 7(c)). Wrth i'r ffilm hylif gael ei theneuo, gall y ffibrau gynhyrchu pwysau gwahanu i wrthsefyll sugno o ffin y llwyfandir, gan atal y ffilm hylif rhag rhwygo. Felly mae angen amser ewynu hirach ar Cf / AFS o'i gymharu ag AFS, gyda sefydlogrwydd uwch a all gynnal unffurfiaeth y strwythur mandwll yn ystod esblygiad yr ewyn.

Yn ystod y cyfnod caledu araf, nid yw swigod yn Cf/AFS yn tyfu mwyach ac mae'r ffibrau wedi'u mewnosod yn y cellfur (wedi'u marcio â'r blwch dot coch). Mae cadw hwn o ffibrau yn atal amsugno swigod bach gan rai mwy, fel y gwelir yn Ostwald aeddfedu, ac yn atal rhwyg wal gell oherwydd ehangu solidification. O ganlyniad, mae Cf/AFS yn arddangos strwythur mandwll mwy homogenaidd a llai o ddiffygion mandwll o gymharu ag AFS.

3.5. Priodweddau mecanyddol

Cyflwynir y cromliniau straen cywasgol ar gyfer Cf / AFS ac AFS gyda bron yr un mandylledd (83.2% a 81.4%, yn y drefn honno) ynFfig. 9(a). Mae'r gromlin straen cywasgol yn dangos nodwedd tri cham amlwg, sy'n cynnwys y rhanbarth elastig llinol, rhanbarth y llwyfandir, a'r rhanbarth dwyseddu. Cryfder cnwd cywasgol AFS a Cf/AFS oedd 8.44 MPa a 11.87 MPa, yn y drefn honno. Cynyddwyd cryfder cynnyrch cywasgol Cf/AFS 40.6% o'i gymharu ag AFS. Yn y cyfamser, mae gallu amsugno ynni Cf / AFS yn well na chynhwysedd AFS ar yr un straen, fel y dangosir ynFfig. 9(b). Mae cynhwysedd amsugno ynni AFS a Cf/AFS tua 3.3 MJ/m3 a 6.1 MJ/m3, yn y drefn honno. Mae cynhwysedd amsugno ynni Cf/AFS wedi gwella 84.8% o'i gymharu ag AFS.

Ffig. 9.Cromliniau trenau straen cywasgol a chromliniau cynhwysedd amsugno egni Cf/AFS ac AFS: (a) cromliniau trên straen cywasgol; (b) cromliniau cynhwysedd amsugno egni.

Roedd ymgorffori Cf yn gwella priodweddau mecanyddol y craidd ewyn yn sylweddol. Mae'n hysbys iawn bod priodweddau mecanyddolewyn alwminiwmyn perthyn yn agos i'r strwythur mandwll a phriodweddau mecanyddol strut. Dangosodd dadansoddiad macrostrwythurol fod ychwanegu Cf yn mireinio maint y mandwll, yn gwella dosbarthiad mandwll, ac yn lleihau diffygion mandwll. Yn debyg i ganfyddiadau Sasikumar et al. a Yangetal. mae diamedr mandwll bach a dosbarthiad mandwll cul yn fwy buddiol i wella cryfder cywasgol ac effeithlonrwydd amsugno ynni. Ar ben hynny, mae effaith microstrwythur ar briodweddau mecanyddol yr ewyn yn bennaf oherwydd y Cf sydd wedi'i ymgorffori yn waliau mandwll yr ewyn. Gall trylediad a diddymiad y ffibrau carbon sydd wedi'u gorchuddio â chopr yn y matrics alwminiwm gyflawni bond rhyngwyneb cadarnach rhwng y ffibrau a'r matrics alwminiwm, sy'n cyfrannu at drosglwyddo llwyth. Gall y ffibr carbon modwlws uchel sydd wedi'i styffylu yn y wal mandwll gyfyngu ar anffurfiad y wal mandwll o dan lwyth cywasgu a gwella'r gallu i gynnal llwyth. Mae'r holl ffactorau hyn yn ffafrio Cf/AFS i gyflawni cryfder cynnyrch uwch a chynhwysedd amsugno ynni o gymharu ag AFS.

4. Casgliadau

Paratowyd y Cf/AFS ac AFS gan y dull rholio rholio pacio meteleg powdr yn y gwaith hwn. Arsylwyd ymddygiad ewynnog Cf/AFS ac AFS yn ddeinamig trwy ymbelydredd synchrotron i

ymchwilio i ddylanwad Cf ar gnewyllyn a thwf y swigen. Yn ogystal, dadansoddwyd Cf ar forffoleg mandwll, dosbarthiad mandwll, a phriodweddau cywasgu ewynau alwminiwm yn drylwyr. Mae'r prif gasgliadau fel a ganlyn:

(1) Mae arsylwadau ymbelydredd synchrotron in situ yn datgelu bod prosesau ewyno Cf/ AFS ac AFS yn arddangos tri cham gwahanol: cnewyllo swigod, twf swigod ac uno, a chaledu.

O'i gymharu ag AFS, mae proses ewyno Cf / AFS yn dangos sefydlogrwydd uwch ac unffurfiaeth swigen. Mae AFS yn fwy tueddol o ffurfio mandyllau anarferol o fawr a bras yn ystod y broses esblygiad mandwll. Yn ogystal, mae'r gwahaniaeth yn cael ei briodoli i effaith cnewyllol heterogenaidd Cf, sy'n atal rhwygiad wal swigen ac yn lleihau cyfuno tra'n cynyddu'r gyfradd cnewyllol.

(2) Mae ychwanegu 0.5 wt.% cf yn mireinio'r diamedr pore cyfatebol o 2.9 ± 0.2 mm i 1.9 ± 0.1 mm, gan leihau'n sylweddol ddiffygion pore bras. Ar yr un pryd, mae'r microstrwythur yn datgelu gwlybedd da Cf, sy'n cael ei ddosbarthu ar hyd y wal mandwll a'r rhyngwyneb nwy-solid, a thrwy hynny wella sefydlogrwydd ewyn.

(3) O'i gymharu ag AFS, cynyddodd cryfder cynnyrch cywasgol a chynhwysedd amsugno ynni'r Cf / AFS tua 40.6% a 84.8%, yn y drefn honno. Gall canfyddiadau'r astudiaeth hon ddarparu syniadau ar gyfer atgyfnerthu paneli rhyngosod ewyn alwminiwm gyda rhyngwynebau bondio metelegol sydd â'r potensial ar gyfer cymwysiadau peirianneg ym maes diwydiannau modurol ac awyrofod.

Erthygl o Journal of Materials Research and Technology