پژوهشگران دانشگاه امیرکبیر با همکاری محققان اسپانیایی، فرایند جدیدی را برای رسیدن به مواد نانوساختار/فوق‌ریزدانه و با استحکام بالا ارائه داده‌اند. این روش به گونه ای طراحی شده که قابلیت تولید نانوکامپوزیت و فلز نانوساختار را به طور هم زمان دارد. نتایج ای
دانشگاه صنعتی امیرکبیر: امکان تولید مستحکم‌ترین آلیاژ آلومینیم با فناوری نانو
فناوری نوین به سمت تولید آلیاژهای مستحکم‌تر و سبک‌تر پیش می‌رود تا از این طریق در مصرف انرژی صرفه جویی شود. اغلب فرایندهای تغییر شکل پلاستیکی شدید (SPD)، جهت تولید فلزات با استحکام بالا، دارای سه محدودیت اصلی است. در این فرایندها، دستگاه‌های شکل‌دهی با ظرفیت بار بالا و قالب‌های گران‌قیمت ضروری است. پایین بودن میزان تولید و محدود بودن ابعاد محصول نهایی یکی دیگر از مشکلات آن‌هاست. همچنین عدم امکان تولید کامپوزیت در روش‌های تغییر شکل پلاستیک موجود، از دیگر محدودیت‌های موجود در این فرایندها به شمار می‌رود.
با توجه به این محدودیت‌ها و همچنین نیاز به ابداع فرایندهای جدید، محققان فرایند تغییرشکل پلاستیک شدید جدیدی به نام پرس تجمعی پیوندی (APB) را پیشنهاد نموده‌اند. در این پژوهش از آلومینیم خالص تجاری ۱۰۵۰ به عنوان آلیاژ زمینه و نانوذرات کاربید سیلیسیم به عنوان تقویت‌کننده استفاده شده است.
سجاد امیرخانلو، نتایج استفاده از این فرایند را بدین شرح بیان کرد: «به کمک این فرایند، تولید آلیاژهایی با استحکام چندین برابر نمونه‌های متداول، کاهش هزینه‌های تولیدی و مصرف انرژی و همچنین افزایش راندمان محصول نهایی امکان پذیر شده است.»
نتایج این پژوهش نشان داده که آلومینیم و کامپوزیت‌های آن، توسط فرایند APB، بدون ترک و لایه‌ای شدن تولید شده است. نمونه‌های نهایی، محصولی یکپارچه و با کیفیت مناسب است.
به گفته‌ی این محقق، ترکیب هم زمان ساختار فوق ریزدانه با اندازه‌ی متوسط ۲۸۰ نانومتر و ذرات تقویت کننده‌ی کاربید سیلیسیم با اندازه‌ی متوسط ۵۵ نانومتر، منجر به تولید نانوکامپوزیت زمینه آلومینیمی با استحکام ۲۸۴ مگاپاسکال گردیده است. این مقدار بالاترین مقدار استحکام گزارش شده در آلیاژ آلومینیم خالص تجاری در سرتاسر جهان است.
امیرخانلو در ادامه به توضیح روش پیشنهادی پرداخت و افزود: «فرایند پرس تجمعی-پیوندی شامل مراحل آماده‌سازی سطحی دو نمونه، روی هم قرار دادن آن‌ها، پرس دو نمونه با کاهش ضخامت ۵۰ درصد در یک قالب ساده و برش پس از پرس است. به دلیل عدم تغییر ضخامت نمونه‌های اولیه، تکرار مراحل تا رسیدن به کرنش‌های بسیار بالا و دست‌یابی به ساختار نانو امکان‌پذیر است. جهت تولید کامپوزیت در این روش، ذرات تقویت‌کننده به صورت تقریباً یکنواخت روی یکی از نمونه‌ها افشانه می‌شود. با انجام فرایند پرس تجمعی پیوندی، ذرات تقویت کننده در کل زمینه‌ی آلومینیم با استفاده از سیلان فلز به شکل یکنواخت توزیع می‌گردد.»
تغییرات ریزساختاری نمونه‌های تولید شده توسط میکروسکوپ‌های الکترونی روبشی (SEM)، عبوری (TEM) و عبوری-روبشی (STEM)، پراش الکترون برگشتی (EBSD)، طیف‌سنجی پراکندگی انرژی (EDS) و پراش پرتو ایکس (XRD) ارزیابی شده است. همچنین به منظور بررسی خواص مکانیکی نمونه‌های ساخته شده، از آزمون‌های کشش و سختی استفاده گردیده است.
نتایج این کار در مجله‌ی Scripta Materialia (جلد ۱۰۰، شماره ۱، سال ۲۰۱۵، صفحات ۴۰ تا ۴۳) انتشار یافته و حاصل همکاری سجاد امیرخانلو، دکترای مهندسی متالورژی و مواد از دانشگاه صنعتی امیرکبیر، دکتر مصطفی کتابچی، دکتر نادر پروین، اعضای هیأت علمی دانشگاه صنعتی امیرکبیر، و همکاران اسپانیایی آن‌ها از مؤسسه CENIM-CSIC اسپانیا است.
با توجه به این محدودیت‌ها و همچنین نیاز به ابداع فرایندهای جدید، محققان فرایند تغییرشکل پلاستیک شدید جدیدی به نام پرس تجمعی پیوندی (APB) را پیشنهاد نموده‌اند. در این پژوهش از آلومینیم خالص تجاری ۱۰۵۰ به عنوان آلیاژ زمینه و نانوذرات کاربید سیلیسیم به عنوان تقویت‌کننده استفاده شده است.
سجاد امیرخانلو، نتایج استفاده از این فرایند را بدین شرح بیان کرد: «به کمک این فرایند، تولید آلیاژهایی با استحکام چندین برابر نمونه‌های متداول، کاهش هزینه‌های تولیدی و مصرف انرژی و همچنین افزایش راندمان محصول نهایی امکان پذیر شده است.»
نتایج این پژوهش نشان داده که آلومینیم و کامپوزیت‌های آن، توسط فرایند APB، بدون ترک و لایه‌ای شدن تولید شده است. نمونه‌های نهایی، محصولی یکپارچه و با کیفیت مناسب است.
به گفته‌ی این محقق، ترکیب هم زمان ساختار فوق ریزدانه با اندازه‌ی متوسط ۲۸۰ نانومتر و ذرات تقویت کننده‌ی کاربید سیلیسیم با اندازه‌ی متوسط ۵۵ نانومتر، منجر به تولید نانوکامپوزیت زمینه آلومینیمی با استحکام ۲۸۴ مگاپاسکال گردیده است. این مقدار بالاترین مقدار استحکام گزارش شده در آلیاژ آلومینیم خالص تجاری در سرتاسر جهان است.
امیرخانلو در ادامه به توضیح روش پیشنهادی پرداخت و افزود: «فرایند پرس تجمعی-پیوندی شامل مراحل آماده‌سازی سطحی دو نمونه، روی هم قرار دادن آن‌ها، پرس دو نمونه با کاهش ضخامت ۵۰ درصد در یک قالب ساده و برش پس از پرس است. به دلیل عدم تغییر ضخامت نمونه‌های اولیه، تکرار مراحل تا رسیدن به کرنش‌های بسیار بالا و دست‌یابی به ساختار نانو امکان‌پذیر است. جهت تولید کامپوزیت در این روش، ذرات تقویت‌کننده به صورت تقریباً یکنواخت روی یکی از نمونه‌ها افشانه می‌شود. با انجام فرایند پرس تجمعی پیوندی، ذرات تقویت کننده در کل زمینه‌ی آلومینیم با استفاده از سیلان فلز به شکل یکنواخت توزیع می‌گردد.»
تغییرات ریزساختاری نمونه‌های تولید شده توسط میکروسکوپ‌های الکترونی روبشی (SEM)، عبوری (TEM) و عبوری-روبشی (STEM)، پراش الکترون برگشتی (EBSD)، طیف‌سنجی پراکندگی انرژی (EDS) و پراش پرتو ایکس (XRD) ارزیابی شده است. همچنین به منظور بررسی خواص مکانیکی نمونه‌های ساخته شده، از آزمون‌های کشش و سختی استفاده گردیده است.
نتایج این کار در مجله‌ی Scripta Materialia (جلد ۱۰۰، شماره ۱، سال ۲۰۱۵، صفحات ۴۰ تا ۴۳) انتشار یافته و حاصل همکاری سجاد امیرخانلو، دکترای مهندسی متالورژی و مواد از دانشگاه صنعتی امیرکبیر، دکتر مصطفی کتابچی، دکتر نادر پروین، اعضای هیأت علمی دانشگاه صنعتی امیرکبیر، و همکاران اسپانیایی آن‌ها از مؤسسه CENIM-CSIC اسپانیا است.
