شماره راهنما :
2110 دكتري
پديد آورنده :
نوحي ، زهره سادات
عنوان :
كنترل هدفمند ساختار انجمادي آلياژ آلومينيوم Al-4.5wt%Cu با استفاده از ماده تغييرفازدهنده (PCM)
گرايش تحصيلي :
مهندسي مواد
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
توصيفگر ها :
مبرد نسل جديد , ماده تغيير فاز دهنده (PCM) , ريزساختار , انجماد جهت دار , تبديل ساختار ستوني به هم محور (CET) , ساختار پرشكل
تاريخ ورود اطلاعات :
1402/07/05
رشته تحصيلي :
مهندسي مواد
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1402/07/09
كد ايرانداك :
96f65367-878f-4228-8526-98d1462742f9
چكيده فارسي :
عوامل متعددي در طول فرايند ريخته¬گري و انجماد، بر ساختار انجمادي قطعات تاثير مي¬گذارند كه از آن جمله مي¬توان به نحوه و سرعت سردشدن مذاب، استفاده از مواد جوانه¬زا و اعمال تلاطم، ارتعاش يا فشار بر مذاب اشاره كرد. هدف از پژوهش حاضر، ارائه و توسعه روشي جديد براي كنترل ساختار انجمادي با استفاده از مواد تغيير فاز دهنده فلزي و گرماي نهان ذوب آن¬ است. در اين پژوهش، ابتدا متغيرهاي فرايند با استفاده از شبيه¬سازي¬هاي كامپيوتري بهينه¬يابي شده، سپس آزمايش¬هاي تجربي جهت تعيين ميزان و چگونگي تاثير استفاده از ماده تغيير فاز دهنده بر ساختار انجمادي آلياژ آلومينيوم Al-4.5 wt% Cu انجام شد. بدين منظور از دو نوع مبرد، يك مبرد فولادي توپر متداول و يك مبرد فولادي توخالي حاوي مقداري فلز روي خالص به عنوان ماده تغيير فازدهنده، استفاده شده، نمونه¬هايي تحت شرايط انجماد جهت¬دار ريخته¬گري شدند. طراحي مبرد نوع دوم بر اساس تاثيرگذاري مشابه دو مبرد بر آلياژ ريختگي Al-4.5wt%Cu تا قبل از ذوب ماده تغيير فازدهنده انجام شد، به¬طوري¬كه بتوان تاثير ماده تغيير فازدهنده در دو حالت جامد و مذاب را بر ساختار قطعه ريختگي را مشاهده نمود. نمودارهاي دما-زمان نمونه¬هاي ريختگي و مبردها در هر دو حالت شبيه¬سازي و تجربي، تطابق خوبي از خود نشان دادند. طول منطقه ستوني در نمونه ريخته شده با استفاده از مبرد فولادي توپر 46 ميلي¬متر و در نمونه ريخته شده با استفاده از مبرد حاوي ماده تغيير فاز دهنده 33 ميلي¬متر اندازه¬گيري شد كه نشان¬دهنده نقش ماده تغيير فاز دهنده در تسريع پديده تبديل دانه¬هاي ستوني به هم¬محور است. همچنين مشاهده¬هاي درشت¬ساختاري نشان داد كه نمونه ريخته شده با استفاده از مبرد فولادي توپر، داراي ساختار پر¬شكل در منطقه ستوني است، درحالي¬كه ساختار نمونه با مبرد حاوي ماده تغيير فاز دهنده به¬صورت ستوني معمولي است. علت اين پديده به تفاوت قدرت سرمايش دو مبرد در مرحله جوانه¬زني و تفاوت غلظت موضعي عناصر آلياژي در نمونه¬ها در حين رشد نسبت داده شد، . از طرف ديگر، مشاهده شد كه هر دو نوع مبرد، اثر يكساني بر توزيع و اندازه دانه¬هاي هم-محور در جلوي منطقه ستوني دارند و هرچند متوسط اندازه دانه¬هاي هم¬محور در هر دو نمونه يكسان است ولي فاصله بين بازوهاي ثانويه دندريتي (اعم از هم¬محور و ستوني) در طول قطعه در نمونه ريخته شده با استفاده از ماده تغيير فازدهنده كمتر از نمونه با مبرد توپر فولادي است كه اين پديده به نرخ سرد شدن بالاتر در نمونه حاوي ماده تغيير فاز دهنده مرتبط دانسته شد. در همين راستا، در نقاط مشابه قطعات، سختي نمونه ريخته شده با ماده تغيير فازدهنده از سختي نمونه ريخته شده با مبرد توپر فولادي بيشتر بود. نتايج تاييد¬كننده حضور فازهاي مياني غني از آهن (3 تا 16 درصد وزني آهن) و درصد بالاي آهن در زمينه در نزديكي اين فازهاي مياني (تا حدود 38/1 درصد وزني) در نمونه ريخته شده با استفاده از مبرد فولادي توپر است. اين در حالي است كه در نمونه ريخته شده با استفاده از مبرد حاوي ماده تغيير فاز دهنده، ميزان آهن هم در فازهاي مياني غني از مس و هم در زمينه ناچيز است. ريخت¬هاي متنوعي از فازهاي مياني شامل ريخت حروف¬چيني، سوزني، كروي و نامنظم، با تركيب¬هاي شيميايي متفاوت، در ريزساختار دو نمونه مشاهده شد كه ريخت غالب در ريزساختار هر دو نمونه، فاز حروف¬چيني از نوع Al2Cu بود. همچنين مقدار فاز مخرب سوزني¬شكل در نمونه ريخته شده با مبرد حاوي ماده تغيير فاز دهنده كمتر از نمونه ريخته شده با مبرد توپر فولادي و مقدار فازهاي مطلوب كروي آن بيشتر بو¬د. فازهاي كروي از نوع فاز θ-Al2Cu تشخيص داده شد كه به نظر مي¬رسد در حين سردشدن قطعه از فاز جامد رسوب ¬كرده است. به-علاوه، نتايج نشان داد كه استفاده از مبرد نسل جديد، برد تغذيه را افزايش داده، عيوب انقباضي كمتري در قطعه بوجود آمده و منطقه بزرگتري از قطعه عاري از عيوب انقباضي منجمد مي¬شود. به¬طور كلي، استفاده از مبرد نسل جديد مي¬تواند رخداد پديده تبديل ستوني به هم¬محور را تسريع بخشد و بدين طريق كنترل بيشتري بر ساختار حاصل شود. به¬علاوه، با به¬كارگيري اين نوع مبرد، مي¬توان از ايجاد برخي ساختارهاي نامطلوب مانند ساختار پرشكل و عيوب انقباضي اجتناب كرد كه هر دو مي¬توانند اثر مثبتي بر خواص مكانيكي و كاركرد قطعه داشته باشند.
چكيده انگليسي :
A new generation of chillers for judicious control of the solidification structure of cast metals and alloys is introduced and examined in this paper. This innovative chiller makes use of the absorption of the latent heat of melting of a Phase Change Material (PCM) incorporated in the chiller. In this work Al-4.5wt%Cu melt was cast in sand molds fitted with a traditional solid steel chiller as well as this new type of chiller consisted of a steel container filled with a given amount of pure zinc as PCM. Effects of the PCM fitted chiller on the thermal history, solidification and structure of the castings were studied by experimental and computer simulation investigations. The optimum casting parameters and mold and chillers dimensions were selected using ProCast simulation software. The results showed that use of the PCM fitted chiller resulted in faster columnar-equiaxed transition (CET) and about 27% reduction in the length of the columnar zone compared with that of the traditional chiller. The thermal gradient and cooling rate at different points of the PCM fitted casting were generally more than those in the traditionally chilled casting. Use of the PCM fitted chiller eliminated the formation of the feathery grains and reduced the formation of the undesired Fe-rich phases close to the chiller due to different thermal history of the castings. Segregation pattern and change of Growth Restriction Factor (GRF) along the castings were studied and related to the cooling and growth conditions experienced by each casting.
استاد راهنما :
بهزاد نيرومند
استاد مشاور :
جوليو تيملي , مسعود پنجه پور
استاد داور :
محمود مراتيان اصفهاني , رحمت اله عمادي , رامين رئيس زاده
