A rézleválasztott szénszálas alumínium hab szendvicspanel teljesítményjellemzői a hagyományos alumíniumhab szendvicspanelekhez képest

Alumínium hab szendvicsAz (AFS) panelek olyan szerkezeti és funkcionális jellemzők kombinációjával rendelkeznek, mint például az alacsony sűrűség, a nagy fajlagos szilárdság, a kedvező energiaelnyelés, a csillapítási képesség és az elektromágneses árnyékolás. Ezek a kiváló tulajdonságok teszik az AFS-t nagy potenciállal az űrrepülés, a szállítás és a tengeri területeken. Az alig fémhabokhoz képest az AFS külső fémlemezei hatékonyan lezárják a habot, és javítják annak átfogó mechanikai tulajdonságait, mint például a szakítószilárdságot és a hajlítószilárdságot. Általában az AFS-t ragasztásos kötési módszerrel gyártották, amely magában foglalja az alumíniumhab szilárd fémlemezekhez történő rögzítését epoxigyanta ragasztóval.

Bár a ragasztós kötési módszer hatékonyan fokozza a szerkezeti csillapítást, korlátok kísérik, beleértve az újrahasznosítás kihívásait, valamint a magas hőmérsékleten vagy korrozív körülmények között fennálló leválási hibára való hajlamot. E korlátok kezelésére kiterjedt kutatási erőfeszítéseket tettek a panel és a magréteg közötti metallurgiai kötés elérése érdekében.

Jelenleg a kohászati ​​kötés elérését célzó AFS domináns előkészítési módszerei általában három kategóriába sorolhatók: hegesztés, olvadékhabosítás és hengerlési porkohászati ​​módszer. Ezen eljárások közül a pórusszerkezet szabályozásában és az alacsony hőmérsékletű habzás elérésében a csomagolóhengerlési porkohászati ​​módszert tekintik kiválónak. Korábbi munkáink során ezt a technológiát alkalmaztuk nagy méretű, jobb tágulási tulajdonságokkal és cellás szerkezetű AFS előállítására ipari alkalmazásokhoz.

A habmag viszonylag alacsony nyomómechanikai tulajdonságai miatt azonban az AFS mechanikai szilárdságának javítása korlátozott, ezért a habmag szilárdságának további javítása döntő fontosságú az AFS számára.

A mai napig az általános módszerekről számoltak be, amelyek javítják a nyomómechanikai tulajdonságaitalumínium habEzek a következők: felületkezelés, hőkezelés és megerősítés részecskék, szálak, ötvözőelemek stb. hozzáadásával. Ezek közül a rövid szénszálak alacsony sűrűségűek, nagy rugalmassági modulusúak és nagy oldalarányúak, mint ígéretes erősítő anyagok széles körben felkeltették a figyelmet. Ezenkívül a szénszálak felületi fémezése galvanizálással vagy vegyi bevonattal, például rézbevonattal vagy nikkelezéssel tovább javítja a szénszálak nedvesíthetőségét az alumíniumolvadékban, és elkerüli a káros határfelületi reakciókat a szénszálak és az alumíniumolvadék között. A rövid szénszálakat ma már széles körben használják alumíniummátrix kompozitok megerősítésére.

Bhav Singhetal. rézbevonatú szénszálakkal megerősített alumíniummátrixú kompozitok keverőöntési módszerrel. Muetal. nikkel bevonatú szénszálakkal megerősített alumínium mátrix kompozitok kéthengeres öntési módszerrel. Az eredmények a kompozitok szakítószilárdságának jelentős javulását mutatták szénszálak hozzáadásával. Ezzel kapcsolatban azonban korlátozott számú kutatást végeztekalumínium habbal erősítettrézbevonatú szénszálakkal. Caoetal. először rézbevonatú szénszálakkal erősített alumíniumhabot készítettek olvadékhabosítási módszerrel. Az eredmények azt mutatják, hogy 0,35 térfogat% Cf képes stabilizálni az alumíniumhabot azáltal, hogy megakadályozza a folyadékfilm felszakadását, és minél stabilabb a habhoz hozzáadott szálak mennyisége. Muetal. kimutatta, hogy az olvadékhabosítási módszerrel előállított alumíniumhab csillapítási tulajdonságai jelentősen javultak Vö. hozzáadásával.

Ennek megfelelően megállapítható, hogy a Cf hozzáadása hatékony stratégia lehet a habzási stabilitás és a mechanikai tulajdonságok egyidejű javítására.alumínium habok. Ezen túlmenően nem érkezett jelentés a porkohászati ​​módszerrel előállított, rézbevonatú szénszállal erősített alumíniumhab szendvicspanelekről, ami arra készteti a kutatókat, hogy mélyrehatóbb vizsgálatokat végezzenek ezen a területen.

Számos tanulmányt végeztek a magképződési mechanizmusról és a stabilitásrólalumínium habokerősítő fázisok hozzáadásával. A pórusszám és a pórusmorfológia különbségei,

mint például a méret, az eloszlás és az alak, általában a nukleációs mechanizmusoknak és a stabilitásnak tulajdonítják. Kimerítően vizsgálták a heterogén nukleációs hatásokat és az oxidhálózat stabilizációs mechanizmusait a porkohászati ​​rendszerben. Az ebben a cikkben használt Al-Si-Mg-Cu-ból álló kvaterner ötvözetporok kivételes tágulási sebességet és alacsony habzási hőmérsékletet mutattak, 507 ◦C szilárdsági hőmérséklettel és 596 oC likvidus hőmérséklettel. Mindazonáltal hiányoznak a kutatások az ezt a különleges ötvözet-összetételt tartalmazó portömörítések gócképző mechanizmusával, stabilitásával és nyomómechanikai tulajdonságaival kapcsolatban, különösen akkor, ha vö. A korábbi munkákban a gócképződési és stabilizációs mechanizmusok vizsgálata elsősorban nem in situ módszerekkel, a habzás megszakítását követően gyorsan lehűtött minták tomográfiás elemzésével történt. Sajnálatos módon a szubmikron buborékos gócképződés elsősorban a prekurzor melegítése során következik be, és gyorsan tágul 100 ms-tól 1 s-ig terjedő időintervallumokban, ami gyakran kihívást jelent a valós idejű megfigyeléshez. A modern szinkrotron sugárzású röntgen képalkotó technika nagy energiájú és időbeli térbeli felbontással rendelkezik, lehetővé téve az alumíniumhabok gócképződési és növekedési folyamatának valós idejű, in situ megfigyelését emelt hőmérsékleten. Jelenleg csak korlátozott számú kutató vizsgálta az Al-Si-Mg ötvözetporok habzási kinetikáját szinkrotronsugárzással. Például García-Morenoetal. jelentős dinamikus jelenségekről számoltak be a folyékony alumíniumhabban, beleértve a gócképződést és növekedést, a buborékok átrendeződését, a folyadék visszahúzódását, agglomerációt és a film szakadását. Kamm et al. tanulmányozta az AlSi8Mg4 alumíniumhab gócképződési és növekedési folyamatát szinkrotron sugárzással. Eredményeik azt mutatták, hogy a fémpor felületén lévő adszorbátumok bomlása során keletkező hidrogén egy másik jelentős gócképző mechanizmus. Ennek ellenére a prekurzor komponensek közötti kölcsönhatás bonyolult, és a habzás dinamikáját összetételük befolyásolhatja. Mind az Al-Si-Cu-Mg porrendszer, mind a hozzáadott Cf-t tartalmazó Al-Si-Cu-Mg porrendszer esetében a fémhab keletkezésének és növekedésének megértése és feltárása kulcsfontosságú a hab további szerkezeti fejlesztése szempontjából a tulajdonságok javítása érdekében. alkalmazásokhoz.

Ebben a munkában a kohászati ​​határfelületi kötéssel rendelkező Cf/AFS és AFS csomagolóhengerlési porkohászati ​​módszerrel készültek. A Cf/AFS és az AFS buborékok kialakulását in situ figyelték meg szinkrotronsugárzással, hogy felfedjék a Cf mechanizmusát a buborékok magképződésére, növekedésére és egyesülésére, valamint stabilitására. Ezenkívül a Cf/AFS-t és az AFS-t 620 ◦C-on 15 percig habosítottuk kamrás kemencében. Ezt követően a habosított minták pórusméret-eloszlását, pórusmikroszerkezetét és nyomómechanikai tulajdonságait jellemezték és tesztelték. A fent említett vizsgálatok alapján szisztematikusan értékelték a Cf/AFS és az AFS szerkezetét és nyomószilárdságát.

2. Anyagok és módszerek

2.1. Nyersanyagok

Az AFS és a Cf/AFS elkészítéséhez hat alapanyagot használtunk fel: Al-por (átlagos méret: 45 μm, tisztaság >99,70%), Si-por (átlagos méret: 38 μm, tisztaság >99,50%), Cu-por (átlagos méret: 38 μm, tisztaság >99,90%), Mg por (átlagos méret: 75 μm, tisztaság >99,70%), TiH2 por (átlagos méret: 45 μm, tisztaság >99,70%) és rézbevonatú szénszál (átlagos méret: 1～2 mm, rézbevonat vastagsága: 1,4 μm).

2.2. Cf/AFS gyártása

A csomagolóhengerlés porkohászati ​​módszerének vázlatát az ábra szemlélteti1. ábra. A keverési szakaszban a kvaterner ötvözetű AlSi6Mg4Cu4 port állítottuk elő, Al, Si, Cu és Mg porokkal 86 tömeg%, 6 tömeg%, 4 tömeg% és 4 tömeg% arányban. Habosítószerként 1 tömeg%-os oxidált TiH2 port (levegőn 1,5 órás hőkezelés 470 ◦C-on) adtunk hozzá, amely az olvadék hőmérsékletén gyorsan felszabadítja a H2-t, és kitágítja az olvadékot. Ezenkívül 0,5 tömeg% szénszálat is beépítettünk erősítő fázisként. Nevezetesen, a nedvesíthetőség javítása és az olyan káros reakciók megelőzése érdekében, mint az Al4C3 a szál-alumínium olvadék határfelületén a habzás során, a szénszálakat rézbevonattal vonták be galvanizálással. A galvanizálási eljárást a Refs.2. ábrabemutatja az elektromentes bevonatolási eljárással kapott rézbevonatú szénszálakat. A bevonat egyenletesen és folyamatosan fedi a szálfelületet(2(a)–(b) ábra). Ezt követően a tanulmányban felhasznált különböző ötvözet-összetételeket úgy állítottuk elő, hogy a fent említett porokat háromdimenziós keverőben háromdimenziós keverőben alaposan összekeverték Cf-vel és anélkül. Az egyenletesen elkevert port zárt üregbe kapszulázzák, majd hideg- és meleghengerlési eljárásokat végeznek.

A hideghengerlési fokozat hatékonyan üríti ki a levegőt az üregekből és a részecskék közötti intersticiális terekből egy sor többszöri áthaladáson és kis mélyedéseken keresztül. A meleghengerlési fokozat biztosítja, hogy a prekurzor 98%-ot meghaladó relatív sűrűséget érjen el a panel és a por együttes deformációja révén, ami megkönnyíti a későbbi habosítási folyamatot. A hengerlési folyamat részletes paramétereit a Refs. Az AFS és Cf/AFS habosítható prekurzorokat a fent említett eljárással állítják elő. Végül mindkét habosítható prekurzort 15 percig 620 ◦C-ra melegítettük, hogy Cf/AFS és AFS mintákat készítsünk, amelyeket pórusméret-analízishez, mikroszerkezeti jellemzéshez és nyomómechanikai tulajdonságok vizsgálatához használtak.

2.3. Jellemzés és vizsgálati módszerek

2.3.1. Mikroszerkezeti jellemzés

A Cf/AFS és az AFS mikrostruktúra morfológiáját terepi emissziós pásztázó elektronmikroszkóppal (SEM, Zeiss Ultra Plus) vizsgáltuk. A habosított minták sejtfalában lévő különböző fázisok összetételének azonosítására energiadiszperzív spektroszkópiát (EDS) alkalmaztunk. A minták hosszmetszete a habosított próbatestek elektrokisüléses géppel (EDM, DK7745) történő vágásával készült. Ezt követően a próbatestek hosszmetszeteit festékkel bevontuk, majd 800-as, illetve 1500-as szemcseméretű csiszolópapírral csiszoltuk és políroztuk. Végül a polírozott minta keresztmetszetének egyenértékű sejtátmérőjét (Dmean) az Image Pro Plus 6.0 képelemző szoftverrel határoztuk meg.

1. ábra.A csomagolóhengerlés porkohászati ​​módszerének vázlata.

2. ábra.Az (a) rézbevonatú szénszálak SEM-képei, és a (b) az (a) pontban piros négyzettel jelölt régió nagyított nézetét mutatják. A (c) és (d) képek a (b) A pont EDS eredményei.

3. ábra.A szinkrotronsugárzási kísérlet elrendezésének sematikus diagramja.

2.3.2. In situ habzási megfigyelések szinkrotronsugárzással

A szinkrotron sugárzási kísérlet elrendezésének sematikus diagramja látható3. ábra. A kísérleteket a Beijing Synchrotron Radiation Facility (BSRF, Peking Institute of High Energy Physics, Kínai Tudományos Akadémia, Kína) 4W1A sugárvonalán végezték. A hagyományos abszorpciós kontrasztos képalkotástól eltérően ez a papír fáziskontrasztos képalkotást alkalmaz a szinkrotron sugárzási fényforrással. Ez a megközelítés kiküszöböli a hagyományos abszorpciós képalkotás korlátait, amely nem hatékony a gyengén felszívódó anyagok megjelenítésére. A próbatestek habosítási folyamatát egy egyedi tervezésű habosító kemencében végeztük, amely egy 15 mm x 15 mm-es négyzet alakú ablakot tartalmazott, amely merőleges a röntgensugár irányára. A 3. ábrán látható minta mérete 15 mm × 15 mm × 2 mm. A mintát egy bizonyos számú kerámialapból álló habosító formába helyezzük. A habosítási folyamat során a röntgensugárzás áthaladhat a mintán, és egy töltéscsatolt eszköz (CCD) kamera rögzíti őket. A kiválasztott röntgenforrás 20 Kev intenzitással működött, és 7,4 mm × 7,4 mm-es maximális megtekintési méretet alkalmaztak, hogy lehetővé tegyék a teljes habosítási folyamat átfogó megfigyelését.

Érdemes megjegyezni, hogy a megfigyelt mintákat a gördülési irányra és az érintőirányra is merőlegesen helyeztük el. Mind a 0,5 tömeg% Cf-ot tartalmazó prekurzorok, mind a 0,5 tömeg% Cf-et nem tartalmazó prekurzorok oldalpaneleit eltávolítottuk a minták mindkét oldaláról EDM-mel. Vizsgálták a Cf hatását az alumíniumhab habzási jellemzőire. Továbbá a különböző összetételű prekurzorokat ugyanabban a fűtőkemencében, előre beállított 620 ◦C hőmérsékleten habosították.

2.3.3. Kompressziós mechanikai tulajdonságok vizsgálata

A kompressziós próbatesteket szikraforgácsolással 23 mm magas és 20 mm átmérőjű hengeres próbatestekre vágtuk, és minden irányban legalább 10 teljes pórust biztosítottunk a mérethatás elkerülése érdekében. A kvázistatikus kompressziós vizsgálatokat az ISO13314–2011 és a GB/T31930–2015 szabványok szerint végeztük, egy AG-XPLUS elektron univerzális anyagvizsgáló géppel, 100 KN maximális teherbírással. Minden csoportban három mintát teszteltünk, és a jelen dokumentumban szereplő nyomófeszültség-nyúlás görbék a három vizsgált mintából kapott átlagos eredményeket reprezentálják. Valamennyi tesztet elmozdulásszabályozás mellett végeztük, állandó 2 mm/perc keresztfejsebességet (amely 10-3 s-1 kezdeti alakváltozási sebességnek felel meg) szobahőmérsékleten.

4. ábra.A Cf/AFS habosítási folyamat időbeli szinkrotronsugárzásos képei: (a) habosítatlan prekurzor t0 380 ◦C-on; (b)–(c) az elemi réz feloldódása és a II. típusú gócképződés a prekurzor olvadása során; (d)–(g) buborékok heterogén magképződési és növekedési folyamatai; és (h)–(i) buborékok összeolvadnak és felszakadnak.

3. Eredmények és megbeszélés

3.1. In situ habzási viselkedés szinkrotronsugárzás hatására

3.1.1. Cf/AFS habfejlődése

4. ábraa Cf/AFS habzási folyamatát ábrázoló szinkrotron sugárzási képek sorozatát jeleníti meg. A Cf/AFS eredeti képei(4. ábra (a))akkor kerültek rögzítésre, amikor a mátrix 380 ◦C-on szilárd állapotban volt, és ezt az időt t0-ra állítottuk be. A prekurzor többi komponenséhez képest a Cf feketének tűnik a túlnyomórészt szürke, alumíniumban gazdag mátrixban. Ez a szálfelület magas réztartalmának tudható be, amint az ábra mutatja2(c)–(d) ábra, amelynek a legnagyobb relatív atomtömege a prekurzor többi komponenséhez képest. Ezen túlmenően a Cf többsége szétszórt és különálló, nem pedig csoportosulva van, ahogy az a4(a) ábra. Ez azt jelenti, hogy 0,5 tömeg%-os Cf hozzáadásával 3 órás keverési folyamattal hatékonyan el lehet érni a kívánt diszperziós állapotot.

t0+194s-nél (lásd:4(b) ábra), jelentős számú fehér, közel gömb alakú, 90 μm és 180 μm közötti átmérőjű buborék figyelhető meg a szürke alumíniummátrixban (a piros nyíllal jelölve). A buborékok száma 46 másodpercen belül tovább nőtt, amint az ábra mutatja4(c) ábra. Ezen kívül a mátrixban végbemenő másik figyelemre méltó változás, hogy a Cf felületén a réz oldódások megindulásával kis buborékok képződnek (a piros pontozott négyzet jelzi). Ez a jelenség valószínűleg a II-es típusú gócképződésnek tulajdonítható a réztartalmú porkompaktban. Széles körben elismert tény, hogy a réz hozzáadása jelentősen csökkenti az ötvözetek olvadáspontját. Ez a hevítés során a rézport tartalmazó porprekurzorban lévő egyes porszemcsék körüli lokalizált olvadást eredményez, ami jelentős mennyiségű Al-Si-Mg-Cu kvaterner eutektikus olvadékot hoz létre alacsonyabb hőmérsékleten. A kvaterner eutektikus olvadék az ötvözet gyenge tartománya, és hajlamosabb a gócképződésre. Ennek eredményeként a buborékok nagyobb valószínűséggel gócképződnek és nőnek a szál felületén lévő rézbevonat közelében. Ezenkívül a mátrixban jelen lévő alacsony folyadékfrakció miatt a TiH2 bomlásából származó gázok könnyen felhalmozódnak az alumíniummátrixban. A II-es típusú gócozás hatékonyan elkerülheti, hogy a felgyülemlett gáz szétnyomja az alacsony folyadékfrakciójú mátrixot, és repedéseket terjesztsen a folyadékon keresztül, ami a hidrogén mennyiségének súlyos elvesztését eredményezi.

4(d) ábraábrán látható, hogy a buborékok kezdetben magot képeznek és a Cf régióban növekednek, amikor a mátrix teljesen megolvad, és a buborékok helyei megfelelnek az eltűnő rézbevonatú rétegnek (a piros pontozott dobozzal jelölve). Jól bebizonyosodott, hogy a másodlagos fázisok hozzáadása növeli a heterogén gócképző helyek számát, ezáltal csökkentve az ötvözetolvadékon belüli új buborékok képződésének energiagátját. Eközben a gócképződés sebessége az egységnyi térfogatra jutó heterogén gócképződés teljes területéhez kapcsolódik. Következésképpen megfigyelhető, hogy a buborékok kezdetben azokon a helyeken gócképződnek, ahol a szénszálak találhatók, és kitágulnak a szénszál hosszában. Az olvadékfrakció további növekedésével továbbra is számos új buborék keletkezik4(e)–4(g) ábra. A buborékok lokalizált egyesülésének és felszakadásának sebessége azonban lassú, ami azt jelzi, hogy a buborékok nagy stabilitással rendelkeznek. t0+426s-nál a buborékok száma jelentősen megnő, ill

a prekurzor térfogat nagymértékű tágulást mutat(4(h) ábra). Ezenkívül a (piros nyíllal jelölt) buborékok összeolvadása, ahol az Ostwald-érlelés következtében a kis buborékokat a nagyobbak abszorbeálják, elkerülhetetlen folyamat a fémhabok fejlődése során [40]. Ez az érési jelenség kis számú nagy és szabálytalan buborék megjelenését is eredményezi (a piros nyíllal jelölve4(i) ábra).

5. ábra.Időben kialakult képek az AFS habzási folyamatáról különböző szakaszokban: (a) meg nem olvadt prekurzor t0 380 ◦C-on; (b) az elemi réz feloldódása és a II. típusú gócképződés a prekurzor megolvadása során; c) a buborékok magképződési és növekedési folyamatai; és (d)–(f) a buborékok összeolvadnak és felszakadnak.

3.1.2. Az AFS habfejlődése

Az 5. ábra az AFS habzási folyamatát szemléltető szinkrotron sugárzási képek sorozatát mutatja be. A Cf/AFS-hez hasonlóan a szinkrotron sugárzási sorozat kezdeti képe akkor készült, amikor az AFS szilárd fázisban volt 380 ◦C-on (lásd5(a) ábra). Ha a mátrixot a szolidusz hőmérséklet fölé melegítjük, kis fehér buborékok válnak láthatóvá benne5(b) és (c) ábra, ami a TiH2 bomlásából és a II-es típusú gócképződés fellépéséből adódik a rézben gazdag régióban. Azonban a keletkezett buborékok száma és eloszlási sűrűsége5(c) ábra-hoz képest jelentősen alacsonyabb4(c) ábra. Ez arra utal, hogy a Cf/AFS több csatornát biztosít a korai gázkibocsátáshoz a gócképződés során, megakadályozva a túlzott repedések kialakulását az alacsony folyadékfrakciójú alumíniummátrixban.

A Cf/AFS-hez képest kevesebb AFS nukleációs hely és nagyobb a kóros buboréknövekedés valószínűsége.5(d)–(f) ábra. Az AFS buborékok kialakulása szabálytalan, méretük pedig nagy ingadozást mutat a mikrométeres méretű buborékok és a rendellenesen milliméteres nagy buborékok (piros nyíllal jelölt) együttélése miatt. Ezenkívül ez az instabilitás és inhomogenitás a korai nukleációs folyamat során jelentős különbségeket eredményezhet a végső pórusszerkezetben és a mechanikai tulajdonságokban az AFS és a Cf / AFS között.

3.2. Makrostruktúra elemzés

Az AFS és a Cf/AFS makroszkopikus pórusmorfológiájában és pórusátmérőjében mutatkozó különbségek vizsgálatára két szendvicsszerkezetet állítottunk elő laboratóriumi körülmények között, 620 ◦C-os habzási hőmérsékleten 15 percig. Az AFS és a Cf/AFS makrostruktúrái és sejtméret-eloszlása ​​itt látható6. ábra. A két szendvicsszerkezetű minta függőleges metszeteinek összehasonlítása azt mutatja, hogy a Cf/AFS habok finomabb cellákkal és kevesebb hibával rendelkeznek, mint például a sejtek szakadása vagy összeolvadása (lásd6. ábra (b)). Éppen ellenkezőleg, amint az látható6(a) ábra, az AFS gyenge pórushomogenitást mutat néhány abnormálisan nagy pórus jelenlétével. Eközben az AFS és a Cf/AFS egyenértékű pórusátmérője 2,9 ± 0,2 mm, illetve 1,9 ± 0,1 mm volt, ami arra utal, hogy a pórusátmérő tovább finomodott a Cf hozzáadásával (lásd6(c) és (d) ábra).

A pórusszerkezet alakulását két kompetitív mechanizmus befolyásolja: a TiH2 bomlása és a hab összeolvadása és felszakadása. A TiH2 bomlása hozzájárul a gócképződés, a porozitás és a tágulási sebesség növekedéséhez, míg a buborékok összeolvadása és felszakadása csökkenti a pórusok számát és növeli a pórusok átmérőjét. A buborékok összeolvadásának és felszakadásának csökkentése hozzájárul a jobb sejtszerkezet kialakításához. Ezért a hab nagy stabilitása szükséges a pórusszerkezet homogenitásának fenntartásához a habosítási folyamat során. A Cf/AFS esetében a Cf hozzáadása nagymértékben javítja a szálak nedvesíthetőségét az alumíniumolvadékkal. Az olvadékhabosítási módszerrel előállított Cf erősített alumíniumhabhoz [44] hasonlóan a Cf hozzáadása stabilizálja az alumíniumhabot azáltal, hogy megakadályozza a sejtfal felszakadását és csökkenti az agglomerációt. Eközben a Cf hálószerű struktúrát tud létrehozni a sejtfalban, amely elválasztó erőt kelt és megakadályozza a buborékok felszakadását, ezáltal javítva a sejtszerkezetet, a habstabilitást és a póruseloszlás egyenletességét.

3.3. Mikroszerkezeti jellemzés

7(a) ábraa sejtfal mikroszerkezetét mutatja AFS-sel történő habosítás után. Amint azt az AlSi6Cu4Mg4 ötvözethaboknál közöltük, az ötvözetben eutektikus Al-Si, Mg2Si, Al2Cu és Al5Cu2Mg8Si6 van jelen, ami összhangban van az EDS elemzés eredményeivel.7(b) ábra. Ezek a rideg fázisok csökkentik az alumíniumhab mechanikai tulajdonságait azáltal, hogy gyengítik a pórusfalat, vagy repedések forrásaként szolgálnak a deformáció során. Ezért a pórusfal mechanikai tulajdonságainak javítása megerősítő fázisok hozzáadásával életképes és hatékony stratégia.

A Cf/AFS esetében től ​​figyelhető meg7(c) ábra és (d)hogy a Cf a sejtfalon belül vagy a sejtfal szélén oszlik el, ami azt jelzi, hogy a Cf kiváló nedvesíthetőségű az alumíniumolvadékkal. Ezenkívül észrevehető (lásd7(d) ábra), hogy a kicsapódott Al2Cu fázis kis része a szálak és az alumíniumolvadék határfelületén képződik. Ez a jelenség hozzájárul a rostok és a mátrix közötti erős kötés kialakulásához. Ennek a diffúziós reakciónak a progressziója intuitív módon megfigyelhető4(a)–(c) ábra. Vegye figyelembe, hogy a kicsapódott fázis nem veszi teljesen körül a szénszálakat, és ennek az eloszlásnak az állapota és mennyisége előnyös a Cf/AFS számára. Lv és munkatársai tanulmánya alapján Cf erősített alumínium mátrixú kompozit anyagokon igazolták, hogy a megfelelő mennyiségű kicsapódott fázis befolyásolhatja és szabályozhatja a határfelületi kötés szilárdságát.

6. ábra.A reprezentatív minta függőleges metszete (a) AFS és (b) Cf/AFS. Az (a) és (b) pontnak megfelelő ekvivalens átmérő és terület hányados diagramok a (c) és (d) pontban láthatók. A (c) és (d) pontban lévő folytonos vonal a log-normális illeszkedést jelenti. A regresszió (R2 ) az illeszkedés jóságát jelenti.

7. ábra.Az (a) és (b) SEM képek a megfelelő mikrostruktúrákat mutatják6. ábraa) AFS és6. ábrab) Cf/AFS, továbbá,7. ábra(b) és (d) helyi nagyításokat mutat7. ábra(a), illetve (c).

3.4. A Cf stabilizáló Al–Si–Mg–Cu hab mechanizmusa

A fent említett elemzés alapján a Cf/AFS és AFS habzási mechanizmusának sematikus ábrázolása a következőben található:8. ábra. A szignifikáns különbségek a Cf/AFS és az AFS között a magképződési szakaszban, a buboréknövekedésben és az összeolvadási szakaszban, valamint a fokozatos megszilárdulási szakaszban, amint azt az ábra szemlélteti.8(a) és (b) ábra.

8. ábra.A Cf/AFS és az AFS habzási viselkedés sematikus diagramja: (a) Cf/AFS; és (b) AFS.

Az AlSi6Cu4Mg4 ötvözethabok gócképződési szakaszában a buborékok hajlamosak gócképződésre a rézrészecskéket körülvevő folyékony kvaterner eutektikumban, nem pedig a TiH2 részecskék helyén gócképződni. Az ilyen típusú gócképződés az előanyag leggyengébb tartományában (II. típusú gócképződés) több menekülési csatornát biztosít a TiH2 bomlása során felszabaduló gázoknak, elkerülve a gázok felhalmozódását és repedések terjedését az alumíniumolvadékban. A rézbevonatú szénszálak hozzáadása nyilvánvalóan további csatornákat hoz létre a H2 felszabadításához. Mivel azonban az alumíniumolvadéknak ebben a szakaszban nincs elegendő folyékony frakciója, az ilyen kis buborékok számára nehéz elegendő H2-forrást biztosítani a növekedéshez. Ennek eredményeként ezek a kis buborékok felszakadnak az olvadékban, ahogy a hőmérséklet emelkedik. Amikor a prekurzor teljesen megolvad, a TiH2 heves dehidrogénezési reakciójából felszabaduló H2 magképződik, és a gócképződési pont alapján gyorsan növekszik. A Cf számos heterogén nukleációs helyet biztosít a buborékok generálásához, amelyek nagymértékben növelik a nukleációs sebességet. Ezzel egyidejűleg a Cf jelenléte hatékonyan gátolja az elsődleges buborékok érintkezését és egyesülését, és elkerüli a rendellenesen nagy buborékok képződését.

A buborékok növekedési és egyesülési szakaszában a Cf hozzáadása jelentősen javítja a hab stabilitását. Ennek az az oka, hogy a Cf és az alumínium olvadék jó nedvesíthetőségű, és a szálak könnyen beszorulhatnak a két gáz-folyadék határfelület közé, így hálózati struktúrát alkotnak (ahogy az ábrán látható).7(c) ábra). A folyadékfilm elvékonyodásakor a szálak elválasztási nyomást generálhatnak, hogy ellenálljanak a fennsík határától való szívásnak, így megakadályozzák a folyadékfilm felszakadását. Tehát a Cf/AFS-nek hosszabb habzási időre van szüksége az AFS-hez képest, nagyobb stabilitással, amely megőrzi a pórusszerkezet egyenletességét a hab fejlődése során.

A lassú megszilárdulási szakaszban a Cf/AFS-ben már nem nőnek a buborékok, és a rostok beágyazódnak a sejtfalba (a piros pontozott dobozzal jelölve). Ez a rostok visszatartása megakadályozza a kis buborékok nagyobb buborékok általi felszívódását, amint az Ostwald-érésnél látható, és gátolja a sejtfal megrepedését a megszilárdulás tágulása miatt. Ennek eredményeként a Cf/AFS homogénebb pórusszerkezetet és kevesebb pórushibát mutat az AFS-hez képest.

3.5. Mechanikai tulajdonságok

A közel azonos porozitású Cf/AFS és AFS nyomófeszültség-nyúlás görbéit (83,2%, illetve 81,4%) mutatjuk be.9(a) ábra. A nyomófeszültség-nyúlás görbe háromfokozatú jellemzőt mutat, amely magában foglalja a lineáris rugalmas tartományt, a plató régiót és a sűrűsödési tartományt. Az AFS és a Cf/AFS nyomószilárdsága 8,44 MPa, illetve 11,87 MPa volt. A Cf/AFS nyomószilárdsága 40,6%-kal nőtt az AFS-hez képest. Eközben a Cf/AFS energiaelnyelő képessége jobb, mint az AFSé ugyanabban a törzsben, amint az a9(b) ábra. Az AFS és a Cf/AFS energiaelnyelő képessége körülbelül 3,3 MJ/m3, illetve 6,1 MJ/m3. A Cf/AFS energiaelnyelő képessége 84,8%-kal javult az AFS-hez képest.

9. ábra.A Cf/AFS és az AFS nyomófeszültség-folyamat görbéi és energiaelnyelési kapacitás görbéi: (a) nyomófeszültség-folyamat görbék; b) energiaelnyelő képesség görbéi.

A Cf beépítése jelentősen javította a habmag mechanikai tulajdonságait. Köztudott, hogy a mechanikai tulajdonságaitalumínium habszorosan kapcsolódnak a pórusszerkezethez és a rugóstag mechanikai tulajdonságaihoz. A makroszerkezeti elemzés azt mutatta, hogy a Cf hozzáadása finomította a pórusméretet, javította a póruseloszlást és csökkentette a pórushibákat. Hasonlóan Sasikumar et al. és Yangetal. A kis pórusátmérő és a szűk póruseloszlás előnyösebb a nyomószilárdság és az energiaelnyelés hatékonyságának növelésére. Ezenkívül a mikroszerkezetnek a hab mechanikai tulajdonságaira gyakorolt ​​hatása főként a hab pórusfalaiba ágyazott Cf-nek köszönhető. Az alumíniummátrixban lévő szénszálak rézzel bevont diffúziója és feloldása szilárdabb határfelületi kötést eredményezhet a szálak és az alumíniummátrix között, ami hozzájárul a terhelés átadásához. A pórusfalba tűzött nagy modulusú szénszál korlátozhatja a pórusfal deformációját kompressziós terhelés alatt és javíthatja a teherbíró képességet. Mindezek a tényezők kedveznek a Cf/AFS-nek, hogy nagyobb folyáshatárt és energiaelnyelő képességet érjenek el az AFS-hez képest.

4. Következtetések

Ebben a munkában a Cf/AFS és az AFS csomagolóhengerlési porkohászati ​​módszerrel készültek. A Cf/AFS és az AFS habzási viselkedését dinamikusan figyeltük meg szinkrotron sugárzás révén

vizsgálja meg a Cf hatását a buborékok magképződésére és növekedésére. Ezenkívül alaposan elemezték az alumíniumhabok pórusmorfológiájáról, póruseloszlásáról és kompressziós tulajdonságairól szóló vö. A fő következtetések a következők:

(1) A szinkrotron sugárzás in situ megfigyelései azt mutatják, hogy mind a Cf/AFS, mind az AFS habzási folyamatok három különálló szakaszt mutatnak: buborékmagképződés, buboréknövekedés és egyesülés, valamint megszilárdulás.

Az AFS-hez képest a Cf/AFS habosítási folyamata nagyobb stabilitást és buborékos egyenletességet mutat. Az AFS hajlamosabb arra, hogy abnormálisan nagy és durva pórusokat képezzen a pórusfejlődési folyamat során. Ezenkívül az eltérés a Cf heterogén nukleációs hatásának tulajdonítható, amely megakadályozza a buborékfal felszakadását és csökkenti az összeolvadást, miközben növeli a nukleációs sebességet.

(2) A 0,5 tömeg% Cf hozzáadása az egyenértékű pórusátmérőt 2,9 ± 0,2 mm-ről 1,9 ± 0,1 mm-re finomítja, jelentősen csökkentve a durva pórushibákat. Ezzel egyidejűleg a mikrostruktúra felfedi a Cf jó nedvesíthetőségét, amely a pórusfal és a gáz-szilárd felület mentén oszlik el, ezáltal javítva a hab stabilitását.

(3) Az AFS-hez képest a Cf/AFS nyomószilárdsága és energiaelnyelő képessége körülbelül 40,6%-kal, illetve 84,8%-kal nőtt. A tanulmány eredményei ötleteket adhatnak az alumíniumhab szendvicspanelek kohászati ​​kötőfelületekkel történő megerősítéséhez, amelyek mérnöki alkalmazásokban rejlenek az autóiparban és a repülőgépiparban.

A Journal of Materials Research and Technology cikke