یک کامپوزیت زمینه فلزی-آلومینیوم تقویتشده با سبیلهای کاربید سیلیکون-در یک روتور ترمز با کارایی بالا-در داخل پرس گرمشده ساخته میشود. صفحه ای که این ترکیب را در حرارت داغ فشرده می کند باید به اندازه ای قوی باشد که تحت بار قرار نگیرد و به اندازه کافی دقیق باشد که مخلوط را به طور یکنواخت گرم کند تا فلز در اطراف هر ذره سرامیکی جریان یابد.
در تولید مواد پیشرفته،پرس گرم کامپوزیت ماتریس فلزی صفحه گرمفرآیند، ستون فقرات مسیرهای یکپارچه سازی را تشکیل می دهد که برای تبدیل مخلوط پودر سست به اجزای باربر{{0} متراکم استفاده می شود. کامپوزیتهای زمینه فلزی (MMCs) فلزات انعطافپذیر را با تقویتکنندههای سرامیکی با استحکام بالا ترکیب میکنند، اما دستیابی به چگالی کامل مستلزم اعمال همزمان فشار بالا و انرژی حرارتی کاملاً کنترلشده است.
بنابراین سیستم صفحه گرم شده صرفاً یک منبع گرما نیست- بلکه یک عنصر ساختاری است که مسئول حفظ دقت ابعادی تحت تنش های مکانیکی و حرارتی شدید است.
اصول پرس داغ برای MMC ها
پرس گرم شامل قرار دادن یک قالب پودری-در بین دو صفحه گرم شده در داخل یک پرس هیدرولیک با نیروی قوی است.
این فرآیند معمولاً شامل موارد زیر است:
بارگیری مخلوط پودر در قالب سفت و سخت
قرار دادن بین صفحات گرم شده
اعمال نیروی فشاری
فعال سازی حرارتی انتشار و جریان پلاستیک
تثبیت به یک شمش جامد متراکم
بسته به سیستم مواد، شرایط پردازش به طور قابل توجهی متفاوت است:
کامپوزیت های ماتریس آلومینیوم: ~ 500-600 درجه
کامپوزیت های ماتریس تیتانیوم: بالای 1000 درجه
در این شرایط، ماتریس فلزی به اندازه کافی پلاستیکی می شود تا در اطراف ذرات تقویت کننده سرامیکی جریان یابد و تخلخل را از بین برده و ساختاری یکپارچه را تشکیل دهد.
عملکرد صفحات گرم شده در ادغام MMC
درپرس گرم کامپوزیت ماتریس فلزی صفحه گرم، سیستم تخته ای دو نقش حیاتی را به طور همزمان انجام می دهد:
عنصر کنترل حرارتی
بار-عضو سازه بلبرینگ
عملکرد حرارتی
صفحات ورودی گرمای یکنواختی را به مجموعه قالب ارائه می کنند. عناصر گرمایش تعبیهشده-اغلب دی سیکشید مولیبدن یا کاربید سیلیکون{2}}سیستمهای مبتنی بر{3}}انرژی حرارتی کنترلشده را در سراسر سطح صفحه ارائه میکنند.
توزیع یکنواخت دما ضروری است زیرا:
مناطق سرد منجر به تف جوشی ناقص و تخلخل باقی مانده می شود
نقاط داغ ممکن است باعث ذوب موضعی یا جداسازی فاز شوند
گرادیان حرارتی رفتار جریان مواد را مخدوش می کند
یک میدان حرارتی کاملاً کنترل شده، چگالی ثابت را در کل حجم کامپوزیت تضمین می کند.
عملکرد مکانیکی
همین صفحات همچنین نیروهای فشاری زیادی را از پرس هیدرولیک به مجموعه قالب منتقل می کنند.
در کاربردهای{0} بار زیاد، نیروها ممکن است به چندین تن در هر سانتیمتر مربع سطح قالب برسد. در چنین شرایطی، صفحه باید در برابر موارد زیر مقاومت کند:
تغییر شکل پلاستیک
خزش در دمای بالا
تاب برداشتن سطح تحت بارگذاری چرخه ای
مواد مورد نیاز برای صفحات گرم شده
در سیستم های پرس گرم MMC، مواد ورقی باید در دمای بالا استحکام خود را حفظ کنند و در عین حال ثبات ابعادی را حفظ کنند.
سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل-
انتخابهای رایج عبارتند از آلیاژهای مبتنی بر نیکل{0}}مانند Inconel 718 به دلیل:
مقاومت در برابر خزش بالا
خواص مکانیکی پایدار در دمای بالا
مقاومت در برابر اکسیداسیون خوب
این مواد به طور گسترده در مواردی که هم چرخه حرارتی و هم استرس مکانیکی شدید هستند استفاده می شود.
صفحات کامپوزیت سرامیکی
برای کاربردهای حتی با دمای بالاتر، میتوان از سیستمهای صفحهای{0}}بر پایه سرامیکی استفاده کرد. اینها ارائه می دهند:
استحکام{0}}در دمای بالا عالی
انبساط حرارتی کم
مقاومت در برابر اکسیداسیون برتر
با این حال، سیستمهای سرامیکی به دلیل شکنندگی در اثر بارگذاری ضربهای نیاز به جابجایی دقیق دارند.
یکنواختی دما و اهمیت آن
یکنواختی حرارتی یک پارامتر تعیین کننده در کیفیت تثبیت MMC است.
اگر تغییرات دما در سراسر سطح صفحه رخ دهد:
جریان مواد ناهموار می شود
توزیع تقویت کننده ناسازگار می شود
تخلخل ممکن است در مناطق سردتر به دام افتاده باشد
ساختار دانه ممکن است به صورت محلی متفاوت باشد
گرمایش یکنواخت، ویسکوزیته ثابت ماتریس فلزی را در طول تغییر شکل تضمین میکند و به ذرات تقویتکننده اجازه میدهد تا به طور یکنواخت محصور شوند.
درپرس گرم کامپوزیت ماتریس فلزی صفحه گرمبنابراین، گرادیان های حرارتی از طریق فرآیند زیر به شدت کنترل می شوند:
عناصر گرمایش منطقه ای
آرایه های ترموکوپل تعبیه شده
لایههای واسط-رسانایی بالا
سیستم های کنترل بازخورد دقیق
کنترل اتمسفر در پرس داغ
بسیاری از عملیات پرس گرم MMC تحت اتمسفر کنترل شده برای جلوگیری از اکسیداسیون و آلودگی انجام می شود.
محیط های معمولی عبارتند از:
خلاء بالا
جو آرگون بی اثر
این شرایط ضروری است زیرا:
پودرهای فلزی در دماهای بالا به سرعت اکسید می شوند
لایه های اکسیدی پیوند ذرات را مهار می کنند
تقویت کننده های سرامیکی ممکن است در دمای بالا با اکسیژن واکنش دهند
کنترل اتمسفر محدودیت های بیشتری را در مورد آب بندی صفحه، سازگاری مواد و طراحی حرارتی ایجاد می کند.
سیکل حرارتی و ملاحظات خنک کننده
پس از یکپارچه سازی، خنک سازی کنترل شده برای حفظ یکپارچگی ریزساختاری ضروری است.
خنک شدن سریع می تواند باعث شود:
شوک حرارتی در بیلت کامپوزیت
تشکیل تنش پسماند
لایه لایه شدن بین فازهای ماتریس و تقویت کننده
به همین دلیل، صفحات و قالب ها اغلب به تدریج در یک توالی کنترل شده خنک می شوند تا گرادیان های حرارتی در طول انجماد به حداقل برسد.
خود سیستم صفحه باید چرخه های گرمایش و سرمایش مکرر را بدون اعوجاج یا خرابی خستگی تحمل کند.
توجه مواد: صفحات گرافیتی در سیستمهای فشار پایین{{0}
در برخی کاربردهای خاص با فشار کمتر-یا تخصصی، صفحات گرافیتی به عنوان جایگزینی برای سیستمهای فلزی استفاده میشوند.
مزایای صفحات گرافیتی
مقاومت در برابر دمای بالا
هدایت حرارتی عالی
انبساط حرارتی کم
رفتار غیر مرطوب-با بسیاری از فلزات مذاب
محدودیت ها
استحکام مکانیکی کمتر در مقایسه با سوپرآلیاژها
حساسیت به اکسیداسیون در هوا
کاهش قابلیت تحمل بار-در فشار بالا
بنابراین سیستمهای گرافیت معمولاً برای محیطهای خلاء یا خنثی با نیروهای فشار متوسط ذخیره میشوند.
حساسیت فرآیند و تشکیل نقص
پرس گرم MMC به تغییرات کوچک فرآیند بسیار حساس است.
نقص ممکن است ناشی از:
عدم یکنواختی- دما
نوسانات فشار
بسته بندی پودری ناقص
تجمع تقویتی
بی نظمی مرگ
چنین عیوب ممکن است به طور قابل توجهی عملکرد خستگی یا قابلیت اطمینان ساختاری در جزء نهایی را کاهش دهد.
کاربردهای صنعتی MMC Hot Pressing
MMCهای فشرده{0} داغ به طور گسترده در برنامههای مهندسی با کارایی بالا، از جمله:
اجزای ساختاری هوافضا
روتورهای ترمز خودرو
سیستم های مدیریت حرارتی
ابزار صنعتی{0}}با فرسودگی بالا
بخشهای ساختاری درجه دفاع-
ترکیبی از چگالی کم و سفتی بالا این مواد را به ویژه در جایی که نسبت عملکرد به وزن بسیار مهم است، ارزشمند می کند.
نتیجه گیری
صفحات گرم شده با ارائه همزمان انرژی در دمای بالا و تحمل بارهای مکانیکی شدید، نقش اصلی را در پرس گرم کامپوزیت های زمینه فلزی ایفا می کنند. در داخلپرس گرم کامپوزیت ماتریس فلزی صفحه گرمدر فرآیند، این اجزا تضمین میکنند که پودرهای فلزی و تقویتکنندههای سرامیکی در ساختارهای متراکم-با عملکرد بالا تحت شرایط حرارتی و فشاری کاملاً کنترلشده یکپارچه میشوند.
این صفحات که از سوپرآلیاژهای{0}}در دمای بالا یا سرامیک های پیشرفته ساخته شده اند، تحت خلاء یا اتمسفر بی اثر عمل می کنند تا از اکسید شدن جلوگیری کنند و از خلوص مواد اطمینان حاصل کنند. توانایی آنها برای حفظ توزیع یکنواخت دما در حالی که در برابر خزش و تغییر شکل مقاومت میکنند، برای تولید اجزای MMC بدون نقص ضروری است.
در نهایت، صفحات سنگین و با دمای بالا- که در پرس گرم MMC استفاده میشوند، ابزارهای تسلیمناپذیری هستند که پودر شل را به موادی تبدیل میکنند که میتوانند یک خودروی اسپرت را متوقف کنند. قوی ترین مواد زیر قوی ترین و داغ ترین پرس متولد می شوند.
