شیوه های اصلی تولید برای پودرAl

مواد متالوژی پودر  آلومینیوم  می تواند به وسیله روش های گوناگون ساخته و تولید شود. روش های اصلی تولید، یعنی آن هایی که در آن مواد به طور تجاری در دسترس باشند، عبارتند از :

اتمیزه کردن ، ریسندگی ذوب و پودر سازی ثانویه نوارهای درون فلاکس ها و  آلیاژ سازهای مکانیکی .

بدلیل عدم آپلود تصاویر در اینترنت تصاویر و نمودار ها قابل مشاهده نیستند دوستانی که مایل به داشتن  مقاله بصورت کامل هستند با ایمیل من تماس بگیرند.

اتمیزاسیون شامل تشکیل پودر از جریان فلز گداخته می باشد که به ریز قطره ها خرد می شود. پودرهای عنصری و پیش  آلیاژ  شده می تواند تشکیل شود . در واقع، اغلب همه پودرها شامل می شود . یک جنبه مهم این تکنیک، استحکام سریع پودر از ذوب است . این تکنیک اصلی برای تولید پودرهای  آلومینیوم  ، اتمیزاسیون آب و گاز است . در اهمیت کمتر، اتمیزه کردن گاز و خلا و اتمیزه کردن سانتریفوژی می باشد . شیوه دیگر شامل تولید سریع نوار محکم (به عنوان مثال باریسندگی ذوب ) و پودرسازی ثانویه نوار درون فلاکس ها می باشد که می تواند پودرسازی و اکسترود شود .

یک شیوه جالب برای تولید مواد مستحکم شده با پخش اکسید برای کاربرد در دمای بالا  آلیاژ  سازی مکانیکی در جایی که پودرها در یک ساینده مکررا به هم متصل شده، می شکنند مجددا جوش می خورند، می باشد .

ذوب فوق گرم در یک کوره القایی خلا صورت می گیرد و درون یک یا چند نازل ریخته می شود . یک انبساط سریع گازجریان مذاب را خرد می کند که ابتدا یک صفحه نازک تشکیل می شود و سپس رشته ها بیضی ها و کره ها شکل می یابند . پودر، تحت فشار جمع شده و یک چرخه اجازه می دهد که گاز خارج شده و بازیافت شود و ذرات بسیار ظریف در نهایت خارج شوند .  فرایند اتمیزه کردن گاز،تعداد زیادی از عوامل متغیر را شامل می شود من جمله : ترکیب  آلیاژ  ، سرعت تغذیه فلز، دمای ذوب، ویسکوزیته ذوب ، فشار ، دمای گاز ، نوع گاز ، هندسه نازل ، مزیت اصلی اتمیزه کردن گاز ؛ همگنی محصول ، فقدان آلودگی به علت شرایط کلی و خارجی فرایند و شکل کروی پودرهای تولیدی می باشد .

   شکل 2-2 نمودار شماتیک یک اتمیزه کننده گاز بی اثر عمودی را نشان می دهد

فرایند اتمیزه کردن آب شبیه به اتمیزه کردن گاز می باشد با این تفاوت که بخار فلز گداخته توسط  جت های آب متلاشی و تجزیه می شود (شکل 3-2 را ببینید ) سرعت بالای انجماد بیشترازگاز است و در نتیجه جداسازی و جدایش شیمیایی پودر کمتر است . شکل پودرها نا منظم تر بوده و سطح پودر ناهموارتر و اکسیده تر است . سرعت بالای اب باعث کاهش اندازه متوسط ذرات می شود .

شکل 3-2) اتمیزاسیون آبی پودر

رابطه به شکل ساده  به صورت زیر خواهد بود :

D=C/Vsin α

کهv سرعت آب ، α زاویه میان بخار ذوب و جت مایع است و D اندازه متوسط ذرات و C ثابت  متاثراز مواد و طراحی اتمیزه کننده می باشد  .

 آلیاژ  سازی مکانیکی از مخلوطی از گلوله ها و پودر عنصری استفاده می کنند تا یک پودر مرکب از میکرو آلیاژ ها در یک ساینده یا در اسیاب گلوله ای پرانرژی دیگری تولید کنند (شکل 4-2 ) آسیاب دوباره ، جوشکاری سرد ، شکستگی  ودوباره جوشکاری پودر فلز منجربه تضمین تولید مواد همگن با پراکندگی یکنواخت می شود .

تعادل مناسب میان جوشکاری و آسیاب به وسیله ی انتخاب صحیح سیالات آلی (عوامل کنترل کننده فرایند ) قابل دستیابی است به علت سرد کاری سنگین، استحکام پودرهای  آلیاژ  به طور مکانیکی اسان نیست . این تکنیک به طور منحصر به فرد، کار امد نیست اما تا زمانی که به طور مساعد و منحصر به فردی  آلیاژ  ها ،اساسا برای کاربرد در دمای بالا ، تولید می شوند ، جالب و مورد توجه خواهد بود .

انجماد سریع

شکل 4-2)آلیاژکردن مکانیکی

یک قسمت مهم اتمیزه کردن ،‌انجماد سریع پودر از ذوب می باشد (در حدود ~ 10²K/S  تا 10⁴ برای اتمیزه کردن گازیK/S  10⁴ تا 10⁶ برای اتمیزه کردن آبی ) . تاثیر مشهود افزایش سرعت انجماد ، تصفیه ساختار میکروسکوپی ترکیب کننده ها می باشند . به نظر می رسد که رابطه خطی میان سرعت خنک کردن و فاصله بازوهای دندریت ثانویه وجود دارد . (شکل5-2)

این تصفیه  ساختار ، تاثیر مهم و سودمندی بر ویژگی های محصولات متالورژی پودرنظیر افزایش استحکام ، طول عمر خستگی بهتر و بهبود مقاومت خوردگی دارد . تاثیر دیگر افزایش سرعت خنک کردن ، افزایش محدوده قابلیت انحلال مجاور برای عناصر  آلیاژ ی در مقادیر تعادل می باشد  . این مورد ، تولید  آلیاژ های کم ثبات با ترکیباتی که به وسیله ی متالوژی شمش کلاسیک قابل دست یابی نیست را امکان پذیر می سازد.

شکل 5-2) تصفیه فاصله بازوهای دندریتی ثانویه بوسیله انجماد سریع

ویژگیهای پودر فلزی

ویژگیهای  یک پودر مهم می باشد زیرا معمولا انتخاب یک روش فرایند ویژه به وسیله این مورد انجام می شود . مشخصات پودر تقریبا یک روش پیچیده است نه فقط ویژگی های منحصر به فرد ذرا ت (اندازه ، شکل و غیره)‌ بایستی تعیین شوند ؛ بلکه هم چنین مشخصات توده پودر (توزیع اندازه ذرات ، ویسکوزیته ظاهری و غیره ) و خلل و فرج در توده پودر (اندازه متوسط خلل و خروج ها ،‌حجم خلل و خروج ها ) . به طور کلی مشخصات زیر بایستی تعیین شوند :

ترکیب شیمیایی : ترکیب شیمیایی همانند حجم ناخالصی می تواند با شیوه های شیمیایی تجزیه و تحلیل معمولی تعیین شود ؛ فراتر از اطلاعات شیمیایی جرم ،‌ اغلب نیازی برای دانستن شرایط سطح پودر وجود دارد (اکسیداسیون ، رشته های آلی قابل مشاهده ، پوشش سطح و غیره ) اندازه گیری اتلاف وزن هیدروژن (ASTM E159) می تواند ایده ای در رابطه با اکسیداسیون سطح بیان کند ، هنگامی که میزان غلظت می تواند به وسیله انحلال اسید اندازه گیری شود . در برخی موارد خاص ، وسیله الکترونی طیف سنجی مورد نیاز است .

ساختار درونی ذرات : جدایش ریز ، خلل و فرج داخلی و رسوب کردن می تواند به وسیله ی تکنیک های میکروسکوپی مرسوم مانند میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی مطالعه شود .

اندازه ی متوسط ذرات و توزیع اندازه ذرا ت : انواع رنج وسیعی  از روش ها برای اندازه گیری توزیع اندازه ذرات در دسترس هستند ، یک شیوه از توانایی چشم برای سریع دیدن ذرا ت با اندازه نا پیوسته در یک میکروسکوپ استفاده می کند (ASTM E20) روش مشهور دیگر الک کردن (غربال زنی ) می باشد : پودر از طریق دسته ای از غربال ها با افزایش اندازه منفذ (Mesh) و مقدار پودر در هر غربال بهره برداری می شود ، وزن می شود . تکنیک های دیگر براساس اندازه گیری رسوبی، رسانایی الکتریکی ، پراکندگی نور یا حتی تکنیک های اشعه x برای بسیاری از پودرهای ظریف می باشند.

شکل ذرات : یک حالت ممکن برای شکل ذرات در شکل6-2 نشان داده شده است شکل ذرات بسیار مهم است و بایستی با توزیع اندازه در نظر گرفته شود ؛ که می تواند توسط میکروسکوپ الکترونی تعیین شود .

       شکل 6-2) اشکال مختلف ممکن برای ذرات

مساحت رویه:  مساحت سطح ویژه به صورت سطح بر واحد جرم بیان می شود (m²/g) و به شکل پودر ، بسیار وابسته است  مساحت رویه می تواند توسط تکنیک جذب تعیین شود .

چگالی ظاهری : چگالی ظاهری پودر به معنای وزن بر واحد حجم پودر تعریف می شود بعد از ریختن از طریق یک جریان سنجش (ASTM B212,ASTM B213)Hall ویا یک حجم سنج B329) SCOTT (ASTM

چگالی انباشتگی (لرزشی):چگالی انباشتگی،وزن تقسیم بر حجم بعد از ارتعاش پودر است ASTM B527))

دبی : دبی پودر فلز بر ویژگی های نهایی محصول  متالورژی پودر تاثیرنمی گذارد اما برای پرکردن مناسب قالب در طول فشرده سازی ، مهم می باشد . دبی توسط جریان سنجش Hallقابل اندازه گیری است

ملاحظات ایمنی

برخی از پودرهای فلزات و ترکیبات فلزی تاثیرات مضری روی مصرف کنندگان در معرض این پودرها دارد . بررسی پودر نیازمند ملاحظات ایمنی مناسب و پاکیزگی می باشد . افرادی که در معرض غبار فلزی قرار دارند ، دچار بیماری های تنفسی یا دیگر معلولیت ها می شوند .

اندازه ی ذرات و وزن مخصوص مواد تا حد زیادی  محل رسوب گذاری را برای ذرات زنده تعیین می کند . ذرات درشت کاملا در پوسته ها به دام می افتند و به شش ها نمی رسند : ذرات ظریف ، در هر صورتی می توانند به شش برسند و ممکن است درون بدن حل شوند . در حال حاضر،نشانه های کلی برای تشخیص تاثیرات مفید تماس یا لمس معمولی انواع عمومی  آلومینیوم و یا  آلیاژ  های آن وجود ندارد . در هر حال ، هنگام استفاده از پودرهای عنصری همانند عنصر  آلیاژ ی ، مراقبت ویژه ای مورد نیاز است (مانند Cd,As,Ni,Cr)

عیب دیگر پودرهای آلومینیومی ، ناپایداری حرارتی آن ها در حضور اکسیژن است . پودرهای  آلومینیوم در حالتی که به طور بسیار ظریفی پودر شده باشند ، آتشگیر بوده (درهوا می سوزد) و بالقوه قابل انفجار اند . پودرهای  آلومینیوم به تماس بسیار کمی با اکسیژن در اتمسفر نیاز دارند (کمتر از 3%) درجه حرارت احتراق پایینی داشته(کمتر از 600⁰c)و محدوده قابل احتراق بسیار کمی دارند (20-50 g/m³) جلوگیری از آتش و انفجار به وسیله موارد زیر انجام می شود :

منابع آماده احتراق (مانند تخلیه الکترواستاتیک)

غبارزاینده

ترکیبات گازی اتمسفر

به علت این که مکانیسم آتش گیری و احتراق خود کار به طور قطعی شناخته نشده اند ، این مشخصات بایستی در رابطه با فرایند ، رفتار شیمیایی و بررسی هر نوع پودر ارزیابی شوند .

اگر یک پودر  آلومینیوم آتش بگیرد ، بایستی آتش با نهایت احتیاط مهار شود . بهترین راه برای پایان دادن به آتش سوزی پودر فلز استفاده،از عوامل اطفا حریق خشک میباشد . در آتش سوزی  آلومینیوم به هیچ عنوان نباید از آب استفاده شود .

3- ترکیب کردن پودر

پیش فشردگی

فشردگی سرد

کلوخه سازی

ترکیب کردن  گرم

پس ترکیب کردن  

شکل دادن اسپری

شکل 7-2) فشردن سرد برای یکی کردن پودر               

در شکل 7-2) ذکر شده است که روش های مختلف فرایندی برای محکم کردن پودر در دسترس است . پس از تولید با افزودن روان کننده ها و چسباننده ها ، پودرها کاملا آمیخته و مخلوط می شود . در اغلب موارد،یک فشردگی سرد انجام می شود ؛ اغلب به دنبال یک عملیات گاز زدایی صورت می گیرد . مرحله بعدی استحکام گرم است . این می تواند یک فرایند کلوخه سازی یا یک تفسیر شکل گرم کلاسیک (ویا هر دو ) باشد . سرانجام،چند عملیات پس از استحکام (براده برداری عملیات سطح فشردن ثانویه و ...) ‌انجام می شود .

پیش فشردن

آمیختن و مخلوط کردن دو مرحله رایج پیش فشردگی در متالوژی پودر می باشند . آمیختن به معنای ترکیب پودرها با اندازه های مختلف و حالت شیمیایی  یکسان می باشد . این مرحله انجام می شود تا توزیع اندازه ذرات مطلوب حاصل شود فشرده سازی پودرهای درشت آسان اما کلوخه سازی آن ها دشوار است. آن ها معمولا با پودرهای ظریف تر ترکیب می شوند تا فرایند کلوخه سازی تسهیل شود . مخلوط کردن پودر برای تهیه ترکیبات جدید  آلیاژ ی انجام می شود . به طور تئوری ، هر ترکیب می تواند از پودرهای عنصری  تولید شود. این عمل نیز رایج است که یک روان کننده با پودر مخلوط شود تا خردگی کم شده و خارج کردن از قالب بعد از فشرده سازی تسهیل شود . همراه با برخی از پودرها ، چسباننده نیز افزوده می شود تا استحکام ساده بالایی حاصل شود (محکم سازی قبل از استحکام گرم ) . در طول کلوخه سازی چسباننده ها و روان کننده ها به واسطه مواد فشرده می سوزند .

فشرده سازی سرد

فشرده سازی سرد ، مرحله اول در شکل دهی پودرهای سست به شکل مطلوب محصول و استحکام کافی برای بررسی بیشتر است . این مورد اکثرا توسط فشرده سازی یک طرفه در یک قالب انجام می شود و یا در وسعت کمتر توسط فشردن ایزواستاتیک سرد( CIP )صورت می گیرد .

تکنیک های ویژه دیگر شامل قالبگیری تزریقی و فشرده سازی انفجاری می باشد. تصویر شماتیک فشرده سازی یک طرفه در شکل (7-2)داده شده است. در مرحله ی اول ذرات بازآرایی می شوند که موجب فشرده سازی بهتر می شود . افزایش فشار ، فشرده سازی بهتر و کاهش منافذ را به دنبال دارد . در فشار بالا ، ذرات منحصر به فرد تغییر شکل می یابند وبرخی جوشکاری های سرد در بین ذرات صورت می گیرد که به مواد فشرده ساده،استحکام می بخشد . به علت اصطکاک دیواره ، متراکم کردن ذرات فشرده یکنواخت نخواهد بود . این مشکل می تواند به وسیله استفاده از روان کننده ها و به وسیله ی شارژ کردن از بالا و پایین به طور همزمان،کاهش یابد . طراحی قالب ها از اهمیت بالایی برخوردار است زیرا بایستی در نظر بگیریم که محصولات ساده بعد از فشرده سازی باید بیرون رانده شوند .

این محدوده هندسه قالب می تواند به وسیله فشرده سازی یکسویه به دست آید. روش دیگری فشردن ایزواستاتیک سرد( CIP )است . قالب های محکم پودر، ‌مملو از یک مایع در کنار یک تانک فشار بالا و یک فشار هیدرواستاتیک به وسیله ی تنظیم فشار مایع،به کار برده  می شوند . فشار خاصی بین 300تا400 مگا پاسکال اعمال می شود . این شیوه برای فشرده سازی یکنواخت و بزرگ سودمند است . در یک فشار معلوم چگالی بالاتر در فشرده سازی حاصل می شود ( CIP ) برای شکل های پیچیده بسیار مفید است اما دچار کنترل ابعادی کم ، می گردد ‌ .

فشرده سازی انفجاری تکنیکی است که اساسا در شرایط آزمایشگاهی استفاده می شود اما با برخی امکانات برای کاربردهای محدود در مقیاس صنعتی نیز قابل اجرا است . یک موج ضربه ای برای دستیابی به توان ترکیب کردن  سریع استفاده می شود . هنگامیکه چگالی بالا به دست آید گرمای مینیمم مشاهده می شود (تا 99% چگالی تئوری) با این تکنیک می توان از نتایج منفی کلوخه سازی یا ترکیب کردن گرم جلوگیری نمود .

قالبگیری تزریقی شیوه دیگری از ترکیب کردن پودر را فراهم می آورد . این شیوه شبیه به قالب گیری پلاستیک می باشد و تجهیزات مرسوم نیز قابل استفاده است . پودرها با چسباننده های ترموپلاستیک در اثر حرارت مخلوط شده و با قالبگیری تزریقی به شکل مورد نیاز در می آیند . قبل از کلوخه سازی چسباننده به وسیله سایش گرمایی و یا توسط استخراج حلال جا به جا می شود . این روش برای قسمت های کوچک اما پیچیده مناسب است .

کلوخه سازی (زینترینگ)

هنگامی که یک پودر فشرده در یک اتمسفر محافظ تا دمایی پایین تر از نقطه ذوب عمده ترکیبات حرارت داد ه شود

متراکم کردن پودر توسط حذف کردن خلل وفرج ها رخ می دهد و محصول کلوخه سازی با استحکام مکانیکی زیاد،تشکیل می شود . در یک مقیاس میکروسکوپی چسبندگی هنگامیکه باریکه ها تشکیل می شوند و در نقطه تماس ذرات رشد می کنند،رخ می دهد . دمای کلوخه سازی نوعا در حدود600⁰cاست . نیروی محرک برای کلوخه سازی،کاهش در انرژی سطح پودر است و بسیار اندک می باشد . برای افزایش این نیروی محرک،کلوخه سازی با افزودن عناصر فعال و یا با ترکیبات اضافی که در دمای کلوخه سازی مایع می شوند،انجام می شود (کلوخه سازی فاز مایع).

پیشنهاد دیگر،اعمال یک فشار خارجی در طول کلوخه سازی است (کلوخه سازی فشاری) . بازده یک فرایند کلوخه سازی اساسا تحت تاثیر دما ، زمان ، ویژگی های اتمسفر محافظ ، چگالی ذرات فشرده ، اندازه ذرات و تشکیل ذرات می باشد.کلوخه سازی حالت جامد می تواند به سه مرحله (مشترک) تقسیم شود (شکل8-2)

1. پیوند ذرات پودر برای تشکیل باریکه ها .

2. تفسیر هندسه خلل و فرج ها و انقباض ذرات فشرده .

3. ایزوله کردن خلل  و فرج هابه وسیله رشد بلورها ، حذف خلل فرج ها باقیمانده .

    شکل 8-2) ترکیب کردن پودر: زینترینگ جامد مرحله (1)

این فرایند کلوخه سازی شامل انتقال جرم بوسیله نفوذ نیز می شود  . حداقل 6 راه مختلف شناسایی شده است  (شکل9-2):‌بخش نفوذ شبکه از مرز دانه ها ، نفوذشبکه از سطوح و صافی ها ، بخش نفوذ مرز دانه ای از مرز دانه ها ، بخش نفوذ سطحی از سطوح  و انتقال فاز بخار از سطوح در حال حاضر مدل های بسیاری تشریح رشد باریکه ها و انقباض خلل و فرج هارا پیشنها دمی کنند

اما به علت پیچیدگی خلل و فرج ها در کل یک مدل کمی مورد قبول باقی می ماند تا توسعه پیداکند . Ashbyسیستمی از نمودارها را گسترش داده است (تصاویر مکانیسم کلوخه سازی) که در آن اندازه باریکه ها، انقباض باریکه ها و چگالی نسبی به عنوان تابعی از دما رسم شده اند و مکانیسم های کلوخه سازی قالب نشان داده شده است .

شکل 9-2) ترکیب کردن پودر : زینترینگ جامد مرحله (2)

کلوخه سازی فعال شده اساسا به وسیله افزودن برخی فعال  کننده ها به پودر حاصل می شود . حضور آنها در مرز بلورها، پخش در مرز بلورهارا افزایش می دهد و انرژی فعال  سازی  کمتری برای کلوخه سازی مورد نیاز است . کلوخه سازی فعال شده برای دمای پایین کلوخه سازی ، از زمان کوتا ه تر کلوخه سازی و ویژگی های بهتر مناسب برخوردار   است .

در سیستم های چند جزئی (شامل پودرهای مخلوط) یک جزء می تواند در طول کلوخه سازی در حالت مایع باشد ، در نتیجه کلوخه سازی سریع به علت انتقال سریع جرم امکان پذیر شود .

                       شکل 10-2) ترکیب کردن پودر زینترینگ فاز مایع

کلوخه سازی فاز مایع در سه مرحله رخ می دهد (شکل 10-2) ابتدا فاز مایع،ذرات را مرطوب کرده و موجب بازآرایی ذرات و تراکم سریع می شود . در مرحله دوم ذرات کوچک حل شده و مجددا روی ذرات بزرگ رسوب می کنند . در مرحله سوم،کلوخه سازی فازجامد کلاسیک روی می دهد .

روش سوم افزایش کلوخه سازی کلوخه سازی فشاری است . کلوخه سازی تحت یک میدان تنش خارجی انجام می شود . در مرحله اول یک استحکام سریع تا چگالی بالا به وسیله تغییر شکل (گرم) پلاستیک روی می دهد . در مرحله دوم متراکم کردن،مکانیسم خزش قابل استفاده است . در مرحله آخر،بخش کلوخه سازی نرمال،غالب می شود .

ترکیب کردن  گرم (فرایند با چگالی بالا)

با عمل همزمان گرما و فشار امکان دستیابی به یک محصول متالورژی پودر بدون خلل و فرج های  باقمیانده وجود دارد (ذرات متراکم بسیار چگال )‌ . دستیابی به این مورد با یک فرایند کلوخه سازی ساده ، دشوار می باشد زیرا برخی از خلل فرج ها باقیمانده ، ثابت و پایدار می مانند و به سختی برطرف می شوند ، به خصوص زمانی که آن ها با گاز پرشوند . حذف خلل و فرج های باقیمانده موجب بهبود خواص  مکانیکی محصول می شود ، اما به عبارت دیگر ، یک حرارت دهی طولانی می تواند باعث بدتر شدن برخی از خواص  شود به علت درشت شدن ریز ساختار . ترکیب کردن گرم ، قیمت محصولات ظریف را افزایش می دهد ، بنابراین ارزش آن نظر به کارایی محصول مورد نیاز ضروری است .

تغییرشکل بیشتر،تحت فشار متراکم سازی گرم می تواند شکل دهی بیشتر محصول را در پی داشته باشد . ترکیب کردن حالت  گرم برروی محصولات کلوخه شده و یا به طور مستقیم بر روی محصولات پودری سرد انجام می شود . در بیشتر موارد ، ابتدا محصول قبل از ترکیب کردن  گرم گاز زدایی می شود .

اکثر تکنیک های مهم ترکیب کردن حالت  گرم عبارتند از : آهنگری ، استخراج و فشردن ایزو استاتیک گرم .

آهنگری یک حالت توام با  تغییر شکل زیاد می باشد . روش تغییر شکل گرم برای شکل دهی و بیشتر برای متراکم کردن یک پودر پیش فشرده و پیش کلوخه شده استفاده می شود . روغن کاری تجهیزات برای حصول چگالی یکنواخت تری صورت می گیرد .

در یک فرایند فشردن ایزواستاتیک گرم(HIP)یک قوطی با پودر پرشده حرارت داده می شود و گاز زدایی می شود و سپس به طور سربسته،محکم می شود . این محفظه پودر،به طور هیدرواستاتیکی (اغلب  حالت هم دما ارجحیت دارد ) . در دماهای بالا متراکم می شود . (شکل 11-2 ) . سپس فشار آزاد شده و مواد قوطی این یک فرایند تغییر شکل کم است که به نهایت برای تشکیل شکل های پیچیده مفید است .

(HIP)شکل 11-2) ترکیب کردن پودر فشردن ایزواستاتیک گرم

شکل 12-2) ترکیب کردن پودر اکستروژن 1

استخراج یک شیوه ی دیگر برای رسیدن به چگالی بالا می باشد . به طور تئوری سه روش برای استخراج پودر فلزات وجود دارد (شکل 12-2) : محفظه می تواند توسط پودرهای سبک که خارج شده اند پرشود ؛ پودر می تواند به طور سرد فشرده شود تا یک شمش فلز سرد حاصل شود که در صورت لزوم می تواند کلوخه سازی شود و یا پودر می تواند در یک قوطی متراکم شده گاززدایی و خارج شود تنها برای پودرهای  آلومینیوم روش سوم اغلب استفاده می شود . در قوطی نگه داشتن اساسا برای ایزوله کردن پودر از اتمسفر (اکسیداسیون) و از روان کننده های استخراج می باشد .

 با انتخاب مناسب مواد قوطی،روغن کاری بهبود یافته و جریان بهتر فلز در سطح قالب حاصل می شود .

 استخراج از یک قوطی با استخراج کلاسیک از یک شمش فلز تفاوت زیادی ندارد اما ازدیاد  فشار اولیه به طور قابل توجهی متفاوت است همان گونه که در شکل 13-2 نشان داده شده است . برای یک شمش فلز جامد ، فشار به طور خطی افزایش می یابد در نتیجه برای پر کردن محفظه بر می گردد .

 برای یک  شمش فلز پودرافزایش فشار در طول برگشتن غیر خطی است زیرا پودر ابتدا تقریبا تا چگالی بسیار فشرده می شود.

اگر چه متراکم کردن قبل از آغاز استخراج کامل می شود،ذرات پودر با اتصال بسیار  ناچیز  باقی می مانند،و استحکام مکانیکی کم خواهد بود . فقط پس از استخراج،مواد در معرض یک مرحله کافی تغییر شکل برشی ناشی از پیوند میان ذرات قرار می گیرند .

شکل 13-2)

شکل 14-2)

        شکل 15-2)

فشارPمورد نیاز برای استخراج یک شمش فلز می تواند توسط عبارت زیر بیان شود .P=a'+b'lnR                               

که Rنسبت استخراج ، a' سنجشی از  مقدار کار اضافی و 'b سنجشی  از کار همگن می باشد . همان گونه که در شکل 16-2) مشاهده می شود ، کار اضافی در استخراج پودر بسیار مهم تر از کار اضافی در استخراج یک شمش فلز ریخته گری می باشد این بدین علت است که واحد کار اضافی شامل فرایند تشکیل جوش های سرد،شکستن جوش و دوباره جوش خوردن می باشد .

پودر ظریف فشار استخراج بالاتری از پودرهای درشت نیاز دارد . زیرا جوش های بیشتری بعدا تشکیل شده و شکسته می شوند . یکی از رایج ترین کاربردهای استخراج گرم پودر،ترکیب کردن پودرهای  آلیاژ ی به طور مکانیکی می باشد .

پس ترکیب کردن

پس از ترکیب  پودر فلز یک عملیات فشردن سرد ثانویه انجام می شود ،‌ به خصوص در مورد محصولات کلوخه سازی . این مورد برای بهبود صحت ابعادی (اندازه گیری) و/ یا برای افزایش چگالی (فشردن) مورد نیاز است . در برخی موارد یک فرایند سکه زنی انجام می شود تا به بالا و پایین محصول یک پیکر بندی مطلوب بدهد . هم چنین تعدادی از عملیات های تکمیل فلز استاندارد نظیر براده برداری ، عملیات حرارتی ،  عملیات سطح و ... می تواند صورت پذیرد.

شکل 16-2) فشار اکستروژن و رابطه آن با R

شکل دادن حالت اسپری

تشکیل اسپری یکی از مظاهر تکنولوژی  متالورژی پودر است.مواد در شکل 1 اسپری از قطرات فلزی مایع روی جزمورد عمل زده می شود تا شکل  قبلی را تقویت کند. این شکل  قبلی سپس به شکل های آسیاب مختلفی مستحکم می شود. دوفرایند اصلی تشکیل اسپری، OSPREY و رسوب گیری پلاسما می باشد .

در OSPREY بارآلیا ژ در یک بوته محکم واقع در بالای محفظه اسپری،ذوب القایی می شود. (شکل 17-2 ) . در ناحیه اتمیزه کردن زیر بوته، بخار فلز مایع به اسپری قطرات به وسیله ی گاز اتمیزه کردن تجزیه می شود .

 (معمولا نیتروژن یا آرگون) بعد از اتمیزه کردن قطرات خنک شده و به سمت جز مورد عمل شتاب می گیرند که در آن جا به شکل 1 رسوب چگال ، محکم می شوند .

شکل 17-2) تشکیل پودر با اسپری

ترکیبات می توانند توسط تزریق ذرات فاز دوم و یا توسط یک واکنش درجا با یک گاز تولید شوند . نتیجه ی ساختمان میکروسکوپی ذرات بلورهای ظریف است بدون جداسازی ماکروسکوپی عناصر  آلیاژ ی و سرانجام با یک توزیع یکنواخت فاز دوم .

موادی که به طور موفقیت آمیزی به وسیله ی فرایند osprey تشکیل شده اند شامل چندین  آلیاژ   آلومینیوم ( آلیاژ  7090,AlSi آلیاژ7075PM) و ترکیبات با شبکه  آلومینیوم می باشند .  آلومینیوم های جدید با ظرفیت بالایSi (بیشتر از 20%) اسپری شده اند و بیشتر ویژگی های مشابه  آلیاژ  تشکیل شده را نشان می دهند .

تشکیل اسپری پلاسما شبیه به فرایند osprey است اما استفاده از یک مشعل پلاسما برای تولید قطرات مایع می باشند اگر چه این فرایند برای مواد مذاب، بسیار مناسب تر است؛‌ترکیبات جالبی بر مبنای AL و مقیاس آزمایشگاهی تولید شده اند .

4- ویژگی ها و کاربردها

مثال 1 : توسعه  آلیاژ های 7XXX  متالورژی پودر

مثال 2:  آلیاژ های با استحکام بالا برای دماهای زیاد

مثال 3 : یک  آلیاژ  آزمایشی با دمای بالا و ضریب زیاد : AL-Ti به وسیله  آلیاژ سازهای مکانیکی .

نتیجه گیری

بخش های متالورژی پودر آلومینیوم برای بهبود مشخصات مواد و یا در برخی موارد به علت قیمت پایین تولید (مانند شکل های پیچیده) استفاده می شود . در بیشتر کاربردها بخش های ،  متالورژی پودر استفاده می شود به علت یکی (یابیشتر) از ویژگی های زیر : مدول یانگ بالاتر، چگالی پایین تر، استحکام بیشتر در دمای اتاق: استحکام بهتر در دمای اتاق، مقاومت سایشی بهتر. تنوع زیاد قسمت های  متالورژی پودر معمولا توسط سازندگان ماشین های بخاری استفاده می شود : ترکیبات سبک تر، لختی در شروع و پایان را کاهش می دهند.

قسمت های متالورژی پودر آلومینیوم برای نوار تسمه های متحرک ، توپی و کلاهک بست های اتصال استفاده می شود .

کاربردهای دیگر در ترکیبات اتومبیل دیده می شود . نیاز به مواد سبک و مقاوم در برابر خوردگی و هم چنین مواد محکم با دمای بالاتر، فواید قسمت های  متالورژی پودر آلومینیوم را افزایش می دهد .

نکته مهم بخشهای متالورژی پودرآلومینیوم احتمالا تنوع گسترده ترکیبات  آلیاژ ی می باشد که می تواند قاعده امکان دسترسی به ویژیگی های ترکیب مطلوب را فراهم  کند تعداد زیادی از این  آلیاژ  ها معمولا  بررسی بررسی نشده اند . در پاراگراف بعدی تعداد مشخصی از این  آلیاژ  ها را بررسی می کنیم تا ایده ای در رابطه با کاربرد (پتانسیلی ) آن ها بیان کنیم .

مثال 1 : توسعه  آلیاژ های متالورژی پودر7XXX

سری 7000 از  آلیاژ های متالوژیکی پودر که از پودرهای اتمیزه شده تولید شده اند از 1950 S بررسی شده است استحکام بالا رادارند اما قابلیت مفتول شدن میله های استخراجی بسیار پایین است (تقریبا کمتر از 1% طولی ) از این لحاظ به نظر می رسد که این  آلیاژ های متالورژی پودرمقاومت خوردگی بهتر و محدوده خستگی بهتری از  آلیاژ های شمش کلاسیک دارد . در هفتاد مورد اول ثابت شده است که استحکام (654 Mpa) امتداد (8%) مقاومت در برابر پوسته پوسته شدن محدوده خستگی (207Mpa) دوام شکستگی (21Mpa.m^1/2) ترکیبات مناسب قابل دسترسی است . بهبود سفتی و استحکام به وسیله گاززدایی کشف شده است و تلاش هایی برای افزایش مقیاس اندازه شمش فلز پودر شده است تا برای ساخت صفحه ها و ورقه ها مناسب باشد . در 1980s چندین  آلیاژ  تجاری با استحکام بالا تهیه و ثبت شد . (شکل 18-2) ترکیبات شیمیایی 7000 سری کلاسیک ، به وسیله افزودن عناصر واسطه نظیر Co,Zr یا Ni اصلاح شد .

شکل 18-2) ترکیب آلیاژهای استحکام بالای P/M

ترکیبات  آلیاژ های متالورژی پودرتجاری با استحکام بالا برای فازهای رقیق بین فلزی رسوب می کند . انجماد سریع  آلیاژ  های متالورژی پودر7000، مقاومت در برابر خوردگی بهتری را نسبت به  آلیاژ های شمش ارائه می دهد . خوردگی در اثر تنش در  آلیاژ های کلاسیک با تماس آهن افزایش می یابد . اما در  آلیاژ های به سرعت مستحکم شده، آهن درمقادیرکم رسوب گیر افتاده و شروع شکاف با تاخیر رخ می دهد . برای  آلیاژ های رسمی ، شکاف در طول مرزهای ممتد و صاف بلور رشد می کند هنگامیکه برای  آلیاژ های متالورژی پودر، اندازه کوچک بلورها مسیر پرچین و شکنی را برای انتشار شکاف اعمال می کند و بنابراین افزایش در انرژی انکسار اعمال می شود . شکل 19-2 نشان می دهد که برای  آلیاژ های متالورژی پودرتجاری، یک ترکیب عالی از استحکام و سفتی در قالب آهنگری حاصل می شود .

Strength and Fracture Toughness

                                             شکل 19-2(

مثال 2 :  آلیاژ های با استحکام بالا برای دماهای زیاد .

 آلیاژ های  آلومینیوم قرار دادی با استحکام بالا مانند AA2618,AA2214 یا AA2024 در دماهای بالای 200 ⁰C ، استحکام خود را از دست می دهند که اساسا به علت درشت شدن رسوبات آنهاست . برای برخی از کابردهای مانند کمپرسورها، موتور جت، توربین های گاز اتوموبیل و اجزای موتور احتراق  آلیاژ های  آلومینیوم که استحکام خو درا درحدود ⁰C300 تا 400 از دست نداده اند می توانند جایگزین  آلیاژ های تیتانیوم یا فولاد شوند . برای حفظ استحکام بالا در دماهای زیاد داشتن یک توزیع یکنواخت از پخش کامل ذرات ظریف الزامی است که مرزهای بلور را محکم کرده و شبکه را سخت می کند .

پخش کامل Al₂o₃ , Al₄c₃ می تواند در یک شبکه  آلومینیوم توسط  آلیاژ  سازی مکانیکی(MA) مطرح شود . مثالی از چنین  آلیاژ ی ""dispal 2 نامیده می شود با 1% وزنی O و 2% وزنی منجر به 10 تا 20 درصد حجمی پخش ذرات می شود . این  آلیاژ  ثبات گرمایی بسیار مناسبی دارد اما در ⁰C 300استحکام کششی آن نصف استحکام کششی اندازه گیری شده در دمای اتاق است  (شکل20-2)  با این وجود استحکام آن در دمای بالا  250 ⁰Cبرای  آلیاژ های I/M 2618 قرار دادی، بهتر است .

راه دیگر معرفی یک جز حجمی بالا از پخش کامل ذرات ظریف در یک شبکه آلومینیوم، استفاده از یک تکنیک انجماد سریع و فرایند متالورژی پودرمی باشد . تنوع سیستم های  آلیاژ ی بررسی شده و هنوز در حال کشف است .

به طور کلی  آلیاژ های  آلومینیوم با فلزات واسطه )  (Cr,Ni,Fe,Co,Mnو فلزات نادر زمین (Ce,La)امکانات جالبی را ارائه می دهد ؛ سیستم های  آلیاژ ی مانند Al-Fe-Ce,Al-Fe-V-Si,Al-Zr-Cr,Al-Cr-Zr-Mn مطالعه شده اند .

 آلیاژ  متالورژی پودرAl₈Fe₄Ce به مقدار کمی استحکام بالاتری در دمای اتاق نسبت به  آلیاژ  I/M2618 دارد و این استحکام در دماهای بالاتر بهتر حفظ می شود .

High Temperature Yield Strength of 4 Alloys

شکل 20-2(

ویژگی های مکانیکی  آلیاژ های Al-Fe-Ce می تواند توسط توزیع کامل ذرات ظریف Al₂o₃,Al₄C₃ بهبود یابد. این پخش کامل ذرات به وسیله  آلیاژ  سازی مکانیکی سریع پودرهای جامد اضافه می شود (شکل 21-2). همان گونه که در شکل 21-2 دیده می شود ثبات گرمایی پس از  آلیاژ  سازی مکانیکی (اندازه گیری شده به وسیله ازمایش سخت ویکرز) بهتر از ثبات گرمایی پس از استحکام ساده و سریع می باشد .

Thermal Stability of M,A.vsR.S.Powder Hardness after Exposure to 450 ^oc Extrusions:

                                                  شکل21-2 (

مثال 3 :‌ آلیاژ  تجربی با دمای بالا و مدول زیاد :AL-Ti به وسیله  آلیاژ کردن مکانیکی

 آلیاژ های  آلومینیوم که با یک ترکیب خاص ناشی از افزایش استحکام دمایی، ‌سختی و ثبات دمایی با  آلیاژ  های شمش قرار دادی مقایسه می شود ، می تواند عامل با ارزشی برای جایگزینی  آلیاژ های تیتانیوم برای پوسته و کاربردهای ساختاری در هواپیماها باشد .

ترکیبات مبتنی بر  آلیاژ های  آلومینیوم قراردادی ومعمول، حصول ضریب مطلوب بالایی دارند اما استحکام بالایی را در دماهای زیاد از خود نشان نمی دهند و قابلیت مفتول شدن زیادی ندارند . به عبارت دیگر، اکثر  آلیاژ های  آلومینیوم به سرعت جامد شدن موجود برای کاربرد در دماهای زیاد ضریب کشسانی بالایی ندارند (95تا110GPa مورد نیاز است ) . از هنگامی که به طور کلی تشخیص داده شد که حضور فاز با نقطه ذوب بالا و سخت می تواند در استحکام دمایی بالا و ضریب  آلیاژ های  آلومینیوم موثرباشد ؛  آلیاژ های AL-Ti شامل بالای 35% حجمی از پخش کامل ذرات AL₃Ti با اندازه ی بسیار کوچک فراهم شد . همان گونه که از شکل های زیر مشهود است ،‌ آلیاژ های  AL-Tiترکیبات بسیار جالبی از استحکام دمایی بالا، ضریب کشسانی بالا و قابلیت مفتول شدن بالا را ارائه می دهند . علاو ه بر این  آلیاژها برای افزایش مناسب ثبات ساختار میکروسکوپی پس از500 hrs قرار داشتن در دمای 510⁰c کشف شده اند .