کاربرد آلومینا در آلیاژسازی و تأثیر آن بر ارتقاء ویژگی‌های فیزیکی و مکانیکی

زمان مطالعه: 5 دقیقه

صنعت آلیاژسازی همواره به دنبال موادی بوده است که بتوانند خواص مکانیکی، حرارتی، مقاومت در برابر خوردگی و سایش فلزات را ارتقا دهند. در این میان، ذرات سرامیکی به دلیل سختی بالا، مقاومت سایشی و پایداری حرارتی، جایگاه ویژه‌ای پیدا کرده‌اند. در بین این مواد، آلومینا با ویژگی‌هایی مثل قیمت مناسب، سختی و استحکام بالا، مقاومت عالی در برابر خزش و سایش در دماهای بالا و پایداری شیمیایی، به یکی از پرکاربردترین تقویت‌کننده‌ها در آلیاژهای پیشرفته تبدیل شده است. این ماده نه‌تنها در قالب ذرات تقویت‌کننده، بلکه به‌عنوان پوشش محافظ و حتی کاتالیزور در تولید آلیاژهای خاص هم مورداستفاده قرار می‌گیرد. در ادامه، به‌صورت دقیق به کاربرد آلومینا در آلیاژسازی می‌پردازیم.

کاربرد آلومینا در آلیاژسازی

آلومینا یکی از پرکاربردترین مواد سرامیکی در صنایع فلزی است که به دلیل خواص مکانیکی، حرارتی و شیمیایی برجسته، نقش مهمی در بهبود عملکرد آلیاژها ایفا می‌کند. این ماده به عنوان تقویت‌کننده، پوشش محافظ و حتی جزئی از فرآیندهای تولید آلیاژهای پیشرفته به کار می‌رود. کاربرد آلومینا در آلیاژسازی بسیار متنوع است و می‌تواند روی استحکام کششی، سختی، مقاومت به سایش، پایداری حرارتی و مقاومت به خوردگی تاثیر بگذارد. در ادامه، مهم‌ترین کاربرد‌های آلومینا در آلیاژسازی را بررسی خواهیم کرد.

1. تقویت از طریق پراکندگی

یکی از مهم‌ترین کاربرد آلومینا در آلیاژسازی، تقویت از طریق ایجاد فازهای پراکنده است. ذرات ریز آلومینا که به طور یکنواخت در زمینه فلزی توزیع می‌شوند، با ایجاد مانع برای حرکت نابجایی‌ها، از تغییر شکل آسان آلیاژ جلوگیری می‌کنند. در نتیجه، استحکام تسلیم، سختی و مقاومت به خزش به شکل قابل‌توجهی افزایش می‌یابد. این روش به‌ویژه در آلیاژهایی که با متالورژی پودر یا روش‌های تولید افزایشی ساخته می‌شوند، کاربرد گسترده‌ای دارد.

2. بهبود مقاومت به سایش

سختی بالای آلومینا (حدود 9 در مقیاس موس) آن را به یک افزودنی مؤثر برای افزایش مقاومت سایشی آلیاژها تبدیل کرده است. در کامپوزیت‌های زمینه فلزی (MMCs) حاوی ذرات آلومینا، این ذرات سخت نقش حفاظتی ایفا کرده و در برابر خراشیدگی و فرسایش مقاومت نشان می‌دهند. به‌همین‌دلیل، عمر مفید قطعات در کاربردهایی که در معرض تنش‌ها و بارهای سایشی قرار دارند، به طور چشمگیری افزایش پیدا می‌کند.

3. افزایش پایداری حرارتی و مقاومت به خزش

ذرات آلومینا از پایداری حرارتی بسیار بالایی برخوردارند و در دماهای بالا ساختار خود را حفظ می‌کنند. همین ویژگی سبب می‌شود که آلیاژهای تقویت‌شده با آلومینا، مقاومت به خزش و مقاومت در برابر نرم‌شدن در دماهای بالا را به طور چشمگیری بهبود دهند. این خاصیت برای استفاده در موتورهای جت، توربین‌های گازی و سایر محیط‌های با دمای بالا از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

4. بهبود مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون

از دیگر کاربردهای آلومینا در آلیاژسازی می‌توان به نقش آن در بهبود مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون اشاره کرد. آلومینا به صورت یک لایه متراکم و غیرفعال می‌تواند روی سطح آلیاژها تشکیل شده و به‌عنوان سد مؤثری در برابر عوامل خورنده و اکسیدکننده عمل کند. علاوه‌براین، حضور ذرات آلومینا در ترکیب آلیاژها، فرآیند تشکیل لایه‌های اکسیدی محافظ در دماهای بالا را تسهیل کرده و در نتیجه طول عمر آلیاژ در محیط‌های تهاجمی افزایش می‌یابد.

5. افزایش استحکام کششی

در آلیاژهای آلومینیوم سری 7000، افزودن 5 تا 10 درصد حجمی آلومینا منجر به افزایش حدود 20 تا 30 درصدی در استحکام کششی شده است. این بهبود قابل توجه، جایگاه آلومینا را به‌عنوان یکی از مؤثرترین عوامل تقویت‌کننده در آلیاژهای آلومینیوم تثبیت می‌کند.

6. افزایش سختی

افزودن نانوآلومینا به آلیاژ آلومینیوم 5052 موجب افزایش سختی از حدود 58 HV به بیش از 110 HV شده است. همچنین در آلیاژهای آنتروپی بالا، سختی از حدود 600 HV به نزدیک 999 HV ارتقا یافته است. این نتایج نشان‌دهنده اثر مستقیم ذرات آلومینا بر افزایش سختی ساختارهای فلزی است.

7. ریز‌دانه‌سازی

حضور ذرات آلومینا به‌عنوان مراکز جوانه‌زنی منجر به کاهش چشمگیر اندازه دانه‌ها (تا 10 برابر) می‌شود. این ریز‌دانه‌سازی سبب افزایش استحکام، پایداری ساختاری و یکنواختی خواص مکانیکی آلیاژها می‌شود.

8. سازگاری با عملیات حرارتی

یکی‌دیگر از کاربردهای آلومینا در آلیاژسازی، هم‌افزایی آن با فرآیند رسوب‌سختی در آلیاژهای سری 7000 است. ترکیب این دو مکانیزم منجر به افزایش بیشتر استحکام و بهبود خواص مکانیکی می‌شود، بدون آنکه انعطاف‌پذیری آلیاژ به‌طور محسوسی کاهش یابد.

چنانچه در زمینه کاربرد آلومینا در آلیاژسازی پرسش یا ابهامی دارید، کارشناسان ما آماده ارائه توضیحات کامل هستند. برای دریافت مشاوره تخصصی و رایگان می‌توانید همین حالا با ما تماس بگیرید.

02166907325

روش‌های آلیاژسازی با آلومینا

در ادامه، مهم‌ترین روش‌های آلیاژسازی با آلومینا را با هم بررسی خواهیم کرد.

1- ریخته‌گری هم‌زنی

یکی از ساده‌ترین و در عین حال اقتصادی‌ترین روش‌ها برای به‌کارگیری آلومینا در آلیاژها، ریخته‌گری هم‌زنی است. در این روش، ذرات آلومینا به مذاب آلیاژ آلومینیوم اضافه می‌شوند. با هم‌زدن مکانیکی، ذرات به‌طور یکنواخت در زمینه فلزی توزیع می‌گردند و در نهایت با انجام ریخته‌گری و عملیات حرارتی، کامپوزیت نهایی ایجاد می‌شود. این فرآیند به دلیل هزینه پایین و سادگی اجرا، گزینه‌ای مناسب برای تولید انبوه محسوب می‌شود.

2- فرآیند اصطکاکی هم‌زنی

یکی‌دیگر از روش‌های آلیاژسازی، فرآیند اصطکاکی هم‌زنی است. در این روش، ذرات آلومینا به سطح آلیاژهایی مانند آلومینیوم 5052 اضافه می‌شوند. نتیجه آن افزایش سختی و مقاومت سایشی در سطح قطعه است، بدون آنکه شکل‌پذیری بخش داخلی آلیاژ به‌طور قابل‌توجهی کاهش یابد.

3- آلیاژسازی مکانیکی و تف‌جوشی پلاسمای جرقه

آلیاژسازی مکانیکی همراه با تف‌جوشی پلاسمای جرقه‌ای (Spark Plasma Sintering) روشی پیشرفته برای تولید آلیاژهای آنتروپی بالا (HEAs) مانند AlCoCrFeNi است. افزودن آلومینا در این سامانه‌ها سبب تغییر فازی، افزایش سهم فازهای سخت BCC و در نهایت ارتقای خواص مکانیکی و مقاومت سایشی می‌شود. این روش بیشتر در تحقیقات و توسعه مواد پیشرفته مورد استفاده قرار می‌گیرد و چشم‌اندازهای جدیدی در کاربرد آلومینا در آلیاژسازی فراهم کرده است.

کاربردهای صنعتی آلومینا در آلیاژسازی

کاربرد آلومینا در آلیاژسازی تنها به تحقیقات آزمایشگاهی محدود نمی‌شود، بلکه در صنایع گوناگون نقش کلیدی ایفا می‌کند. برخی از مهم‌ترین حوزه‌های صنعتی عبارت‌اند از:

• صنایع هوافضا: استفاده در بدنه هواپیما، پره‌های توربین و اجزای سبک که نیازمند استحکام مکانیکی بالا و پایداری حرارتی هستند.
• خودروسازی: به‌کارگیری در قطعات موتور، سیستم‌های ترمز و چرخ‌ها با هدف افزایش مقاومت به سایش و افزایش طول عمر قطعات.
• صنایع دریایی: استفاده در کشتی‌ها و سازه‌های دریایی، جایی که علاوه بر استحکام مکانیکی، مقاومت به خوردگی نیز حیاتی است.
• ابزارسازی و صنایع انرژی: در تولید ابزارهای مقاوم به حرارت و سایش، همچنین در تجهیزات الکتریکی و حرارتی به منظور بهبود دوام و کارایی.

جمع‌بندی

آلومینا با خواص فیزیکی و شیمیایی برجسته خود، به‌عنوان یکی از مهم‌ترین مواد تقویت‌کننده و پایدارکننده در صنعت آلیاژسازی مطرح است. این ماده با افزایش استحکام، سختی، مقاومت سایشی، پایداری حرارتی و مقاومت به خزش، نقشی کلیدی در بهبود عملکرد آلیاژهای مختلف ایفا می‌کند. از کامپوزیت‌های زمینه فلزی گرفته تا آلیاژهای تقویت‌شده با ذرات پراکنده (ODS) و پوشش‌های محافظ، کاربرد آلومینا در آلیاژسازی بستری برای توسعه مواد پیشرفته در صنایع هوافضا، خودروسازی، انرژی و ابزارسازی فراهم ساخته است.

افزودن آلومینا به آلیاژهای آلومینیوم و همچنین آلیاژهای نوینی همچون آلیاژهای آنتروپی بالا، رویکردی مؤثر برای ارتقای استحکام، سختی، مقاومت به سایش و پایداری حرارتی به شمار می‌رود. این تقویت‌کننده‌ی سرامیکی، بدون افزایش محسوس وزن، موجب بهبود خواص مکانیکی و افزایش طول‌عمر قطعات می‌شود. از این‌رو، آلومینا به‌عنوان یکی از پرکاربردترین و کارآمدترین مواد در آلیاژسازی مدرن شناخته می‌شود و انتظار می‌رود با پیشرفت نانومواد و فناوری‌های تولید نوین، همچنان در خط مقدم نوآوری‌های صنعتی باقی بماند.

برای مطالعه بیشتر شما

Property optimisation of alumina-reinforced aluminium-based surface composites through multi-pass friction stir processing

Manufacturing of Aluminum Composite Material Using Stir Casting Process