بررسی رفتار سایشی و مکانیکی نانوکامپوزیت هیبریدی آلومینیوم A380 تقویت شده با نانوصفحات گرافن و نانوذرات SiC

مهندسی متالورژی و مواد

مقاله 3، دوره 36، شماره 2 - شماره پیاپی 38، خرداد 1404، صفحه 31-44   

نوع مقاله: علمی و پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jmme.2025.86140.1138

نویسنده

محمد علی پور^*

گروه مهندسی مواد- دانشکده مکانیک-دانشگاه تبریز- تبریز-ایران

چکیده

هدف از این تحقیق بررسی ریزساختار و رفتار سایشی نانوکامپوزیت آلیاژ آلومینیوم AlA380 تقویت شده با نانوصفحات گرافن (GNPs) و نانوذرات SiC تولید شده به روش آسیاب گلوله‌ای و کوره تف جوشی پلاسمای جرقه‌ای (SPS) است. درصد نانوذرات SiC ثابت و درصد نانوصفحات گرافن متغییر در نظر گرفته شد. نانوصفحات گرافن با درصدهای 0.25، 0.5، 0.75 و 1 درصد وزنی و نانوذرات SiC در 0.5 درصد وزنی به نانوکامپوزیت اضافه شدند. وجود GNP های پراکنده با سطح ویژه بالا به طور قابل توجهی استحکام و سختی کامپوزیت ها را افزایش می دهد. مطالعات ریزساختاری آلیاژ نشان داد که افزودن GNPs تا 0.5 درصد وزنی اندازه دانه را کاهش می‌دهد، اما افزودن مقدار GNP بیشتر (1 درصد وزنی GNPs) اندازه دانه را به‌طور قابل‌توجهی تغییر نمی‌دهد. در مقادیر بالاتر GNP، وجود آگلومره گرافن در مرزهای دانه‌ها مسیر مطلوبی برای رشد ترک است. مقدار بهینه نانوصفحات 0.5 درصد وزنی بدست آمد. مقاومت در برابر سایش نانوکامپوزیت های تولید شده نسبت به نمونه پایه بیشتر بوده و کاهش وزن نمونه پایه نسبت به نمونه بهینه 3 برابر می باشد. ضریب اصطکاک به دلیل ماهیت خود روان کننده گرافن برای نمونه پایه و نانوکامپوزیت حاوی 0.5 درصد وزنی گرافن به ترتیب برابر است با 0.689 و 0.455 که نشان دهنده کاهش ضریب اصطکاک می باشد. همچنین سختی نمونه ها از 105 ویکرز برای نمونه پایه به 175 ویکرز برای نموه حاوی 0.5 درصد وزنی گرافن افزایش می یابد.

کلیدواژه‌ها

نانوکامپوزیت زمینه آلومینیوم؛ رفتار سایشی؛ خواص مکانیکی؛ ریزساختار؛ گرافن؛ کاربید سیلسیم

مراجع

[1] S. Stankovich, D. A. Dikin, G. H. B. Dommett, K. M. Kohlhaas, E. J. Zimney, E. A. Stach, R. D. Piner, S. T. Nguyen, R. S. Ruoff, “Graphene-based composite materials,” Nature, vol. 442, pp. 282–286, 2006. https://doi.org/10.1038/nature04969

[2] R. J. Young, I. A. Kinloch, L. Gong, K. S. Novoselov, “The mechanics of graphene nanocomposites: A review,” Composites Science and Technology, vol. 72, no. 12, pp. 1459–1476, 2012. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2012.05.005

[3] F. Y. Chen, J. M. Ying, Y. F. Wang, S. Y. Du, Z. P. Liu, Q. Huang, “Effects of graphene content on the microstructure and properties of copper matrix composites,” Carbon, vol. 96, pp. 836-842, 2016. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2015.10.023

[4] L. Y. Chen, H. Konishi, A. Fehrenbacher, C. Ma, J. Q. Xu, H. Choi, H. F. Xu, F. E. Pfefferkorn, X. C. Li, “Novel nanoprocessing route for bulk graphene nanoplatelets reinforced metal matrix nanocomposites,” Scripta Materialia, vol. 67, no. 1, pp. 29-32, 2012. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2012.03.013

[5] A. D. Moghadam, E. Omrani, P. L. Menezes, P. K. Rohatgi, “Mechanical and tribological properties of self-lubricating metal matrix nanocomposites reinforced by carbon nanotubes and graphene -A review,” Composites Part B: Engineering, vol. 77, pp. 402-420, 2015. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2015.03.014

[6] P. K. Dinesh Kumar, S. Darius Gnanaraj, ”Studies on Al-Si based hybrid aluminium metal matrix nanocomposites,” Materials Today Communications, vol. 38, p. 108132, 2024. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2024.108132

[7] S. Kiani, S. E. Mirsalehi, “Friction stir additive manufacturing of B4C and graphene reinforced aluminum matrix hybrid nanocomposites using consumable pins,” Journal of Materials Research and Technology, vol. 28, pp. 1094-1110, 2024. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.12.065

[8] S. S. Mirian Mehrian, F. Khodabakhshi, M. Rahsepar, M. Mohammadi, A. P. Gerlich, “Electrochemical corrosion characteristics of friction stir-reacted aluminum matrix hybrid nanocomposites,” Journal of Materials Research and Technology, vol. 28, pp. 1924-1940, 2024. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.12.112

[9] P. Raj, P. L. Biju, B. Deepanraj, N. Menachery, “A systematic review on characterization of hybrid aluminium nanocomposites,” Materials Today: Proceedings, vol. 72, no. 4, pp. 2139-2150, 2023. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.08.236

 [10] X. Li, Y. Yang, “Theoretical and experimental study on ultrasonic dispersion of nanoparticles for strengthening cast Aluminum Alloy A356,” Metals science and technology-JOM, vol. 26, no. 2, pp. 12–20, 2008.

[11] R. Abedinzadeh, E. Norouzi, D. Toghraie, “Study on machining characteristics of SiC–Al₂O₃ reinforced aluminum hybrid nanocomposite in conventional and laser-assisted turning,” Ceramics International, vol. 48, no. 19, pp. 29205-29216, 2022. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.05.196

[12] M. M. H. Bastwros, A. M. K. Esawi, A. Wifi, “Friction and wear behavior of Al–CNT composites,” Wear, vol. 307, no. 1-2, pp. 164–173, 2013. https://doi.org/10.1016/j.wear.2013.08.021

[13] A. Nieto, H. Yang, L. Jiang, J. M. Schoenung, “Reinforcement size effects on the abrasive wear of boron carbide reinforced aluminum composites,” Wear, vol. 390–391, pp. 228–235, 2017. https://doi.org/10.1016/j.wear.2017.08.002

[14] S. F. Bartolucci, J. Paras, M. A. Rafiee, J. Rafiee, S. Lee, D. Kapoor, N. Koratkar, “Graphene/aluminum nanocomposites,” Materials Science and Engineering: A, vol. 528, no. 27, pp. 7933‒7937, 2011. https://doi.org/10.1016/j.msea.2011.07.043

[15] A. El-Ghazaly, G. Anis, H. G. Salem, “Effect of graphene addition on the mechanical and tribological behavior of nanostructured AA2124 self-lubricating metal matrix composite,” Composites - Part A: Applied Science and Manufacturing, vol. 95, pp. 325–336, 2017. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2017.02.006

[16] G. Anil Kumar, J. Satheesh, K. V. Shivananda Murthy, H. M. Mallikarjuna, N. Puneeth, Praveennath G. Koppad, “Optimization of Wear Properties of B4C Nanoparticle-Reinforced Al7075 Nanocomposites Using Taguchi Approach,” Journal of The Institution of Engineers (India): Series D, vol. 22, pp. 385-93, 2022. https://doi.org/10.1007/s40033-022-00385-3

[17]  H. R. M. Naik, L. H. Manjunath, V. Koti, A. Lakshmikanthan, G. P. Koppad, P. Kumaran., “Al/Graphene/CNT Hybrid Composites: Hardness and Sliding Wear Studies,” FME Transactions, vol. 49, no. 2, pp. 414-421, 2021. https://doi.org/10.5937/fme2102414N

[18]  D. Sethurama, R. Keshavamurthy, S. Paljor, P. E. Rohit, P. G. Koppad, “Effect of multiple reinforcements (CNT/Si3N4) on hardness, electrical conductivity and friction coefficient of aluminium hybrid composites,” Journal of Physics: Conference Series, vol. 1455, no. 1, pp. 12-21, 2020. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1455/1/012011

[19]  N. Puneeth, J. Satheesh, V. Koti, P. G. Koppad, M. R. Akbarpour, G. J. Naveen, “Application of Taguchi's method to study the effect of processing parameters of Al6082/B4C/Al2SiO5 hybrid composites on mechanical properties,” Materials Research Express, vol. 6, no. 10, pp. 10-15, 2019. https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab3c16

[20]  S. J. Niteesh Kumar, R. Keshavamurthy, M. R. Haseebuddin, P. G. Koppad, “Mechanical Properties of Aluminium-Graphene Composite Synthesized by Powder Metallurgy and Hot Extrusion,” Transactions of the Indian Institute of Metals, vol. 70, pp. 605–613, 2017. https://doi.org/10.1007/s12666-017-1070-5

[21] A. C. Gowda, P. G. Koppad, D. Sethuram, R. Keshavamurthy, “Morphology Studies on Mechanically Milled Aluminium Reinforced with B₄C and CNTs,” Silicon, vol. 11, pp. 1089–1098, 2019. https://doi.org/10.1007/s12633-018-9905-1

[22]  V. Koti, Mahesh, K. V. S. Murthy, P. G. Koppad, D. Sethuram, “Hardness and electrical conductivity of uncoated and silver coated carbon nanotubes reinforced copper nanocomposites,” Sadhana-Academy Proceedings in Engineering Sciences, vol. 47, no. 3, pp. 179-187, 2022. https://doi.org/10.1007/s12046-022-01949-5

[23] A. O. Adegbenjo, B. A. Obadele, P. A. Olubambi, “Densification, hardness and tribological characteristics of MWCNTs reinforced Ti6Al4V compacts consolidated by spark plasma sintering”, Journal of Alloys and Compounds, vol. 749, pp. 818-833, 2018. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.03.373

[24] E. A. Diler , R. Ipek, “Main and interaction effects of matrix particle size, reinforcement particle size and volume fraction on wear characteristics of Al–SiCp composites using central composite design,” Composites Part B: Engineering, vol. 50, pp. 371-380, 2013. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2013.02.001

[25] X. Y. Li, K. N. Tandon, “Mechanical mixing induced by sliding wear of an Al–Si alloy against M2 steel,” Wear, vol. 225, pp. 640-648, 1999. https://doi.org/10.1016/S0043-1648(99)00021-6