Μελέτη δημιουργίας συγκολλήσεων δια τριβής με ανάδευση κραμάτων αλουμινίου ενισχυμένων με κεραμικά νανοσωματίδια
Authors: Καρακίζης Παναγιώτης 
Published: September 2021

Σκοπός της εν λόγω διατριβής είναι η μελέτη δημιουργίας συγκολλήσεων δια τριβής με ανάδευση (Friction Stir Welding-FSW) κραμάτων αλουμινίου ενισχυμένων με κεραμικά νανοσωματίδια. Πιο συγκεκριμένα έγινε βελτιστοποίηση της συγκόλλησης δια τριβής με ανάδευση όμοιων και ανόμοιων κραμάτων ναυπηγικού αλουμινίου μέσω της ενσωμάτωσης στη ραφή συγκόλλησης νανοσωματιδίων ενίσχυσης και εν συνεχεία η αξιολόγηση των αποτελεσμάτων μέσω της μελέτης της μικροδομής του πυρήνα καθώς και μέσω της εκπόνησης μηχανικών δοκιμών και δοκιμών μικροσκληρότητας. Επιπροσθέτως, έγινε προσπάθεια μοντελοποίησης του φαινομένου μέσω της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων. Αρχικά το φαινόμενο μοντελοποιήθηκε θερμικά μέσω του πακέτου COMSOL Multiphysics και στη συνέχεια κατασκευάστηκε ένα συζευγμένο θερμοροϊκό μοντέλο μέσω του ίδιου προγράμματος.Χρησιμοποιήθηκαν τα κράματα ΑΑ5083 σε κατάσταση εργοσκλήρυνσης Η111 και ΑΑ6082 σε κατάσταση τεχνητής γήρανσης Τ6. Τo κύριo κραματικό στοιχείο του πρώτου είναι το μαγνήσιο και του δεύτερου το πυρίτιο. Ως ενισχυτικά νανοσωματίδια χρησιμοποιήθηκαν καρβίδιο του πυριτίου (SiC) και καρβίδιο του τιτανίου (TiC).Πιο συγκεκριμένα πραγματοποιήθηκαν οι παρακάτω συνδυασμοί συγκολλήσεων:1. Ομογενής συγκόλληση ΑΑ5083-Η1112. Ομογενής συγκόλληση ΑΑ5083-Η111 με ενίσχυση SiC3. Ομογενής συγκόλληση ΑΑ5083-Η111 με ενίσχυση TiC4. Ομογενής συγκόλληση ΑΑ6082-T65. Ομογενής συγκόλληση ΑΑ6082-T6 με ενίσχυση SiC6. Ομογενής συγκόλληση ΑΑ6082-T6 με ενίσχυση TiC7. Ετερογενής συγκόλληση ΑΑ5083-Η111 με ΑΑ6082-T68. Ετερογενής συγκόλληση ΑΑ5083-Η111 με ΑΑ6082-T6 με ενίσχυση SiC9. Ετερογενής συγκόλληση ΑΑ5083-Η111 με ΑΑ6082-T6 με ενίσχυση TiCΑρχικά πραγματοποιήθηκε μια προκαταρκτική μελέτη με σκοπό τον καθορισμό των βέλτιστων παραμέτρων συγκόλλησης. Η εν λόγω μελέτη βασίστηκε στα αποτελέσματα παλαιότερων εργασιών του Εργαστηρίου Ναυπηγικής Τεχνολογίας καθώς και σε αυτά αντίστοιχων εργασιών στη διεθνή βιβλιογραφία. Πιο συγκεκριμένα μεταβλήθηκε η ταχύτητα πρόωσης και περιστροφής του εργαλείου καθώς και ο αριθμός και η κατεύθυνση των πάσων συγκόλλησης δια τριβής με ανάδευση. Το εργαλείο που χρησιμοποιήθηκε σε όλες τις δοκιμές είχε επίπεδο κυλινδρικό περιαυχένιο καθώς και κυλινδρικό πείρο ο οποίος έφερε αριστερόστροφο σπείρωμα για βελτίωση της ροής του υλικού.Μετά την ολοκλήρωση της εν λόγω προκαταρκτικής μελέτης και τον καθορισμό των βέλτιστων παραμέτρων συγκόλλησης και κατεργασίας με βάση τις δυνατότητες της χρησιμοποιούμενης μηχανής ακολούθησε η ενδελεχής μελέτη των συγκολλημένων δοκιμίων. Η εν λόγω μελέτη ξεκίνησε με την παρατήρηση αυτών με μεθόδους οπτικής και ηλεκτρονικής μικροσκοπίας τόσο σάρωσης (SEM) όσο και διερχόμενης δέσμης (TEM). Κατά τη μελέτη μέσω των ηλεκτρονικών μικροσκοπίων πραγματοποιήθηκε και χημική ανάλυση των δοκιμίων μέσω φασματοσκοπίας ενεργειακής διασποράς (EDS). Στη συνέχεια ακολούθησε η διεξαγωγή δοκιμών μικροσκληρότητας καθώς και μηχανικών δοκιμών (εφελκυσμών).Τέλος, σε επιλεγμένη συγκόλληση έγινε in situ μέτρηση τόσο της κατανομής των θερμοκρασιών όσο και των αναπτυσσόμενων δυνάμεων και τα αποτελέσματα που εξήχθησαν χρησιμοποιήθηκαν ως δεδομένα για τη βελτιστοποίηση της προσομοίωσης της κατεργασίας με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων.Συμπερασματικά, από τη μελέτη της μικροδομής προέκυψε ότι κατά τη διάρκεια της συγκόλλησης λαμβάνει χώρα το φαινόμενο της δυναμικής ανακρυστάλλωσης το οποίο έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση του μεγέθους των κόκκων στον πυρήνα. Στις περιπτώσεις μάλιστα της ενίσχυσης του πυρήνα με νανοσωματίδια, το φαινόμενο αυτό είναι ακόμα πιο έντονο. Ο θερμικός κύκλος των συγκόλλησεων δεν επηρέασε το είδος των μεσομεταλλικών ενώσεων στον πυρήνα αυτών, συντέλεσε όμως στη μείωση του μεγέθους τους και της πυκνότητάς τους σε σχέση με τα μέταλλα βάσης. Επίπροσθέτως, παρατηρήθηκε ότι οι διαταραχές και τα νανοσωματίδια κατανέμονται τυχαία εντός του πυρήνα. Επίσης, και σε συνδυασμό με τα αποτελέσματα των δοκιμών μικροσκληρότητας και εφελκυσμού, συμπεραίνουμε ότι η ενίσχυση του πυρήνα της συγκόλλησης έχει νόημα στην περίπτωση του SiC και του TiC όπου παρατηρείται μικρή βελτίωση της σκληρότητας και της αντοχής σε εφελκυσμό. Τέλος, το φαινόμενο μπορεί να προσομοιωθεί αριθμητικά αρκετά ικανοποιητικά τόσο θερμικά όσο και ροϊκά (συζευγμένα), με τα αποτελέσματα να είναι πολύ κοντά στα πειραματικά.Η εν λόγω διδακτορική διατριβή παρουσίασε αρκετές καινοτομίες οι οποίες παρουσιάζονται παρακάτω.Πραγματοποιήθηκε:• Βελτιστοποίηση ομογενούς συγκόλλησης του ΑΑ5083 με ενίσχυση νανοσωματιδίων TiC• Βελτιστοποίηση ομογενούς συγκόλλησης του ΑΑ6082 με ενίσχυση νανοσωματιδίων SiC και TiC• Βελτιστοποίηση ετερογενούς συγκόλλησης μεταξύ του ΑΑ5083 και του ΑΑ6082 με ενίσχυση νανοσωματιδίων SiC και ΤiCΑυτές οι μελέτες δεν περιοριζονται στην επίτευξη μόνο βέλτιστων ενισχυμένων συγκολλήσεων αλλά επεκτείνονται και στη μελέτη και την επεξεργασία των αποτελεσμάτων. Είναι η πρώτη φορά που διεξάγεται και δημοσιεύεται μια τόσο εκτενής μελέτη μέσω ηλεκτρονικής μικροσκοπίας η οποία εστιάζει στη μελέτη τριών διαφορετικών παραγόντων δηλαδή των διαταραχών, των μεσομεταλλικών ενώσεων και των νανοσωματιδίων ενίσχυσης. Επίσης, είναι η πρώτη φορά που γίνεται μία τόσο έντονη προσπάθεια συσχετισμού των μεταλλουργικών φαινομένων που παρατηρείται να λαμβάνουν χώρα κατά τη διάρκεια της συγκόλλησης δια τριβής με ανάδευση (και συγκεκριμένα στον πυρήνα αυτής) με τη μηχανική συμπεριφορά αυτής. Κατά την μελέτη μέσω της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας παρατηρήθηκε το φαινόμενο της δυναμικής ανακρυστάλλωσης το οποίο λαμβάνει χώρα λόγω των θερμοκρασιών και των δυνάμεων που αναπτύσσονται κατά την έντονη πλαστική παραμόρφωση του υλικού του πυρήνα συγκόλλησης κατά τη διάρκεια της ανάδευσης. Πιο συγκεκριμένα επετεύχθη παρατήρηση αμφότερων των σταδίων του φαινομένου δηλαδή τόσο του σχηματισμού της κυτταροειδούς δομής όσο και του σχηματισμού των υποκόκκων. Επιπροσθέτως αντλήθηκε το συμπέρασμα ότι η εν λόγω μεταβολή της μικροδομής επηρεάζει - θετικά τις περισσότερες φορές – τη μηχανική συμπεριφορά και τη σκληρότητα των συγκολλημένων υλικών. Τέλος, είναι η πρώτη φορά που γίνεται επικύρωση θερμικού μοντέλου της FSW με χρήση θερμοστοιχείων καθώς και σύγκριση με πειραματικά δεδομένα. Συγκεκριμένα, επιτεύχθηκε μοντελοποίηση του φαινομένου της συγκόλλησης δια τριβής μεανάδευση με το πακέτο COMSOL MULTIPHYSICS. Για την επιβεβαίωση της θερμικής μοντελοποίησης έγινε χρήση θερμοστοιχείων με σκοπό την αποτύπωση του θερμικού κύκλου της συγκόλλησης, ενώ για την επιβεβαίωση της θερμοροϊκής μοντελοποίησης υπολογίστηκε η ροϊκή ακτίνα μέσω της μελέτης της εγκάρσιας τομής των συγκολλήσεων στο οπτικό στερεοσκόπιο.