Βελτιστοποίηση συνθηκών παράγωγης συνθετών αφρών αλουμινίου με κενόσφαιρες και υδατοδιαλυτό πληρωτικό μέσο με τη μέθοδο της κονιομεταλλουργίας
Creators: name: Χατζηγώγος, Νικόλαος Κωνσταντίνου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2020
Subjects: Σύνθετοι μεταλλικοί αφροί
Κονιομεταλλουργία
Κενόσφαιρες
Syntactic metal foams
Powder metallurgy
Cenospheres

description: Στα πλαίσια της συγκεκριμένης εργασίας παρασκευάστηκαν δοκίμια ενός υβριδικού είδους σύνθετου αφρού αλουμινίου. Ο συγκεκριμένος αφρός χαρακτηρίζεται ως υβριδικός καθώς περιέχει τόσο υδατοδιαλυτό πληρωτικό μέσο όσο και κεραμικά σωματίδια ενίσχυσης. Ως υδατοδιαλυτό πληρωτικό μέσο χρησιμοποιήθηκε κρυσταλλική ακατέργαστη καστανή ζάχαρη, η οποία συνεισφέρει στο σχηματισμό πορώδους ανοιχτού κελιού, ενώ ως ενισχυτική φάση χρησιμοποιήθηκαν κεραμικές κενόσφαιρες, η διασπορά των οποίων εντός του αφρού μας δίνει πορώδες κλειστού κελιού. Η μέθοδος παραγωγής που χρησιμοποιήθηκε ήταν αυτή της κονιομεταλλουργίας και τα στάδια της διαδικασίας ήταν τα εξής: ανάμιξη των κόνεων, συμπίεση εν ψυχρώ του μίγματος κόνεων, υδατοδιάλυση της ζάχαρης, ξήρανση και, τέλος, πυροσυσσωμάτωση του συμπιέσματος. Στη συνέχεια, έγινε προσπάθεια βελτιστοποίησης των παραμέτρων παραγωγής των αφρών. Πιο αναλυτικά, μελετάται η επίδραση της πίεσης συμπίεσης, του ποσοστού ενίσχυσης με κενόσφαιρες και του μεγέθους της ζάχαρης στην πυκνότητα, το πορώδες, την αντοχή κατά την υδατοδιάλυση και τη μικροδομή των πρόδρομων υλικών. Τέλος, μετά την εύρεση των βέλτιστων συνθηκών παραγωγής, μελετήθηκε η επίδραση των συνθηκών πυροσυσσωμάτωσης (θερμοκρασία, χρόνος, ρυθμός θέρμανσης) στη μικροδομή των βέλτιστων δοκιμίων. Ως βέλτιστο ποσοστό ενίσχυσης κρίθηκε αυτό που ορίσαμε ως μικρό, οι βέλτιστες πιέσεις κυμάνθηκαν μεταξύ 225 και 250 MPa, ανάλογα με το μέγεθος των κόκκων ζάχαρης, ενώ η χρήση λεπτόκοκκης ζάχαρης εξασφαλίζει μεγαλύτερη πυκνότητα για την ίδια πίεση σε σχέση με τη χονδρόκοκκη. Επιπλέον, η αύξηση του χρόνου πυροσυσσωμάτωσης από τρείς σε πέντε ώρες και η μείωση του ρυθμού θέρμανσης οδήγησε σε δοκίμια καλύτερης ποιότητας ως προς τη μικροδομή. Επόμενο βήμα στη μελέτη των συγκεκριμένων υλικών αποτελεί η περαιτέρω βελτιστοποίηση της πυροσυσσωμάτωσης και η μελέτη των μηχανικών τους ιδιοτήτων.
description: In this study we produced a new kind of hybrid syntactic aluminum foam. This foam is characterized as hybrid because it contains a water soluble space-holder material as well as ceramic reinforcement particles. The space holder that we used was crystalline raw cane sugar, which contributes to the formation of open cell porosity while the ceramic cenospheres contribute to the formation of closed cell porosity. We applied a powder metallurgy method for the manufacture of the foams and the steps of the production are the following: mixing of the powders, cold compaction, dissolution of the sugar in water, drying of the green body and, finally, sintering. The main objective was the optimization of the parameters of production, namely compaction pressure, volume fraction of the cenospheres and sugar particle size. In more detail, we studied the influence of the variables mentioned above on the green body’s’ density, porosity, strength during sugar dissolution and microstructure. Moreover, after the identification of the optimal values for the production parameters, we studied the influence of sintering (temperature, time and rate of heating) on the microstructure of the samples. The optimal volume fraction of the cenospheres was found to be the one that we defined as small while the optimal values of the pressure range from 225 to 250 MPa, depending on the size of sugar particles as the samples with finer sugar particles were denser, assuming a constant pressure. Furthermore, the increase of sintering time from 3 to 5 hours and the decrease of the sintering rate led to the improvement of the microstructure of the final foams. Next step on the study of these materials is a further investigation of their sintering mechanism and a first attempt to measure their mechanical properties.