Тагучи оптимизация и моделирование параметров процесса литья с перемешиванием по процентному удлинению композита из алюминия, пемзы и углекислого угля

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 2915 (2023) Цитировать эту статью

767 Доступов

2 цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Композиты с алюминиевой матрицей, которые являются подклассом композитов с металлической матрицей, обладают характеристиками, включая низкую плотность, высокую жесткость и прочность, лучшую износостойкость, контролируемое тепловое расширение, большую усталостную прочность и улучшенную стабильность при высоких температурах. Научные и промышленные сообщества заинтересованы в этих композитах, поскольку их можно использовать для производства широкого спектра компонентов для передовых приложений. В ходе исследования было обнаружено, как скорость перемешивания, температура обработки и продолжительность перемешивания в процессе литья с перемешиванием влияют на процентное удлинение гибридных композитов алюминий-пемза (ПП) и частиц карбонизированного угля (CCP). Также был рассмотрен оптимальный вес этих натуральных керамических усилений с использованием метода оптимизации Тагучи. При оптимизации процентного удлинения во время характеристики арматуры были обнаружены твердые соединения, такие как диоксид кремния, оксид железа и оксид алюминия, что показывает, что ПП и CCP могут использоваться в качестве армирования в композите с металлической матрицей. Было показано, что процент удлинения гибридного композита больше всего зависит от ПП, за которым следуют температура обработки, скорость перемешивания, CCP и время перемешивания с использованием оптимизации параметров процесса литья с перемешиванием. Это наблюдалось при 2,5 мас.% частиц пемзы, 2,5 мас.% частиц углекислого угля, температуре обработки 700 °C, скорости перемешивания 200 об/мин и времени перемешивания 5 мин. Было обнаружено, что оптимальный процент удлинения составляет 5,6%, что соответствует На 25,43% ниже процентного удлинения алюминиевого сплава без армирования. В ходе регрессионного исследования была разработана прогнозирующая математическая модель процентного удлинения (PE) в зависимости от параметров процесса литья с перемешиванием и предложена высокая степень прогнозирования с помощью R-квадрата, R-квадрата (adj) и R-квадрата (предвар. ) значения 91,60%, 87,41% и 79,32% соответственно.

В настоящее время для передовых приложений необходимы более прочные, легкие и доступные материалы1. Чтобы достичь этих критериев, исследователи сейчас концентрируются на разработке гибридных композитов с высоким соотношением прочности к весу2. Алюминиевый сплав является наиболее широко используемым сплавом для разработки гибридного композита из-за его высокого соотношения прочности и веса, теплопроводности, обрабатываемости, свойств литья и ковки. Однако алюминиевые сплавы имеют определенные недостатки, такие как низкие жесткость, вязкость, усталостная стойкость, высокий коэффициент термического расширения, неудовлетворительные трибологические характеристики. Одним из наиболее эффективных способов достижения улучшения свойств алюминиевых сплавов является создание гибридных композитов с двумя и более типами армирования. Гибридные композиты обладают рядом преимуществ по сравнению с монолитными, сплавами и композитными материалами, включая высокое соотношение прочности и веса, превосходную коррозионную и износостойкость, прочность и жесткость, низкую теплопроводность и тепловое расширение, малый вес, а также улучшенные ударные и изгибные характеристики. . более низкая стоимость композита в целом3,4. Гибридные материалы состоят из одной матрицы и двух или более армирующих элементов5. Они производятся с использованием различных технологий, включая порошковую металлургию, литье с перемешиванием, двухэтапное литье с перемешиванием и литье под давлением6, для достижения желаемых механических свойств и трибологических свойств: высокой удельной прочности, включая жесткость, плотность, микротвердость, низкий коэффициент тепловое расширение, высокое термическое сопротивление и хорошая демпфирующая способность7.

Доказано, что керамические частицы, такие как пемза и частицы карбонизированного угля, значительно улучшают механические характеристики алюминия и его сплавов при использовании в качестве армирования8. Твердость алюминия, предел текучести и предел прочности на разрыв увеличиваются, но пластичность и процентное удлинение снижаются за счет добавления таких частиц, как оксид алюминия, SiC, B4C и т. д.9. По сравнению с основными материалами, используемыми в керамике, пемза обладает некоторыми химически сопоставимыми свойствами10. Остальные 60–75% материала, который в основном состоит из Al2O3 и SiO2, состоят из этих двух оксидов8. Когда ее состав сочетается с размерами известных месторождений, которые составляют миллиарды тонн, пемза, которая может находиться в форме частиц (т.е. частицы пемзы-ПП), потенциально может быть использована в качестве керамического сырья10. Благодаря своим многочисленным полезным свойствам, таким как пуццолановые свойства, крошечный размер частиц, абразивная природа и минералогия, частицы карбонизированного угля (CCP) также имеют потенциал для широкого использования в области керамики11,12. Чтобы продлить срок службы при одновременном снижении веса, большие усилия были приложены к улучшению механических характеристик композитов, состоящих из алюминиевой матрицы13. Даже если показатели других механических качеств улучшились, принципиальным недостатком керамических армирующих материалов является снижение процентного удлинения АМЦ14. Твердость и хрупкость алюминиевых композитов могут увеличиться, если в сплав добавляются керамические частицы5. Из-за этого свойства использование таких композитов стало затруднительным. Исследования армирования алюминиевого сплава необходимы для оценки его эффективности в определенных применениях и выхода за пределы этих ограничений.