فناوری نانو کیفیت جوش آلیاژهای آلومینیوم را متحول می‌کند

محمد کریمی‌ایوانکی در گفت‌وگو با ایسنا اظهار کرد: این پژوهش در قالب پایان نامه دکتری مهندسی مکانیک در دانشگاه زنجان انجام شده است. این پژوهش درباره بهبود کیفیت و عملکرد محل جوش در آلیاژهای آلومینیوم است. در این کار بررسی شده که اگر مقدار بسیار کمی نانوذره آلومینا به ناحیه جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی اضافه شود و جوشکاری به‌صورت دو مرحله‌ای انجام گیرد، استحکام، سختی، مقاومت در برابر خوردگی و سایش جوش به‌طور قابل‌ توجهی بهتر می‌شود. 

این پژوهشگر با اشاره به کاربردهای جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی آلیاژهای آلومینیوم، گفت: جوشکاری آلیاژهای آلومینیوم با هدف اتصال ایمن و بادوام قطعات سبک انجام می‌شود؛ قطعاتی که نقش کلیدی در صنایع هوافضا، خودروسازی، دریایی، ریلی و انواع سازه‌های مهندسی دارند. از آنجا که این آلیاژها معمولاً جوش‌پذیری پایینی دارند و در برابر حرارت بالا دچار افت خواص مکانیکی می‌شوند، به‌کارگیری روش‌هایی مانند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی امکان ایجاد اتصالاتی با استحکام بالا، وزن کم و مقاومت مناسب در برابر خوردگی و سایش را فراهم می‌کند و در نهایت موجب افزایش عمر مفید و قابلیت اطمینان سازه‌های صنعتی می‌شود.

کریمی‌ایوانکی گفت: نتایج این پژوهش نشان می‌دهد با افزودن نانوذرات آلومینا باعث بهبود خواص جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی غیرهمجنس آلیاژهای آلومینیوم ۶۰۶۱ و ۵۰۸۳ می‌شود.

وی با اشاره به اینکه یکی از چالش‌های اصلی افزودن نانوذرات به ناحیه جوش، پراکندگی یکنواخت و جلوگیری از کلوخه‌ شدن نانوذرات در فاز زمینه است، اظهار کرد: برای غلبه بر این مشکل، فرایند جوشکاری به‌صورت دوپاسه انجام شد که نتایج نشان داد نمونه‌های دوپاسه از پراکندگی بسیار یکنواخت‌تری نسبت به نمونه‌های تک‌پاسه برخوردار هستند.

او افزود: با افزایش درصد حجمی نانوذره و افزایش تعداد پاس جوشکاری از یک به دو پاس، ریزساختار جوش دچار تغییرات قابل توجهی شد؛ طوری‌که به‌طور متوسط استحکام کششی حدود ۳۱.۵ درصد، استحکام خمشی ۴۰ درصد و میانگین سختی نواحی مختلف جوش ۳۲ درصد افزایش یافت.

این پژوهشگر همچنین به توسعه یک مدل المان محدود سه‌بعدی حرارتی - مکانیکی مبتنی بر کوپل اویلری - لاگرانژی اشاره کرد و گفت: در این مدل، تأثیر تعداد پاس جوشکاری بر توزیع حرارت بررسی شد. برای صحت‌سنجی، نتایج عددی با داده‌های تجربی دما و حداکثر گشتاور مقایسه شدند که تطابق مناسبی را نشان دادند.

به گفته وی، نتایج مدل‌سازی نشان داد افزایش تعداد پاس جوشکاری از یک به دو پاس، منجر به افزایش گرادیان حرارتی در نواحی مختلف می‌شود. همچنین توزیع دما در پاس اول به سمت ناحیه پسرو متمایل بوده، در حالی‌ که تغییر جهت چرخش ابزار در پاس دوم باعث متقارن شدن توزیع حرارت در نواحی پسرو و پیشرو شده است.

کریمی‌ایوانکی با تأکید بر نقش ریزساختار در رفتار خوردگی و سایشی، بیان کرد: رفتار خوردگی نمونه‌ها با استفاده از آزمون‌های bend-U، پاشش مه نمک و امپدانس الکتروشیمیایی (EIS) بررسی شد. نتایج نشان داد نمونه‌های تک‌پاسه بدون نانوذره دچار ترک‌های مرزدانه‌ای ناشی از خوردگی در مرز نواحی TMAZ و SZ شدند، در حالی که نمونه‌های دوپاسه تقویت‌شده با نانوذره عاری از این ترک‌ها بودند.

وی در بخش دیگری از این گفت‌وگو به بررسی رفتار سایشی نمونه‌ها با آزمون سایش خطی رفت و برگشتی پرداخته و اظهار کرد: جوشکاری تک‌پاسه تأثیر منفی بر رفتار سایشی داشت، اما در نمونه‌های دوپاسه حاوی نانوذره، کاهش ضریب اصطکاک، کاهش حجم ماده ساییده‌ شده و غالب شدن مکانیزم سایش خراشان مشاهده شد.

به گفته کریمی‌ایوانکی، در نمونه‌های دوپاسه تقویت‌ شده با نانوذره، کاهش وزن ناشی از سایش به حدود ۴۲.۵ میلی‌گرم و ضریب اصطکاک به ۰.۳۸ رسید، در حالی که این مقادیر در نمونه‌های تک‌پاسه و بدون نانوذره به ترتیب ۱۱۶.۳ میلی‌گرم و ۰.۹ و با مکانیزم سایش چسبان گزارش شد.

او افزود: اگر چه کاهش اندازه دانه در اثر جوشکاری مشاهده شد، اما حضور فازهای بین‌فلزی درشت‌شده مانند Mg₂Si و Al₂CuMg به دلیل حرارت ورودی، منجر به کاهش سختی و مقاومت سایشی نسبت به فلز پایه شد. افزودن نانوذره با ایجاد اثر پینینگ از درشت‌ شدن این فازها جلوگیری کرده و سختی و مقاومت سایشی را افزایش داد.

کریمی‌ایوانکی در توضیح آنادایزینگ اظهار کرد: آنادایزینگ یک فرایند پوشش‌دهی الکتروشیمیایی است که در آن سطح آلیاژ آلومینیوم به‌صورت کنترل‌ شده به لایه‌ای از اکسید آلومینیوم تبدیل می‌شود. این لایه علاوه بر افزایش قابل‌ توجه مقاومت در برابر خوردگی، باعث افزایش سختی سطح و بهبود مقاومت سایشی قطعه می‌شود. در این پژوهش نشان دادیم که اعمال آنادایزینگ پس از جوشکاری، به‌ویژه در ناحیه جوش، نقش مهمی در افزایش دوام و عمر کاری قطعات آلومینیومی ایفا می‌کند و عملکرد آن‌ها را در شرایط محیطی و صنعتی سخت به‌طور محسوسی بهبود می‌دهد.

وی با اشاره به اعمال پوشش‌دهی آنادایزینگ پس از جوشکاری، تصریح کرد: پارامتر زمان به‌عنوان مؤثرترین عامل در رشد حفرات، افزایش ضخامت و سختی پوشش شناسایی شد. مقاومت خوردگی تمامی نمونه‌های پوشش‌داده‌شده به‌طور چشمگیری افزایش یافت و هیچ‌گونه ترک‌خوردگی تنشی مشاهده نشد.

این پژوهشگر خاطرنشان کرد: اگرچه در بازه زمانی ۹ ماهه و تحت شرایط خوردگی مداوم، برخی نمونه‌ها دچار خوردگی موضعی شدند، اما به‌طور کلی نمونه‌های آنادایز شده کاهش ضریب اصطکاک به کمتر از ۰.۲ و مقاومت سایشی منحصربه‌فردی را در مقایسه با نمونه‌های بدون پوشش از خود نشان دادند.

به گزارش ایسنا، این پژوهش در قالب پایان‌نامه دکتری محمد کریمی‌ایوانکی، دانشجوی دکتری مهندسی مکانیک گرایش طراحی کاربردی دانشگاه زنجان، انجام شده است. نتایج این مطالعات منجر به انتشار چندین مقاله علمی در نشریات معتبر بین‌المللی از جمله Springer شده است. این پژوهشگر همچنین سابقه فعالیت به‌عنوان کارشناس آزمایشگاه متالوگرافی و خوردگی و پوشش‌دهی، تدریس در دانشگاه زنجان و مشارکت در ترجمه کتاب‌های تخصصی حوزه جوشکاری و مواد را در کارنامه علمی خود دارد.

منبع : ایسنا