ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΜΕΤΑΛΛΙΚΩΝ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΚΑΙ ΑΦΡΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΑΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΟΣ ΤΟΜΕΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΛΛΟΓΝΩΣΣΙΑΣ Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ΠΑΥΛΟΥ ΑΓΡΙΑΝΙ Η ΜΕ ΘΕΜΑ: ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΜΕΤΑΛΛΙΚΩΝ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΚΑΙ ΑΦΡΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ ΕΠΙΒΛΕΠΟΝΤΕΣ Καθηγητής. ΤΣΙΠΑΣ Καθηγητής Γ. ΑΘΑΝΑΣΙΑ ΗΣ Καθηγητής Σ. ΣΚΟΛΙΑΝΟΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2005

2

3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ 1 I. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Α. ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΜΕΤΑΛΛΙΚΗΣ ΜΗΤΡΑΣ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΕΞΕΛΙΞΗ 3 2. ΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗΣ ΣΥΜΜ 4 3. ΣΥΜΜ ΑΣΥΝΕΧΟΥΣ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ ΠΑΡΑΣΚΕΥΑΣΜΕΝΑ ΜΕ ΤΗ 4 ΜΕΘΟ Ο ΤΗΣ ΧΥΤΕΥΣΗΣ ΜΕ ΑΝΑ ΕΥΣΗ (STIR CASTING) 4. ΣΥΜΜ ΠΑΡΑΣΚΕΥΑΣΜΕΝΑ ΜΕ ΤΗ ΙΕΡΓΑΣΙΑ IN SITU 7 Β. ΜΕΤΑΛΛΙΚΟΙ ΑΦΡΟΙ Εισαγωγή στους µεταλλικούς αφρούς 19 Στοιχεία κυψελλοειδών µετάλλων... Κεφάλαιο 1. Εισαγωγή Πρόλογος Φυσικά κυψελοειδή µέταλλα Κεφάλαιο 2. Μέθοδοι παρασκευής κυψελοειδών µετάλλων Παρασκευή κυψελοειδών µετάλλων από την υγρή κατάσταση Άµεση αφροποίηση µέσω έγχυσης αερίου Άµεση αφροποίηση µε χρήση αεριογόνων µέσων Μέθοδος Gasar. Ευτηκτικός µετασχηµατισµός στερεού αερίου Μέθοδος Formgrip (Foaming of Reinforced Metals by Gas Release in Precursors). Ετεροχρονισµένη αφροποίηση προτύπων σε µήτρες Χύτευση δύο σταδίων µε χρήση πολυµερικού αναλώσιµου προτύπου Χύτευση σε αναλώσιµο πολυµερικό πρότυπο για τη δηµιουργία τρισδιάστατης δικτυωτής δοµής - Lattice Block Materials (LBM) Χύτευση σε αναλώσιµο πρότυπο για τη δηµιουργία µεταλλικών σπόγγων µεταβλητού πορώδους Μέθοδος της χύτευσης και αντιγραφής αναλώσιµου προτύπου µε χρήση στοιχείων κατακράτησης χώρου ( space holders) Συσσωµάτωση επικαλυµµένων µεταλλικών ινών Μέθοδος Osprey. Αφροποίηση µε ψεκασµό Χύτευση σε αδιάλυτο πρότυπο κοίλων σφαιρών Παραγωγή µεταλλικών αφρών από την ηµιυγρή κατάσταση Αφροποίηση συµπιεσµένου τήγµατος κόνεων Παραγωγή κυψελοειδών µετάλλων από τη στερεή κατάσταση Πυροσυσσωµάτωση µεταλλικών κόνεων Παρασκευή πολυστρωµατικού στοιχείου µε τη µέθοδο της εισαγωγής και διαστολής αερίου σε σκόνη µετάλλου Παραγωγή µεταλλικών αφρών µε χρήση κοίλων σφαιρών Μέθοδος της επικάλυψης αδιάλυτου προτύπου µε µίγµα κόνεων...69

4 2.4. Παρασκευή µεταλλικών σπόγγων µε χηµική εναπόθεση Μέθοδος της χηµικής εναπόθεσης µετάλλου σεκολλοειδές πρότυπο Παρασκευή µεταλλικών αφρών µε ατµοποίηση Μέθοδος της χηµικής εναπόθεσης ατµών Μέθοδος της κατευθυνόµενης εναπόθεσης ατµών Κεφάλαιο 3- Εφαρµογές των κυψελοειδών µετάλλων Παραδείγµατα εφαρµογών των κυψελοειδών µετάλλων Γ. ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΙΑΤΡΙΒΗΣ 91 ΙΙ. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Α. ΣΥΜΜ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ ΜΕ ΕΝΩΣΕΙΣ (V χ B ψ ) 1. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΣΥΝΘΕΤΟΥ ΥΛΙΚΟΥ 93 (µε την µέθοδο της διήθησης) 2. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΣΥΝΘΕΤΟΥ ΥΛΙΚΟΥ 97 (µε παρατήρηση στο µικροσκόπιο) 3. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΣΥΝΘΕΤΟΥ ΥΛΙΚΟΥ 101 (µε την βοήθεια του µικροσκοπίου και του προγράµµατος επιφανειακής ποσοστιαίας κατανοµής της ενισχυτικής φάσης) Β. ΣΥΜΜ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ ΜΕ ΕΝΩΣΕΙΣ (TiχBψ) 1. ΣΕΙΡΑ ΠΡΩΤΗ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΗ ΟΜΗ ΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΕΝΙΣΧΥΤΙΚΗΣ ΦΑΣΗΣ (σωµατίδια) ΜΕΤΡΗΣΗ ΣΚΛΗΡΟΤΗΤΑΣ ΥΛΙΚΟΥ ΑΝΤΟΧΗ ΥΛΙΚΟΥ ΣΕ ΕΦΕΛΚΥΣΜΟ ΑΝΤΟΧΗ ΥΛΙΚΟΥ ΣΕ ΦΘΟΡΑ SEM XRD ΣΕΙΡΑ ΕΥΤΕΡΗ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΗ ΟΜΗ ΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΕΝΙΣΧΥΤΙΚΗΣ ΦΑΣΗΣ Α(σωµατίδια) ΣΚΛΗΡΟΜΕΤΡΗΣΗ SEM ΣΕΙΡΑ ΤΡΙΤΗ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΗ ΟΜΗ ΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΕΝΙΣΧΥΤΙΚΗΣ ΦΑΣΗΣ (σωµατίδια) ΜΕΤΡΗΣΗ ΣΚΛΗΡΟΤΗΤΑΣ SEM XRD 153

5 4. ΣΕΙΡΑ ΤΕΤΑΡΤΗ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΗ ΟΜΗ ΣΚΛΗΡΟΜΕΤΡΗΣΗ SEM XRD ΣΕΙΡΑ ΠΕΜΠΤΗ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΗ ΟΜΗ ΣΚΛΗΡΟΜΕΤΡΗΣΗ SEM ΣΕΙΡΑ ΕΚΤΗ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΗ ΟΜΗ ΣΚΛΗΡΟΜΕΤΡΗΣΗ SEM XRD ΣΕΙΡΑ ΕΒ ΟΜΗ ΜΙΚΡΙΣΚΟΠΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΗ ΟΜΗ ΣΚΛΗΡΟΜΕΤΡΗΣΗ ΣΕΙΡΑ ΟΓ ΟΗ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΗ ΟΜΗ ΣΚΛΗΡΟΜΕΤΡΗΣΗ SEM ΣΕΙΡΑ ΕΝΑΤΗ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΗ ΟΜΗ ΣΚΛΗΡΟΜΕΤΡΗΣΗ SEM XRD 244 Γ. ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΜΕ ΟΝΗΣΗ ΤΩΝ ΚΑΛΟΥΠΙΩΝ 245. ΑΝΤΟΧΗ ΥΛΙΚΟΥ ΣΕ ΦΘΟΡΑ 261 Ε. ΣΚΛΗΡΟΤΗΤΑ ΟΚΙΜΙΩΝ 266 Ζ. ΠΡΟΣΟΜ. ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΕΠΙΤΑΧΥΝΟΜΕΝΗΣ ΙΑΒΡΩΣΗΣ 272

6 Η. ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΗ ΑΝΑ ΕΥΣΗΣ ΥΓΡΟΥ 277 ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ 1. Εισαγωγή ιαστασιολόγηση µηχανής µε τριφασικό κινητήρα Περιστρεφόµενο µαγνητικό πεδίο Υπολογισµός των επαγωγικών ρευµάτων Κατανοµή ισχύος ιαστασιολόγηση του στάτη Πειραµατική συσκευή Παρασκευή αφρών αλουµινίου µε Ηλεκτροµαγνητική ανάδευση. 318

7 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Με την ολοκλήρωση της παρούσας εργασίας θα ήθελα να εκφράσω τις ευχαριστίες µου σε όσους συνέβαλαν για τον σκοπό αυτό. Πρώτα από όλα θα ήθελα να ευχαριστήσω τον καθηγητή κ. Τσιπά, του οποίου η συµβολή στην περάτωση της εργασίας ήταν καθοριστική. Η συνεργασία µου µαζί του, πέρα από το αίσθηµα της προώθησης της συγκεκριµένης επιστηµονικής περιοχής, µου έδωσε την δυνατότητα να αντιληφθώ την έννοια της έρευνας και της συνεχούς αναζήτησης σε κάθε επίπεδο, καθώς επίσης την εξέλιξη και την ανάπτυξη που συντελείται στον τοµέα των µετάλλων. Επίσης θερµά ευχαριστώ τους καθηγητές κ.κ. Σκολιανό και Αθανασιάδη, οι οποίοι ήταν πάντα στο πλευρό µου, πρόθυµοι να µε καθοδηγήσουν να ξεπεράσω κάθε δυσκολία που συναντούσα. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω τα µέλη Ε..Τ.Π. Γιάννη Σισµανίδη και Στέφανο Αναστασίου για την εµπειρία και τις τεχνικές συµβουλές που µου παρείχαν για την περάτωση του πειραµατικού µέρους αυτής της εργασίας. Ιδιαίτερα πρέπει να ευχαριστήσω τον κ. Σισµανίδη ο οποίος µε τις άριστες τεχνικές γνώσεις του έδινε άµεσα λύση σε κάθε πρόβληµα που αντιµετωπίζαµε κατά την διαδικασία εκτέλεσης των πειραµάτων καθώς επίσης και κατά την κατασκευή της συσκευής ηλεκτροµαγνητικής ανάδευσης.

8

9 1 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Τα σύνθετα υλικά µεταλλικής µήτρας και οι µεταλλικοί αφροί, είναι υλικά που γνωρίζουν σηµαντική ανάπτυξη τα τελευταία είκοσι χρόνια, ενώ οι ερευνητικές προσπάθειες για την καθιέρωση µεθόδων παρασκευής τους, χαµηλού κόστους, που θα µας δώσουν υλικά µε καλύτερες µηχανικές ιδιότητες, βρίσκονται σε διαρκή εξέλιξη. Ο στόχος στην περίπτωση των Σύνθετων Υλικών Μεταλλικής Μήτρας (ΣΥΜΜ), είναι να συνδυάσουν τις επιθυµητές ιδιότητες των µετάλλων και των κεραµικών. Για το σκοπό αυτό, έως σήµερα έχουν αναπτυχθεί πολλές τεχνικές κυρίως για τα ΣΥΜΜ ασυνεχούς ενίσχυσης, τα οποία έχουν τραβήξει περισσότερο το ενδιαφέρον της ερευνητικής δραστηριότητας, ως αποτέλεσµα ορισµένων κύριων χαρακτηριστικών τους. Μέχρι σήµερα έχουν χρησιµοποιηθεί αρκετές τεχνικές παραγωγής, για το σκοπό αυτό, ενώ από αυτές, η διεργασία in situ ελκύει το συνεχώς αυξανόµενο ενδιαφέρον των ερευνητών πάνω στους τρόπους παραγωγής ΣΥΜΜ, ως µία εναλλακτική διεργασία παρασκευής σύνθετων υλικών. Η διεργασία αυτή έχει βρει εφαρµογή στην παρασκευή ΣΥΜΜ σχετικά πρόσφατα, ενώ το σύνολο σχεδόν των ερευνών, είναι επικεντρωµένο στο σύστηµα Al-Ti-B και στη µελέτη της σύνθεσης της ενισχυτικής φάσης TiB 2. Το αντικείµενο αυτής της εργασίας είναι ο χαρακτηρισµός και η παρασκευή σύνθετου υλικού, ασυνεχούς ενίσχυσης, µήτρας κράµατος αλουµινίου, ενισχυµένης µε σωµατίδια ενδοµεταλλικών ενώσεων VxBy ή Ti x B ψ, µε τη διεργασία in situ, σε συνδυασµό µε τη µέθοδο της χύτευσης µε ανάδευσης και της χύτευσης µε ταυτόχρονη δόνηση των καλουπιών. Για το σκοπό αυτό, στο πρώτο µέρος, στις κατάλληλες συστάσεις που προέκυψαν από τα αντίστοιχα διαγράµµατα φάσεων, κράµατα Al τήχθηκαν και αφέθηκαν να αντιδράσουν µε ανάδευση σε διαφορετικές θερµοκρασίες και χρόνους προσθέτοντας τις κατάλληλες χηµικές ενώσεις για την δηµιουργία V χ B ψ. Στο δεύτερο µέρος τήχθηκε καθαρό αλουµίνιο εµπορίου και χρησιµοποιήθηκαν δύο άλατα, το K 2 TiF 6 και το KBF 4, σαν φορείς των στοιχείων του τιτανίου και του βορίου µε ταυτόχρονη προσθήκη/διάλυση Fe σε διαφορετικούς χρόνους και θερµοκρασίες, χωρίς δόνηση και µε δόνηση, µε στόχο την ανάπτυξη νέων κραµάτων Al που περιέχουν Fe σαν κραµατικό στοιχείο και κεραµικά σωµατίδια Ti χ B ψ σαν ενισχυτικές φάσεις. Τα υλικά υποβάλλονται σε µεταλλογραφικό έλεγχο που πραγµατοποιήθηκε σε οπτικό µικροσκόπιο και σε ηλεκτρονικό µικροσκόπιο σάρωσης, γίνεται υπολογισµός επί της % της ενισχυτικής φάσης, µέτρηση σκληρότητας, αντοχής σε εφελκυσµό και σε φθορά. Επίσης γίνεται ταυτοποίηση της ενισχυτικής φάσης µε τη µέθοδο της περίθλασης ακτίνων Χ. Σε γενικές γραµµές η κατανοµή των παραγόµενων σωµατιδίων είναι ανοµοιόµορφη µε περιοχές πλούσιες σε σωµατίδια και άλλες φτωχότερες. Επίσης διαπιστώθηκε η επίδραση του χρόνου και της θερµοκρασίας στην ολοκλήρωση της αντίδρασης. Η µηχανική ανάδευση για την παραγωγή ΣΥΜΜ ασυνεχούς ενίσχυσης δεν αποτελεί την µοναδική και πλέον ικανοποιητική µέθοδο παραγωγής in situ ΣΥΜΜ. Μεταξύ των προβληµάτων που παρουσιάζονται περιλαµβάνονται: - Η αντίδραση του υλικού του αναδευτήρα και η διαλυτότητα του Fe στο υγρό Al. - Η µη οµοιόµορφη ανάδευση που οδηγεί στην δηµιουργία υλικών µε ανοµοιόµορφη κατανοµή της ενισχυτικής φάσης.

10 Για το σκοπό αυτό διερευνήθηκε η δυνατότητα σχεδιασµού και η κατασκευή συστήµατος ηλεκτροµαγνητικής ανάδευσης για την παρασκευή τόσο ΣΥΜΜ όσο και µεταλλικών αφρών. 2

11 3 I. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Α. ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΜΕΤΑΛΛΙΚΗΣ ΜΗΤΡΑΣ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΕΞΕΛΙΞΗ Σύνθετα υλικά µεταλλικής µήτρας θεωρούνται τα υλικά εκείνα στα οποία γίνεται σκόπιµα η εισαγωγή µίας ή περισσοτέρων φάσεων, συνήθως κεραµικής, εντός του µητρικού µεταλλικού υλικού. Ο συνδυασµός αυτός των υλικών στοχεύει στην βελτίωση των ιδιοτήτων του µητρικού υλικού, προσφέροντας έτσι την δυνατότητα για ανάπτυξη νέων, προηγµένων υλικών µε ένα σύνολο ιδιοτήτων που δε βρίσκονται στα συµβατικά υλικά [1,2]. Τα κράµατα αλουµινίου µε µεγάλο µέτρο ελαστικότητας ενδιαφέρουν σε πολλές εφαρµογές στην Βιοµηχανία των αεροσκαφών και των αυτοκινήτων, από την άποψη της ικανότητας που έχουν αυτά, να εξοικονοµούν βάρος και να ξεπερνούν διάφορους περιορισµούς στη σχεδίαση. Μία κατηγορία υλικών που έχουν την ικανότητα να παρέχουν τις απαιτούµενες βελτιώσεις ιδιοτήτων, είναι τα σύνθετα µεταλλικής µήτρας. Έτσι η ανάπτυξη των σύνθετων υλικών µεταλλικής µήτρας (ΣΥΜΜ), έχει οδηγηθεί κυρίως από την ανάγκη των βιοµηχανιών της αεροναυπηγικής και της αυτοκινητοβιοµηχανίας για ανθεκτικότερα και πιο άκαµπτα υλικά µε βάση τα ελαφρά µέταλλα [1,3]. Από τις αρχές της δεκαετίας του 80 τα (ΣΥΜΜ) βρήκαν εφαρµογή στην κατασκευή αεροσκαφών, στην αυτοκινητοβιοµηχανία και σε άλλες κατασκευαστικές εφαρµογές. Στην κατασκευή αεροσκαφών µείωση στο βάρος επιτυγχάνεται όχι µόνο από τη µείωση της πυκνότητας του κράµατος, αλλά επίσης από την αύξηση του µέτρου ελαστικότητας. Για παράδειγµα µία αύξηση της τάξης του 50% στο µέτρο ελαστικότητας που επιτεύχθηκε αντικαθιστώντας ένα µη ενισχυµένο µορφοποιήσιµο κράµα αλουµινίου µε ένα πανοµοιότυπο κράµα ασυνεχούς ενίσχυσης καρβιδίου του πυριτίου, είχε σαν αποτέλεσµα τη µείωση του βάρους κατά 10%. Επίσης στην Toyota, έχουν χρησιµοποιηθεί ενισχυµένα κράµατα αλουµινίου µε κεραµικές ίνες σε εξαρτήµατα των µηχανών εσωτερικής καύσης, όπως πιστόνια και χιτώνια από το Το ενδιαφέρον από αυτή την περιοχή εφαρµογών για τα ΣΥΜΜ, έχει αυξηθεί από τότε σαν αποτέλεσµα της διαθεσιµότητας ενισχύσεων µη απαγορευτικού κόστους και της ανάπτυξης διαφόρων διεργασιών παρασκευής που οδηγούν στην επανάληψη µικροδοµών και ιδιοτήτων. Η χρήση των ΣΥΜΜ πέραν αυτών των πεδίων εφαρµογής, συνεχώς αναπτύσσεται και σε άλλες µηχανικές εφαρµογές, ενώ η χρήση τους σε πολλές άλλες κατασκευαστικές εφαρµογές θα είναι εφικτή µε τη µείωση του κόστους παρασκευής τους [4,5]. Ο στόχος που συνεπάγεται από το σχεδιασµό των ΣΥΜΜ είναι να συνδυάσουν τις επιθυµητές ιδιότητες των µετάλλων και των κεραµικών. Η προσθήκη δύστηκτων σωµατιδίων υψηλής αντοχής και υψηλού µέτρου ελαστικότητας σε µία όλκιµη µεταλλική µήτρα, παράγει ένα υλικό του οποίου οι µηχανικές ιδιότητες είναι ενδιάµεσες αυτών της κραµατικής µήτρας και αυτών της κεραµικής ενίσχυσης. Συνεπώς τα σύνθετα υλικά µεταλλικής µήτρας ΣΥΜΜ είναι µία κατηγορία προηγµένων υλικών τα οποία είναι δυνατόν να έχουν ελκυστικές φυσικές και µηχανικές ιδιότητες, που περιλαµβάνουν υψηλή αντοχή, µεγάλο µέτρο ελαστικότητας, χαµηλό συντελεστή θερµικής διαστολής, αυξηµένη αντίσταση σε φθορά, θερµική σταθερότητα σε υψηλές θερµοκρασίες καθώς επίσης υψηλό λόγο αντοχής προς βάρος [2].

12 4 Τώρα τα Σύνθετα Υλικά Μεταλλικής Μήτρας (ΣΥΜΜ) ανάλογα µε τη µορφή της ενισχυτικής φάσης διακρίνονται σε δύο κύριες κατηγορίες: α) στα σύνθετα υλικά συνεχούς ενίσχυσης, όταν η ενισχυτική φάση είναι συνεχείς ίνες και β) στα σύνθετα υλικά ασυνεχούς ενίσχυσης, όταν η ενίσχυση είναι κοντές ίνες ή σωµατίδια. Εµείς θα ασχοληθούµε µε αυτήν την δεύτερη περίπτωση της ασυνεχούς ενίσχυσης και µάλιστα όταν η ενίσχυση είναι σωµατίδια, όπως βορίδια του βαναδίου και βορίδια του τιτανίου. 2. ΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗΣ ΣΥΜΜ Οι διεργασίες παρασκευής ΣΥΜΜ διακρίνονται σε δύο κατηγορίες ανάλογα µε την κατάσταση στην οποία βρίσκεται το µητρικό υλικό. Έτσι έχοµε 1) τις διεργασίες υγρής φάσης, οι οποίες αναφέρονται στις περιπτώσεις εκείνες που η µήτρα βρίσκεται σε υγρή ή σε ηµιστερεή κατάσταση και 2) τις διεργασίες στερεής φάσης, οι οποίες αναφέρονται στις περιπτώσεις εκείνες που η µήτρα βρίσκεται σε στερεή κατάσταση. Στις διεργασίες υγρής φάσης κατατάσσονται τέσσερις κυρίως τεχνικές: α) οι τεχνικές διασποράς (Dispersion processes) [6], β) οι τεχνικές διαποτισµού (Impregnation processes) [6], γ) οι τεχνικές ψεκασµού (Spraying processes) [6] και δ) οι αυτοκαταλυτικές τεχνικές (In situ processes) [6]. Εµείς θα ασχοληθούµε παρασκευάζοντας ΣΥΜΜ µε διεργασίες υγρής φάσης και µε αυτοκαταλυτικές τεχνικές (In situ processes). Οι αυτοκαταλυτικές διεργασίες περιλαµβάνουν και τις δύο καταστάσεις που µπορεί να βρίσκεται το µητρικό υλικό, δηλαδή την υγρή και την στερεή, όπου µπορούν να παραχθούν διασκορπίσµατα ενώσεων όπως VB 2 και TiB 2. Αυτό επιτυγχάνεται επιτρέποντας στα συστατικά να έρθουν σε επαφή και να αντιδράσουν κατά τη διάρκεια της διεργασίας σε υψηλή θερµοκρασία.. Παρασκευή των in situ σύνθετων υλικών: α). Η παρασκευή in situ σύνθετου υλικού µήτρας αλουµινίου ενισχυµένου µε την ενδοµεταλλική ένωση βαναδίου του βορίου (VB 2 ) έγινε µε δύο τρόπους, µε την χρήση των master alloys AlV και AlB αφ ενός και µε την χρήση του master alloy AlV και την προσθήκη άλατος KBF 4 αφ ετέρου. β). Η παρασκευή in situ σύνθετου υλικού µήτρας αλουµινίου ενισχυµένου µε την ενδοµεταλλική ένωση τιτανίου του βορίου (TiB 2 ) έγινε µε την χρήση καθαρού αλουµινίου του εµπορίου και την προσθήκη δύο αλάτων, KBF 4 και K 2 TiF ΣΥΜΜ ΑΣΥΝΕΧΟΥΣ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ ΠΑΡΑΣΚΕΥΑΣΜΕΝΑ ΜΕ ΤΗ ΜΕΘΟ Ο ΤΗΣ ΧΥΤΕΥΣΗΣ ΜΕ ΑΝΑ ΕΥΣΗ (STIR CASTING) Οι πρώτες µελέτες των σύνθετων υλικών µεταλλικής µήτρας, είχαν ως αντικείµενο την ανάπτυξη και τη συµπεριφορά σύνθετων υλικών µήτρας αλουµινίου και τιτανίου ενισχυµένων µε συνεχείς ίνες. Όµως παρά τα ενθαρρυντικά αποτελέσµατα, η εκτεταµένη βιοµηχανική εφαρµογή αυτών των σύνθετων, περιορίστηκε λόγω του υψηλού κόστους κατασκευής σε συνδυασµό µε το υψηλό κόστος των ενισχυτικών ινών και της µεγάλης δυσκολίας διεργασίας κατασκευής, σε σχεδόν αποκλειστικά στρατιωτικές και πολύ εξειδικευµένες εφαρµογές. Αντίθετα τα ασυνεχούς ενίσχυσης κράµατα αλουµινίου µε κοντές ίνες ή σωµατίδια είναι ιδιαίτερα ελκυστικά λόγω του χαµηλότερου κόστους, της ευκολότερης κατασκευής τους, και των περισσότερο ισότροπων ιδιοτήτων τους. Συγκεκριµένα σε αντίθεση µε τα ΣΥΜΜ συνεχούς ενίσχυσης, τα ασυνεχούς ενίσχυσης έχουν τραβήξει

13 περισσότερο το ενδιαφέρον της ερευνητικής δραστηριότητας, ως αποτέλεσµα ορισµένων κύριων χαρακτηριστικών τους, όπως είναι η διαθεσιµότητα διαφόρων τύπων ενισχύσεων σε ανταγωνιστικό κόστος, η επιτυχηµένη ανάπτυξη διεργασιών παρασκευής για την παραγωγή ΣΥΜΜ µε τη δυνατότητα επανάληψης δοµών και ιδιοτήτων, καθώς και η διαθεσιµότητα τυποποιηµένων ή πολύ κοντά σε αυτές µεθόδους µορφοποίησης και κατεργασίας που ήδη χρησιµοποιούνται στα µέταλλα [4]. Επιπλέον προβλήµατα που παρατηρούνται στην παρασκευή ΣΥΜΜ συνεχούς ενίσχυσης, όπως είναι η καταστροφή ινών, ανοµοιοµορφία στη µικροδοµή, η επαφή µεταξύ των ινών και οι µεγάλης έκτασης διεπιφανειακές αντιδράσεις, µπορούν να αποφευχθούν µε τις ασυνεχείς ενισχύσεις. Έτσι οι περισσότερες διεργασίες για την Παρασκευή σύνθετων υλικών αφορούν τα ασυνεχούς ενίσχυσης σύνθετα υλικά. Ανάµεσα στην ποικιλία των διαθέσιµων διεργασιών παρασκευής σύνθετων υλικών µεταλλικής µήτρας, η χύτευση µε ανάδευση είναι γενικά αποδεκτή ως µία ιδιαίτερα υποσχόµενη µέθοδος, η οποία έχει εφαρµοστεί σε εµπορική κλίµακα σχετικά πρόσφατα. Τα πλεονεκτήµατα της µεθόδου βρίσκονται στην απλότητά της, στην ευελιξία και στη δυνατότητα εφαρµογής της στην παραγωγή πολύ µεγάλων ποσοτήτων. Το γεγονός ότι επιτρέπει την χρήση συµβατικών µεθόδων παρασκευής και ελαχιστοποιεί το κόστος του τελικού προϊόντος, κάνει τη µέθοδο ιδιαίτερα ελκυστική. Συγκεκριµένα αυτή η διεργασία υγρής κατάστασης, είναι η πιο οικονοµική από όλες τις διαθέσιµες µεθόδους παρασκευής, το κόστος της οποίας αντιστοιχεί στο ένα τρίτο έως το µισό του κόστους άλλων µεθόδων και στην περίπτωση κατασκευής προϊόντων πολύ µεγάλου µεγέθους το συγκριτικό κόστος µειώνεται στο ένα δέκατο, γεγονός που καθιστά τη συγκεκριµένη µέθοδο ιδιαίτερα ελκυστική. Γενικά η σύνθεση των ΣΥΜΜ µε στερεοποίηση, περιλαµβάνει την παραγωγή τήγµατος του µητρικού υλικού που έχει επιλεγεί, την εισαγωγή στη συνέχεια του ενισχυτικού υλικού µέσα στο τήγµα, που οδηγεί στην κατάλληλη διασπορά και τέλος τη στερεοποίηση του τήγµατος που περιέχει το αιώρηµα του διασκορπίσµατος, κάτω από τις κατάλληλες συνθήκες για την απόκτηση της επιθυµητής κατανοµής της φάσης που έχει διασπαρθεί στη χυτή µήτρα. Τα κύρια σηµεία της µεθόδου της χύτευσης µε ανάδευση τα οποία επιδρούν στις µηχανικές ιδιότητες του τελικού προϊόντος, συνίστανται στη δυσκολία επίτευξης µιας οµοιόµορφης κατανοµής του ενισχυτικού υλικού, στη διαβροχή µεταξύ των δύο κύριων συστατικών, στο πορώδες του χυτού σύνθετου υλικού και στις χηµικές αντιδράσεις µεταξύ του µητρικού υλικού και της ενίσχυσης. Για την απόκτηση των βέλτιστων ιδιοτήτων του σύνθετου υλικού, η κατανοµή της ενισχυτικής φάσης µέσα στη κραµατική µήτρα, πρέπει να είναι οµοιόµορφη και η διαβροχή ή ο δεσµός µεταξύ αυτών των υλικών πρέπει επίσης να είναι βέλτιστη, ενώ παράλληλα οι αντιδράσεις µεταξύ αυτών των υλικών πρέπει να αποφεύγονται και τέλος το πορώδες πρέπει να είναι το ελάχιστο δυνατό [4]. Ένα από τα κυριότερα προβλήµατα που αντιµετωπίζεται στις διεργασίες παραγωγής ΣΥΜΜ, είναι η καθίζηση των ενισχυτικών σωµατιδίων στη διάρκεια της υγρής κατάστασης του µητρικού υλικού ή στη διάρκεια της χύτευσης. Η τελική κατανοµή της ενισχυτικής φάσης εξαρτάται από τα διάφορα στάδια της διεργασίας δηλαδή την κατανοµή των σωµατιδίων στην τηγµένη µήτρα σαν αποτέλεσµα της ανάµιξης, την κατανοµή των σωµατιδίων στην τηγµένη µήτρα µετά την ανάµιξη και πριν τη στερεοποίηση και την κατανοµή αυτών σαν αποτέλεσµα της στερεοποίησης [4]. 5

14 Η µέθοδος που χρησιµοποιείται για την εισαγωγή των σωµατιδίων στην µήτρα είναι ένα από τα πιο σηµαντικά θέµατα των διεργασιών χύτευσης, διότι βοηθά στην διασπορά των ενισχυτικών υλικών εντός της τηγµένης µήτρας. Υπάρχουν διάφορες µέθοδοι για την εισαγωγή και την ανάµιξη των σωµατιδίων, οι οποίες περιλαµβάνουν την έγχυση των σωµατιδίων που µεταφέρονται µέσω αδρανούς αερίου εντός του τήγµατος µε τη βοήθεια κατάλληλης συσκευής έγχυσης, ενώ τα σωµατίδια αναµειγνύονται στο τήγµα καθώς τα αέρια ελευθερώνονται από αυτό, την προσθήκη σωµατιδίων ταυτόχρονα µε τη χύτευση του τήγµατος στο καλούπι, την ώθηση των σωµατιδίων στο τήγµα µε τη χρήση παλινδροµικών εµβόλων, τη διασπορά λεπτών σωµατιδίων στο τήγµα µέσω φυγοκέντρισης και άλλες [4]. Η µέθοδος της δίνης είναι µία από τις περισσότερο γνωστές προσεγγίσεις που χρησιµοποιούνται για να δηµιουργήσουν και να διατηρήσουν µία καλή κατανοµή του ενισχυτικού υλικού στο µητρικό κράµα. Σε αυτή τη µέθοδο, αφού τηχθεί το µητρικό υλικό, αναδεύεται έντονα για να σχηµατίσει µια δίνη στην επιφάνεια του τηγµένου υλικού και το ενισχυτικό υλικό στη συνέχεια εισάγεται στα πλευρικά σηµεία της δίνης, ενώ η ανάδευση διατηρείται για ένα ορισµένο χρονικό διάστηµα πριν από τη χύτευση του τήγµατος. Κατά τη διάρκεια της χύτευσης µε ανάδευση για τη σύνθεση των ΣΥΜΜ, η ανάδευση εξυπηρετεί δύο σκοπούς: α) τη µεταφορά των σωµατιδίων εντός του υγρού µετάλλου και β) τη διατήρηση των σωµατιδίων σε κατάσταση αιωρήµατος [4]. Μερικές από τις µεθόδους εισαγωγής της ενισχυτικής φάσης που αναφέρθηκαν πιο πάνω, έχουν µειονεκτήµατα και περιορισµούς. Η ανάπτυξη της δίνης κατά τη διάρκεια της ανάδευσης, θεωρείται η καλύτερη για τη µεταφορά σωµατιδίων εντός της τηγµένης µήτρας, καθώς η διαφορά πίεσης µεταξύ της εσωτερικής και της εξωτερικής επιφάνειας του υγρού µετάλλου, ροφά τα σωµατίδια εντός του υγρού. Όµως ταυτόχρονα µε τα σωµατίδια, µε τον ίδιο µηχανισµό εισάγονται στο τήγµα και φυσαλίδες αέρα και άλλες ακαθαρσίες από την επιφάνεια του υγρού, που οδηγούν στη δηµιουργία πορώδους και εγκλεισµάτων στο τελικό προϊόν. Η εισαγωγή των ενισχυτικών σωµατιδίων στο τηγµένο µητρικό υλικό που αναδεύεται, πολλές φορές παγιδεύει µαζί µε τα σωµατίδια και µεταλλικά οξείδια και άλλες ακαθαρσίες που σχηµατίζονται στην επιφάνεια του τήγµατος, ενώ κατά τη διάρκεια της έγχυσης του τήγµατος στο καλούπι ο περιβάλλον αέρας, αλλάζει τις ιδιότητες της διεπιφάνειας µεταξύ των σωµατιδίων και της µήτρας, µειώνοντας τη µεταξύ τους διαβροχή [4]. Η κατανοµή των σωµατιδίων στα χυτά σύνθετα υλικά µπορεί να γίνει ανοµοιογενής ακόµα όταν µία οµογενής κατάσταση αιωρήµατος διατηρείται στο τήγµα. Κατά τη διάρκεια της στερεοποίησης ενός υγρού µητρικού κράµατος που περιέχει δεύτερης φάσης διασκορπισµένα σωµατίδια, αυτά µπορεί να µετακινηθούν προς ή µακριά από το µέτωπο στερεοποίησης και έτσι ένα σωµατίδιο που βρίσκεται κοντά στο µέτωπο στερεοποίησης θα απορριφθεί ή θα παγιδευτεί από αυτό. Αυτά τα δύο φαινόµενα οδηγούν στην ανακατανοµή των σωµατιδίων στη διάρκεια της στερεοποίησης, γεγονός που σηµαίνει ότι το µέγεθος των κόκκων και ο ρυθµός στερεοποίησης επηρεάζουν την κατανοµή των σωµατιδίων στο τελικό προϊόν. Οι µικρές αποστάσεις µεταξύ των κλάδων των δενδριτών παράγουν µία πιο οµοιόµορφη κατανοµή των σωµατιδίων, ενώ µεγάλες αποστάσεις µεταξύ αυτών οδηγούν σε συσσωµατώσεις των σωµατιδίων (clustering) [4]. Έτσι οι δοµές που προκύπτουν µε γρήγορους ρυθµούς στερεοποίησης, δίνουν καλύτερη κατανοµή των ενισχυτικών σωµατιδίων λόγω των λεπτότερων δενδριτών, όπως επίσης λόγω της περιορισµένης καθίζησης των σωµατιδίων που είναι αποτέλεσµα του µικρότερου χρόνου στον οποίο τα σύνθετα βρίσκονται στην υγρή κατάσταση. Οι δευτερογενείς διεργασίες όπως η διέλαση, µπορούν να τροποποιήσουν 6

15 7 την κατανοµή της ενισχυτικής φάσης, αλλά πλήρης ανακατανοµή των συσσωµατωµάτων δεν µπορεί να επιτευχθεί ακόµα και σε υψηλούς βαθµούς εκβολής. Μία επιτυχής διεργασία χύτευσης, πρέπει να παράγει σύνθετο υλικό στο οποίο τα σωµατίδια να είναι οµοιόµορφα διασπαρµένα σε όλη την έκταση της µήτρας. Σε αυτό συνεισφέρει σε µεγάλο βαθµό η ανάδευση, που καθορίζεται από πολλούς παράγοντες, όπως είναι το µέγεθος και το σχήµα του αναδευτήρα, η ταχύτητά του και η θέση του στο τήγµα σε σχέση µε την επιφάνεια του τήγµατος και τα τοιχώµατα του δοχείου. Η ταχύτητα ανάδευσης δεν πρέπει να είναι µεγάλη, αλλά συνεχής για µερικά λεπτά πριν από τη χύτευση του τήγµατος στο καλούπι. Σηµαντικό είναι επίσης το γεγονός, ότι η χύτευση πρέπει να γίνεται από τον πυθµένα του δοχείου, έτσι ώστε να αποφεύγεται η χύτευση ακαθαρσιών που βρίσκονται στην επιφάνεια του τήγµατος στο καλούπι [4]. Το κλάσµα όγκου του πορώδους, το µέγεθος και η κατανοµή των πόρων σε ένα χυτό σύνθετο υλικό µεταλλικής µήτρας παίζει πολύ σηµαντικό ρόλο στον έλεγχο των µηχανικών ιδιοτήτων του υλικού. Τέτοιου είδους ατέλειες στο σύνθετο υλικό, επηρεάζουν επίσης την αντίσταση στη διάβρωση του υλικού. Είναι προφανές ότι το πορώδες πρέπει να βρίσκεται σε ελάχιστα επίπεδα. Το πορώδες δεν µπορεί να αποφευχθεί πλήρως στη διάρκεια της χύτευσης, µπορεί όµως να ελεγχθεί [4]. Γενικά οι αιτίες που το προκαλούν είναι : α) η παγίδευση αερίων στη διάρκεια της ανάµιξης, β) η ελευθέρωση υδρογόνου και γ) η συρρίκνωση κατά τη διάρκεια της στερεοποίησης. Από πειραµατικές εργασίες έχει διαπιστωθεί ότι παράµετροι της διεργασίας όπως ο χρόνος παραµονής του τήγµατος σε συγκεκριµένη θερµοκρασία, η ταχύτητα ανάδευσης και το µέγεθος και η θέση του αναδευτήρα επηρεάζουν την ανάπτυξη του πορώδους. Συγκεκριµένα η αύξηση της θερµοκρασίας παραµονής του τήγµατος οδηγεί σε µείωση του πορώδους, ενώ από άλλες πειραµατικές εργασίες προκύπτει ότι τα χυτά σύνθετα υλικά έχουν µεγαλύτερο κλάσµα όγκου αιωρούµενων µη µεταλλικών σωµατιδίων ακόµη και από τα χυτά συµβατικών κραµάτων αλουµινίου µε το µεγαλύτερο ποσοστό ακαθαρσιών και έτσι η πιθανότητα για πυρήνωση αερίων φυσαλίδων είναι πολύ µεγαλύτερη. Όπως έχει παρατηρηθεί, το πορώδες στα χυτά σύνθετα υλικά αυξάνει σχεδόν γραµµικά µε το ποσοστό των ενισχυτικών σωµατιδίων [4]. 4. ΣΥΜΜ ΠΑΡΑΣΚΕΥΑΣΜΕΝΑ ΜΕ ΤΗ ΙΕΡΓΑΣΙΑ IN SITU Οι ιδιότητες των ΣΥΜΜ ελέγχονται από το µέγεθος και το κλάσµα όγκου των ενισχυτικών φάσεων καθώς επίσης και από τη µικροδοµή και τις ιδιότητες της διεπιφάνειας µεταξύ µήτρας και ενίσχυσης. Έτσι µεγαλύτερα κλάσµατα όγκου, πολύ λεπτών και θερµοκρασιακά σταθερών ενισχύσεων, αποφέρουν καλύτερες µηχανικές ιδιότητες στο σύνθετο υλικό [8]. Έως τώρα τα ΣΥΜΜ έχουν παραχθεί µε τεχνικές διεργασιών όπως είναι η µεταλλουργία κόνεων (powder metallurgy), διαποτισµός προµορφώµατος (perform infiltration), εναπόθεση µε ψεκασµό (spray deposition), διεργασίες χύτευσης (casting processes), όπως χύτευση υπό πίεση (squeeze casting), compo casting και rheocasting. Σε όλες τις παραπάνω τεχνικές, οι ενισχύσεις που βρίσκονται συνήθως υπό µορφή σωµατιδίων, συνδέονται µε το µητρικό υλικό, είτε στην υγρή κατάσταση, είτε υπό µορφής κόνεων. Σ αυτή την περίπτωση το µέγεθος της ενισχυτικής φάσης περιορίζεται από το αρχικό µέγεθος της σκόνης, η οποία τυπικά είναι της τάξης του ενός έως δέκα µικρών και σπάνια µικρότερη του 1 µm [8].

16 Όπως είναι γνωστό η συνολική απόδοση ενός σύνθετου υλικού ελέγχεται σε πολύ µεγάλο βαθµό, από τις διεπιφάνειες εντός του υλικού. Αυτό είναι περισσότερο εµφανές στα σύνθετα υλικά που σχεδιάζονται για να χρησιµοποιηθούν σε κατασκευαστικές εφαρµογές σε υψηλές θερµοκρασίες, όπου σ αυτή την κατηγορία σύνθετων υλικών, η χηµική σταθερότητα της διεπιφάνειας είναι ιδιαίτερα σηµαντική. Σε διαφορετική περίπτωση, σε ένα σύνθετο υλικό µε χηµικά ασταθείς διεπιφάνειες, η πιθανότητα χηµικών αντιδράσεων µεταξύ µήτρας και ενισχυτικών υλικών, η οποία µπορεί να υποβαθµίσει σοβαρά τις µηχανικές ιδιότητες του υλικού, περιορίζει την πιθανή λειτουργία ή και το χρόνο λειτουργίας σε συνθήκες υψηλών θερµοκρασιών. Είναι όµως γεγονός ότι οι περισσότεροι συνδυασµοί ανάµεσα σε ενισχυτικά και µητρικά υλικά, που έχουν αναπτυχθεί ως τώρα, δεν βρίσκονται σε χηµική ισορροπία. Μία κοινότυπη µορφή των ενισχύσεων για να ξεπεραστεί αυτό το πρόβληµα, είναι η επικάλυψη των ενισχυτικών υλικών µε ένα ή περισσότερα προστατευτικά στρώµατα. Αυτά τα προστατευτικά στρώµατα λειτουργούν σαν ένα εµπόδιο στους µηχανισµούς διάχυσης, που καθυστερεί ή σταµατά τις καταστροφικές χηµικές αντιδράσεις [9]. Το µειονέκτηµα όµως της επικάλυψης των ενισχυτικών υλικών µε τέτοια στρώµατα αυξάνει την πολυπλοκότητα και αποτελεί επιπρόσθετο κόστος στη διεργασία παραγωγής του τελικού προϊόντος, ενώ επιπλέον η υποβάθµιση των προστατευτικών στρωµάτων µπορεί να περιορίσει το χρόνο λειτουργίας του σύνθετου υλικού [9]. Μέχρι σήµερα οι περισσότερες διεργασίες που έχουν χρησιµοποιηθεί για τη σύνθεση σύνθετων υλικών µεταλλικής µήτρας περιλαµβάνουν την ενσωµάτωση κεραµικών σωµατιδίων. Το σηµαντικότερο µειονέκτηµα σ αυτές τις διεργασίες είναι οι δυσκολίες που αντιµετωπίζονται στην ενσωµάτωση των λεπτών κεραµικών ενισχύσεων µέσα στις µήτρες, στη συσσωµάτωση και τη φτωχή διαβροχή ανάµεσα στα διάφορα µητρικά υλικά και στα σωµατίδια [10]. Παρόλη την υψηλή αντοχή και το µέτρο ελαστικότητας που επιτυγχάνεται, αυτά τα σύνθετα παρουσιάζουν το πρόβληµα της αλληλεπίδρασης των σωµατιδίων µε το αλουµίνιο σε υψηλές θερµοκρασίες, που οδηγεί σε ανεπιθύµητα προϊόντα, σε υποβάθµιση των ιδιοτήτων της διεπιφάνειας µήτρας-ενίσχυσης, σε χειροτέρευση των µηχανικών ιδιοτήτων και την εισαγωγή εσωτερικών τάσεων, προερχόµενες από τη µεγάλη διαφορά των συντελεστών θερµικής διαστολής των διαφόρων φάσεων [10,11]. Έτσι η επίλυση των προβληµάτων της φτωχής διαβροχής σχεδόν όλων των σηµαντικών ενισχύσεων, από τα συνήθη τηγµένα µητρικά υλικά αλουµινίου, όπως επίσης και των χηµικών αντιδράσεων µεταξύ τους, αποτελούν την τέχνη και την επιστήµη της παρασκευής των σύνθετων υλικών µεταλλικής µήτρας [12]. Είναι εποµένως επιβεβληµένη στα πλαίσια της εξέλιξης των σύνθετων υλικών, η ανάπτυξη της τεχνογνωσίας για τη σύνθεση υλικών µε χηµικά σταθερές διεπιφάνειες, µέσω νέων διεργασιών. Στην τελευταία δεκαετία, έχουν ανακύψει νέες τεχνολογίες για την in situ παραγωγή µεταλλικών και κεραµικών σύνθετων υλικών. Τα σύνθετα υλικά που παρασκευάζονται µε την διεργασία in situ είναι πολυφασικά υλικά όπου η ενισχυτική φάση συντίθεται εντός του µητρικού υλικού κατά τη διάρκεια της παρασκευής του σύνθετου υλικού. Αυτό έρχεται σε αντίθεση µε όλες τις άλλες διεργασίες παρασκευής σύνθετων υλικών, όπου η ενισχυτική φάση συντίθεται χωριστά και στη συνέχεια εισάγεται µέσα στη µήτρα κατά τη διάρκεια δευτερογενών διεργασιών, όπως είναι ο διαποτισµός ή οι διεργασίες κόνεων [13]. Γενικά οι ενισχύσεις στα ασυνεχούς ενίσχυσης µεταλλικής ή ενδοµεταλλικής µήτρας σύνθετων υλικών παρασκευασµένων µε τη διεργασία in situ, είναι της τάξης των 0,5-5 µm και κλάσµατος όγκου έως 50%. 8

17 9 Τα πιθανά πλεονεκτήµατα των in situ σύνθετων υλικών, συγκρινόµενα µε τα ασυνεχή σύνθετα υλικά που παράγονται µε άλλες µεθόδους περιλαµβάνουν: Μικρότερο µέγεθος ενισχυτικών σωµατιδίων µε µεγαλύτερη αντοχή και βελτιωµένη αντίσταση στη θραύση και στον ερπυσµό. Μικρές µονοκρυσταλλικές ενισχύσεις (µικρότερη για θραύση των σωµατιδίων). Καθαρή µη οξειδωµένη διεπιφάνεια µεταξύ σωµατιδίων και µήτρας µε µεγαλύτερη διεπιφανειακή αντοχή (µεγαλύτερη ολκιµότητα και σκληρότητα ) και βελτιωµένη διαβροχή. Σωµατίδια µε θερµοδυναµική σταθερότητα, σωµατίδια που δεν διαλύονται σε υψηλές θερµοκρασίες ( όπως συµβαίνει στα κράµατα που υποβάλλονται σε σκλήρυνση µε γήρανση) και δεν έχουν δεύτερες φάσεις ως προϊόντα αντίδρασης στη διεπιφάνεια σωµατιδίων-µήτρας (µεγαλύτερη διεπιφανειακή αντοχή, µεγαλύτερη αντοχή στη διάβρωση και σταθερότητα για µεγαλύτερη χρονική περίοδο). Καλύτερη κατανοµή σωµατιδίων που σηµαίνει βελτιωµένες µηχανικές ιδιότητες. Περισσότερο συµβατική διεργασία µε τη δυνατότητα για χαµηλότερο κόστος και παραγωγή µε χρήση συµβατικού εξοπλισµού. Η διεπιφάνεια είναι πολύ καθαρή και συνεχής, λόγω του γεγονότος ότι οι ενισχύσεις δηµιουργούνται από αντιδράσεις εντός του µητρικού υλικού. Η αντίδραση σχηµατισµού της ενισχυτικής φάσης τυπικά ολοκληρώνεται σε χαµηλές θερµοκρασίες (760 0 C ως C), µέσα σε µικρό χρονικό διάστηµα, καθιστώντας έτσι οικονοµική τη διεργασία. Είναι µία διεργασία που µπορεί να καθιερωθεί για µαζική παραγωγή, σύνθετων υλικών µήτρας αλουµινίου, λόγω του µικρού κόστους παραγωγής, των µεγάλων ρυθµών παραγωγής, και της δυνατότητας παραγωγής προϊόντων κοντά στο τελικό τους σχήµα [12,13]. Τα in situ σύνθετα υλικά έχουν και ορισµένα µειονεκτήµατα. Η σύνθεση µιας ενισχυτικής φάσης εντός του µητρικού υλικού γίνεται τυπικά µε µια διεργασία καθίζησης και σαν τέτοια η επιλογή των ενισχύσεων που πρόκειται να προκύψουν από τα αντιδρώντα συστατικά είναι περιορισµένη σε σωµατίδια που έχουν θερµοδυναµική σταθερότητα εντός µιας συγκεκριµένης µήτρας [13]. Το µέγεθος και το σχήµα των σωµατιδίων ελέγχονται από τους µηχανισµούς της πυρήνωσης και ανάπτυξης, έτσι παρόλη την ελαστικότητα που είναι διαθέσιµη στη διάρκεια της διεργασίας και της σύνθεσης, το µέγεθος και το σχήµα αναπόφευκτα καθορίζονται από την κινητική του εκάστοτε συστήµατος, σε αντίθεση µε τα ενισχυτικά σωµατίδια που συντίθενται εκτός του µητρικού υλικού [13]. Τα συστήµατα για την in situ παραγωγή ενισχύσεων µπορούν να σχεδιαστούν εκ των προτέρων βάση θερµοδυναµικών και κινητικών µελετών. Έτσι εάν ένα αντιδρών συστατικό (Α), που µπορεί να βρίσκεται διαλυµένο σε ένα τηγµένο κράµα (Μ), και το άλλο αντιδρών συστατικό (Β), µπορεί να διασκορπιστεί υπό µορφή στερεών σωµατιδίων τα οποία επίσης διαλύονται στο τηγµένο κράµα (Μ), θα αντιδράσουν σύµφωνα µε την αντίδραση: Α(Μ)+Β(Μ) > ΑΒ(Σ) Στην ισορροπία η µεταβολή της ελεύθερης ενέργειας είναι: G=-RTln(1/α Α α Β )

18 10 Όπου Τ η θερµοκρασία του τηγµένου κράµατος Μ, όπου α Α και α Β είναι οι ενεργότητες των συστατικών Α και Β στο Μ και όπου R η παγκόσµια σταθερά των αερίων. Όπoτε οι ενεργότητες των Α και Β είναι τέτοιες ώστε: α Α α Β >e G/RT τότε θα υπάρξει σχηµατισµός της ένωσης ΑΒ. Όπως προκύπτει από τη σχέση αυτή σε µεγαλύτερες θερµοκρασίες ο εκθετικός όρος µικραίνει και ανάλογα µεγαλώνει η έκταση της αντίδρασης. Για άλλους τύπου συστηµάτων όπου το ένα αντιδρών συστατικό βρίσκεται σε αέρια φάση ή είναι αδιάλυτο στερεό συστατικό, παρόµοιες θερµοδυναµικές θεωρήσεις µπορούν να χρησιµοποιηθούν για να καθορίσουν την δυνατότητα της αυτοκαταλυτικής σύνθεσης των ενισχυτικών ενώσεων [6]. Παρόλο που ο χρόνος αντίδρασης που απαιτείται για την ολοκλήρωση της αντίδρασης και την πραγµατοποίηση της σύνθεσης της ενισχυτικής φάσης είναι µία σηµαντική µεταβλητή για την οικονοµική αποτελεσµατικότητα της διεργασίας, δε µπορεί να προβλεφθεί µε τις θερµοδυναµικές θεωρήσεις, ενώ για το συνολικό ρυθµό της αντίδρασης, θα πρέπει να γίνει λεπτοµερής εξέταση της κινητικής της αντίδρασης του κάθε συστήµατος [6]. Με τις τεχνικές in situ που περιλαµβάνουν µια χηµική αντίδραση που οδηγεί στο σχηµατισµό µιας πολύ λεπτόκοκκης και θερµοδυναµικά σταθερής ενισχυτικής κεραµικής ή ενδοµεταλλικής φάσης, µέχρι σήµερα έχουν παραχθεί διάφορες ενισχυτικές φάσεις όπως Al 2 O 3, TiC, TaC, SiC, VB 2, TiB, TiB 2, TiO 2, ενώ για την in situ σύνθεσή τους έχουν χρησιµοποιηθεί τόσο διεργασίες στερεής, όσο και διεργασίες υγρής κατάστασης [8]. Συγκεκριµένα οι τεχνικές που έχουν χρησιµοποιηθεί περιλαµβάνουν τη διεργασία Lanxide, την XD, την υψηλής θερµοκρασίας αυτοδιαδιδόµενη σύνθεση SHS (selfpropagating high temperature synthesis), την διεργασία της χύτευσης (casting processing), την διεργασία της απότοµης στερεοποίησης (Rapid Solid Processing), και τη διεργασία της µεταλλουργίας κόνεων (Powder Metallurgy Processing) [8]. Έως σήµερα οι περισσότερες ερευνητικές εργασίες πάνω στην παραγωγή σύνθετων υλικών µήτρας αλουµινίου µε την in situ διεργασία είναι επικεντρωµένες στη σύνθεση της ενισχυτικής φάσης TiB 2, εµείς θα προχωρήσουµε και στη σύνθεση της ενισχυτικής φάσης VB 2. Στη συνέχεια γίνεται αναφορά σε ορισµένες αντιπροσωπευτικές εργασίες, οι οποίες περιγράφουν διάφορες τεχνικές που έχουν χρησιµοποιηθεί για την in situ Παρασκευή σύνθετων υλικών. Η υψηλής θερµοκρασίας αυτοδιαδόµενη σύνθεση SHS (Self-propagating High temperature Synthesis) είναι µια πρωτοποριακή τεχνική της διεργασίας in situ, που επιτρέπει την παραγωγή µεγάλου πεδίου δύστηκτων ενώσεων από µίγµατα κόνεων, κάνοντας χρήση της θερµότητας που ελευθερώνεται κατά τη διάρκεια των εξώθερµων αντιδράσεων σχηµατισµού τους. Η ανάφλεξη ενός ελαφρά συµπαγούς µίγµατος κόνεων προκαλεί την έναρξη ενός κύµατος καύσης, που διαδίδεται δια µέσου του µίγµατος, αφήνοντας πίσω του τα προϊόντα της αντίδρασης [8]. Αυτή η εξαιρετικά ελκυστική τεχνική έχει ως κύρια πλεονεκτήµατά της την αυτοδιάδοση της απαιτούµενης ενέργειας και την υψηλή παραγωγικότητα, που οφείλεται στους υψηλούς ρυθµούς αντίδρασης. Ενώ αρχικά η τεχνική SHS χρησιµοποιήθηκε για την παραγωγή µονοφασικών κεραµικών ενώσεων, είναι γεγονός ότι µπορεί να χρησιµοποιηθεί και για την παραγωγή in situ σύνθετων υλικών, αφού και οι δύο τεχνικές χρησιµοποιούν εξώθερµες χηµικές αντιδράσεις [8].

19 Άλλα πλεονεκτήµατα αυτής της διεργασίας είναι: σωµατίδια µεγέθους µικρότερου του ενός µικρού, γεννώµενες επιφάνειες, οικονοµική διεργασία, θερµοδυναµική σταθερότητα, ταχεία κινητική των αντιδράσεων και ικανότητα παραγωγής υψηλών κλασµάτων όγκου κεραµικών ενισχύσεων. Παρόλα τα εν γένει τους πλεονεκτήµατα, οι SHS παραγόµενες σκόνες (powders) ή πορώδη σώµατα πρέπει να υποστούν περαιτέρω διεργασίες για να δηµιουργήσουν συµπαγή υλικά. Για τα σύνθετα υλικά µεταλλικής µήτρας που παρασκευάζονται µε τη διεργασία SHS, η υψηλής πίεσης συσσωµάτωση, σε θερµοκρασίες δωµατίου ή λίγο υψηλότερες, θα µπορούσε να είναι µια εφικτή τεχνική συσσωµάτωσης. Στην ψυχρή συσσωµάτωση τα πλήρους πυκνότητας και τελικού σχήµατος εξαρτήµατα επιτυγχάνονται µε τη χρήση της πλαστικής παραµόρφωσης της σκόνης κάτω από την υψηλή πίεση. Τα ποσοστά σκληρών σωµατιδίων που µπορούν να συσσωµατωθούν µε αυτή την τεχνική φθάνουν µέχρι και το 80% κ.ο. Γενικά οι αναφορές στη in situ τεχνική SHS µεταλλικής µήτρας (Metals Matrix Composites, MMCs) ή ενδοµεταλλικής µήτρας (Intermetallics Matrix Composites, IMCs) είναι λιγοστές. Η διαδικασία SHS είναι περισσότερο προβληµατική για τις µεταλλικές παρά για τις ενδοµεταλλικές µήτρες και αυτό γιατί στα ενδοµεταλλικής σύνθετα υλικά, οι αντιδράσεις σχηµατισµού τόσο της µήτρας, όσο και της ενισχυτικής φάσης, είναι εξώθερµες. Αντίθετα, στα µεταλλικής µήτρας σύνθετα υλικά, η αδρανής µήτρα παίζει το ρόλο του διαλύτη και µπορεί να προκαλέσει αποκοπή του κύµατος καύσης [8]. Εποµένως, µόνο κεραµικές ενισχύσεις µε υψηλές θερµότητες σχηµατισµού είναι κατάλληλες για την SHS διεργασία παρασκευής σύνθετων υλικών µεταλλικής µήτρας. Μία ακόµη βασική απαίτηση είναι το υψηλό κλάσµα των κεραµικών ενισχύσεων που εξασφαλίζει το γεγονός ότι η αντίδραση δεν θα σβήσει, λόγω της υψηλής διάλυσης από το µητρικό υλικό. Για τα σύνθετα υλικά µήτρας αλουµινίου, τα TiB 2 και TiC είναι εφικτές ενισχύσεις, από την άποψη της εξωθερµικότητας των αντιδράσεων σχηµατισµού τους, καθώς επίσης και της σταθερότητάς τους στη µήτρα αλουµινίου [8]. Tο 1994 οι I. Gotman και M. J. Koczak παρασκεύασαν επιτυχώς µε την τεχνική SHS σύνθετο υλικό µήτρας αλουµινίου ενισχυµένο µε 30% κ.ο. σκληρών σωµατιδίων TiC και TiB 2. Στο τελικό προϊόν τα παραγόµενα σωµατίδια ήταν µεγέθους από δέκατα του νανοµέτρου έως 1-2 µm, των οποίων ο σχηµατισµός οφείλεται στην επιφανειακά αντίδραση µεταξύ του διαλυµένου στο αλουµίνιο Ti και των σωµατιδίων άνθρακα ή βορίου. Με την χρήση υψηλής πίεσης συσσωµάτωσης (consolidation), σε θερµοκρασίες που δεν ξεπερνούσαν τους C, πέτυχαν υψηλή πυκνότητα σε πορώδες σύνθετο υλικό Al-Ti-C και Al-Ti-B µε πολύ καλές µηχανικές ιδιότητες και µεγάλη αντίσταση σε φθορά. Το γεγονός αυτό αποδόθηκε στη δηµιουργία µιας διασποράς πολύ µικρού µεγέθους, της τάξης του ενός µικρού, σωµατιδίων µεγάλης σκληρότητας [8]. Το 1998 οι Yang, Wang και Zhou, χρησιµοποιώντας την τεχνική του δαποτισµού, κατασκεύασαν κυλινδρικά προµορφώµατα από µίγµα κόνεων των στοιχείων Ti, B και Al, για διάφορα ποσοστά Al, και µε την εφαρµογή της κατάλληλης πίεσης. Στη συνέχεια τα κυλινδρικά προµορφώµατα εισήχθηκαν σε τήγµα αλουµινίου στους C για σύντοµο χρονικό διάστηµα, µε αποτέλεσµα την παραγωγή σωµατιδίων TiB 2. Ο µηχανισµός σχηµατισµού της ενισχυτικής φάσης βρέθηκε, ύστερα από αναλύσεις µε περιθλασίµετρο ακτίνων Χ, ότι ακολουθεί τις επόµενες φάσεις: Στην πρώτη φάση, αφού τακούν οι αρχικές σκόνες αλουµινίου στη θερµοκρασία των C, πραγµατοποιείται η παρακάτω αντίδραση, µόλις το τηγµένο αλουµίνιο διαποτίσει τις σκόνες τιτανίου, ενώ η θερµότητα που απελευθερώνεται από αυτή τήκει µερικώς το Al 3 Ti: 11

20 12 3Al (l) + Ti (s) > Al 3 Ti Στη δεύτερη φάση, όταν άτοµα του βορίου διαχυθούν εντός του τηγµένου Al 3 Ti, λαµβάνει χώρα η παρακάτω αντίδραση µε επιπλέον απελευθέρωση θερµότητας: Al 3 Ti + 2B > 3Al + TiB 2 Στην τελική φάση και όταν η θερµοκρασία ανέβει σε µία κρίσιµη τιµή, πραγµατοποιείται η παρακάτω αντίδραση: Ti + 2B > TiB 2 Όπως παρατηρήθηκε, ο σχηµατισµός των παραγόµενων σωµατιδίων TiB 2 εξαρτάται από την περιεκτικότητα του προµορφώµατος σε αλουµίνιο. Για την ακρίβεια, όταν το κλάσµα όγκου του αλουµινίου είναι µεγαλύτερο από 43,5%, τότε τα σωµατίδια του TiB 2 δηµιουργούνται µέσω µηχανισµού διάχυσης, ενώ για µικρότερο ποσοστό δηµιουργούνται µέσω µηχανισµού καθίζησης [10]. Το 1995 για λογαριασµό της Renault οι F. Barbier και M. H. Ambroise παρασκεύασαν µε την διεργασία in situ σύνθετα υλικά µήτρας αλουµινίου ενισχυµένα µε ενδοµεταλλικές ενώσεις αλουµινιδίων σιδήρου και νικελίου. Συγκεκριµένα, προσθέτοντας σκόνες σιδήρου και νικελίου σε υγρό αλουµίνιο και µε τη χρήση µηχανικής ανάδευσης για συγκεκριµένη χρονική περίοδο, τα σωµατίδια διασκορπίζονται οµοιόµορφα στο τήγµα και διαλύονται πλήρως. Μετά την προσθήκη των σωµατιδίων σιδήρου ή νικελίου παρατηρήθηκε αύξηση της θερµοκρασίας κατά 50 0 C και C αντίστοιχα, γεγονός που οφείλεται στην εξώθερµη αντίδραση που πραγµατοποιήθηκε κατά την επαφή των σωµατιδίων µε το υγρό αλουµίνιο στους C. Μετά τη χύτευση και τη στερεοποίηση, η µήτρα αλουµινίου ενισχύθηκε µε ενδοµεταλλικές ενώσεις αλουµινιδίων του σιδήρου FeAl 3 και αλουµινιδίων του νικελίου NiAl 3 οµοιόµορφα διασπαρµένα στο τελικό σύνθετο υλικό [3]. Το 1990 παρασκευάσθηκε σύνθετο υλικό µήτρας κράµατος αλουµινίου ενισχυµένης µε σωµατίδια TiB 2, µε την τεχνική XD. Παρουσία της υγρής φάσης του αλουµινίου, τα υπό στοιχειακής µορφής συστατικά Ti και B αντέδρασαν εξώθερµα για να παράγουν διασκορπίσµατα σωµατιδίων TiB 2 µεγέθους της τάξης του ενός µικροµέτρου. Για την κατανόηση της επίδρασης της διεργασίας στη µικροδοµή και στις ιδιότητες του παραγόµενου σύνθετου υλικού, παράλληλα παρασκεύασαν το ίδιο σύνθετο υλικό µε ανάµιξη κόνεων, προπαρασκευασµένων σωµατιδίων TiB 2 και αλουµινίου. Τα αποτελέσµατα έδειξαν ότι το σύνθετο υλικό που παρασκευάσθηκε µε την in situ XD διεργασία είχε πολύ µεγαλύτερη αντοχή σε εφελκυσµό και µεγαλύτερη σκληρότητα. Το γεγονός αυτό αποδόθηκε στην καλύτερη διασπορά των παραγόµενων σωµατιδίων, στο εξαιρετικά µικρό µέγεθος που είχαν αυτά και στον πολύ καλό δεσµό τους µε τη µήτρα [15]. Σύνθεση in situ ΣΥΜΜ µέσω αντίδρασης τηγµένων αλάτων (Salt-Metal Reactions) Μία καινοτόµος τεχνική παρασκευής σύνθετων υλικών µε τη διεργασία in situ είναι η τεχνική της αντίδρασης αλάτων µετάλλου (Salt-Metal Reactions). Πρόκειται για µία ελκυστική προσέγγιση της in situ διεργασίας, που αναπτύχθηκε αντιπροσωπευτικά για το σύστηµα Al/TiB 2. Η τεχνική αυτή περιλαµβάνει την προσθήκη µίγµατος αλάτων φορέων των στοιχείων Ti και Β (π.χ. K 2 TiF 6 + KBF 4 σε τηγµένο αλουµίνιο), προκαλώντας µε αυτόν τον τρόπο το σχηµατισµό ενός διασκορπίσµατος σωµατιδίων TiB 2 στη µήτρα αλουµινίου. Αυτή η τεχνική για την παραγωγή της ενισχυτικής φάσης σωµατιδίων TiB 2 χρησιµοποιεί την αντίδραση µεταξύ τηγµένων αλάτων εντός του τηγµένου αλουµινίου. Επίσης, είναι βασισµένη σε µια καθιερωµένη τεχνολογία, κύριος

21 13 αντιπρόσωπος της οποίας είναι η εταιρεία London and Scandinavian Metallurgy Company (LSM), για παραγωγή χυτών master alloys Al-Ti-B στη βιοµηχανία εκλέπτυνσης κόκκων του αλουµινίου [14,16,17]. Συγκεκριµένα, οι τρεις αντιδράσεις που λαµβάνουν χώρα για το σχηµατισµό του TiB 2 παρουσιάζονται παρακάτω: 3K 2 TiF Al <> 3Al 3 Ti + 3KALF 4 + K 3 AlF 6 2KBF 4 + 3Al <> AlB 2 + 2KΑlF 4 Al 3 Ti + AlB 2 <> TiB 2 + 4Al χωρίς όµως να έχει διαλευκανθεί πλήρως η αλληλουχία των αντιδράσεων. Οι σχηµατιζόµενες φάσεις στα επιµέρους στάδια της συνολικής αντίδρασης είναι κυρίως βορίδια, όπως AlB 2, AlB 12, TiB2 και αλουµινίδια όπως Al 3 Ti. Αυτή η µέθοδος για την προετοιµασία κύριων κραµάτων (master alloys), που χρησιµοποιούνται για την εκλέπτυνση του αλουµινίου όπως προαναφέρθηκε, είναι σήµερα η πιο διαδεδοµένη µέθοδος που χρησιµοποιείται για το σκοπό αυτό. Αλλάζοντας την ποσότητα των αλάτων, το ποσοστό των παραγόµενων σωµατιδίων TiB 2 µπορεί να αυξηθεί και έτσι έχουµε την κατασκευή ενός σύνθετου υλικού [1]. Όπως προκύπτει από την έως τώρα βιβλιογραφία, η τεχνική αυτή για τη σύνθεση της ενισχυτικής φάσης εντός του τηγµένου µητρικού υλικού εξαρτάται από ορισµένους, εξίσου σηµαντικούς, παράγοντες για την επιτυχή Παρασκευή του σύνθετου υλικού. Αυτοί οι παράγοντες αφορούν πρώτα απ όλα τη σύσταση των υλικών-στοιχείων που πρόκειται να αντιδράσουν. Οι συστάσεις των αντιδρώντων υλικών πρέπει να βρίσκονται µεταξύ τους σε αναλογία, η οποία καθορίζεται από τη στοιχειοµετρία της ενισχυτικής φάσης, που αναµένεται να προκύψει από την αντίδραση. Ταυτόχρονα γίνεται η υπόθεση ότι δεν υπάρχουν άλλα προϊόντα από την αντίδραση αυτή [14,18]. Η θερµοκρασία στην οποία πραγµατοποιείται η αντίδραση είναι ένας ακόµη παράγοντας. Βάση των θερµοδυναµικών θεωρήσεων, για κάθε σύστηµα αντιδρώντων συστατικών µητρικού υλικού, υπάρχει µία συγκεκριµένη θερµοκρασία, πάνω από την οποία θα συµβεί η αντίδραση και κατά συνέπεια η σύνθεση της ενισχυτικής φάσης [14,18]. Άλλος σηµαντικός παράγοντας είναι ο χρόνος παραµονής σε αυτή τη θερµοκρασία. Ο χρόνος αυτός είναι ουσιαστικά ο χρόνος που απαιτείται για την ολοκλήρωση της αντίδρασης και επηρεάζει άµεσα το τελικό προϊόν. Με την αύξηση του χρόνου παραµονής σε κάποια συγκεκριµένη θερµοκρασία δίνεται η δυνατότητα στην αντίδραση να ολοκληρωθεί. Αυτή η παράµετρος συνήθως προσδιορίζεται µέσα από πειραµατικά δεδοµένα µε βάση τα αποτελέσµατα από τον χαρακτηρισµό του υλικού, από τα οποία εξάγονται συµπεράσµατα για την εξέλιξη της αντίδρασης [14,18]. Ο τελευταίος παράγοντας που παίζει σηµαντικό ρόλο στη διεργασία είναι ο χρόνος ανάδευσης. Η ανάδευση του τήγµατος του µητρικού υλικού είναι απαραίτητη για κάποιο χρονικό διάστηµα που θα εξασφαλίζει την οµοιόµορφη κατανοµή των ουσιών που εισάγονται σε αυτό για να αντιδράσουν. Κατά συνέπεια, η ανάδευση συντελεί σε µεγάλο βαθµό στην οµοιόµορφη διασπορά της ενισχυτικής φάσης στο τελικό σύνθετο υλικό [14,18]. Η τεχνική της παραγωγής της ενισχυτικής φάσης µέσω της αντίδρασης αλάτων επικυρώθηκε ως πατέντα το έτος 1992 στους Davies, Wood και Kellie, γεγονός που δηλώνει ότι η τεχνολογία που εισάγεται µε αυτή τη τεχνική είναι πολύ πρόσφατη. Στο ίδιο συµπέρασµα καταλήγουµε και από τη λιγοστή ερευνητική δραστηριότητα που υπάρχει µέχρι σήµερα, πάνω στη συγκεκριµένη τεχνική µε τη µέθοδο της χύτευσης. Μόλις την τελευταία τριετία, φαίνεται από τις διαθέσιµες δηµοσιευµένες εργασίες µία αύξηση του ενδιαφέροντος [14,18].

22 Αρχικά, στις πρώτες µελέτες για την ενίσχυση κραµάτων αλουµινίου µε in situ παραγόµενα σωµατίδια TiB 2, εξετάστηκε το αποτέλεσµα της ενίσχυσης ως προς τις µηχανικές ιδιότητες και την αντίσταση σε φθορά του παραγόµενου σύνθετου υλικού. Ενώ, οι πιο πρόσφατες µελέτες είναι επικεντρωµένες στο µηχανισµό δηµιουργίας της ενισχυτικής φάσης. ηλαδή, στην διερεύνηση της αλληλουχίας της αντίδρασης που γίνεται µε την εισαγωγή αλάτων, τα οποία πρόκειται να αντιδράσουν εντός της τηγµένης µήτρας του µητρικού κράµατος, και των παραγόµενων προϊόντων σε κάθε στάδιο αυτής. Παράλληλα, για την εξέλιξη και τη δυνατότητα καθιέρωσης του συγκεκριµένου τρόπου παραγωγής σύνθετων υλικών, οι πιο πρόσφατες εργασίες είναι επικεντρωµένες στη διερεύνηση του τρόπου, µε τον οποίο το σύνολο των παραµέτρων της in situ παρασκευής σύνθετου υλικού επηρεάζουν τη µικροδοµή, τη µορφολογία της παραγόµενης ενισχυτικής φάσης και προφανώς τις ιδιότητες του τελικού προϊόντος [14]. Η συγκεκριµένη τεχνική χαρακτηρίζεται ως µία οικονοµική µέθοδος για την παραγωγή σύνθετων υλικών µεταλλικής µήτρας. Επιπλέον, η δυνατότητά της µπορεί να καλύψει την παραγωγή εµπορικών ποσοτήτων (π.χ τόννοι/έτος) ενός τύπου σύνθετου υλικού, του οποίου οι εφαρµογές προβλέπονται σε διάφορα µέρη της βιοµηχανίας αυτοκινήτων και αεροσκαφών [14]. Από τις πρώτες µελέτες που έγιναν πάνω στη συγκεκριµένη τεχνική µε τη µέθοδο της χύτευσης ήταν το κράµα Al-7Si-0.3Mg (A356), στο οποίο προσθήκη µίγµατος αλάτων K 2 TiF 6 και KBF 4 στο τηγµένο κράµα, οδήγησε στη δηµιουργία σύνθετου υλικού µε µία λεπτή διασπορά ενισχυτικών σωµατιδίων TiB 2 σε ποσοστό της τάξης του 5% και µέγεθος περίπου µm. Σε σύγκριση µε το εµπορικό διαθέσιµο κράµα Duralcan A356 ενισχυµένο µε SiC, που είχε παραχθεί όµοια µε τη µέθοδο της χύτευσης, βρέθηκε ότι είχε καλύτερα αποτελέσµατα στην αύξηση του µέτρου ελαστικότητας και σηµαντικότερη µείωση του συντελεστή τριβής [18]. Με τη µέθοδο της χύτευσης µε ανάδευση (stir casting) παρασκευάστηκε in situ σύνθετο υλικό µήτρας κράµατος αλουµινίου Α2024, ενισχυµένο µε σωµατίδια TiB µεγέθους µm, σε ποσοστό 10% κ.ο. Σε αυτή τη περίπτωση, εκτός του τηγµένου αλουµινίου που βρισκόταν στην θερµοκρασία των C, τα αντιδρώντα συστατικά ήταν µίγµα αλάτων που αποτελούνταν από TiO 2, Na 3 AlF 6 (κρυολίτης) και KBF 4. Ο χρόνος για την ολοκλήρωση της αντίδρασης ήταν 30 λεπτά µε ταυτόχρονη ανάδευση κατά διαστήµατα και το τελικό σύνθετο υλικό, αφού υποβλήθηκε στην Τ6 θερµική κατεργασία για λόγους σύγκρισης µε το µητρικό υλικό, βρέθηκε να έχει πολύ υψηλότερη σκληρότητα, αντοχή σε εφελκυσµό, υψηλό µέτρο ελαστικότητας, αλλά ελαφρώς χαµηλότερη ολκιµότητα [19]. Όπως προαναφέρθηκε, οι πιο πρόσφατες έρευνες έχουν επικεντρωθεί στις παραµέτρους της διεργασίας και στον τρόπο µε τον οποίο αυτές επιδρούν στο τελικό προϊόν. Οι Lakshmi και Gupta παρασκεύασαν in situ σύνθετο υλικό µήτρας αλουµινίου εµπορικής καθαρότητας (Commercial Purity, CP) µε την προσθήκη του µίγµατος αλάτων K 2 TiF 6 και KBF 4 για τη σύνθεση της ενίσχυσης του TiB 2, στους C µε τη µέθοδο της χύτευσης µε ανάδευση. Στο υλικό αυτό, µελετήθηκε η σχέση ανάµεσα στο βαθµό της αντίδρασης και του ποσοστού βάρους, αλλά και της ανάπτυξης του σχηµατιζόµενου TiB 2, δηλαδή του µεγέθους του [20]. Τα αποτελέσµατα της έρευνας έδειξαν ότι υπάρχει µία ειδική σχέση ανάµεσα στο ρυθµό σχηµατισµού του TiB 2 και του όγκου της παραγόµενης ακαθαρσίας του κρυολίτη (3KFAlF 3 ), που είναι παραπροϊόν της αντίδρασης. Όπως παρατηρήθηκε, όταν η χρονική διάρκεια της αντίδρασης (Reaction Holding Time) ήταν µικρότερη από 20 λεπτά, ο ρυθµός σχηµατισµού του παραγόµενου TiB 2 ήταν µεγαλύτερος, συγκρινόµενος µε τη σχηµατιζόµενη ακαθαρσία κρυολίτη, ο οποίος περιείχε 14

23 σωµατίδια TiB 2. Ενώ για µεγαλύτερη χρονική διάρκεια της αντίδρασης, το ποσό της παραγόµενης ακαθαρσίας ήταν αρκετά µεγάλο και ικανό για την οξείδωση των µικρών σωµατιδίων TiB 2 και την παγίδευσή τους από την ακαθαρσία. Όµοιες παρατηρήσεις για το µέγεθος των παραγόµενων σωµατιδίων, έδειξαν ότι αυτό µειώνεται µε αύξηση της διάρκειας του χρόνου αντίδρασης µέχρι τα 30 λεπτά, πέρα από τα οποία παρατηρήθηκε µία µικρή αύξηση. Έτσι, το µέγεθος των σωµατιδίων κυµάνθηκε από 0,43 µέχρι 0,57 µm [20]. Η επίδραση του χρόνου αντίδρασης στο τελικό σύνθετο υλικό παρατηρήθηκε επίσης σε µια παρόµοια εργασία [21], όπου µίγµα σκόνης των στοιχείων Ti και B εισήχθηκε σε τήγµα µήτρας αλουµινίου ΑΑ1100 στους C για την παραγωγή in situ σύνθετου Al-TiB 2, µε βάση την αντίδραση: 2Ti + 2B + 3Al >> TiB 2 + Al 3 Ti σε συνδυασµό µε τη µέθοδο της χύτευσης µε ανάδευση. Όπως προέκυψε από τα αποτελέσµατα της σύγκρισης των µηχανικών ιδιοτήτων των in situ σύνθετων µε ποσοστά παραγόµενης ενισχυτικής φάσης 10% και 15%, µε αυτές του µη ενισχυµένου κράµατος, τα σύνθετα υλικά παρουσίασαν µία αύξηση της τάξης του 60% της αντοχής σε εφελκυσµό και 23% στο µέτρο ελαστικότητας. Ταυτόχρονα, παρατηρήθηκε στα σύνθετα υλικά και µία µείωση της τάξης του 56% της ολκιµότητας, σαν αποτέλεσµα της αύξησης της ενισχυτικής φάσης. Αυτή η βελτίωση των µηχανικών ιδιοτήτων αποδόθηκε στο συνδυασµό δύο κύριων παραµέτρων της διεργασίας, δηλαδή της χρονικής διάρκειας για την ολοκλήρωση της αντίδρασης και της απαιτούµενης θερµοκρασίας για την πραγµατοποίηση της επιθυµητής αντίδρασης. Όπως διαπιστώθηκε από τα πειραµατικά δεδοµένα, ο χρόνος αντίδρασης των 30 λεπτών έδωσε τα καλύτερα αποτελέσµατα µε τις υψηλότερες τιµές µηχανικών ιδιοτήτων. Για πολύ µικρούς χρόνους αντίδρασης, τα ενισχυτικά σωµατίδια TiB 2 ήταν δύσκολα διακριτά. Αντίθετα, όταν ο χρόνος αντίδρασης ξεπερνούσε τα 30 λεπτά, χονδρόκοκκα σωµατίδια Al 3 Ti σχηµατίζονταν στο σύνθετο υλικό, που είναι µία ανεπιθύµητη φάση και επιπλέον αυξάνει το ιξώδες του τήγµατος δυσκολεύοντας τη χύτευση. Σηµαντικό ρόλο στη σύνθεση της ενισχυτικής φάσης έπαιξε και η θερµοκρασία στην οποία έγινε η εισαγωγή του µίγµατος των κόνεων Ti και B στην υγρή µήτρα αλουµινίου. Έτσι, όταν η εισαγωγή έγινε σε θερµοκρασίες µικρότερες των C, δεν παρατηρήθηκε ο σχηµατισµός της ενισχυτικής φάσης, κάτι που συνέβη όταν η θερµοκρασία εισαγωγής ανέβηκε στους C [21]. Στην επίδραση της χρονικής διάρκειας της αντίδρασης επικεντρώθηκε το ενδιαφέρον και άλλων ερευνητών, οι οποίοι µελέτησαν την επίδραση της χρονικής διάρκειας της αντίδρασης στη µικροδοµή και στις µηχανικές ιδιότητες του τελικού σύνθετου υλικού [16]. Το σύνθετο υλικό παρασκευάστηκε µε την ίδια τεχνική της εξώθερµης αντίδρασης µεταξύ µίγµατος αλάτων τιτανίου και βορίου (K 2 TiF 6 και KBF 4 ) σε ατοµική αναλογία σύµφωνα µε το λόγο Ti/2B και αλουµινίου εµπορικής καθαρότητας στους C, σε συνδυασµό µε τη µέθοδο της χύτευσης µε ανάδευση. Για τη διερεύνηση της σχέσης µεταξύ του βαθµού της αντίδρασης και της συµπεριφοράς ανάπτυξης των in situ παραγόµενων σωµατιδίων, αλλά και της µικροδοµής και των µηχανικών ιδιοτήτων του σύνθετου υλικού που προέκυπτε, εξετάστηκαν δείγµατα για διάφορους χρόνους αντίδρασης µεταξύ 5 και 15 λεπτών. Όπως έδειξε η µελέτη της µικροδοµής, για µικρούς χρόνους αντίδρασης δεν επιτεύχθηκε ολοκλήρωση της αντίδρασης, καθώς πολλά υπολειπόµενα άλατα βρέθηκαν µετά την αντίδραση και συνεπώς µόνο ένα µικρό ποσό σωµατιδίων TiB 2 παρατηρήθηκε, των οποίων το µέγεθος ήταν της τάξης του 0.5 µm. Με την αύξηση του χρόνου αντίδρασης, ταυτόχρονα µε το ποσοστό των παραγόµενων σωµατιδίων, 15

24 αυξήθηκε και το µέγεθός τους στην τάξη των 0.8 µm, γεγονός που δηλώνει, σύµφωνα µε τους ερευνητές, ότι το µέγεθος των in situ σωµατιδίων δεν είναι ισχυρά συνδεδεµένο µε τη χρονική διάρκεια της αντίδρασης. εν ισχύει όµως το ίδιο και µε τις µηχανικές ιδιότητες του παραγόµενου σύνθετου, που ήταν σαφώς βελτιωµένες σε σχέση µε το µητρικό υλικό, όπου οι µεγαλύτερες τιµές σκληρότητας αντιστοιχούσαν στους µεγαλύτερους χρόνους αντίδρασης, λόγω της αύξησης του κλάσµατος όγκου των παραγόµενων σωµατιδίων [16]. Πολύ πρόσφατα έγινε από τους Feng και Froyen µία µελέτη της επίδρασης των παραµέτρων της διεργασίας στην κινητική σχηµατισµού της ενισχυτικής φάσης του TiB 2, καθώς επίσης και στην παραγόµενη µικροδοµή των σύνθετων προϊόντων. Συγκεκριµένα, σε εµπορικής καθαρότητας αλουµίνιο προστέθηκε µίγµα αλάτων K 2 TiF 6 και KBF 4 και σε ελεγχόµενη ατµόσφαιρα αργού έγινε η Παρασκευή του σύνθετου υλικού µε παραµέτρους τη θερµοκρασία της αντίδρασης, τη χρονική διάρκεια της αντίδρασης, το ρυθµό θέρµανσης, τη θερµοκρασιακή βαθµίδα (temperature gradient) και το ρυθµό ψύξης [16]. Από την εξέταση της µικροδοµής προέκυψε ότι η αύξηση της θερµοκρασίας της αντίδρασης από τους C στους C πολύ λίγο αλλάζει τη µικροδοµή του σύνθετου προϊόντος. Η µορφολογία και το µέγεθος των σωµατιδίων TiB 2 δεν άλλαξαν σηµαντικά, επειδή η θερµοκρασία δεν ήταν αρκετά υψηλή για µία αξιοσηµείωτη αλλαγή, αν και τα περισσότερα σωµατίδια πιθανόν να είχαν αναπτυχθεί κοντά στο µέγεθος του ενός µικρού µε ταυτόχρονη ανάπτυξη των κρυσταλλικών τους συνόρων. Επίσης, βρέθηκε ότι ελάχιστα επέδρασαν στην κινητική ανάπτυξης της ενισχυτικής φάσης η επιµήκυνση της χρονικής διάρκειας της αντίδρασης από 10 σε 300 λεπτά, η αλλαγή του ρυθµού θέρµανσης από 15 σε 30 0 C/min., η εφαρµογή θερµοκρασιακής βαθµίδας και η αργή ψύξη αντί της απότοµης ψύξης. Ωστόσο, όταν η χρονική διάρκεια της αντίδρασης αυξάνεται, υπάρχει η τάση αποσύνθεσης των συσσωµατωµάτων και η δηµιουργία µιας δοµής δικτύου, όσον αφορά την κατανοµή της ενισχυτικής φάσης. Το γεγονός αυτό αποδόθηκε στην πιθανή αύξηση της κρίσιµης ταχύτητας για απώθηση των σωµατιδίων. Για πολύ µικρούς ρυθµούς ψύξης, δηλαδή για στερεοποίηση εντός του φούρνου, η ταχύτητα του µετώπου στερεοποίησης είναι µικρότερη από την κρίσιµη τιµή της, λόγω της αργής ψύξης και συνεπώς τα σωµατίδια απωθήθηκαν από το µέτωπο στερεοποίησης και έτσι επικράτησε µία δοµή δικτύου της κατανοµής των σωµατιδίων [16]. Οι δύο ερευνητές έδωσαν επίσης απάντηση στο βασικό ερώτηµα κατά πόσο το τηγµένο µέσο, όπως το αλουµίνιο, είναι καθοριστικός παράγοντας για το σχηµατισµό της ενισχυτικής φάσης και στη συγκεκριµένη περίπτωση του TiB 2. Όπως έδειξαν δύο συµπληρωµατικά πειράµατα, το ένα µε τηγµένο άργυρο αντί του αλουµινίου και το άλλο χωρίς τη χρήση κάποιου µέσου παρά µόνο το τηγµένο µίγµα αλάτων, δεν παρατηρήθηκε καµία δεύτερη φάση στο τέλος της διεργασίας και κατά συνέπεια ο σχηµατισµός του TiB 2 δεν ήταν εφικτός. Το γεγονός αυτό αποδεικνύει ότι το αλουµίνιο είναι απαραίτητο συστατικό που περιλαµβάνεται στην αντίδραση σχηµατισµού της ενισχυτικής φάσης [16]. Εµείς ασχοληθήκαµε µε τους τρόπους παρασκευής σύνθετου υλικού µήτρας αλουµινίου που αναφέραµε και προγενέστερα στο 2 0 κεφάλαιο, ήτοι: α). Την παρασκευή in situ σύνθετου υλικού µήτρας αλουµινίου ενισχυµένου µε την ενδοµεταλλική ένωση βαναδίου του βορίου (VB 2 ) που γίνεται µε δύο τρόπους, µε την χρήση των master alloys AlV και AlB αφ ενός και µε την χρήση του master alloy AlV και την προσθήκη άλατος KBF 4 αφ ετέρου. 16

25 β). Την παρασκευή in situ σύνθετου υλικού µήτρας αλουµινίου ενισχυµένου µε την ενδοµεταλλική ένωση τιτανίου του βορίου (TiB 2 ) που γίνεται µε την χρήση καθαρού αλουµινίου εµπορικής καθαρότητας 99,5% και την προσθήκη δύο αλάτων, KBF 4 και K 2 TiF 6. Και στις δύο περιπτώσεις η σύνθεση των in situ ενισχυτικών φάσεων µέσω της χηµικής αντίδρασης είναι θερµοδυναµικά δυνατή µέσα στην µήτρα του αλουµινίου, είτε πρόκειται για master alloys, είτε για προσθήκη δύο αλάτων, είτε τέλος για συνδυασµό αυτών. 17

26 18

27 19 Β. ΜΕΤΑΛΛΙΚΟΙ ΑΦΡΟΙ Εισαγωγή στους µεταλλικούς αφρούς. Στοιχεία κυψελοειδών µετάλλων.

28 20 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή Όταν ο σύγχρονος άνθρωπος δηµιουργεί ανθεκτικές κατασκευές, χρησιµοποιεί συµπαγή στερεά υλικά : χάλυβα, σκυρόδεµα, γυαλί. Όταν η φύση δηµιουργεί, χρήσιµοποιεί κατά κύριο λόγο κυψελοειδή υλικά : ξύλο, οστά, όστρακα. Σίγουρα θα πρέπει να υπάρχουν κάποιοι καλοί λόγοι για αυτό. 1.1 Πρόλογος Μ.F. Ashby, Πανεπιστήµιο του Cambridge Ο όρος µεταλλικοί αφροί ή κυψελοειδή µέταλλα περιλαµβάνει µια σειρά νέων υλικών µε τα οποία η πλειοψηφία των µηχανικών δεν είναι εξοικειωµένη. Ο τρόπος παρασκευής τους καλύπτει µια µεγάλη γκάµα καινοτόµων διεργασιών που εξακολουθούν να βρίσκονται σε εξέλιξη. Σήµερα οι µεταλλικοί αφροί δεν έχουν χαρακτηριστεί πλήρως, ενώ οι παράµετροι που εµπλέκονται στην παραγωγή τους δεν έχουν µελετηθεί επαρκώς για τον ακριβή προσδιορισµό των ιδιοτήτων τους. Λαµβάνοντας υπόψη όµως τα µέχρι τώρα αποτελέσµατα προκύπτουν ελκυστικές ιδιότητες, ενώ η τεχνολογία παραγωγής τους βελτιώνεται ραγδαία. Η εφαρµογή τους συντελεί στη στιβαρότη-τα των κατασκευών, τη µείωση του βάρους τους και στην ικανότητα απορρόφησης ενέργειας µε µορφή κρουστικών φορτίων, θερµότητας, ακτινοβολίας και ηχητικών κυµάτων. Πρόκειται επίσης για µη τοξικά και ανακυκλώσιµα υλικά Το ενδιαφέρον για τους µεταλλικούς αφρούς χρονολογείται γύρω στα 1940 µε την κατοχύρωση πατέντας, από τον Benjamin Sosnick, που αφορούσε την παρασκευή σπογγώδους µετάλλου µέσω της εξάχνωσης κραµατικών στοιχείων χαµηλού σηµείου ζέσης µέσα σε κάποιο µέταλλο βάσης. Στις επόµενες δύο δεκαετίες ακολούθησαν και άλλες δηµοσιεύσεις και πατέντες. Αυτές αφορούσαν την παρασκευή µεταλλικών αφρών µε τη µέθοδο της έγχυσης µετάλλου σε ενδόθετες θέσεις προτύπων από υλικά κατακράτησης χώρου (space holders), τα οποία στη συνέχεια αφαιρούνταν, καθώς και µε τη διασπορά σωµατιδίων έκλυσης αερίων σε τηγµένο µέταλλο. Αρκετές προσπάθειες παραγωγής µεταλλικών αφρών κυρίως αλουµινίου, µαγνησίου, ψευδαργύρου και των κραµάτων τους έγιναν στις δεκαετίες του 60 και του 70 [28-35]. Η έρευνα πάντως που αφορούσε την παραγωγή και εφαρµογή των νέων υλικών παρέµενε σε χαµηλά επίπεδα έως τη δεκαετία του `90. Η χρονική εξέλιξη της ανάπτυξης νέων υλικών, έτσι όπως δίνεται σχηµατικά στο σχήµα. 1.1, αφορά και τους µεταλλικούς αφρούς. Από τη στιγµή της επινόησης ενός υλικού ο ρυθµός ανάπτυξης της έρευνας στα πρώτα στάδια είναι ιδιαίτερα υψηλός. Αυτό οφείλεται εν µέρει στην επιστηµονική περιέργεια των ερευνητών και εν µέρει στην υπερεκτίµηση των δυνατοτήτων εφαρµογής του νέου υλικού. Μετά την παρέλευση χρονικού διαστήµατος πέντε έως δέκα χρόνων η έρευνα περιορίζεται εξαιτίας της έλλειψης τεχνογνωσίας, εµπειρίας και χρηµατικών πόρων. Αν το νέο υλικό ικανοποιεί στο τέλος της ερευνητικής περιόδου τις αρχικές προσδοκίες τότε γίνεται αποδεκτό από την βιοµηχανία και εντάσσεται πλήρως στην αγορά.

29 21 Σχήµα 1.1 Η χρονική εξέλιξη της ανάπτυξης πολλών νέων υλικών. Παρατηρείται ένα διάστηµα επώασης 15 χρόνων µέχρι την τελική αποδοχή ή απόρριψη από τη βιοµηχανία. Ένας από τους βασικούς στόχους των ερευνητών σήµερα είναι η εξισορρόπηση του ρυθµού έρευνας και βιοµηχανικής εκµετάλλευσης. 1.2 Φυσικά κυψελοειδή υλικά Η επινόηση των κυψελοειδών µετάλλων τη δεκαετία του `40 σίγουρα αποτελεί ένα εντυπωσιακό βήµα στον τοµέα της τεχνολογίας υλικών. Ωστόσο το γεγονός της ύπαρξης µιας τεράστιας ποικιλίας φυσικών κυψελοειδών υλικών που απαντώνται σχεδόν παντού στον φυσικό κόσµο µετριάζει µάλλον τον αρχικό εντυπωσιασµό. Η εξέλιξη του µικροσκοπίου έδωσε την δυνατότητα παρατήρησης κυψελοειδών δοµών σε φυτά, σε οστά και σε πλήθος άλλων φυσικών δοµικών στοιχείων. Ο τρόπος µε τον οποίο έχουν σχεδιαστεί τα στοιχεία αυτά αποτελεί ήδη αντικείµενο εκτεταµένης έρευνας. Ένας πολύ συνηθισµένος τρόπος δόµησης των κυψελοειδών στοιχείων από την φύση είναι η δηµιουργία σύνθετων µορφών µε συµπαγές λεπτό εξωτερικό περίβληµα και πορώδη ή κυψελωτό πυρήνα. Με αυτόν τον τρόπο προσδίδεται στιβαρότητα και ακαµψία µε ταυτόχρονο περιορισµό του βάρους. Η ύπαρξη επίσης των πόρων ή κελιών εξυπηρετεί και ζωτικής σηµασίας λειτουργίες για τον οργανισµό που φέρει το στοιχείο όπως η µεταφορά θρεπτικών ουσιών στα φυτά ή η µεταφορά αίµατος και η εγκατάσταση των οστεοβλαστών στα οστά.

30 Σχήµα 1.2 Η πρώτη σελίδα της πατέντας του Benjamin Sosnick που κατοχυρώθηκε τον Ιανουάριο του 1948 µε αριθµό καταχώρισης

31 23 Η χρήση της κυψελοειδούς δοµή από την φύση προσφέρει ακριβώς τα ίδια πλεονεκτήµατα µε την χρήση των µεταλλικών αφρών στις ανθρώπινες κατασκευές. Στην παρακάτω σειρά φωτογραφιών γίνεται σαφής η σχεδιαστική τελειότητα και η ευφυής χρήση των κυψελοειδών δοµών ώστε να επιτυγχάνεται ένα βέλτιστο µηχανικό αποτέλεσµα. Εικόνα 1.3 Τοµή µίσχου. Η διατοµή είναι κοίλη έτσι ώστε να διατηρηθεί η ροπή αδράνειας σε υψηλά επίπεδα µειώνοντας το βάρος. Εικόνα 1.4 οµή τοιχώµατος µίσχου. Η κυψελοειδής δοµή αυξάνει τη στιβαρότητα του φυτού και προσφέρει ένα εκτεταµένο δίκτυο αγωγών τροφοδοσίας. Εικόνα 1.5 Τοµή αγκαθιού από σκαντζόχοιρο. Η δοµή προσφέρει αντοχή και λειτουργεί ως εναλλάκτης θερµότητας για τη ρύθµιση της θερµοκρασίας του ζώου. Εικόνα 1.6 Μεγέθυνση τοµής.

32 24 Εικόνα 1.7 Τοµή φτερού κίσσας. Εικόνα 1.8 Τµήµα τοµής του φτερού. Εικόνα 1.9 Τοµή φύλλου. Η δοµή προσφέρει υψηλό λόγο επιφάνειας / βάρους έτσι ώστε το φυτό να χρησιµοποιεί τη µέγιστη επιφάνεια για φωτοσύνθεση. Εικόνα 1.10 Μεγέθυνση της τοµής. Εικόνα 1.11 Τοµή ανθρώπινου κρανίου. Πολύστρωτη δοµή (sandwich) µε εσωτερική κυψελωτή µορφή. Εικόνα 1.12 Σπογγώδης δοµή οστού.

33 25 Κεφάλαιο 2 Mέθοδοι παρασκευής κυψελοειδών µετάλλων Καθώς το πεδίο εφαρµογών των κυψελοειδών µετάλλων διευρύνεται ολοένα και περισσότερο, αναπτύσσονται διαρκώς νέοι τρόποι παραγωγής τους. Η ποικιλία των µεθόδων παραγωγής έχει οδηγήσει και σε µια αντίστοιχη ποικιλία υλικών που αφορά την εσωτερική τους δοµή. Πρέπει λοιπόν να γίνει σε αυτό το σηµείο αναφορά στους χρησιµοποιούµενους όρους µε τους οποίους καλύπτεται το σύνολο των κυψελοειδών µετάλλων. Έτσι αποφεύγεται η σύγχυση ανάµεσα σε : Κυψελοειδή µέταλλα: ο ευρύτερα χρησιµοποιούµενος όρος, που περιλαµβάνει όλα τα µέταλλα στα οποία έχουν διασπαρεί κοιλότητες µε την βοήθεια κάποιου αερίου. Το υλικό του µετάλλου χωρίζει τις κοιλότητες σε κλειστά κελιά (κλειστή δοµή) στα οποία εγκλωβίζεται το αέριο. Πορώδη µέταλλα: κυψελοειδή µέταλλα ειδικού τύπου των οποίων η µορφή των κλειστών κελιών είναι συγκεκριµένη. Οι πόροι είναι συνήθως σφαιρικοί και απο- µονωµένοι ο ένας από τον άλλον. (Στερεοί) Μεταλλικοί αφροί: µια ειδική κατηγορία κυψελοειδών µετάλλων. Παρασκευάζονται από µέταλλα υγρής κατάστασης και εποµένως η µορφολογία τους είναι περιορισµένη. Τα κελιά της δοµής είναι κλειστά, σφαιρικά ή πολυεδρικά και διαχωρίζονται µεταξύ τους από λεπτά στρώµατα µετάλλου. Μεταλλικοί σπόγγοι: ειδικής µορφολογίας κυψελοειδή µέταλλα. Τα κελιά επικοινωνούν µεταξύ τους (ανοιχτή δοµή). Εκτός από τις γενικές αυτές κατηγορίες τα κυψελοειδή µέταλλα διακρίνονται µε βάση το µέγεθος των κελιών, την κατανοµή των µεγεθών στο εσωτερικό (στοχαστική ή περιοδική σχ. 2.2), το είδος των κελιών (ανοιχτά ή κλειστά) και την σχετική πυκνότητα της δοµής. Ο τρόπος µε τον οποίο καθορίζονται οι ιδιότητες αυτές εξαρτάται άµεσα από την µέθοδο παραγωγής που εφαρµόστηκε. Μια γενική διάκριση του τρόπου παρασκευής αφορά την αρχική κατάσταση του µητρικού υλικού. Έτσι διακρίνονται µέθοδοι παραγωγής υγρής κατάστασης, στερεάς κατάστασης και ατµοποίησης. Κάθε µέθοδος οδηγεί σε διαφορετική τοπολογία που χαρακτηρίζεται είτε στοχαστική, είτε περιοδική. Τα τελικά προϊόντα πολλές φορές δεν διαφέρουν σηµαντικά ως προς το µέγεθος του κελιού, τη σχετική πυκνότητα και τη χηµική σύσταση. Το πλήθος των µεθόδων δεν εξασφαλίζει υποχρεωτικά και την εµπορική βιωσιµότητα της κάθε µιας από αυτές.

34 26 Κυψελοειδή Μέταλλα Στοχαστική δοµή Περιοδική δοµή Duocel ALPORAS Cymat Alulight Porvair Incofoam Κοίλες σφαίρες κλπ. Πρισµατική δοµή Ταχείας µοντελοποίησης Συµπιεστά Κυψελοειδή Κοίλες σφαίρες Πλέγµα/δίκτυο ικτυωτό µπλοκ Τετραγωνικό/ πυραµιδοειδές δίκτυο Μικροπορώδες οµικό κυψελοειδές στερεό Σχήµα 2.2 Τα κυψελοειδή µέταλλα διακρίνονται σε στοχαστικά και πρισµατικά. Τα περιοδικά χαρακτηρίζονται από την επανάληψη ενός µοναδιαίου κελιού στο επίπεδο (πρισµατική δοµή) ή στον χώρο (δίκτυο ή πλέγµα).

35 Παραγωγή κυψελοειδών µετάλλων από την υγρή κατάσταση Άµεση αφροποίηση µέσω έγχυσης αερίου. Η µέθοδος αυτή πρωτοεφαρµόστηκε από τις εταιρείες Hydro Alumunium στη Νορβηγία και Cymat Aluminium Cor. στον Καναδά [36-43] και µαζί µε την Alcan αποτελούν τους κύριους χρήστες της µεθόδου. Περιλαµβάνει σαν πρώτο στάδιο την τήξη του προς αφροποίηση µετάλλου και την αύξηση του ιξώδους του µε την προσθήκη ενώσεων - σταθεροποιητών όπως καρβιδίου του πυριτίου, οξειδίου του αλουµινίου ή οξειδίου του µαγνησίου. Μια παράµετρος που πρέπει να ελεγχθεί σε αυτό το στάδιο είναι η οµοιόµορφη κατανοµή των συστατικών αυτών σε όλο τον όγκο του τήγµατος [44,45]. Το δεύτερο στάδιο περιλαµβάνει την έγχυση αέρα ή αδρανούς αερίου κατά προτίµηση (N, Ar). Με τον τρόπο αυτό εισάγονται στο τήγµα φυσαλίδες που καταλαµβάνουν οµοιόµορφα τον χώρο εξαιτίας της ταυτόχρονης ανάδευσης. Το αυξηµένο ιξώδες αποτρέπει την απότοµη άνοδο των φυσαλίδων στην επιφάνεια και ενισχύει την οµοιόµορφη κατανοµή τους. Η άνοδος των φυσαλίδων στην επιφάνεια συνοδεύεται από την ψύξη του µετάλλου µε κατάλληλη ψυκτική διάταξη ώστε να ελεγχθεί η περιεκτικότητα του µετάλλου σε πόρους (σχ.2.3). Το τελικό προϊόν µπορεί να έχει οποιοδήποτε επιθυµητό µήκος και διατοµή ή πάχος που η µορφή της υψικαµίνου επιτρέπει (συνήθως ~ 10 cm). Το µέγεθος των πόρων καθορίζεται κυρίως από την παροχή του αερίου και την ταχύτητα περιστροφής Σχήµα 2.3 Η διεργασία έγχυσης αερίου έχει σαν αποτέλεσµα την δηµιουργία στοχαστικού µεταλλικού αφρού, κλειστή δοµής. Τα καρβίδια του πυριτίου εµποδίζουν την καθίζηση του τήγµατος και ενισχύουν τα τοιχώµατα των κελιών ώστε να αποφευχθεί η πρόωρη διάρρηξή τους.

36 28 του αναδευτήρα. Το ποσοστό των σταθεροποιητών που θα προστεθούν καθώς και το µέγεθός τους καθορίζει την ποιότητα του αφρού. Η κατά όγκο αναλογία κυµαίνεται γύρω στα 10-20% και η µέση διάµετρος των σωµατιδίων στα 5-20 µm [36,46]. Στο σχήµα 2.4 φαίνεται η βέλτιστη περιοχή των παραµέτρων αυτών. Με βάση λοιπόν τις βέλτιστες συνθήκες, η πυκνότητα των αφρών βρίσκεται στην περιοχή gr/cm 3 και το µέγεθος των πόρων ανάµεσα στα 3 και 25 mm. Το τοίχωµα των κελιών υπολογίζεται σε 50 έως 85 µm [42,50]. Τα σωµατίδια βοηθούν την σταθεροποίηση του αφρού, µε µηχανισµούς που περιγράφονται στην βιβλιογραφία [47-49]. Η παρουσία των σταθεροποιητών όµως έχει παρατηρηθεί ότι ενισχύει την ψαθυρότητα του αφρού. Εναλλακτικά λοιπόν έχει προταθεί η αφροποίηση να γίνεται µόνο µε την έγχυση αδρανούς αερίου, απουσία σταθεροποιητών. Σε αυτή την περίπτωση η θερµοκρασία του τήγµατος πρέπει να διατηρείται κοντά στο όριο τήξης του µετάλλου και να ακολουθεί γρήγορη ψύξη, γιατί η δοµή είναι εξαιρετικά ασταθής. Σχήµα 2.4 Σχηµατική απεικόνιση συνεχούς παραγωγής µεταλλικού αφρού κατά Alcan. (1) Τήξη MMC, (2) Ανάδευση, (3) Αφροποίηση µε έγχυση αερίου, (4) Ταινιο- µεταφορά. Σχήµα 2.5 Επιθυµητά όρια των παραµέτρων παρασκευής αφρού Al-SiC. Οι µεταλλικοί αφροί που προκύπτουν µε αυτή τη µέθοδο χαρακτηρίζονται από κλειστή δοµή. Οι πόροι δηλαδή δεν επικοινωνούν µεταξύ τους. Η µορφή των πόρων έχει βρεθεί ότι εξαρτάται άµεσα από τη σχετική πυκνότητα, δηλαδή την

37 29 πυκνότητα του αφρού ανηγµένη στην πυκνότητα του µητρικού µετάλλου. Μεταλλικοί αφροί µε υψηλές τιµές σχετικής πυκνότητας έχουν σφαιρικής µορφής πόρους που δεν έχουν καµία επαφή µεταξύ τους. Μικρές τιµές σχετικής πυκνότητας προκαλούν µείωση του ενδιάµεσου υλικού µε αποτέλεσµα να αποκτούν κοινά τοιχώµατα και η ανάπτυξή τους να επηρεάζεται από την ύπαρξη των γειτονικών πόρων. Εκτός από την σχετική πυκνότητα, µια σειρά άλλων παραγόντων επηρεάζει επίσης τη µορφολογία τους όπως η επιφανειακή τάση, η διαφορά πίεσης, το ιξώδες και ο ρυθµός ψύξης. Οι δυνάµεις που οφείλονται στην επιφανειακή πίεση προκαλούν µείωση της επιφάνειας του κάθε κελιού. Χωρίς την επίδραση άλλων δυνάµεων η γεωµετρική µορφή του κελιού θα ήταν το δεκατετράεδρο και η γωνία γειτνίασης των κελιών οι 120 ο. Στην πραγµατικότητα όµως η διαφορά πίεσης που παρατηρείται σε γειτονικά κελιά και η διάχυση ποσότητας αερίου ανάµεσά τους καµπυλώνει τις επιφάνειες και αυξάνει τον όγκο τους. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα η γεωµετρική δοµή του κάθε κελιού να προσεγγίζει το δωδεκάεδρο. Η µορφή των κελιών αλλάζει επιπρόσθετα µε την αύξηση της τιµής του ιξώδους. Ρευστά µε µεγάλο ιξώδες αναπτύσσουν στο εσωτερικό τους ισχυρές διατµητικές δυνάµεις. Οι δυνάµεις αυτές καθυστερούν την αποµάκρυνση, λόγω βαρύτητας, του τηγµένου µετάλλου γύρω από τις αρχικές φυσαλίδες αερίου. Έτσι εµποδίζουν τις επιφάνειες των φυσαλίδων να αποκτήσουν το σχήµα ισορροπίας τους. Επιπλέον η ύπαρξη των σταθεροποιητών αλλοιώνει την επιφανειακή τάση και συντελεί, όπως αναφέρθηκε, στην αύξηση του ιξώδους. Εποµένως η τελική δοµή δεν βρίσκεται σε κατάσταση ισορροπίας. Η πραγµατική γωνία γειτνίασης των κελιών προσεγγίζει πλέον τις 30 ο ενώ εµφανίζεται και διαφοροποίηση του µεγέθους των κελιών. Σχήµα 2.6 Τοµή µεταλλικού αφρού παρασκευασµένου µε τη µέθοδο της απ ευθείας αφροποίησης µε έγχυση αερίου (Alcan).

38 30 Στα πλεονεκτήµατα της µεθόδου περιλαµβάνονται: το χαµηλό κόστος της διεργασίας, το χαµηλό κόστος των αρχικών υλικών, η απλότητα της µεθόδου, η δυνατότητα παραγωγής µεγάλου µεγέθους κοµµατιών, η δυνατότητα ελέγχου της σχετικής πυκνότητας. Μειονεκτήµατα µπορούν να θεωρηθούν: η δυσκολία στην κατεργασία εξαιτίας της ύπαρξης του SiC, η δυσκολία µορφοποίησης την στιγµή της παραγωγής, προβλήµατα καθίζησης του µετάλλου.

39 Άµεση αφροποίηση µε χρήση αεριογόνων µέσων. Μια από τις πιο διαδεδοµένες µεθόδους σήµερα παρασκευής κυψελοειδών µετάλλων είναι η άµεση αφροποίηση τηγµένου µετάλλου µε τη βοήθεια ενώσεων που διασπώµενες εκλύουν αέριο. Οι χηµικές αυτές ενώσεις είναι συνήθως υδρίδια µετάλλων µε πιο χαρακτηριστικό το υδρίδιο του τιτανίου TiH 2. Η διάσπασή τους στο λιω- µένο µέταλλο οφείλεται στην υψηλή θερµοκρασία και σε άλλους παράγοντες που αναλύονται στην συνέχεια. Οι πρώτοι που παρασκεύασαν µεταλλικό αφρό µε τη συγκεκριµένη µέθοδο είναι η εταιρεία Shinko Wire Co. (Ιαπωνία) [51-53], µε την εµπορική ονοµασία Alporas, το 1986 και το πανεπιστήµιο του Cambridge. Σχήµα 2.7 Προσθήκη υδριδίου του τιτανίου TiH 2 σε τήγµα αλουµινίου για την παρασκευή αφρού κλειστής δοµής. Αρχικά στο µέταλλο προστίθεται ασβέστιο Ca για τον έλεγχο της τιµής του ιξώδους. Η µέθοδος περιλαµβάνει αρχικά την διάλυση ενός παράγοντα αύξησης του ιξώδους, συνήθως ασβεστίου ή σκόνης αλουµινίου. Το τήγµα αναδεύεται συνεχώς για ένα ορισµένο χρονικό διάστηµα. Η µέτρηση της τιµής του ιξώδους γίνεται έµµεσα, είτε µετρώντας την τάση του ηλεκτροκινητήρα που περιστρέφει τον αναδευτήρα, είτε µετρώντας µε κατάλληλη διάταξη την µεταβολή της ροπής που αναπτύσσεται στον αναδευτήρα. Όταν το ιξώδες αποκτήσει την επιθυµητή τιµή προστίθεται το TiH 2 σε µορφή σκόνης. Η υψηλή θερµοκρασία οδηγεί στην διάσπασή του και την απελευθέρωση υδρογόνου [53-55]. Στην συνέχεια υπό σταθερή ατµοσφαιρική πίεση διογκώνεται και ψύχεται σταθεροποιώντας την δοµή. Η όλη διαδικασία αφροποίησης διαρκεί περίπου δεκαπέντε λεπτά για ένα τελικό προϊόν διαστάσεων 2050 x 650 x 450 mm. Το κύριο χαρακτηριστικό των µεταλλικών αφρών που παρασκευάζονται µε αυτή την µέθοδο είναι η οµοιογένεια της κατανοµής των πόρων. Μάλιστα οι µεταλλικοί αφροί τύπου Alporas θεωρούνται οι πλέον οµοιογενείς [56]. Τυπικές τιµές πυκνότητας των αφρών αυτών κυµαίνονται ανάµεσα σε 0.18 και 0.24 g/cm 3, ενώ οι πόροι έχουν µέγεθος από 2 εως 10 mm. Οι παράµετροι που καθορίζουν την ποιότητα του µεταλλικού αφρού είναι ο χρόνος και η ταχύτητα ανάδευσης, η θερµοκρασία, η σύσταση του τήγµατος, το είδος των προσθηκών και η ποσότητά τους και οι συνθήκες ψύξης. Αυτές είναι οι παράµετροι που µπορούν να καθοριστούν άµεσα. Έµµεσα επηρεάζεται η τιµή του ιξώδους.

40 32 Σχήµα 2.8 Στοχαστική δοµή µεταλλικού αφρού παρασκευασµένου µε την µέθοδο της άµεσης αφροποίησης µε αεριογόνο µέσο (Alporas). Σκοπός της προσθήκης ουσιών όπως το ασβέστιο Ca, του οξειδίου του µαγγανίου (MnO 2 ) και οξειδίων του αλουµινίου είναι η αύξηση του ιξώδους του τήγµατος. Ο λόγος για τον οποίο επιδιώκεται κάτι τέτοιο είναι για να περιοριστεί η καθίζηση του υγρού µετάλλου από την περιοχή συγκέντρωσης των φυσαλίδων αερίου. Έχει διαπιστωθεί ότι η χαµηλή τιµή του ιξώδους του υγρού αλουµινίου επιτρέπει αφενός στο εκλυόµενο αέριο να σχηµατίσει φυσαλίδες µεγάλου µεγέθους, αφετέρου οι φυσαλίδες να ανέβουν στην επιφάνεια µε µεγάλη ταχύτητα και να προκαλέσουν ανοµοιογένεια στην τελική δοµή του αφρού. Ο περιορισµός του µεγέθους των φυσαλίδων οφείλεται στην αύξηση της επιφανειακής πίεσης P c του υγρού µετάλλου. Ο ρυθµός ανάπτυξης µιας φυσαλίδας εξαρτάται από την σχέση : P n > P a + P h +P c Όπου P n η πίεση στο εσωτερικό της φυσαλίδας, P h η υδροστατική πίεση σε βάθος h στο υγρό, P a η πίεση στην επιφάνεια του τήγµατος (ατµοσφαιρική) και P c η πρόσθετη πίεση που ασκούν επιφανειακές τάσεις σ. Η προσθήκη λοιπόν των παραπάνω συστατικών αυξάνει την επιφανειακή τάση στο εσωτερικό του τήγµατος. Η ακριβής διαδικασία µε την οποία επιτυγχάνεται αυτό στην περίπτωση του ασβεστίου περιλαµβάνει την δέσµευση οξυγόνου από το ασβέστιο και τον σχηµατισµό CaO. Εποµένως σε κάθε περίπτωση επιδιώκεται η διασπορά οξειδίων είτε µε απ ευθείας προσθήκη (MnO 2, Al 2 O 3 ) είτε έµµεσα µε σχηµατισµό εντός του τήγµατος. Η ανάδευση προσφέρει σε αυτή την περίπτωση το απαιτούµενο οξυγόνο στο εσωτερικό µε την διάσπαση του παθητικού στρώµατος οξειδίου του αλουµινίου που σχηµατίζεται στην επιφάνεια. Έτσι ανάλογα µε την ποσότητα των ουσιών που προστίθενται και τον χρόνο αλλά και την ένταση ανάδευσης επηρεάζεται έµµεσα η τελική πυκνότητα του αφρού. Αναφέρθηκε ότι ένας βασικός παράγοντας ανάπτυξης µιας φυσαλίδας είναι το άθροισµα των εξωτερικών πιέσεων που πρέπει να υπερνικηθεί από την εσωτερική πίεση του αερίου. Η µόνη συνιστώσα πίεσης που επηρεάζεται άµεσα κατά την διεργασία αφροποίησης είναι η πίεση λόγω επιφανειακών τάσεων η οποία δίνεται από την σχέση : P c =2σ/r

41 33 Σχήµα 2.9 Επίδραση του MnO 2 στην πυκνότητα του µεταλλικού αφρού. Σχήµα 2.10 Επίδραση του χρόνου ανάδευσης στην πυκνότητα του µεταλλικού αφρού. Όπου σ η επιφανειακή τάση και r η ακτίνα της φυσαλίδας. Για µια µέση τιµή r = 0.05 µm υπολογίζεται ότι η πίεση που απαιτείται στο εσωτερικό της φυσαλίδας, για µια οµοιογενή ανάπτυξη, είναι της τάξης των 178 atm. Προκύπτει δηλαδή ένα µεγάλο θερµοδυναµικό εµπόδιο το οποίο η φυσαλίδα πρέπει να υπερνικήσει για να αναπτυχθεί. Η πίεση σε καµία περίπτωση στην πράξη δεν αγγίζει αυτό το όριο. Την λύση στο πρόβληµα φαίνεται να προσφέρουν οι πρόσθετες ουσίες (TiH 2, MnO 2, Al 2 O 3 ) [57,58] οι οποίες εκτός των επιδράσεων που προαναφέρθηκαν εισάγουν στο σύστηµα-τήγµα την απαραίτητη θερµοδυναµική αστάθεια ώστε µε µικρότερη ενέργεια (πίεση) να ενεργο-ποιείται ο µηχανισµός ανάπτυξης των φυσαλίδων. Η θερµοδυναµική αστάθεια στην συγκεκριµένη περίπτωση εκφράζεται µε την δηµιουργία εστιών πυρηνοποίησης που αποτελούν τα πρόσθετα σωµατίδια. Η ανάδευση προσφέρει εκτός των άλλων και την συσσωµάτωση των πρόσθετων οξειδίων µε αποτέλεσµα την ενίσχυση της πυρηνοποί-ησης. Μεγαλύτεροι χρόνοι ανάδευσης οδηγούν σε ευρύτερη συσσωµάτωση οξειδίων σε όλη την έκταση του υγρού µετάλλου διευκολύνοντας την αφροποίηση. Σχήµα 2.11 Συσσωµάτωση οξειδίων του αλουµινίου σε κράµα Al-Si-Mg για διαφορετικούς χρόνους ανάδευσης: a) 0 min, b) 12 min, c) 20 min.

42 34 Η θερµοκρασία είναι ένας από τους βασικότερους παράγοντες που επηρεάζουν την διαδικασία. Αύξηση της θερµοκρασίας προκαλεί αύξηση της πίεσης P n και αντίστοιχη µείωση της P c µε αποτέλεσµα την εύκολη πυρηνοποίηση και ανάπτυξη των φυσαλίδων. Ανάλογη επίδραση έχει και το ποσοστό του αφροποιητικού µέσου. Η διαφορά της ισχύος των δύο παραµέτρων εµφανίζεται στον τρόπο µε τον οποίο επηρεάζουν το µέγεθος των πόρων. Η αύξηση της θερµοκρασίας έχει µεγαλύτερη επίδραση στo πορώδες σε σχέση µε την ποσότητα TiH 2. Σχήµα 2.12 Επίδραση της θερµοκρασίας στην πυκνότητα και το πορώδες. Σχήµα 2.13 Επίδραση του ποσοστού TiH 2 στην πυκνότητα και το πορώδες. Έχει διαπιστωθεί πειραµατικά ότι υπάρχουν θερµοκρασιακά όρια µέσα στα οποία πρέπει να κινείται η διεργασία προκειµένου να επιτευχθεί µεταλλικός αφρός ικανοποιητικής δοµής. Καθορίζεται έτσι ένα θερµοκρασιακό εύρος ανάµεσα στους 723 Κ και τους 1073 Κ. Για θερµοκρασίες χαµηλότερες των 723 Κ η διάσπαση του TiH 2 είναι πολύ περιορισµένη, ενώ για θερµοκρασίες άνω των 1073 Κ δηµιουργούνται µεγάλου µεγέθους φυσαλίδες και εξαιρετικά ασταθής δοµή. Ανάλογα µε την σύσταση του κράµατος καθορίζεται ένα στενό θερµοκρασιακό και η ακριβής τιµή εκλέγεται βάσει της πυκνότητας της τελικής δοµής. Σχήµα 2.14 Απώλεια µάζας TiH 2 σε ατµόσφαιρα αργού Ar (10Κ/min).

43 35 Το τελευταίο στάδιο της παρασκευής του µεταλλικού αφρού περιλαµβάνει την ψύξη και την ακινητοποίηση των φυσαλίδων στην τελική τους θέση. Ταυτόχρονα σταµατά και η ανάπτυξή τους. Ο ρυθµός αλλά και ο τρόπος στερεοποίησης είναι οι τελευταίες παράµετροι που καθορίζουν την δοµή του αφρού. Στο καθαρό αλουµίνιο η στερεοποίηση γίνεται µε την ανάπτυξη ενός µετώπου δενδριτών και η κατεύθυνσή του καθορίζεται από την θερµοκρασιακή βαθµίδα. Πρακτικά, δηλαδή, από τα τοιχώµατα της υψικαµίνου προς το κέντρο του τήγµατος. Καθώς η στερεοποίηση προχωρά προς το κέντρο, η κίνηση των φυσαλίδων χαρακτηρίζεται από δύο συνιστώσες ταχύτητας. Μια κάθετη V U και µια οριζόντια V R. Η κάθετη συνιστώσα οφείλεται στην υδροστατική άνωση και δίνεται από την σχέση του Stokes: 2 2r ( ρl ρg)g Vu = 9 n όπου r η ακτίνα της φυσαλίδας, ρ L το ειδικό βάρος του τήγµατος, ρ g το ειδικό βάρος της φυσαλίδας, g η επιτάχυνση της βαρύτητας και n το ιξώδες. Την µεγαλύτερη τιµή της την έχει στο κέντρο του υγρού όπου η δενδριτική δοµή αργεί να φτάσει και το ιξώδες έχει υψηλότερη τιµή. Η δεύτερη συνιστώσα V R οφείλεται στην ανάπτυξη του δενδριτικού µετώπου και την φυσική µείωση της διατοµής στο κέντρο που αυτή προκαλεί. Εποµένως οι φυσαλίδες που δεν προλαβαίνουν να εµπλακούν από τους δενδρίτες στερεοποίησης µετακινούνται διαρκώς προς το κέντρο όπου και πιέζονται µεταξύ τους. Η συσσώρευση αυτή στο κέντρο, καθώς και το µεγαλύτερο µέγεθος που αποκτούν λόγω χαµηλότερου ιξώδους από τις άκρες, προκαλεί την συσσωµάτωσή τους και την δηµιουργία ακόµη µεγαλύτερων φυσαλίδων. Το φαινόµενο όµως αυτό αλλάζει αν το τήγµα δεν αποτελείται από καθαρό αλουµίνιο (99.6%), αλλά από κράµα του µε κύρια προσθήκη το µαγνήσιο Mg ~10%. Τότε η στερεοποίηση δεν γίνεται µε την ανάπτυξη µετώπου δενδριτών αλλά µε την δηµιουργία δενδριτικού δικτύου σε όλη την µάζα, που παγιδεύει τις φυσαλίδες στις τελικές τους θέσεις. Στο φαινόµενο αυτό συνεισφέρει και η διάχυση του υδρογόνου ανάµεσα στο υγρό µέταλλο. Υπάρχει σαφής συσχετισµός ανάµεσα στην χρονική διάρκεια στερεοποίησης και την διάχυση. Μικρότεροι ρυθµοί ψύξης συνεπάγονται µεγάλους χρόνους στερεοποίησης και µεγαλύτερη µάζα διαχεόµενου αερίου. Έτσι δίνεται η δυνατότητα δηµιουργίας µεγαλύτερων πόρων. Η µαθηµατική σχέση που συνδέει την ακτίνα των φυσαλίδων µε τον χρόνο στερεοποίησης είναι η εξής: µε : K R(t) = [ ] 2 K D + + 2(0.9253K) D 3 K= D(C C w) ρg π t 0.5 όπου t ο χρόνος αφροποίησης, D ο συντελεστής διάχυσης του υδρογόνου στο υγρό αλουµίνιο, C η συγκέντρωση του αερίου στο υγρό, C w η συγκέντρωση του αερίου στην φυσαλίδα. Εποµένως το στάδιο της ψύξης είναι ιδιαίτερα σηµαντικό για τον έλεγχο του πορώδους και της οµοιοµορφίας της δοµής.

44 36 Στα πλεονεκτήµατα της µεθόδου περιλαµβάνονται: η απλότητα της µεθόδου, η κατασκευή πολύπλοκων σχηµάτων, ιδιαίτερα οµοιογενής δοµή, Στα µειονεκτήµατα περιλαµβάνονται: υψηλότερο κόστος από την χρήση αεριογόνων µέσων, δυσκολία στον έλεγχο της πυκνότητας και του µεγέθους των πόρων, εισαγωγή ξένων στοιχείων όπως ασβέστιο Ca και τιτάνιο Ti Μέθοδος Gasar. Ευτηκτικός µετασχηµατισµός στερεού αερίου. Η µέθοδος παρασκευής µεταλλικών αφρών γνωστή µε την ονοµασία gasar, βασίζεται στον ευτηκτικό µετασχηµατισµό αερίου - στερεού [59,60]. Μελετήθηκε αναλυτικά για πρώτη φορά το χρονικό διάστηµα στην Εθνική Ακαδηµία Μεταλ-λουργίας (πρώην Ε.Σ.Σ..) που σήµερα ανήκει στην Ουκρανία. Η µέθοδος διατηρή-θηκε µυστική έως το 1993 όπου και έγινε ευρέως γνωστή. Έκτοτε δοκιµάστηκε µε επιτυχία και σε άλλα κράτη όπως η Ιαπωνία, η Πολωνία και οι Η.Π.Α. Το κυρίαρχο φαινόµενο στο οποίο στηρίζεται η µέθοδος gasar είναι ο ευτηκτικός µετασχηµατισµός ενός διαλύµατος µετάλλου, εµπλουτισµένο µε κάποιο αέριο, σε στερεή φάση µετάλλου και φυσαλίδες αερίου. Ο ταυτόχρονος σχηµατισµός των δύο φάσεων (στερεό και αέριο) από το υγρό µέταλλο προσοµοιάζει απόλυτα την ευτηκτική αντίδραση. Η όλη διεργασία γίνεται µέσα σε ειδικές διατάξεις οι οποίες µπορεί να είναι σταθερές ή περιστρεφόµενες κατά 90 0 ή Στις περιστρεφόµενες διατάξεις είναι δυνατή η τήξη του µετάλλου σε χωνευτήρι και µετά την περιστροφή η µεταφορά του σε καλούπι. Η βάση του καλουπιού ψύχεται µέσω κυκλοφορίας νερού, ενώ όλη η διάταξη είναι θερµικά µονωµένη ώστε να ελέγχεται µε ακρίβεια η θερµοκρασία. Έτσι επιτυγχάνεται στερεοποίηση ορισµένης κατεύθυνσης. Ο θάλαµος εσωτερικά περιέχει αέριο υπό πίεση µε χαρακτηριστική τιµή τις 50 ατµόσφαιρες. Με παρόµοιες διατάξεις είναι δυνατή η παρασκευή αφρών µε αξονικό, ακτινικό ή συνδυασµένο προσανατολισµό πόρων. Η ευτηκτική αντίδραση στερεού - αερίου εµφανίζεται κατά κύριο λόγο σε συστήµατα των µετάλλων µε το υδρογόνο, όπως τα συστήµατα Cu-H, Fe-H, Ni-H, Co-H, Mg-H, Fe-C-H, Al-H, Be-H, Cr-H, Mn-H, Mo-H, Ti-H και W-H. Ενδιαφέρον επίσης παρουσιάζουν και ορισµένα συστήµατα οξυγόνου όπως Ag-O, Fe-C-O, Cu-O, κάποια µετάλλου και αζώτου όπως Fe-N, Ni-N, Cu-N, Mn-N, καθώς και συστήµατα κεραµικών µε τα παραπάνω αέρια. Οι παράµετροι που επηρεάζουν τους αφρούς gasar είναι η σύσταση του κρά- µατος, το περιεχόµενο του κράµατος σε αέριο, η µερική πίεση του αερίου πάνω από το τήγµα, η εξωτερική πίεση κατά την διάρκεια της στερεοποίησης, η θερµοκρασία του τήγµατος και ο ρυθµός ψύξης. Οι αφροί που παράγονται µε αυτή την µέθοδο χαρακτηρίζονται από µονοκρυσταλλική δοµή και πόρους µε οµαλή επιφάνεια. Το µέγεθος, το πλήθος, το σχήµα και ο προσανατολισµός των πόρων µπορούν να καθοριστούν µε κατάλληλο συνδυασµό των παραπάνω παραµέτρων.

45 37 Σχήµα 2.15 Στεγανοί θάλαµοι για την σύνθεση αφρού gasar. α) χύτευση µετά από περιστροφή κατά 180 0, β) χύτευση µετά από περιστροφή κατά τοίχωµα, 2- καπάκι, 3- ψύξη µε νερό, 4- ρυθµιστής πίεσης αερίου, 5- χωνευτήρι µετάλλου, 6 - τήγµα, 7 - θερµοζεύγος, 8 - στεγανοποιητική φλάντζα, 9 - µεταλλικά φύλλα, 10- καλούπι, 11- θερµαντική αντίσταση µολυβδαινίου, 12- χοάνη, 13- αντλία κενού, 14- κύκλωµα κυκλοφορίας νερού. Μεγαλύτερη επιρροή όµως έχει η µερική πίεση του αερίου πάνω από το τήγµα P h. Αν η πίεση διατηρηθεί σε µεγαλύτερα επίπεδα από την πίεση διαβροχής του υδρογόνου στο υγρό µέταλλο (P h > P S ) τότε η ανάπτυξη των φυσαλίδων περιορίζεται. Η µείωση της µερικής πίεσης κάτω από το όριο P S έχει το αντίθετο αποτέλεσµα. Η αύξηση της πίεσης για την ίδια ποσότητα αερίου (H ή O ή N) µπορεί να επιτευχθεί µε την προσθήκη κάποιου αδρανούς αερίου. Με κατάλληλη εναλλαγή στην τιµή των πιέσεων είναι δυνατή η παρασκευή πιο σύνθετων δοµών όπου οι πορώδεις ζώνες χωρίζονται από συµπαγή στρώµατα στερεού µετάλλου. Οι φυσαλίδες σχηµατίζονται ετερογενώς σε περιοχές ασυνέχειας της υγρής φάσης. Τέτοιες περιοχές είναι κυρίως τα όρια της υγρής φάσης, δηλαδή, η διεπιφάνεια υγρού στερεού και τα τοιχώµατα του καλουπιού. Στο εσωτερικό της υγρής φάσης πιθανά σηµεία πυρηνοποίησης αποτελούν φυσαλίδες που προέκυψαν κατά την χύτευση ή κατά την διέλευση αερίου. Σε κάθε περίπτωση πρέπει οι πιθανές εστίες πυρηνοποίησης να είναι θερµοδυναµικά ισοδύναµες και οµοιόµορφα κατανεµηµένες. Εποµένως η εξασφάλιση της βέλτιστης ποιοτικά διεπιφάνειας ανάµεσα στην υγρή φάση και το στερεό αποτελεί βασική προϋπόθεση για την παρασκευή αφρών gasar.

46 38 Σχήµα 2.16 Απεικόνιση του σχηµατισµού φυσαλίδων στην διεπιφάνεια στερεού - υγρού µετάλλου: 1-6 διαδοχικά στάδια ανάπτυξης αφρού gasar. Ο συγκεκριµένος ευτηκτικός µετασχηµατισµός δεν οδηγεί πάντα σε κάθετα προσανατολισµένους πόρους ως προς το επίπεδο στερεοποίησης. Για να γίνει η διάκριση ανάµεσα στους πόρους gasar και τους τυχαία προσανατολισµένους επινοήθηκε ο όρος γκαζαρίτης (gasarite). Η ύπαρξη των γκαζαριτών, µε την συγκεκριµένη γεωµετρική τους διάταξη, είναι που προσδίδει στους φερώνυµους µεταλλικούς αφρούς τις ιδιότητές τους. Υπάρχουν δύο είδη γκαζαριτών ανάλογα µε τον τρόπο εξέλιξης της στερεοποίησης. Όταν την στερεοποίηση καθορίζει η δηµιουργία δενδριτικού δικτύου µέσα στο οποίο σχηµατίζονται φυσαλίδες, τότε οι γκαζαρίτες ονοµάζονται δενδριτικοί. Σε αυτή την περίπτωση οι φυσαλίδες είναι αποµονωµένες και διατεταγµένες κατά την φορά ανάπτυξης των δενδριτών. Όταν οι φυσαλίδες έχουν ένα τέτοιο µέγεθος που να ξεπερνά τα όρια των δενδριτών τότε καθορίζουν αυτές την στερεοποίηση και οι γκαζαρίτες ονοµάζονται θυλακοειδείς. Σχήµα 2.17 α), β) Εγκάρσιες και γ), δ) διαµήκεις τοµές αφρού gasar από χαλκό µε κυλινδρικούς ευθυγραµµισµένους πόρους (σχετικής πυκνότητας =0.84).

47 39 Σχήµα 2.18, 2.19 Αφροί µαγνησίου gasar αξονικού (αριστερά) κα ακτινικού (δεξιά) προσανατολισµού [59,61]. Σχήµα 2.20 Επιφάνεια θραύσης gasar. Σχήµα 2.21 Gasar νικελίου (πορώδες 56%) Οι βασικές αιτίες που µπορεί να προκαλέσουν ανοµοιοµορφία στην δοµή ενός αφρού gasar είναι : η ταυτόχρονη ανάπτυξη φυσαλίδων διαφορετικού µεγέθους, η συγχώνευση γειτονικών πόρων, η τοπική διαφοροποίηση του ρυθµού στερεοποίησης και η τοπική διαφοροποίηση της πίεσης του αερίου. Τα υλικά στα οποία έχει εφαρµοστεί η µέθοδος gasar είναι τα εξής : Μέταλλα : το νικέλιο (Ni) [62], ο χαλκός (Cu) [63-68], ο σίδηρος (Fe), το µαγνήσιο (Mg) [69], το αλουµίνιο (Al) [70,71], το τιτάνιο (Ti), το κοβάλτιο (Co) και άλλα. Κράµατα µετάλλων : µπρούντζοι, χάλυβες, λευκοί και γκρίζοι χυτοσίδηροι, Inconel και άλλα. Κεραµικά : Al 2 O 3, MgO 2, ZrO 2. Ορισµένα τυπικά χαρακτηριστικά αφρών gasar : Πορώδες %. ιάµετρος πόρων µm. Προσανατολισµός των πόρων : ακτινικός, αξονικός και συνδυασµένος. Σχήµα πόρων : κυλινδρικό, σφαιρικό και ελλειψοειδές.

48 Μέθοδος Formgrip (Foaming of Reinforced Metals by Gas Release in Precursors). Ετεροχρονισµένη αφροποίηση προτύπων σε µήτρες. Ένα µεγάλο µειονέκτηµα της χρήσης µέσων έκλυσης αερίου για την παρασκευή µεταλλικών αφρών είναι η άµεση διάσπασή τους και η γρήγορη έκλυση υδρογόνου, κατά την εισαγωγή τους στο υγρό µέταλλο. Αυτό καθιστά ιδιαίτερα δύσκολο τον έλεγχο της διεργασίας και τον προσδιορισµό της δοµής του τελικού προϊόντος. Το 1976 προτάθηκε από τον Seed µια τεχνική κατάλυσης και ελέγχου της έκλυσης υδρογόνου. Η τεχνική αυτή προβλέπει την ανάµιξη της σκόνης υδριδίου του µετάλλου µε σκόνη αλουµινίου και τη θέρµανσή της για ορισµένο χρονικό διάστηµα. Η θερµική αυτή επεξεργασία προκαλεί το σχηµατισµό οξειδίου γύρω από τους κόκκους του υδριδίου. Η παρουσία του οξειδίου καθυστερεί την άµεση έκλυση υδρογόνου όταν η σκόνη εισαχθεί στο λιωµένο µέταλλο. Έτσι δίνεται η δυνατότητα να αναµιχθεί η σκόνη οµοιόµορφα στη µάζα του µετάλλου. Μετά τη χύτευσή σε κατάλληλα διαµορφωµένο καλούπι από γραφίτη ακολουθεί επαναθέρµανση και έκλυση του υδρογόνου, αφροποίηση και σταθεροποίηση της δοµής µε στερεοποίηση µέσω ελεγχόµενης ψύξης. Σχήµα 2.22 Σχηµατική απεικόνιση της µεθόδου Formgrip για βιοµηχανική παραγωγή µεταλλικού αφρού τρισδιάστατης µορφής. Από το 2001 η µέθοδος εφαρµόζεται από τη Cymat. Βασικές παράµετροι που επηρεάζουν την καθυστέρηση της διάσπασης υδρογόνου αποτελούν : το βάθος της ζώνης διάχυσης του οξειδίου του µετάλλου (TiO 2 ), η συγκέντρωση υδρογόνου στη σκόνη, η αρχική θερµοκρασία τήξης και ο ρυθµός ψύξης του προτύπου. Η παρουσία αλουµινίου στη φάση οξείδωσης της σκόνης δεν είναι απαραίτητη, αν και διευκολύνει το σχηµατισµό TiO 2. Καθοριστικό όµως ρόλο στην προεργασία αυτή έχει η θερµοκρασία και η χρονική διάρκεια.

49 41 Έχει διαπιστωθεί ότι η βέλτιστη θερµική επεξεργασία της σκόνης πρέπει να περιλαµβάνει δύο στάδια. Στο πρώτο η θερµοκρασία διατηρείται σε σχετικά χαµηλά επίπεδα (400 ο C) για να αποφευχθεί η διάσπαση του υδριδίου. Η χρονική διάρκεια αυτού του σταδίου αγγίζει τις 24 ώρες έτσι ώστε να σχηµατιστεί ένα πρώτο στρώµα οξειδίου. Επειδή το πάχος του στρώµατος αυτού είναι σχετικά µικρό ακολουθεί και δεύτερο στάδιο θέρµανσης σε υψηλότερη θερµοκρασία ( ο C). Το στάδιο αυτό διαρκεί λιγότερο (1-3 ώρες περίπου) αλλά ευνοεί το σχηµατισµό µεγαλύτερου στρώ- µατος οξειδίου, έτσι ώστε να αντέχει στην υψηλή θερµοκρασία του λιωµένου µετάλλου. Ωστόσο ένα µικρό ποσοστό υδρογόνου πάντα εκλύεται κατά το στάδιο της επεξεργασίας της σκόνης. Σχήµα 2.23 Θερµοβαροµετρικές καµπύλες TiH 2 σε ατµόσφαιρα αργού (Ar) που απεικονίζουν την καθυστέρηση έκλυσης υδρογόνου εξαιτίας της θερµικής επεξεργασίας. Η θερµοκρασία αυξάνονταν κατά 20 ο C ανά λεπτό. Από το διάγραµµα φαίνεται ότι ουσιαστική καθυστέρηση στην έναρξη της αντίδρασης του TiH 2 προσφέρει το δεύτερο στάδιο θέρµανσης. Η τελική µορφή της δοµής του µεταλλικού αφρού είναι αποτέλεσµα της αλληλεπίδρασης τριών µηχανισµών : της πυρηνοποίησης των πόρων, της ανάπτυξής τους εξαιτίας της απελευθέρωσης του υδρογόνου και της αναδιάταξης πόρων και µετάλλου κατά τη φάση διαστολής του αφρού. Επιπλέον οι µηχανισµοί αυτοί καθορίζονται άµεσα από τις εξής παραµέτρους : την περιεκτικότητα του µετάλλου σε κραµατικές ενώσεις, την πορεία θέρµανσης σε σχέση µε το χρόνο (θερµοκρασικό προφίλ) και κυρίως από 1) το ρυθµό και την ποσότητα έκλυσης υδρογόνου, 2) το ιξώδες του υγρού κράµατος και 3) το κρίσιµο πάχος τοιχώµατος κελιού σε θραύση που καθορίζει το βαθµό συγχώνευσης των κελιών.

50 42 Σχήµα 2.24 Καµπύλες θέρµανσης συναρτήσει του χρόνου, που ακολουθήθηκαν κατά το στάδιο επεξεργασίας του προτύπου µετά τη χύτευσή του στο καλούπι -µήτρα. Η θερµοκρασία, η µερική πίεση και η συγκέντρωση του υδρογόνου στο στάδιο της προπαρασκευής έχουν άµεση αλληλεπίδραση µεταξύ τους. Έχει διαπιστωθεί πειραµατικά ότι αύξηση της θερµοκρασίας κατά 100 ο C από ~600 ο C σε ~700 ο C διατηρώντας σταθερή τη συγκέντρωση υδρογόνου προκαλεί αύξηση κατά µια τάξη µεγέθους της µερικής πίεσής του. Αντίστοιχα µείωση της αναλογίας Η / Ti από 1.9 σε 1.7, δηλαδή της συγκέντρωσης υδρογόνου, επιφέρει µείωση της πίεσης κατά µια τάξη µεγέθους (για σταθερή θερµοκρασία ~ 606 ο C). Αυτό εξηγεί τη µεγάλη διαφοροποίηση του πορώδους ανάµεσα στα δοκίµια (γ) και (δ) της Σχήµα ς 2.25, µε µόνη διαφορά τη µεταβολή της θερµοκρασίας κατά 20 0 C. Όπως εφαρµόζεται και στις µεθόδους άµεσης αφροποίησης τήγµατος, έτσι και εδώ η αύξηση της τιµής του ιξώδους επιτυγχάνεται µε προσθήκη κατάλληλων χηµικών ενώσεων. Συνήθως χρησιµοποιείται το καρβίδιο του πυριτίου SiC. Σκοπός αυτής της αύξησης του ιξώδους είναι ο περιορισµός του διαχωρισµού των σωµατιδίων TiH 2 από το σώµα του µετάλλου (καθίζηση) έτσι ώστε κατά την αφροποίηση να επιτευχθεί οµοιογενής δοµή. Επίσης το ιξώδες ρυθµίζει και το ρυθµό ανάπτυξης τον πόρων µέσα στο καλούπι. Η ύπαρξη όµως σωµατιδίων κεραµικής φύσεως και τυχαίας γεωµετρίας στο µέταλλο (SiC) εισάγει ένα µεγάλο πλήθος ασυνεχειών στη δοµή. Έχει παρατηρηθεί ότι στην περιοχή των σωµατιδίων δηµιουργούνται µικρορωγµές που εξελίσσονται σε θραύση των τοιχωµάτων των κελιών και οδηγούν στη συγχώνευσή τους. Η συγχώνευση είναι ένα ανεπιθύµητο φαινόµενο γιατί διαταράσσει την οµοιογένεια της δοµής και προκαλεί υπερβολική αύξηση του µεγέθους των πόρων. Καλής ποιότητας µεταλλικοί αφροί χαρακτηρίζονται γενικά από µεγάλο πλήθος πόρων ή κελιών και σταθερή και χαµηλή τιµή µεγέθους. Το µέγεθος που καθορίζει το αν δύο γειτονικά κελιά θα συγχωνευτούν ή όχι είναι το κρίσιµο πάχος τοιχώµατος κελιού. Μικρή τιµή αυτού του µεγέθους σηµαίνει πρακτικά ελάττωση του φαινοµένου της συγχώνευσης. Το ιξώδες επηρεάζει άµεσα το µέγεθος αυτό. Αύξηση του ιξώδους ελαττώνει το κρίσιµο µέγεθος τοιχώµατος. Έτσι µε προσθήκη SiC προκύπτουν πρότυπα σταθερότερης δοµής λόγω αύξησης του ιξώδους.

51 43 Σχήµα 2.25 Οπτική µικρογραφική ανάλυση δοµής σύνθετου αφρού Al-9Si / SiC P. Απεικονίζεται η επίδραση του ποσοστού SiC (vol %) και της θερµικής πορείας στο χρόνο (T1-T6), στο πορώδες (P) και τη µέση διάµετρο του κελιού (d). Ο όρος σύνθετος αφορά τη σύσταση του µητρικού µετάλλου (καθαρό µέταλλο ή κράµα). Σχήµα 2.26 Κατανοµή σωµατιδίων SiC σε τοµή τοιχώµατος κελιού - (α) και κόµβου (περιοχή συνάντησης πόρων) - (β).

52 44 Ένας άλλος τρόπος µε τον οποίο µπορεί να ενισχυθεί η δοµή είναι µε τη χρήση λεπτόκοκκων σωµατιδίων SiC. Η µείωση του µεγέθους των κεραµικών κόκκων περιορίζει το φαινόµενο της ανάπτυξης µικρορωγµών στα τοιχώµατα των κελιών. Και πάλι µε τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η αύξηση του ιξώδους. Τα πλεονεκτήµατα της µεθόδου Formgrip είναι : ο καλύτερος έλεγχος της διεργασίας αφροποίησης, η δυνατότητα δηµιουργίας σύνθετων τρισδιάστατων σχηµάτων, καλής ποιότητας πορώδες. Σαν µειονεκτήµατα µπορούν να θεωρηθούν : η προσθήκη ξένων ουσιών στο τελικό προϊόν (SiC, Ti), η ύπαρξη πολλών σταδίων επεξεργασίας, η µεγάλη χρονική διάρκεια του σταδίου προπαρασκευής.

53 Χύτευση δύο σταδίων µε χρήση πολυµερικού αναλώσιµου προτύπου. Κυψελοειδή µέταλλα ανοιχτής δοµής µπορούν να παρασκευαστούν µε µια µέθοδο που εφαρµόστηκε το 1968 από την εταιρεία ERG (Energy Research and Generation) µε έδρα την Καλιφόρνια των Η.Π.Α. και έχουν την εµπορική ονοµασία Duocel. Η µέθοδος αυτή αποτελείται από πέντε βασικά στάδια. Το πρώτο στάδιο περιλαµβάνει τη δηµιουργία αφρού από πολυµερές, τη µορφή του οποίου θα έχει και το τελικό προϊόν. Στο δεύτερο στάδιο χυτεύεται ένα µίγµα κεραµικών υλικών όπως µουλίτης, φαινολική ρητίνη και ανθρακικό ασβέστιο ή απλά γύψος, στον κενό χώρο του αφρού. Αυτό αποτελεί και το υλικό πλήρωσης. Στη συνέχεια µετά τη στερεοποίηση του κεραµικού αφαιρείται ο πολυµερικός αφρός µε θέρµανση σε υψηλή θερµοκρασία. Στον κενό χώρο που δηµιουργείται πλέον µε την καύση του πολυµερικού αφρού προστίθεται το µέταλλο µε χύτευση. Το τελικό στάδιο περιλαµβάνει την αποµάκρυνση του υλικού πλήρωσης, είτε µηχανικά, είτε µε νερό υπό πίεση. Σχήµα 2.27 Αντιγραφή της δοµής πολυµερικού αφρού µε τη βοήθεια διαλυτής κερα- µικής µήτρας [86]. Ειδική µέριµνα πρέπει να δοθεί τόσο στον τρόπο χύτευσης του µετάλλου, όσο και στον τρόπο αφαίρεσης του υλικού πλήρωσης. Οι συνθήκες κάτω από τις οποίες γίνεται η χύτευση περιλαµβάνουν :την τήξη του µετάλλου σε πολύ υψηλή πίεση ώστε να µειωθεί δραστικά το ιξώδες, την εφαρµογή χύτευσης µε υψηλή πίεση, την αναρρόφηση του µετάλλου µε χρήση αντλίας κενού και την κατευθυνόµενη στερεοποίηση. Η εφαρµογή των συνθηκών αυτών εξασφαλίζει την εισροή του υγρού µετάλλου σε όλο το δίκτυο του κενού χώρου που άφησε ο πολυµερικός αφρός µε την αποµάκρυνσή του. Η αφαίρεση του υλικού πληρώσεως πρέπει να γίνεται µε τέτοιον τρόπο ώστε να αποφεύγεται η θραύση των ιδιαίτερα λεπτών στελεχών του κυψελοειδούς µετάλλου και η καταστροφή της δοµής του. Η δοµή των αφρών Duocel είναι καθαρά κυψελοειδής µε το κάθε κελί να έχει τη µορφή δωδεκαέδρου ή δεκατετραέδρου. Η δοµή χαρακτηρίζεται από εξαιρετική οµοιογένεια και στιβαρότητα. Η σχετική πυκνότητα κυµαίνεται από 3-12 % του συµπαγούς µετάλλου ενώ το µέγεθος των κελιών δίνεται από τον αριθµό τους ανά ίντσα µε τιµές από 5 έως 100 ppi (pores per inch).

54 46 Σχήµα 2.28 Χαρακτηριστική κυψελοειδής, ανοιχτή δοµή µεταλλικού αφρού Duocel [87,88]. Πλεονεκτήµατα της µεθόδου θεωρούνται : η κατασκευή σύνθετων µορφών, η εξαιρετικά ανοιχτή δοµή, η οµοιόµορφη κατανοµή των κυψελίδων. Στα µειονεκτήµατα περιλαµβάνονται : το υψηλό κόστος της µεθόδου, η δηµιουργία παραπροϊόντων που επιβαρύνουν το περιβάλλον, ο περιορισµός στο µέγεθος του τελικού προϊόντος.

55 Χύτευση σε αναλώσιµο πολυµερικό πρότυπο για τη δηµιουργία τρισδιάστατης δικτυωτής δοµής - Lattice Block Materials (LBM). Τα πρώτα υλικά µε δοµή τρισδιάστατου πλέγµατος και τυπικά χαρακτηριστικά κυψελοειδών µετάλλων παρασκευάστηκαν από την εταιρεία Jamcorp ( Jonathan Aerospace Materials Corporation ) και είναι γνωστά ως υλικά δικτυωτής δοµής. Τα υλικά αυτά συγκαταλέγονται ανάµεσα σε εκείνα µε δοµή συντακτική ή περιοδική. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν όλα τα κυψελοειδή υλικά, των οποίων η δοµή συνίσταται στην παράθεση στοιχειωδών συµµετρικών µοτίβων στο επίπεδο ή στο χώρο. Τα υλικά των οποίων η δοµή διακρίνεται µόνο από στατιστική οµοιοµορφία χαρακτηρίζονται ως στοχαστικά. Σχήµα 2.29 Σχηµατική απεικόνιση των δύο κυρίαρχων δοµών που χαρακτηρίζουν τα κυψελοειδή µέταλλα : α) συντακτική ή περιοδική, β) στοχαστική. Ο τρόπος κατασκευής των δικτυωτών µετάλλων περιλαµβάνει πρώτα τη δηµιουργία πολυµερικού προτύπου δικτυωτής δοµής. Στη συνέχεια ακολουθεί χύτευση του µετάλλου, το οποίο και αντικαθιστά τον πολυµερικό αφρό που εξαερώνεται. Η µορφή του αρχικού προτύπου διευκολύνει την εισροή του υγρού µετάλλου παρέχοντας ένα συµµετρικό και γεωµετρικά απλό δίκτυο καναλιών, σε σχέση µε τα πρότυπα στοχαστικής δοµής. Πρακτικά όλα τα χυτεύσιµα µέταλλα µπορούν να χρησιµοποιηθούν [89]. Προτιµώνται όµως τα µέταλλα µε ικανοποιητική ρευστότητα, γιατί παρά τη συµµετρική δοµή των καναλιών η χύτευση είναι αρκετά απαιτητική ώστε να αποφευχθούν ατέλειες στο τελικό προϊόν. Τυπικές διαστάσεις µεταξύ των στελεχών είναι τα 6.5 και 25 mm, ενώ η διατοµή του κάθε στελέχους κυµαίνεται από 1.2 έως 3.8 mm. Σχήµα 2.29 Τετραεδρικού πλέγµατος δικτυωτή δοµή. Την ταχεία δηµιουργία του πολυµερικού προτύπου ακολούθησε χύτευση αντικατάστασής του από κράµα χαλκού βηρυλλίου (Cu - 2% Be). Το εικονιζόµενο δείγµα έχει µήκος 300 mm και η διατοµή του κάθε στελέχους είναι 1.2 mm.

56 48 Βασικά µεονεκτήµατα της µεθόδου αποτελούν : το υψηλό κόστος, η δηµιουργία πολύ ανοιχτής δοµής, η δυσκολία κατασκευής σύνθετων γεωµετρικών σχηµάτων και η µειωµένη στιβαρότητα. Πλεονεκτήµατα θεωρούνται η δηµιουργία συντακτικής δοµής µε ισότροπη συµπεριφορά και η δυνατότητα σύνδεσης µεµονωµένων τεµαχίων για τη δηµιουργία πολυστρωµατικών κατασκευών. Σχήµα 2.30 α) ικτυωτό πάνελ κατασκευασµένο από το κράµα Inconel 718, διαστάσεων 131 x 290 x 11 mm. β) Τµήµα της κάτοψης του ίδιου πάνελ µε ορατές τις ενισχύσεις των κόµβων που προστέθηκαν για την ενίσχυση της δοµής. Σχήµα 2.31 ικτυωτά µπλοκ τοποθετηµένα πάνω σε κάτοπτρο µε βάση από LBM.

57 Χύτευση σε αναλώσιµο πρότυπο για τη δηµιουργία µεταλλικών σπόγγων µεταβλητού πορώδους. Μια παραλλαγή της µεθόδου παρασκευής αφρών Duocel περιλαµβάνει πρώτα τη δηµιουργία αναλώσιµων προτύπων από πολυµερικό αφρό, διαφορετικού όµως πορώδους. Στη συνέχεια ενώνονται µε τη χρήση στελεχών από κερί ή ρητίνη, ώστε να δηµιουργηθεί ένα ενιαίο πρότυπο. Το πρότυπο αυτό επικαλύπτεται από µίγµα κεραµικών ουσιών και στη συνέχεια θερµαίνεται. Στο στάδιο της θέρµανσης αφαιρείται η κηροειδής ή ρητινώδης ουσία και στερεοποιείται το κεραµικό περίβληµα. Αυτό το περίβληµα αποτελεί και τη µήτρα χύτευσης που θα δώσει την τελική µορφή στο µεταλλικό σπόγγο. Σχήµα 2.32 Σχηµατική απεικόνιση της µεθόδου παρασκευής µεταλλικών σπόγγων µεταβλητού πορώδους. Η παρασκευή ενός τέτοιου σπόγγου έχει το πλεονέκτηµα της ταυτόχρονης δηµιουργίας µεταλλικών σπόγγων διαφορετικού πορώδους, στην περίπτωση που στο τέλος αποχωριστούν. Αν δεν γίνει διαχωρισµός τότε ενδείκνυται η χρήση τους σε ειδικές εφαρµογές όπου απαιτείται µεταβολή στο πορώδες µε οµαλή µετάβαση από τη µια περιοχή στην άλλη. Ενδιαφέρον παρουσιάζει και η χρήση των σπόγγων αυτών για την παρασκευή σύνθετων υλικών µεταλλικής µήτρας (metal metal composite). Με χύτευση υπό πίεση είναι εφικτή η πλήρωση της δοµής του σπόγγου µε ένα δεύτερο µέταλλο ή κράµα. Το σύνθετο υλικό που προκύπτει έχει µηχανικές ιδιότητες που µεταβάλλονται τοπικά ανάλογα µε το πορώδες του µεταλλικού σπόγγου. Ενδέχεται στη διεπιφάνεια µήτρας και σπόγγου να δηµιουργηθεί οξείδιο του µετάλλου (Al 2 O 3 ) το οποίο όµως δεν φαίνεται να επηρεάζει τις ιδιότητές του.

58 50 Σχήµα 2.33 Τροποποίηση του πορώδους σε οποιαδήποτε διεύθυνση (αριστερά). ιεπιφάνεια δύο γειτονικών περιοχών διαφορετικού πορώδους (δεξιά) Μέθοδος της χύτευσης και αντιγραφής αναλώσιµου προτύπου µε χρήση στοιχείων κατακράτησης χώρου (space holders). Μεταλλικοί σπόγγοι ανοιχτής δοµής µπορούν να παρασκευαστούν µε χύτευση υπό πίεση σε προκατασκευασµένο πρότυπο. Η κατασκευή του προτύπου γίνεται µε χρήση σφαιριδίων από ανόργανα ή οργανικά υλικά όπως πηλός [90], άλατα [91-93], άµµος [94,95] και πολυµερή [96]. Η µέθοδος προσφέρει τη δυνατότητα δηµιουργίας συντακτικής δοµής. Τρία είναι τα στάδια παρασκευής. Το πρώτο περιλαµβάνει την προετοιµασία του προτύπου συσσωµατώνοντας τα στοιχεία κατακράτησης χώρου µε τη βοήθεια κατάλ-ληλων συνδετικών υλικών (binders). Στο δεύτερο στάδιο χυτεύεται το µέταλλο στο καλούπι µε εφαρµογή πίεσης ώστε να διεισδύσει σε όλο τον όγκο του κενού χώρου. Συνήθως η χύτευση υποβοηθείται µε αναρρόφηση αντλίας κενού. Τέλος το πρότυπο µετά τη στερεοποίηση αφαιρείται µε χρήση νερού ή διαλυµάτων, είτε µε καύση. Σχήµα 2.34 Σχηµατική απεικόνιση της µεθόδου αντιγραφής µε χρήση στοιχείων κατακράτησης χώρου.

59 51 Βασική προϋπόθεση για την επιτυχία της µεθόδου είναι η δηµιουργία ενιαίου δικτύου µεταξύ των στοιχείων κατακράτησης χώρου. Σε διαφορετική περίπτωση υπάρχει ο κίνδυνος να αποµονωθεί κάποιο στοιχείο και να ενσωµατωθεί στη δοµή του µεταλλικού σπόγγου χωρίς να υπάρχει δυνατότητα αφαίρεσής του. Ακόµη θα πρέπει το µέταλλο να µην αντιδράσει χηµικά µε το υλικό του προτύπου όταν έρθουν σε επαφή κατά τη χύτευση. Το κύριο πλεονέκτηµα της µεθόδου είναι η δυνατότητα ελέγχου της τελικής δοµής και όσον αφορά τη µορφή των κυψελίδων και όσον αφορά το µέγεθός τους. Το κόστος της µεθόδου είναι χαµηλό, ενώ υπάρχει η δυνατότητα παρασκευής σύνθετων υλικών µε ένωση κατά τη χύτευση συµπαγούς µετάλλου και σπόγγου. Ο µόνος περιορισµός αφορά το πορώδες που συνήθως δεν ξεπερνά το 80 %. Σχήµα 2.35 Μικρογραφία από ηλεκτρονικό µικροσκόπιο (SEM) σπογγώδους δοµής κυψελοειδούς αλουµινίου. Για την εφαρµογή της χύτευσης υπό πίεση η συνηθέστερη πρακτική που εφαρµόζεται είναι η τοποθέτηση του καλουπιού σε θάλαµο µε αδρανές αέριο υπό πίεση. Μια διαφορετική τεχνική προσέγγιση περιλαµβάνει τη µεταφορά του υγρού µετάλλου σε ειδικά διαµορφωµένο ακροφύσιο και την έγχυσή του στο καλούπι µε τη βοήθεια πεπιεσµένου αέρα Η τεχνική αυτή είναι ταχύτερη και ο εξοπλισµός είναι φθηνότερος και καταλαµβάνει µικρότερο όγκο. Έχει ήδη εφαρµοστεί µε επιτυχία για την παρασκευή συµπαγούς περιβλήµατος µεταλλικών αφρών. Σχήµα 2.36 Χύτευση υπό πίεση µε τη χρήση ακροφυσίου έγχυσης µετάλλου [97,98].

60 Συσσωµάτωση επικαλυµµένων µεταλλικών ινών. Μια πολλά υποσχόµενη µέθοδος δηµιουργίας µεταλλικού σπόγγου είναι η σύνδεση ινών µετάλλου µε πυροσυσσωµάτωση, διάχυση ή συγκόλληση. Οι σπόγγοι που προκύπτουν διαθέτουν συνήθως πορώδες µεταξύ των τιµών 30 και 60 %, ενώ σπανιότερα αναφέρονται τιµές από 80 έως 95%. Ένας νέος τρόπος σύνδεσης µεταλλικών ινών περιλαµβάνει αρχικά την επικάλυψη των ινών µε ένα δεύτερο µέταλλο. Στη συνέχεια ακολουθεί θέρµανσή τους σε θερµοκρασία µεγαλύτερη του σηµείου τήξης του δεύτερου µετάλλου για µικρό χρονικό διάστηµα. Βασική προϋπόθεση για την εφαρµογή της µεθόδου είναι το υλικό των ινών να έχει µεγαλύτερο σηµείο τήξης από το µέταλλο επικάλυψης. Ένας πολύ καλός συνδυασµός µετάλλων που έχει ήδη χρησιµοποιηθεί για την παρασκευή µεταλλικού σπόγγου είναι αυτός του ανοξείδωτου χάλυβα 446 µε σύσταση Fe - 26% Cr % C µε τον καθαρό χαλκό Cu. Ο χάλυβας διαµορφώθηκε σε ίνες µήκους 2.5 mm και µέσης διαµέτρου 100 µm. Για την επικάλυψη των ινών χρησιµοποιήθηκε λουτρό ηλεκτρολύτη αποτελούµενος από διάλυµα 200 g / l CuSO 4 και 25 ml / l H 2 SO 4. Σχηµατική αναπαράσταση του τρόπου επικάλυψης των ινών δίνεται στο σχήµα Η διεργασία επικάλυψης κράτησε 2 λεπτά ώστε να δηµιουργηθεί ένα στρώµα χαλκού πάχους 5 µm. Αξίζει να σηµειωθεί ότι κατά την ηλεκτροεναπόθεση οι ίνες διατηρούνταν σε απόσταση µεταξύ τους µε τη βοήθεια µαγνητικού πεδίου. Σχήµα 2.37 Αναπαράσταση της µεθόδου ηλεκτροεναπόθεσης χαλκού Cu σε ίνες Fe.

61 53 Σχήµα 2.38 (SEM) - Χαλύβδινη ίνα επικαλυµµένη µερικώς µε χαλκό. Το γεγονός ότι δεν σχηµατίστηκε ένα ενιαίο στρώµα χαλκού δεν εµπόδισε την πλήρη σύνδεση της ίνας µε γειτονικές της. Το τελευταίο στάδιο της µεθόδου περιλαµβάνει τη θέρµανση των ινών σε θερµοκρασία 1100 ο C (θερµοκρασία τήξης χαλκού ~1083 ο C) για χρονικό διάστηµα περίπου 5 λεπτών. Η θέρµανση στη συγκεκριµένη θερµοκρασία προκάλεσε τήξη του χαλκού και µεταφορά του λόγω τριχοειδούς φαινοµένου στα σηµεία επαφής των ινών µεταξύ τους. Ο ρευστός χαλκός συσσωρεύτηκε γύρω από τα σηµεία αυτά επαφής και κατά τη στερεοποίησή του προκάλεσε µια σταθερή σύνδεση των ινών. Ο τρόπος αυτός σύνδεσης είχε σαν αποτέλεσµα τη δηµιουργία ιδιαίτερα ανθεκτικής δοµής παρά την υψηλή τιµή πορώδους. Με αναλυτικό υπολογισµό προσδιορίστηκε µια µέση τιµή ενέργειας θραύσης γύρω στο 1 ΚJ / m 2. Σχήµα 2.39 Το διάγραµµα αναπαριστά την πορεία της θερµοκρασίας κατά την ταχεία θέρµανση και ψύξη για το µικρό χρονικό διάστηµα των 5 λεπτών.

62 54 Σχήµα 2.40 (SEM) - (α) Εικόνα της δοµής του µεταλλικού σπόγγου και (β) σηµείο σύνδεσης δύο ινών όπου φαίνεται καθαρά η συγκέντρωση χαλκού στο κοµβικό σηµείο Μέθοδος Osprey. Αφροποίηση µε ψεκασµό. Η µέθοδος της αφροποίησης µε ψεκασµό µπορεί να εφαρµοστεί σε µια µεγάλη ποικιλία µετάλλων και κραµάτων. Περιλαµβάνει τη δηµιουργία νέφους µεταλλικών σταγονιδίων και ενός αφροποιητικού µέσου και στη συνέχεια την εναπόθεσή τους σε κατάλληλα διαµορφωµένη βάση. Το αφροποιητικό µέσο µε την τοποθέτησή του στη βάση και την επαφή του µε το υγρό µέταλλο, διασπάται αποδίδοντας την απαραίτητη ποσότητα αερίου για το σχηµατισµό πόρων. Στη βάση, που αποτελεί και το υπόστρωµα ανάπτυξης του µεταλλικού αφρού, µπορεί να δοθεί οποιοδήποτε γεωµετρικό σχήµα ανάλογα µε την εφαρµογή ( φύλλα, ράβδοι, σωλήνες, κλπ. ). Η µέθοδος προσφέρει επιπλέον τη δυνατότητα δηµιουργίας σύνθετων µεταλλικών αφρών µε την προσθήκη οξειδίων ή καρβιδίων στο νέφος ψεκασµού. Η αφροποίηση µε ψεκασµό έχει εφαρµοστεί για την παρασκευή µεταλλικών αφρών από κράµα CuSn6 µε χρήση σκόνης BaCO 3 ως αφροποιητικού µέσου. Επίσης µεταλλικοί αφροί από χάλυβα είναι δυνατό να δηµιουργηθούν µε προσθήκη άνθρακα και σκόνης οξειδίου του πυριτίου SiO 2. Σε αυτήν την περίπτωση σχηµατίζεται CO, µέσω της αντίδρασης : SiO 2 + 2C Si + 2CO, που προκαλεί την ανάπτυξη πόρων στο χάλυβα. Το πορώδες που προκύπτει είναι περίπου 60 %. Όταν η µέθοδος ψεκασµού εφαρµόζεται στις απλές µεταλλικές επικαλύψεις προσφέρει σχηµατισµούς λεπτόκοκκης δοµής µε υψηλή περιεκτικότητα µετασταθών κραµατικών φάσεων και περιορισµένη την παρουσία οξειδίων. Στην περίπτωση των µεταλλικών αφρών το πλεονέκτηµα της µεθόδου είναι η δηµιουργία µεταλλικών αφρών διαφόρων σχηµάτων και πάχους. Η ανοµοιογένεια του πορώδους αποτελεί αντίθετα το αδύνατο σηµείο της µεθόδου.

63 55 Σχήµα 2.41 ηµιουργία σταγονιδίων για την παρασκευή µεταλλικού αφρού [85] Χύτευση σε αδιάλυτο πρότυπο κοίλων σφαιρών. Τα άµορφα ή υαλώδη µέταλλα είναι γνωστά από το Η βασική τους διαφορά στη δοµή, από τα υπόλοιπα κράµατα µετάλλων, βρίσκεται στον τρόπο µε τον οποίο είναι διατεταγµένα τα άτοµα στο χώρο. Η διάταξή τους είναι άµορφη σε αντίθεση µε τα υπόλοιπα µέταλλα και κράµατα που είναι κρυσταλλική. Η έλλειψη αυτή κρυσταλλικής δοµής αφαιρεί από τα άµορφα µεταλλικά κράµατα όλα τα µειονεκτήµατα που προκαλούν οι κρυσταλλικές ατέλειες. Έτσι εµφανίζουν εξαιρετικές µηχανικές ιδιότητες και ταυτόχρονα µαγνητική συµπεριφορά και αντίσταση στη διάβρωση. Σχήµα 2.42 α) Απεικόνιση τεσσάρων κόκκων µετάλλου κρυσταλλικής δοµής. Τα όρια των κόκκων εισάγουν ασυνέχεια στη δοµή. β) Απεικόνιση άµορφης δοµής του µετάλλου. Τα άτοµα είναι διατεταγµένα κατά τυχαίο τρόπο παρόµοιο µε εκείνο της υγρής φάσης. Όπως είναι γνωστό τα µέταλλα σε κατάσταση θερµοδυναµικής ισορροπίας αποκτούν κρυσταλλική δοµή. Εποµένως για να είναι εφικτή η δηµιουργία άµορφης δοµής πρέπει από την υγρή κατάσταση να εφαρµοστεί ταχύτατη ψύξη,δηλαδή, βαφή. Μάλιστα ο ρυθµός ψύξης αρχικά ήταν της τάξης των Κ/sec. Με τη µέθοδο

64 56 αυτή ήταν δυνατή η δηµιουργία άµορφων µετάλλων περιορισµένων µόνο διαστάσεων (κλάσµατα του χιλιοστού). Το 1989 όµως ανακαλύφθηκε ότι µια σειρά µεταλλικών κραµάτων, γνωστά ως BMG (bulk metallic glasses), µπορούν µε χαµηλότερους ρυθµούς ψύξης (1-100Κ/sec) να εµφανίσουν άµορφη δοµή, καθιστώντας έτσι εφικτή την παραγωγή τέτοιων κραµάτων σε µεγαλύτερες διαστάσεις (της τάξης των µερικών εκατοστών). Με δεδοµένη τη χρήση της ταχύτατης ψύξης στη διαδικασία παρασκευής τους τα άµορφα µεταλλικά κράµατα υστερούν σηµαντικά σε ολκιµότητα και χαρακτηρίζονται από εντελώς ελαστική συµπεριφορά σε συνθήκες περιβάλλοντος. Μετά από δοκιµές όµως διαπιστώθηκε ότι τα κράµατα αυτά εµφανίζουν ολκιµότερη συµπεριφορά όταν βρίσκονται σε µορφή ινών. Η διαπίστωση αυτή οδήγησε στο συµπέρασµα ότι η κυψελοειδής δοµή θα ενίσχυε τα πλαστικά χαρακτηριστικά των άµορφων κραµάτων. Μια απλή εφαρµογή όµως των τυπικών µεθόδων παραγωγής µεταλλικών αφρών δεν θα ήταν δυνατή εξαιτίας των ιδιαίτερων συνθηκών που επιτρέπουν τη δηµιουργία άµορφης µεταλλικής δοµής. Εδώ λοιπόν παρουσιάζεται µια µέθοδος παρασκευής µεταλλικού αφρού µε χρήση κοίλων µικροσφαιριδίων από άνθρακα για την κατασκευή ενός αρχικού προτύπου, στο οποίο στη συνέχεια χυτεύεται το µεταλλικό κράµα (BMG). Αρχικά προβλέπεται η κατασκευή αδιάλυτου προτύπου αποτελούµενου από κοίλα µικροσφαιρίδια άνθρακα διαµέτρου µm και πάχους 1-10 µm. Κατά την παρασκευή των σφαιριδίων εφαρµόζεται ειδική επεξεργασία σε φυγοκεντριστή µε ακετόνη για τον διαχωρισµό των ακέραιων σφαιρών από τα θρυµµατισµένα. Μετά την ξήρανση για τουλάχιστον µια ώρα στους 1250 Κ, ώστε να αποµακρυνθούν οι πτητικές ουσίες, τα σφαιρίδια τοποθετούνται σε χαλύβδινο καλούπι, κυλινδρικού σχήµατος, διαµέτρου 5 mm, µε ύψος 8 mm. Ένας πορώδης δίσκος από γραφίτη τοποθετείται πάνω στο πρότυπο των σφαιριδίων ώστε να εµποδίσει την πρόωρη επαφή του τήγµατος µε τον άνθρακα. Ο κύλινδρος είναι καλυµµένος µε ένα στρώµα οξειδίου του υττρίου Y 2 O 3 ώστε να αποφευχθεί η διάλυση του άνθρακα στο χάλυβα ή η αντίδραση του χάλυβα µε το τήγµα. Το επόµενο στάδιο περιλαµβάνει τη θέρµανση του καλουπιού µε το πρότυπο στους 1250 Κ σε συνθήκες υψηλού κενού ( Torr). Μετά την πάροδο µισής ώρας το καλούπι τροφοδοτείται µε το κράµα Vit106 - Zr 57 Nb 5 Cu 12.6 Ni 15.4 Al 10 (τα µέταλλα βάσης έχουν καθαρότητα 99.5%). Με την τήξη του κράµατος ασκείται πίεση µε αδρανές αέριο (Ar) 153 ΚPa, που αναγκάζει το υγρό πλέον κράµα να διεισδύσει µέσω του πορώδους γραφίτη στο πρότυπο των σφαιριδίων άνθρακα. Ο χρόνος διείσδυσης διαρκεί περίπου 4-5 sec και στη συνέχεια ακολουθεί βαφή µε εµβάπτυνση του καλουπιού σε διάλυµα NaCl. Μια παραλλαγή της µεθόδου περιλαµβάνει την κατασκευή προτύπου από κοίλες κεραµικές σφαίρες οι οποίες παραµένουν στη δοµή του µεταλλικού αφρού. Η µέθοδος αυτή έχει εφαρµοστεί σε τυπικά κράµατα µετάλλων όπως το κράµα αλου- µινίου Ένα τυπικό µείγµα κεραµικών ουσιών που µπορεί να χρησιµοποιηθεί για την κατασκευή του προτύπου περιλαµβάνει γύρω στο 45% κ.ο. κρυσταλλικό µουλίτη (3 Al 2 O 3 2 SiO 2 ) και 55% κ.ο. άµορφο SiO 2. Οι διαστάσεις του τελικού αφρού βέβαια είναι µεγαλύτερες ενώ εφαρµόζονται µεγαλύτερες πιέσεις και µικρότερες θερµοκρασίες ( 3.5 Μpa και ο C αντίστοιχα ) σε σχέση µε την παρασκευή µεταλλικών αφρών άµορφων µετάλλων (BMG).

65 57 Σχήµα 2.43 ιάταξη για την παρασκευή µεταλλικού αφρού από BMG. Σχήµα 2.44 α) Φωτογραφία µικρής µεγέθυνσης όπου φαίνεται η οµοιοµορφία της δοµής. β) Η µικροδοµή όπως εµφανίζεται σε µεγαλύτερη µεγέθυνση. Παρατηρούνται παραµορφωµένα µικροσφαιρίδια άνθρακα, ενώ µε βέλος σηµειώνεται ένα κοµµάτι τοιχώµατος θραυσµένου µικροσφαιριδίου. Η απουσία εγκλεισµάτων αερίου ή πόρων καταδεικνύει τον υψηλό βαθµό διαβροχής του µετάλλου.

66 Παραγωγή µεταλλικών αφρών από την ηµιυγρή κατάσταση Αφροποίηση συµπιεσµένου τήγµατος κόνεων. Μεταλλικοί αφροί µπορούν να παρασκευαστούν µε τη βοήθεια της κονεοµεταλλουργίας. Ως αρχική πρώτη ύλη χρησιµοποιείται µίγµα σκόνης µετάλλου και κατάλληλου αφροποιητικού µέσου. Προαιρετικά µπορούν να χρησιµοποιηθούν και πρόσθετα σε µορφή σκόνης για τη σταθεροποίηση της δοµής. Η τεχνική αυτή αναπτύχθηκε και συνεχίζει να βελτιώνεται από το ινστιτούτο Fraunhofer-IFAM της Γερµανίας. Η µέθοδος εφαρµόζεται επίσης από τις εταιρείες Schunk και Honsel (Γερµανία), Mepura και Neuman Alufoam (Αυστρία). Η εµπορική ονοµασία των αφρών αυτών είναι Foaminal (IFAM) και Alulight. Το πρώτο στάδιο περιλαµβάνει την ανάµιξη ενός µίγµατος κόνεων που αποτελείται από τη σκόνη του βασικού µετάλλου, τα πιθανά κραµατικά στοιχεία και το µέσο αφροποίησης. Συνήθως ως αφροποιητικό µέσο χρησιµοποιείται το υδρίδιο του τιτανίου (TiH 2 ) ή το υδρίδιο του ζιρκονίου ( ZrH 2 ), για τα κράµατα του αλου- µινίου και του ψευδάργυρου και το ανθρακικό στρόντιο (SrCO 3 ) για τους χάλυβες [72-76]. Προαιρετικά µπορούν να προστεθούν συνδετικές σκόνες µε σκοπό τη σταθεροποίηση της δοµής και τη µείωση του αρχικού πορώδους. Ιδιαίτερη προσοχή απαιτεί το στάδιο της συµπίεσης που ακολουθεί. Για να συνδεθούν οι κόκκοι του µίγµατος µεταξύ τους αλλά και για να αποµακρυνθεί το πορώδες εφαρµόζεται η εν θερµώ συµπίεση. Έτσι εξασφαλίζεται η καλή ποιότητα του τελικού αφρού, γιατί η παρουσία πόρων πριν το στάδιο της αφροποίησης δηµιουργεί προβλήµατα στη δοµή. Όλες οι µέθοδοι συµπίεσης είναι επιτρεπτές αλλά οικονοµικότερη θεωρείται η διέλαση ή εξώθηση. Σχήµα 2.45 Σχηµατική απεικόνιση της παρασκευής µεταλλικών αφρών µε χρήση κόνεων και αφροποίηση από την υγρή κατάσταση.

67 59 Το δεύτερο στάδιο περιλαµβάνει τη θέρµανση συµπιεσµένου υλικού σε θερµοκρασία κοντά στο σηµείο τήξης του µητρικού µετάλλου. Η υψηλή θερµοκρασία προκαλεί διάσπαση του αφροποιητικού µέσου µε την οποία απελευθερώνεται υδρογόνο δηµιουργώντας εγκλείσµατα αερίου, τους πόρους του αφρού. Η χρονική διάρκεια της αφροποίησης εξαρτάται από τη θερµοκρασία και τον όγκο του συµπιεσµένου υλικού. Κυµαίνεται δε από λίγα δευτερόλεπτα έως µερικά λεπτά. Τα χρονικά όρια της αφροποίησης πρέπει να τηρούνται αυστηρά, γιατί από ένα χρονικό διάστηµα και πέρα η δοµή καταρρέει λόγω της υπερβολικής ανάπτυξης και της συγχώνευσης των πόρων. Στο σχήµα 2.46 διακρίνεται η πορεία ανάπτυξης των πόρων σε σχέση µε το χρονικό διάστηµα αφροποίησης. Σχήµα 2.46 Στο διάγραµµα καταγράφεται ο βαθµός ανάπτυξης των πόρων σε αφρό AlSi7. Στις εικόνες P έως Κ φαίνεται η δοµή για κάθε χρονικό σηµείο. Ο βαθµός αύξησης του όγκου καθορίζει άµεσα και την πυκνότητα του αφρού. Εποµένως καθορίζοντας την αναλογία σκόνης µετάλλου και σκόνης αφροποιητικού µέσου, που θα χρησιµοποιηθεί, καθώς και τη θεµοκρασία και το ρυθµό αύξησής της επιτυγχάνεται το επιθυµητό πορώδες. Στις περιπτώσεις που χρησιµοποιούνται υδρίδια µετάλλων, ένα ποσοστό µικρότερο του 1 % είναι ικανοποιητικό. Εκτός από το αλουµίνιο, τον ψευδάργυρο και τους χάλυβες πολλά άλλα µέταλλα και κράµατα µπορούν να αφροποιηθούν µε τη συγκεκριµένη µέθοδο. Οι µπρούντζοι, ο µόλυβδος, ο χρυσός και ο κασσίτερος είναι µερικά από αυτά. Συνήθως όµως η εφαρµογή της µεθόδου αφορά το καθαρό αλουµίνιο και τα κράµατα µορφοποίησης της σειράς 2xxx και 6xxx, όπως επίσης και τα χυτοκράµατα AlSi7Mg (A356) και AlSi12 (A413).

68 60 Σχήµα 2.47 Η διάσπαση του υδριδίου του ζιρκονίου (ZrH 2 ) σε δύο διαφορετικές χρονικές στιγµές. Το µέταλλο βάσης είναι ο ψευδάργυρος. Η αφροποίηση της συµπιεσµένης σκόνης οδηγεί στο σχηµατισµό µεταλλικού αφρού ακαθόριστου σχήµατος. Για την παραγωγή συγκεκριµένων γεωµετρικών σχη- µάτων µπορεί να γίνει χρήση καλουπιού µε το κατάλληλο σχήµα. Σε αυτήν την περίπτωση µπορεί να γίνει πρώτα η τοποθέτηση της συµπιεσµένης σκόνης στο καλούπι και µετά να ακολουθήσει η θέρµανση. Για την κατασκευή περίπλοκων γεωµετρικών σχηµάτων η τοποθέτηση στο καλούπι γίνεται µε έγχυση της συµπιεσµένης σκόνης η οποία βρίσκεται σε ηµιυγρή κατάσταση και ταυτόχρονα γίνεται και η αφροποίηση. Μια επιπλέον δυνατότητα που προσφέρει η µέθοδος είναι η κατασκευή σύνθετων πολυστρωµατικών φύλλων (sandwiches) ή γενικά στοιχείων µε συµπαγές εξωτερικό περίβληµα και πορώδη πυρήνα. Η κατασκευή πολυστρωµατικών στοιχείων από αλουµίνιο εφαρµόζεται ήδη σε µεγάλη έκταση από τη βιοµηχανία µε µεγάλο πλήθος εφαρµογών. Τέτοια στοιχεία, γνωστά και ως AFS (aluminium foam sandwiches), παρουσιάζονται στις παρακάτω φωτογραφίες. Σχήµα 2.48 ΑFS µε διπλωµένο το εξωτερικό φύλλο ώστε να είναι ορατός ο πυρήνας.

69 61 Σχήµα 2.49 Χαρακτηριστική φωτογραφία πολυστωµατικού πάνελ µε εξωτερικά φύλλα από χάλυβα πάχους 12mm (Fraunhofer, Stud.gesellschaft Stahlanwendugen). Σχήµα 2.50 Πολυστρωµατικό πάνελ πάχους 10mm (Fraunhofer, Karmann). Σχήµα 2.51 Στάδια αφροποίησης συµπιεσµένης σκόνης ανάµεσα σε συµπαγή µεταλλικά φύλλα (IFAM-Fraunhofer).

70 62 Εκτός από τα σύνθετα στοιχεία τύπου sandwich, ενδιαφέρον παρουσιάζουν και οι κοίλες δοκοί µε πορώδη πυρήνα. Ο απλούστερος τρόπος κατασκευής τους είναι η τοποθέτηση στο κέντρο ενός κοίλου κυλίνδρου του συµπιεσµένου µίγµατος σκόνης και η θέρµανσή τους. Το υλικό του κυλίνδρου σε αυτήν την περίπτωση πρέπει να έχει υψηλότερο σηµείο τήξης από τον µεταλλικό αφρό. Εναλλακτικά είναι δυνατή η κατασκευή κοίλου κυλίνδρου από τη συµπιεσµένη σκόνη και η τοποθέτησή του στον εξωτερικό κύλινδρο περίβληµα. Έτσι η ανάπτυξη του αφρού γίνεται προς το κέντρο της δοµής. Επιπλέον κατά τη θέρµανση επειδή το συµπιεσµένο µίγµα έρχεται σε άµεση επαφή µε τον εξωτερικό κύλινδρο απορροφά θερµότητα και έτσι αυτός δεν υπερθερµαίνεται. Ο ψεκασµός υγρού µετάλλου στην εξωτερική επιφάνεια ενός µεταλλικού αφρού αποτελεί έναν ακόµη τρόπο δηµιουργίας εξωτερικής επένδυσης. Η µέθοδος αυτή µπορεί να εφαρµοστεί σχεδόν σε οποιοδήποτε σχήµα. Σύνθετα υλικά µε χρήση κεραµικού περιβλήµατος και πορώδη πυρήνα κατασκευάζονται µέσω διαχυτικής συνένωσης. Συγκεκριµένα µεταλλικός αφρός από κράµα A413 µπορεί να επενδυθεί µε φύλλα αλούµινας σε θερµοκρασία 500 ο C µε εφαρµογή πίεσης 100 Kpa. Σχήµα 2.52 α) Σωλήνες αλουµινίου (6061) µε πυρήνα µεταλλικού αφρού AlSi6Cu4. β) Σωλήνας µε πορώδη πυρήνα (Alulight). γ) Αφρός αλουµινίου επικαλυµµένος µε στρώµα συµπαγούς αλουµινίου µήκους 60 mm (Fraunhofer, RWTH Aachen). Στο άνω τµήµα διακρίνεται η επικάλυψη µετά από λείανση. Στο µεσαίο διακρίνεται η επικάλυψη χωρίς πρόσθετη κατεργασία. Στη βάση ο µεταλλικός αφρός δεν έχει επικαλυφθεί. Ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται στον τρόπο θέρµανσης του συµπιεσµένου µίγµατος σκόνης λαµβάνοντας υπόψη την αύξηση της παραγωγικότητας και τη µείωση του ενεργειακού κόστους. Έτσι µπορεί να γίνει χρήση θερµαντικών διατάξεων κατά µήκος µιας γραµµής παραγωγής, όπου σε κάθε στάδιο η θερµοκρασία θα προσαρµόζεται ανάλογα, αντί να εισάγεται κάθε µονάδα σε φούρνους που παρέχουν οµοιό- µορφη θέρµανση. Ταυτόχρονα µειώνεται και ο χρόνος παραγωγής, µειώνοντας τα νεκρά διαστήµατα που απαιτούνται για τη θέρµανση και την ψύξη της κάθε µονάδας ανάµεσα στα διάφορα στάδια. Περισσότερες πληροφορίες σχετικά µε την τεχνική συµπίεσης τήγµατος κόνεων µπορεί κάποιος να βρει στην βιβλιογραφία [77-84].

71 Παραγωγή κυψελοειδών µετάλλων από τη στερεή κατάσταση Πυροσυσσωµάτωση µεταλλικών κόνεων. Η παρασκευή πορώδους δοµής από µίγµα µεταλλικών κόνεων µπορεί να επιτευχθεί µε διεργασίες πυροσυσσωµάτωσης, χωρίς όµως το µέταλλο να περάσει στην υγρή ή ηµιυγρή κατάσταση. Το µέταλλο σε όλη τη διάρκεια της µεθόδου παρα- µένει σε στερεή κατάσταση. Το αποτέλεσµα είναι να προκύπτει η χαρακτηριστική δοµή που φαίνεται στο παρακάτω σχήµα. Οι κόκκοι διατηρούν περίπου το αρχικό τους σφαιρικό σχήµα και ενώνονται µεταξύ τους µέσω ενός λεπτού σχηµατισµού. Έτσι µε αυτόν τον τρόπο παράγονται µεταλλικοί αφροί ανοιχτού κελιού, σε αντίθεση µε την αφροποίηση υγρής κατάστασης που λόγω των επιφανειακών τάσεων οι πόροι σφαιροποιούνται και δεν επικοινωνούν µεταξύ τους [ ]. Σχήµα 2.53 α) Κόκκοι µετάλλου ενωµένοι µετά από διεργασία πυροσυσσωµάτωσης. β) Σηµείο σύνδεσης δύο κόκκων. Στα βασικά στάδια της µεθόδου περιλαµβάνονται : η κλασµατοποίηση της σκόνης, η συµπίεση ή η τοποθέτηση σε καλούπι και η θέρµανση. Τα µέταλλα που συνήθως χρησιµοποιούνται και έχουν τη µεγαλύτερη εµπορική εκµετάλλευση είναι : το τιτάνιο (Ti) και τα κράµατά του, οι µπρούντζοι και οι ανοξείδωτοι χάλυβες. Οι συνθήκες κάτω από τις οποίες γίνεται η πυροσυσσωµάτωση είναι διαφορετικές για το κάθε υλικό. Στην περίπτωση για παράδειγµα του µπρούντζου Cu89Sn11 δεν εφαρµόζεται επιπλέον συµπίεση και η θερµοκρασία συσσωµάτωσης φτάνει τους 820 ο C. Το πορώδες που επιτυγχάνεται κυµαίνεται από 20 έως 50 % και ο αφρός χαρακτηρίζεται από σχετικά χαµηλή µηχανική αντοχή. Σε άλλα υλικά συνήθως εφαρµόζεται συµπίεση πριν τη θέρµανση. Η αξονική συµπίεση σε καλούπι, η ισοστατική συµπίεση και η

72 64 εν θερµώ εξέλαση προκαλούν σύνδεση εν ψυχρώ των κόκκων αυξάνοντας έτσι την αντοχή του µεταλλικού αφρού. Εκτός από τα µέταλλα και τα κράµατα που αναφέρθηκαν είναι δυνατή η παρασκευή µεταλλικού αφρού µε πυροσυσσωµάτωση του καθαρού αλουµινίου ή κραµάτων του. Ωστόσο το γεγονός της ύπαρξης επιφανειακού στρώµατος οξειδίου ( Al 2 O 3 ) καθιστά δυσκολότερη την εν θερµώ σύνδεση. Έτσι εφαρµόζεται πρώτα συµπίεση, ώστε µε την αναπτυσσόµενη µηχανική πίεση να προκληθεί θραύση του στρώµατος οξειδίου και να γίνει εφικτή η σύνδεση των κόκκων µεταξύ τους. Επειδή όµως η συµπίεση προκαλεί µείωση του τελικού πορώδους εναλλακτικά µπορεί να προστεθεί σκόνη µετάλλου όπως χαλκού, πυριτίου ή µαγνησίου ως κραµατικό στοιχείο. Η προσθήκη τους προκαλεί τη δηµιουργία ευτηκτικών φάσεων έτσι ώστε, µε θέρµανση σε χαµηλότερη θερµοκρασία ο C, να επιτευχθεί η σύνδεση Παρασκευή πολυστρωµατικού στοιχείου µε τη µέθοδο της εισαγωγής και διαστολής αερίου σε σκόνη µετάλλου. Η κατασκευή πολυστρωµατικών στοιχείων (sandwich), εκτός από τη µέθοδο που περιγράφηκε στην ενότητα 2.2.1, είναι δυνατή µε έναν ιδιαίτερο τρόπο που αναπτύχθηκε από την McDonnell Douglas Co. (Boeing) το 1995 [109]. Τα στοιχεία αυτά, γνωστά και ως LDC (Light Density Core structures), είναι παρόµοια µε τα πολυ-στρωµατικά τύπου IFAM, ωστόσο χαρακτηρίζονται από σχετικά χαµηλές τιµές πορώδους (έως ~ 50 %). Τα βασικά στάδια της µεθόδου φαίνονται στο σχήµα Σχήµα 2.54 Σχηµατική απεικόνιση της δηµιουργίας πολυστρωµατικού φύλλου πορώδους πυρήνα µε τη µέθοδο της διαστολής αερίου σε σκόνη [110]. Αρχικά τοποθετείται σκόνη µετάλλου ανάµεσα σε δύο φύλλα συµπαγούς µετάλλου από το ίδιο ή διαφορετικό υλικό (Α). Στη συνέχεια αφαιρείται ο αέρας µε τη βοήθεια αντλίας κενού (Β) και εισάγεται αέριο υπό πίεση 3 5 atm (Γ). Η επιλογή του αερίου γίνεται έτσι ώστε να µην αντιδρά µε το µέταλλο οξειδώνοντάς το. Επιλέγεται για αυτό το λόγο ένα αδρανές αέριο όπως το αργό (Ar) [111]. Στο επόµενο στάδιο ( ) εφαρµόζεται ισοστατική συµπίεση ώστε να δηµιουργηθεί ένα στέρεο στοιχείο αρκετά συµπαγές. Στο σηµείο αυτό ο όγκος των πόρων του αερίου δεν ξεπερνά το 2%, ενώ η εσωτερική τους πίεση αυξάνεται σηµαντικά. Μετά από τη συµπίεση δίνεται η δυνατότητα µορφοποίησης µε πλαστική παραµόρφωση ή κατεργασίας µε αφαίρεση υλικού. Έτσι µπορεί το πολυστρωµατικό φύλλο να

73 65 αποκτήσει την επιθυµητή γεωµετρική µορφή πριν τη δηµιουργία του πορώδους πυρήνα. Αυτή αποτελεί και το τελικό στάδιο κατά το οποίο το στοιχείο θερµαίνεται σε θερµοκρασία τέτοια που να επιτρέπει τη διαστολή του αερίου, χωρίς όµως να τήκεται το µέταλλο. Η διαστολή των πόρων του αερίου συνοδεύεται από ταυτόχρονη µείωση της εσωτερικής τους πίεσης και τερµατίζεται όταν αυτή δεν είναι ικανή να παραµορφώσει το περιβάλλων µέταλλο. Η µέθοδος µπορεί να εφαρµοστεί και για τη δηµιουργία σωλήνων µε πορώδη πυρήνα. Το βασικό της πλεονέκτηµα η δυνατότητα κατασκευής σχεδόν οποιουδήποτε γεωµετρικού σχήµατος εφόσον είναι δυνατή η παραµόρφωση ή κοπή πριν την αφροποίηση. Ακόµη εφόσον κατά τη διαστολή των αέριων πόρων, το µέταλλο παραµένει σε στερεή κατάσταση, δεν προκαλείται ιδιαίτερη καταπόνηση στα εξωτερικά συµπαγή φύλλα. Έτσι µπορούν να χρησιµοποιηθούν ελάσµατα πολύ µικρού πάχους. Στο παρακάτω σχήµα διακρίνεται η περιοχή σύνδεσης του πορώδους πυρήνα µε το συµπαγές εξωτερικό περίβληµα ενός σωλήνα από το κράµα τιτανίου Ti6Al4V. Για την παρασκευή του χρησιµοποιήθηκε µίγµα σκόνης τιτανίου και αλουµινίου, βαναδίου ως κραµατικών στοιχείων. Μετά την αφαίρεση του αέρα µε αντλία κενού, εισήχθηκε αργό υπό πίεση 5 atm. Το στοιχείο σφραγίστηκε και συµπιέστηκε ισοστατικά µε πίεση 1054 atm σε θερµοκρασία 982 ο C, για χρονική διάρκεια τριών ωρών. Στη συνέχεια εφαρµόστηκε διαδοχική εξέλαση µέχρι το στοιχείο να αποκτήσει πάχος 3.12 mm. Το τελικό στάδιο περιελάµβανε θέρµανση στους 1204 ο C για 8 ώρες. Με τη διαστολή των θυλάκων αερίου, αναπτύχθηκε το πορώδες αυξάνοντας το πάχος του στοιχείου σε 4.06mm. Η δοµή του πυρήνα προέκυψε αρκετά οµοιογενής και η σύνδεσή του µε τα εξωτερικά φύλλα µέσω διάχυσης ήταν ιδιαίτερα επιτυχής. Σχήµα 2.55 Περιοχή σύνδεσης του πορώδους πυρήνα µε το εξωτερικό φύλλο για το κράµα Ti6Al4V (µεγέθυνση 200x).

74 Παραγωγή µεταλλικών αφρών µε χρήση κοίλων σφαιρών. Η δηµιουργία µεταλλικών αφρών µε χρήση κοίλων σφαιρών έχει σαν αποτέλεσµα σύνθετες κυψελοειδείς δοµές. Προκύπτει ένας συνδυασµός κλειστού και ανοιχτού κελιού που οφείλεται αφενός στον τρόπο σύνδεσης των σφαιρών και αφετέρου στο πορώδες εσωτερικό τους. Ένας τρόπος παραγωγής των σφαιρών είναι µε έγχυση διαλύµατος υδριδίου του µετάλλου µέσα από ειδικά διαµορφωµένο ακροφύσιο. Ο τρόπος αυτός εκµεταλλεύεται τα φαινόµενα επιφανειακής τάσης για τη δηµιουργία του σφαιρικού σχήµατος. Ένας δεύτερος τρόπος περιλαµβάνει τον ψεκασµό σφαιρών πολυστυρενίου µε διάλυµα υδριδίου του µετάλλου (styrofoam) [99-101]. Οι σφαίρες που προκύπτουν µπορούν να συνδεθούν στη συνέχεια µεταξύ τους δηµιουργώντας µια στέρεη δοµή µε σχετικά χαµηλό πορώδες. Για τη σύνδεση µπορεί να γίνει χρήση κάποιας ρητίνης ή µετάλλου µε χαµηλό σηµείο τήξης (αλουµίνιο ή µαγνήσιο), τα οποία καλύπτουν τα ενδιάµεσα κενά. Η τελική πυκνότητα του αφρού που προκύπτει όµως δεν είναι ιδιαίτερα µικρή. Ένας άλλος τρόπος περιλαµβάνει τον ψεκασµό των σφαιρών µε κάποια συνδετική ύλη ή κάποιο µέταλλο χαµηλού σηµείου τήξης και τη συγκόλλησή τους ενώ το υλικό σύνδεσης βρίσκεται ακόµη σε υγρή µορφή [99,102,103]. Εναλλακτικά µπορεί να εφαρµοστεί πυροσυσσωµάτωση µε ταυτόχρονη ισοστατική συµπίεση και να επιτευχθεί η σύνδεση των σφαιρών µέσω διάχυσης. Ωστόσο µε αυτόν τον τρόπο προκαλείται παραµόρφωση των τοιχωµάτων των σφαιρών στα σηµεία σύνδεσης. Σχήµα 2.56 Απεικόνιση της µεθόδου παρασκευής δοµών µε τυχαία διάταξη κοίλων σφαιρών όπως εφαρµόζεται από το ινστιτούτο Fraunhofer (IFAM).

75 67 Σχήµα 2.57 Οι τρεις βασικοί τύποι αφρών από κοίλες σφαίρες µε βάση τον τρόπο σύνδεσης των σφαιρών : α) συντακτικός αφρός, β) σύνδεση µε πυροσυσσωµάτωση και συµπίεση, γ) µε χρήση συνδετικών υλών (binders). Ανάλογα µε το µέσο σύνδεσης των σφαιρών αλλά και µε τη διάταξή τους στο χώρο προκύπτουν αφροί συντακτικής ή περιοδικής δοµής. Το βασικό πλεονέκτηµα της συµµετρικής αυτής διάταξης είναι η προβλεψιµότητα της µηχανικής συµπεριφοράς του στοιχείου που φέρει αυτή τη δοµή. Σχήµα 2.58 Συντακτικής δοµής αφροί κατασκευασµένοι µε τη χρήση κοίλων σφαιρών. Στα δεξιά διακρίνεται ένα σύνθετο στοιχείο που προέκυψε µετά από συγκόλληση φύλλων µετάλλου σε στρώµα κοίλων σφαιρών (IFAM).

76 68 Σχήµα 2.59 Κοίλες σφαίρες µε επικάλυψη συνδετικών υλών (µεσαίο δοχείο) και χωρίς επικάλυψη. Στα δεξιά διακρίνεται το εσωτερικό πορώδες µιας κοίλης σφαίρας (Fraunhofer-IFAM). Τα υλικά στα οποία έχει εφαρµοστεί η συγκεκριµένη µέθοδος είναι : οι µπρούντζοι, τα κράµατα νικελίου, οι χάλυβες και τα κράµατα τιτανίου. Ουσιαστικά όλα τα µεταλλικά στοιχεία που µπορούν να µετατραπούν σε σκόνη είναι δυνατόν να χρησιµοποιηθούν. Έτσι οι µεταλλικοί αφροί που παράγονται µε τη µέθοδο των κοίλων σφαιρών έχουν τη δυνατότητα εφαρµογής σε περιβάλλοντα υψηλών θερµοκρασιών. Ακόµη το γεγονός ότι η δοµή τους συνδυάζει χαρακτηριστικά ανοιχτού αλλά και κλειστού τύπου, διευρύνει το πεδίο εφαρµογών τους. Σχήµα 2.60 Κύλινδρος αποτελούµενος από κοίλες σφαίρες. Στα αριστερά ο ίδιος κύλινδρος µετά από αξονική συµπίεση (IFAM).

77 Μέθοδος της επικάλυψης αδιάλυτου προτύπου µε µίγµα κόνεων. Για την κατασκευή µεταλλικών αφρών ανοιχτού κελιού και στοχαστικής δοµής έχει επινοηθεί µια διεργασία που χρησιµοποιεί ένα αρχικό πρότυπο από πολυµερές. Η διαφορά µε παρόµοιες µεθόδους, που κάνουν χρήση πολυµερικών προτύπων, έγκειται στο ότι το µέταλλο που θα διαµορφώσει τον µεταλλικό αφρό βρίσκεται σε στερεή κατάσταση σε όλη τη διάρκεια της διεργασίας. Συγκεκριµένα στον αρχικό αφρό πολυµερούς επικάθεται, µε τη χρήση ρευστοποιηµένης κλίνης, ένα µίγµα από σκόνη µετάλλου και συνδετικών υλικών. Στη συνέχεια ακολουθεί πυρόλυση του πολυµερούς και πυροσυσσωµάτωση του µίγµατος κόνεων για τη σταθεροποίηση της δοµής. Η µέθοδος αυτή εφαρµόζεται σε µέταλλα όπως ο χαλκός, ο ανοξείδωτος χάλυβας και τα κράµατα τύπου FeCrAlY. Τα ενεργά µέταλλα σε καθαρή µορφή, όπως το αλουµίνιο, δύσκολα αφροποιούνται εξαιτίας της οξειδωτικής τους συµπεριφοράς. Γενικά προτιµώνται µέταλλα που πυροσυσσωµατώνονται εύκολα. Εναλλακτικά είναι δυνατή η χρήση αφρού από άνθρακα, που προκύπτει από τον αρχικό αφρό του πολυµερούς. Η διαδικασία περιλαµβάνει την εµβάπτυνση πολυµερικού αφρού, µε µέση διάµετρο πόρων ~2.54 mm, σε διάλυµα αλκοόλης και οξαλικού οξέος (αναλογία 20:1 κ.ο.) για διάστηµα τριών ωρών. Το οξαλικό οξύ χρησιµοποιείται ως καταλύτης. Μετά την απορρόφηση µέρους της αλκοόλης ο αφρός διογκώνεται κατά 50 % και αποκτά µια ζελατινώδη υφή. Για την αποµάκρυνση της πλεονάζουσας αλκοόλης, που συγκεντρώνεται στην επιφάνεια του αφρού, εφαρµόζεται φυγοκέντριση µεταξύ απορροφητικών φύλλων για 10 λεπτά. Η διαδικασία αυτή είναι σηµαντική, γιατί η πλεονάζουσα αλκοόλη προκαλεί θραύση των στελεχών του αφρού κατά τη διάρκεια του σταδίου θέρµανσης που ακολουθεί. Στο στάδιο αυτό ο αφρός θερµαίνεται στους 250 ο C για 6 ώρες σε ατµοσφαιρικό αέρα. Έτσι προκύπτει µια πιο στιβαρή δοµή µε µικρότερο όγκο. Κατόπιν ακολουθεί θέρµανση έως τους 1100 ο C µε ρυθµό 2 ο C ανά λεπτό. Η θέρµανση γίνεται σε συνθήκες κενού (10-4 Torr) για 30 λεπτά και ακολουθεί αργή ψύξη. Κατά τη διάρκεια του σταδίου αυτού απελευθερώνονται όλες οι αέριες και πτητικές ουσίες (π.χ. H 2 O, CH 2, CO 2, CO, H 2 ) και αποµένει ένα πορώδες δίκτυο από άνθρακα υαλώδους υφής. Η δοµή συρρικνώνεται περισσότερο µέχρις ότου λάβει ένα τελικό σταθερό σχήµα. Η µέση διάµετρος των πόρων είναι πλέον ~3.55 mm µε µια απόκλιση της τάξης του Σχήµα 2.62 Μεταλλικός αφρός νικελίου ανοιχτής δοµής, κατασκευασµένος µε τη µέθοδο της επικάλυψης κόνεων σε πρότυπο αφρό άνθρακα.

78 70 Εφόσον έχει προκατασκευαστεί ένα σταθερό πορώδες δίκτυο από άνθρακα, ακολουθεί η εµβάπτυνση σε ένα µίγµα συνδετικών υλών. Το προϊόν αυτό τοποθετείται σε ρευστοποιηµένη κλίνη όπου εναποτίθεται µίγµα σκόνης µετάλλων. Αξίζει να αναφερθεί ότι η ρευστοποιηµένη κλίνη αποτελείται από ένα θάλαµο και ένα κλειστό σύστηµα παροχής αέρα ή αδρανούς αερίου. Το ρεύµα του αέρα περιέχει σκόνη του υλικού που πρόκειται να εναποτεθεί σε υψηλή συγκέντρωση, δηµιουργώντας έτσι ένα διφασικό µίγµα µε ιδιότητες ρευστού. Το µίγµα αυτό διέρχεται από το θάλαµο στον οποίο τοποθετείται το προς επικάλυψη στοιχείο, παρέχοντας έτσι ένα φυσικό σύστηµα επικάλυψης. Η ποσότητα της σκόνης που θα εναποτεθεί καθορίζεται από το χρονικό διάστηµα παραµονής του πορώδους προτύπου στη ρευστοποιηµένη κλίνη. Το χρονικό αυτό διάστηµα είναι που θα καθορίσει έµµεσα και την τελική πυκνότητα του µεταλλικού αφρού. Για την περίπτωση παρασκευής µεταλλικού αφρού από το υπερκράµα Ni21Cr9Mo4Nb, το τελευταίο στάδιο περιλαµβάνει τη θέρµανση του επικαλυµµένου στοιχείου σε δύο φάσεις. Σε πρώτη φάση θερµαίνεται έως τους 550 ο C για µια ώρα και τέλος έως τους 1050 ο C για δύο ώρες. Η µέθοδος αυτή παρασκευής αφρών εφαρµόζεται κυρίως στα κράµατα υψηλής θερµικής αντοχής, όπως τα κράµατα του νικελίου. Συγκριτικά µε παρόµοιες µεθόδους υγρής κατάστασης θεωρείται οικονοµικότερη, γεγονός στο οποίο συντελούν οι µικροί χρόνοι θέρµανσης και οι σχετικά χαµηλές θερµοκρασίες. Σχήµα 2.61 α) Μικροφωτογραφία της ανοιχτής δοµής αφρού νικελίου. β) Μικροφωτογραφία της επιφάνειας µεταλλικού στελέχους του αφρού.

79 Παρασκευή µεταλλικών σπόγγων µε χηµική εναπόθεση Μέθοδος της χηµικής εναπόθεσης µετάλλου σε κολλοειδές πρότυπο. Η δηµιουργία µεταλλικού αφρού, µε την οµοιόµορφη εναπόθεση µετάλλου σε ενδόθετες θέσεις ενός κολλοειδούς προτύπου, αποτελεί µια καθαρά χηµική διεργασία. Η µέθοδος αυτή δεν µπορεί να ενταχθεί σε καµία από τις βασικές κατηγορίες τρόπων παραγωγής µεταλλικών αφρών και έτσι εδώ περιγράφεται ξεχωριστά. Η βασική ιδέα της µεθόδου περιλαµβάνει τη δηµιουργία ενός κολλοειδούς κρυσταλλικού προτύπου από µικροσφαιρίδια οξειδίου του πυριτίου. Η διείσδυση του µετάλλου γίνεται είτε µε χηµική µετατροπή, είτε µε κατευθυνόµενη εισαγωγή νανοκρυστάλλων, είτε µε ηλεκτρολυτική εναπόθεση. Οι περισσότερες προσπάθειες χηµικής εναπόθεσης αρχικά περιελάµβαναν τη χρήση επίπεδων αγώγιµων επιφανειών που τοποθετούνταν κάτω από το κολλοειδές στρώµα. Ωστόσο όµως το γεγονός της πυκνής διάταξης των µικροσφαιριδίων καθιστούσε ιδιαίτερα δύσκολη τη διείσδυση των µεταλλικών ιόντων στο δίκτυο κενού χώρου του προτύπου. Επίσης τα κολλοειδή πρότυπα έχουν περιορισµένη αντοχή στις µηχανικές διαταραχές που προκύπτουν από την έκλυση αερίων κατά την αναγωγή των ιόντων του µετάλλου. Η πρώτη παραλλαγή της µεθόδου περιλαµβάνει αρχικά την κατασκευή ενός κολλοειδούς προτύπου από πολυστυρένιο. Στον κενό χώρο του προτύπου γίνεται διείσδυση διαλύµατος µεταλλικού άλατος σε οξύ ή αραιή αιθανόλη µε τη βοήθεια τριχοειδών φαινοµένων. Μετά τον εµποτισµό γίνεται αποµάκρυνση του πλεονάζοντος διαλύµατος µα αντλία κενού. Το πρότυπο στη συνέχεια διαβρέχεται µε οξαλικό οξύ, οδηγώντας έτσι στο σχηµατισµό ενός επιφανειακού στρώµατος από µεταλλικό οξαλικό άλας. Ακολουθεί θέρµανση σε αέρα ή ατµόσφαιρα αζώτου. Το αποτέλεσµα της θέρµανσης είναι η αποµάκρυνση του πολυστυρενίου και η δηµιουργία οξειδίου του µετάλλου (για θέρµανση σε αέρα ) ή καθαρού µετάλλου (θέρµανση σε άζωτο). Για την αποµάκρυνση του οξειδίου µπορεί να ακολουθήσει νέα θέρµανση σε ατµόσφαιρα αζώτου. Γενικά οι συνθήκες κάτω από τις οποίες συντελείται το τελικό αυτό στάδιο καθορίζουν την αναλογία καθαρού µετάλλου και οξειδίου, στον µεταλλικό σπόγγο. Παρά το γεγονός ότι κατά τη θέρµανση παράγονται αέρια όπως CO και CO 2, η αντοχή της δοµής δεν φαίνεται να επηρεάζεται. Η υψηλή θερµοκρασία που αναπτύσσεται στο στάδιο αυτό πιθανόν να ευνοεί την ανάπτυξη των κόκκων στο πορώδες υπόστρωµα, αυξάνοντας έτσι την αντοχή του. Η µέση διάµετρος των πόρων που προκύπτουν µε αυτή τη µέθοδο κυµαίνεται από 250 έως 500 nm. Μια διαφορετική προσέγγιση της µεθόδου περιλαµβάνει αρχικά τη δηµιουργία κολλοειδούς προτύπου από πολυστυρένιο, αλλά η διείσδυση του µετάλλου γίνεται άµεσα. Χρησιµοποιείται για το σκοπό αυτό διάλυµα µε µεγάλο αριθµό νανοκρυστάλλων µετάλλου σε διασπορά (αυτή η µέθοδος έχει εφαρµοστεί ήδη µε χρήση νανοκρυστάλλων χρυσού). Το πολύ µικρό µέγεθος των µεταλλικών κρυστάλλων, της τάξης των µερικών νανοµέτρων (12-25 nm), επιτρέπει τη διείσδυσή τους στο κολλοειδές πλέγµα. Στη συνέχεια µπορεί να ακολουθήσει θέρµανση, για την αποµάκρυνση του πολυστυρενίου ή οξείδωση µε χρήση θειικού οξέος ή διάλυση σε τριχλωροµεθάνιο. Η πρώτη περίπτωση οδηγεί σε δοµή µε χαρακτηριστικά µακροπορώδους, ενώ η χρήση χηµικών σε δοµή µέσο (ή και) µακροπορώδη. Το µέγεθος των µεταλλικών σωµατιδίων καθορίζει ανάλογα και το µέγεθος των πόρων. Η µέθοδος

80 72 αυτή εκτός από τον χρυσό µπορεί να εφαρµοστεί και µε χρήση άλλων µετάλλων που µπορούν να σχηµατιστούν σε µορφή νανοκρυστάλλων. Η τρίτη παραλλαγή της µεθόδου παριστάνεται στο σχήµα Το πρώτο στάδιο περιλαµβάνει την επικάλυψη µικροσφαιριδίων οξειδίου του πυριτίου µε τη χηµική ένωση 3MPTMS ( 3-µερκαπτο-προπυλ(ο)-τριµεθοξυ-υδρίδιο του πυριτίου ). Έτσι δηµιουργούνται στην επιφάνεια των σφαιριδίων θειικές ενώσεις ( θειόλες ). Ακολουθεί η δηµιουργία του κολλοειδούς προτύπου και η εµβάπτυνση του σε διάλυµα τολουόλης µε διασπορά νανοσωµατιδίων χρυσού µε διάµετρο ~5 nm. Εδώ ο χρυσός χρησιµοποιείται ως καταλύτης. Σκοπός της χρήσης του είναι η απόδοση στο κολλοειδές πρότυπο των κατάλληλων ιδιοτήτων, ώστε να µπορέσει να χρησιµοποιηθεί ως ηλεκτρόδιο σε διεργασία ηλεκτρολυτικής εναπόθεσης. Στη συνέχεια το πρότυπο θερµαίνεται για την αποµάκρυνση των οργανικών ουσιών και τη σταθεροποίηση της δοµής. Ακολουθεί η ηλεκτρολυτική εναπόθεση ιόντων µετάλλου και η αποµάκρυνση του κολλοειδούς προτύπου µε εµβάπτυνση σε διάλυµα υδροφθορικού οξέως (2% HF). Ο µεταλλικός αφρός που προκύπτει έχει ανοιχτή δοµή και η µέση διάµετρος των πόρων κυµαίνεται από 40 έως 200 nm. Γενικά η µέθοδος της χηµικής εναπόθεσης µε χρήση κολλοειδών προτύπων οδηγεί στο σχηµατισµό µεταλλικών σπόγγων µε πορώδες ~70 %. Το µέγεθος των σπόγγων είναι περιορισµένο (πάχος έως 500 µm περίπου), αλλά η δοµή τους χαρακτηρίζεται από εξαιρετική οµοιογένεια. Αν ληφθεί υπόψη η δυσκολία και το κόστος της παρασκευής τους, το είδος αυτών των αφρών χρησιµοποιείται σε ειδικές εφαρµογές που σχετίζονται µε ηλεκτρολυτικές και καταλυτικές διεργασίες. Σχήµα 2.63 Ηλεκτρολυτική εναπόθεση νανοκρυστάλλων χρυσού σε κολλοειδές πρότυπο για την παρασκευή µεταλλικού σπόγγου.

81 73 Σχήµα 2.62 Α) Κολλοειδές κρυσταλλικό πρότυπο οξειδίου του πυριτίου (φωτογραφία SEM). Β) Μικροσφαιρίδια SiO 2. Στην επιφάνειά τους διακρίνονται νανοκρύσταλλοι χρυσού που έχουν προσκολληθεί µε τη βοήθεια θειούχων ενώσεων, µε ποσοστό κάλυψης ~20% (φωτογραφία ΤΕΜ- transmission electron microscope). Σχήµα 2.63 Α) Εικόνα SEM µεταλλικού σπόγγου από χαλκό µε διάµετρο πόρων 325 ± 15 nm. Στην ένθετη εικόνα παριστάνεται η µοντελοποιηµένη διάταξη των πόρων όπως προέκυψε από µετασχηµατισµό Fourier (FFT). Β) οµή µεταλλικού σπόγγου από ασήµι µε διάµετρο πόρων 353 ± 17 nm. Γ) Σπόγγος νικελίου. Στο βάθος διακρίνονται οι οπές επικοινωνίας των πόρων µεγέθους 60 ± 10 nm. ) Σπόγγος από χαλκό σε µικρότερη µεγέθυνση. Έχει υποστεί θραύση µε τα κοµµάτια να είναι τοποθετηµένα υπό κλίση ο, έτσι ώστε να διακρίνεται η δοµή στο εσωτερικό.

82 Παρασκευή µεταλλικών αφρών µε ατµοποίηση Μέθοδος της χηµικής εναπόθεσης ατµών. Εξαιτίας της µεγάλης ευχρηστίας της, η µέθοδος της χηµικής εναπόθεσης ατµών (CVD - chemical vapor deposition) έχει εφαρµοστεί και για την παρασκευή µεταλλικών αφρών. Τα τελευταία χρόνια αφροί νικελίου, µε την εµπορική ονοµασία Incofoam, έχουν παρασκευαστεί µε ένα µεγάλο εύρος πορώδους από ~70 έως 98 % κ.ο. Το µέγεθος των κελιών κυµαίνεται από ~450 έως ~3200 µm. Τα χαρακτηριστικά των αφρών Inco είναι η καθαρότητα (οι προσµίξεις φτάνουν το 0.08% C και 0.02% S κ.β.), η οµοιογένεια και η εξαιρετικά ανοιχτή δοµή. Για την παρασκευή τους χρησιµοποιείται ένα αφρώδες πρότυπο από πολυµερές, συνήθως πολυουρεθάνη, πάνω στο οποίο επικάθεται το νικέλιο. Στη συνέχεια ακολουθεί θέρµανση για την αποµάκρυνση του πολυµερούς και τη συσσωµάτωση του νικελίου. Η επικάλυψη του αφρού µε το νικέλιο γίνεται είτε µε µεθόδους επιµετάλλωσης, είτε µε ηλεκτροεναπόθεση, είτε µε χηµική εναπόθεση ατµού. Μαζικά και σε συνεχή παραγωγή χρησιµοποιείται η µέθοδος της χηµικής εναπόθεσης ατµών. Σαν βασικό συστατικό της χηµικής διεργασίας χρησιµοποιείται το τετρακαρβονύλιο του νικελίου Ni(CO) 4. Η σύνθεση της ένωσης αυτής έγινε για πρώτη φορά το 1888 από τους Carl Langer και Ludwig Mond. Από τότε και µέχρι το 1902 η βασική της χρήση αφορούσε τον εξευγενισµό του νικελίου και την παραγωγή του σε µορφή σκόνης. Με σηµείο βρασµού τους 43 ο C µπορεί εύκολα να αποσυντεθεί σε καθαρό νικέλιο και µονοξείδιο του άνθρακα, µε θέρµανση στους ο C βάσει της αντίδρασης : Ni(CO) 4 Ni + 4CO Η χαµηλή θερµοκρασία απελευθέρωση του νικελίου επιτρέπει την εναπόθεσή του σε υλικά µε µικρή αντοχή στη θερµοκρασία, όπως η πολυουρεθάνη. Για την περίπτωση µαζικής παραγωγής κατασκευάζεται ένα υπόστρωµα πολυουρεθάνης µήκους 2000 m, πλάτους 1 m και πάχους 1.3-3mm. Το φύλλο αυτό κινείται ανάµεσα σε δύο µηχανισµούς περιέλιξης και διέρχεται από µια σειρά θαλάµων εναπόθεσης. Στον κάθε θάλαµο επικρατούν απόλυτα ελεγχόµενες συνθήκες θέρµανσης και ατµοσφαιρικής σύστασης. Η ποσότητα του µετάλλου που θα εναποτεθεί σε κάθε θάλαµο καθορίζεται από τη σύνθεση του αερίου φορέα, τη θερµοκρασία του υποστρώµατος, τη συνολική επιφάνεια αυτού και τον χρόνο παραµονής του υποστρώµατος στο συγκεκριµένο θάλαµο. Ένας τυπικός ρυθµός εναπόθεσης που µπορεί να επιτευχθεί είναι το 1 µm / min. Μετά το στάδιο της εναπόθεσης ακολουθεί θέρµανση σε κατάλληλη θερµοκρασία, για την αποµάκρυνση της πολυουρεθάνης και τη σταθεροποίηση της δοµής του νικελίου. Η θερµοκρασία η οποία εκλέγεται είναι ~1000 ο C. Στο σχήµα 2.64 απεικονίζεται η στιγµή της βίαιης εξαγωγής της πολυουρεθάνης, λόγω της υπερπίεσης που αναπτύσσεται µέσα στο µεταλλικό περίβληµα. Αµέσως µετά τη διαπήδησή της από το µεταλλικό αφρό καίγεται, αφήνοντας έτσι ένα κοίλο δικτυωτό πλέγµα νικελίου. Ένα βασικό πρόβληµα που χρήζει αντιµετώπισης είναι η δηµιουργία επιβλαβών χηµικών παραπροϊόντων. Τόσο κατά την εναπόθεση, όσο και κατά την καύση παράγονται ουσίες που δεν µπορούν να αποβληθούν αυτούσιες στο περιβάλλον.

83 75 Σχήµα 2.64 ιαπήδηση αφρού πολυουρεθάνης από τον κυψελοειδή σχηµατισµό νικελίου, κατά το στάδιο της θέρµανσης (αριστερά). Τοµή στελέχους αφρού νικελίου µετά τη θέρµανση (δεξιά) (Incofoam). Σχήµα 2.65 Εικόνες SEM από τοµές αφρών νικελίου διαφορετικού πορώδους και σχηµατικές καταγραφές των επιφανειών (Incofoam) [113]. Σχήµα 2.66 Μικροφωτογραφίες (SEM) ίδιας µεγέθυνσης µε πυκνότητα πόρων : 110 ppi (αριστερά) και 20 ppi (δεξιά) (Incofoam).

84 76 Εφαρµογή της χηµικής εναπόθεσης ατµών εφαρµόζεται και από τις εταιρείες Ultramet και Recemat µε τη διαφορά ότι χρησιµοποιείται πρότυπο αφρού από άνθρακα. Η δηµιουργία του ξεκινά από τη σύνθεση ενός πολυµερικού αφρού, ο οποίος στη συνέχεια πυρολύεται. Μετά ακολουθεί η χηµική διεργασία µε ρυθµό εναπόθεσης µm / ώρα. Η µέθοδος εφαρµόζεται για αρκετά µέταλλα όπως : ζιρκόνιο (Zr), νιόβιο (Nb), άφνιο (Hf), ταντάλιο (Ta), βολφράµιο (W), ρήνιο (Re) και για κεραµικά όπως : οξείδια, νιτρίδια, καρβίδια, βορίδια και πυριτιούχες κεραµικές ενώσεις. Εκτός από τη χηµική εναπόθεση ατµών (CVD), η Ultramet εφαρµόζει τη χηµική διείσδυση ατµών (CVI-chemical vapor infiltration), που ουσιαστικά πρόκειται για παραλλαγή της CVD. Ενώ µε τη CVD γίνεται εναπόθεση ενός συστατικού σε µια επιφάνεια, µε τη χηµική διείσδυση το συστατικό επικάλυψης εισχωρεί στο εσωτερικό ενός προτύπου. Ο εξοπλισµός και για τις δύο µεθόδους είναι ίδιος και αλλάζουν µόνο οι συνθήκες διεξαγωγής τους. Η χηµική διείσδυση εφαρµόζεται κυρίως για την παρασκευή σύνθετων υλικών κεραµικής µήτρας. Ο τρόπος µε τον οποίο γίνεται η χηµική διείσδυση δεν είναι πάντα ο ίδιος. Η ισόθερµη χηµική διείσδυση είναι µια παραλλαγή που περιλαµβάνει την οµοιόµορφη θέρµανση του προτύπου και βασίζεται στη διάχυση των συστατικών επικάλυψης στο υλικό του προτύπου. Η εξαναγκασµένης ροής χηµική διείσδυση ατµών κάνει χρήση βαθµίδας (gradient) πίεσης για τον έλεγχο της ροής των αερίων µεταφοράς του υλικού επικάλυψης. Ο τελευταίος τρόπος επιτρέπει την ολοκλήρωση της διεργασίας σε µικρότερο χρονικό διάστηµα. Σχήµα 2.67 Φωτογραφίες SEM από δοµές µεταλλικών αφρών κατασκευασµένων από την Ultramet µε µεθόδους CVD και CVI. Σχήµα 2.68 Στρώµατα µεταλλικών εναποθέσεων σε δικτυωτό πρότυπο από άνθρακα (Ultramet).

85 Μέθοδος της κατευθυνόµενης εναπόθεσης ατµών. Η δηµιουργία µεταλλικών αφρών υπερκραµάτων ανοιχτής δοµής, µε υψηλή καθαρότητα και µικρή πυκνότητα, εκτός από τις µεθόδους CVD και CVI, είναι δυνατή µε κατευθυνόµενη εναπόθεση ατµών (DVD- directed vapor deposition). Η βασική αρχή της µεθόδου παριστάνεται στο σχήµα Περιλαµβάνει αρχικά την ατµοποίηση του µεταλλικού στοιχείου, που είναι και το στοιχείο επικάλυψης, µέσω µιας δέσµης ηλεκτρονίων (EB- electron beam). Η παραγωγή της δέσµης γίνεται µε τη βοήθεια ενός καθοδικού σωλήνα, ισχύος περίπου 10 KW. Η εναπόθεση γίνεται σε προκατασκευασµένο πρότυπο αφρού πολυµερούς. Τη µεταφορά του ατµού επικάλυψης στο πρότυπο αναλαµβάνει κατάλληλη διάταξη εκτόξευσης αερίου. Η διάταξη αυτή καταλήγει σε ένα ακροφύσιο, το οποίο στοχεύει τον αφρό του πολυµερούς και παρέχει ένα ρεύµα αερίου ηλίου (He), µε ταχύτητες που πλησιάζουν και ξεπερνούν αυτή του ήχου. Η όλη διαδικασία διεξάγεται σε θάλαµο χαµηλής πίεσης. Πειραµατικά έχει διαπιστωθεί ότι µια πίεση της τάξης των 0.07 Torr είναι ικανοποιητική για την επίτευξη οµοιόµορφης εναπόθεσης. Για να εξασφαλιστεί επίσης η επικάλυψη όλων των µερών του αφρού, ταυτόχρονα µε την εναπόθεση εκτελείται περιστροφή του προτύπου µε ταχύτητα ενός κύκλου ανά λεπτό. Κατά την προσβολή του προτύπου από τη δέσµη επικάλυψης, παρατηρείται µια αύξηση της θερµοκρασίας του. Για να µην προκληθεί διάσπαση του πολυµερούς, από την αυξηµένη θερµοκρασία, γίνεται κατάλληλη ρύθµιση της πίεσης και του ρυθµού εναπόθεσης, ώστε να µην γίνει υπέρβαση του ορίου διάσπασης (100 ο C). Σχήµα 2.69 Σχηµατικό διάγραµµα της µεθόδου EB-DVD.

86 78 Μετά την εναπόθεση ακολουθεί η αφαίρεση του πολυµερούς µε θέρµανση σε ατµόσφαιρα οξυγόνου. Η θέρµανση µπορεί να γίνει µε διάφορους τρόπους. Ο ένας περιλαµβάνει τη θέρµανση έως τους 500 ο C µε ρυθµό 1 ο C / min. Ένας άλλος γίνεται µε έκθεση του αφρού σε θερµοκρασία άνω των 600 ο C για περίπου 5 sec. Το θερµικό αυτό σοκ έχει σαν αποτέλεσµα τη δηµιουργία υπερπίεσης στο εσωτερικό του µεταλλικού δικτύου, λόγω της διάσπασης του πολυµερούς και της βίαιης εξαγωγής του από οπές που δηµιουργεί στο µέταλλο. Αυτό δεν είναι ιδιαίτερα επιθυµητό εξαιτίας των ατελειών στη δοµή που εισάγει η ανεξέλεγκτη δηµιουργία των οπών. Ένας τρίτος τρόπος θέρµανσης εφαρµόζεται σε συνθήκες υψηλού κενού (10-5 Torr), µε µέγιστη θερµοκρασία τους 250 ο C και ρυθµό 1 ο C / min. Αυτός είναι και ο βέλτιστος, εφόσον επιτυγχάνεται η πλήρης αποµάκρυνση του πολυµερούς και η ελαχιστοποίηση των υπολειµµάτων άνθρακα στη δοµή. Σχήµα 2.70 Μικρογραφίες στις οποίες απεικονίζεται η δοµή : α) του βασικού δικτυωτού πολυµερικού αφρού µε συµπαγή στελέχη και β) η δοµή του EB-DVD µεταλλικού αφρού µε κοίλα στελέχη, µετά τη θερµική επεξεργασία. Για τη σταθεροποίηση της τελικής δοµής του µεταλλικού αφρού, µπορεί να ακολουθήσει µια ξεχωριστή διεργασία πυροσυσσωµάτωσης. Αυτό µπορεί να γίνει µε θέρµανση για ορισµένο χρονικό διάστηµα. Για την περίπτωση του κράµατος Inconel 625 η θερµοκρασία πυροσυσσωµάτωσης φτάνει τους 1150 ο C για χρονικό διάστηµα 12 ωρών. Η όλη διαδικασία πρέπει να γίνεται σε συνθήκες υψηλού κενού (10-5 Torr). Εναλλακτικά είναι δυνατό να εφαρµοστεί πρώτα επικάλυψη µε µίγµα συνδετικών κόνεων και µετά να ακολουθήσει πυροσυσσωµάτωση. Η επικάλυψη µε τις συνδετικές ύλες µπορεί να γίνει µε χρήση ρευστοποιηµένης κλίνης. Η συσσωµάτωση επιτυγχάνεται µε την τήξη των συνδετικών υλών. Το στάδιο αυτό είναι ιδιαίτερα χρήσιµο, γιατί η ύπαρξη τριχοειδών φαινοµένων διευκολύνει τις συνδετικές ύλες να καλύψουν οµοιόµορφα την επιφάνεια του αφρού. Τα τριχοειδή φαινόµενα ως γνωστό εµφανίζονται µόνο στην υγρή κατάσταση. Στις παρακάτω φωτογραφίες από ηλεκτρονικό µικροσκόπιο (SEM), γίνεται ορατή η διαφορά στην ποιότητα και µορφολογία της επιφάνειας του αφρού, ανάµεσα στην κατάσταση πριν και µετά την πυροσυσσωµάτωση. Αξίζει να αναφερθεί ότι η χρήση πρόσθετων συνδετικών υλών στο στάδιο της πυροσυσσωµάτωσης οδηγεί σε αύξηση του βάρους του αφρού. Το ποσοστό της αύξησης αυτής δεν ξεπερνά το 5 % του βάρους του µετάλλου βάσης.

87 79 Σχήµα 2.71 Μικρογραφίες που απεικονίζουν την µορφολογία ενός στελέχους (α) και της επιφάνειάς του (β) αµέσως µετά την εναπόθεση. Σχήµα 2.72 Μικρογραφίες που απεικονίζουν τη µορφολογία ενός στελέχους α) µετά από πυροσυσσωµάτωση χωρίς εφαρµογή πίεσης και β) µετά από συσσωµάτωση στην υγρή φάση.

88 80 Κεφάλαιο 3 Εφαρµογές των κυψελοειδών µετάλλων Έχοντας διανύσει µια σχετικά σύντοµη περίοδο εντατικής έρευνας και δοκιµών, οι µεταλλικοί αφροί έχουν προκαλέσει το ζωηρό ενδιαφέρον της βιοµηχανίας, ενώ ήδη ένα κοµµάτι αυτής ασχολείται αποκλειστικά µε την τεχνολογία τους. Τα στοιχεία που αφορούν την εξέλιξη και εφαρµογή τους αφορούν κυρίως τις βιοµηχανικά ανεπτυγµένες χώρες, όπου είναι τεχνολογικά και οικονοµικά εφικτός ο σχεδιασµός και η εξέλιξη ενός νέου υλικού. Στα σχήµατα 3.1 και 3.2 δίνονται ενδεικτικά στοιχεία που αφορούν τη χρήση των µεταλλικών αφρών ανά βιοµηχανικό κλάδο και του ενδιαφέροντος της βιοµηχανίας για κάθε ιδιότητά τους ξεχωριστά. Σχήµα 3.1 Ενδεικτική κατανοµή του ενδιαφέροντος των βρετανικών βιοµηχανιών για τους µεταλλικούς αφρούς βάσει των ιδιοτήτων τους (πηγή NPL National Physical Laboratory-U.K.). Σχήµα 3.2 Κατανοµή της χρήσης των µεταλλικών αφρών ανά βιοµηχανικό κλάδο (πηγή NPL).

89 81 Για κάθε οµάδα ιδιοτήτων έχει µάλιστα εκδηλωθεί έντονο ενδιαφέρον που αφορά : Μηχανικές ιδιότητες : Αντοχή ελαφρών κατασκευών, εφελκυσµό, θλίψη, διάτµηση, κόπωση, ελαστικές ιδιότητες, απορρόφηση ενέργειας υπό µορφή ακτινοβολίας και ενέργειας κρούσης, σύνθετα δοµικά στοιχεία, αξιοπιστία και επαναληψιµότητα των ιδιοτήτων, οµοιογένεια της δοµής. Θερµικές ιδιότητες : Θερµική αγωγιµότητα, ειδική θερµοχωρητικότητα, θερµική αντοχή, διαστατική θερµική ευστάθεια, συντελεστής διαστολής (CTE), συµπεριφορά σε υψηλές θερµοκρασίες (950 ο C). Ακουστικές ιδιότητες : Απορρόφηση ηχητικών κυµάτων, ηχητικούς µετατροπείς, ακουστική συµπεριφορά σε διαφορετικά περιβάλλοντα για µεταλλικούς αφρούς τόσο ανοιχτής όσο και κλειστής δοµής. Ιδιότητες κατασκευής και µορφοποίησης : Χύτευση, συνένωση, σύνθετα πάνελ, κατεργαστικότητα, επιφανειακές κατεργασίες και επικαλύψεις, αντικατάσταση ευρέως χρησιµοποιούµενων υλικών (χυτοσίδηρος). Μοντελοποίηση : οµική και θερµική ανάλυση, µοντελοποίηση µικροδοµής, µοντελοποίηση µηχανικών ιδιοτήτων, ανάλυση ταλαντωτικής συµπεριφοράς, δηµιουργία πρωτότυπων. Ηλεκτρικές ιδιότητες : Ηλεκτρική αγωγιµότητα, ηλεκτρική µόνωση, ηλεκτρική αντίσταση, διηλεκτρική σταθερά, απορρόφηση ηλεκτροµαγνητικής ακτινοβολίας. Το πεδίο εφαρµογών που καλύπτουν οι µεταλλικοί αφροί αυτή τη στιγµή είναι αρκετά ευρύ. Μια απλή παράθεση κάποιων εφαρµογών έτσι όπως δίνεται από την ERG Duocel περιλαµβάνει τα εξής : Ψήκτρες ηλεκτρονικών εξαρτηµάτων. Κρυογενικοί εναλλάκτες θερµότητας. Θερµική µόνωση εξαγωγής αεροσκαφών. Πυρήνες δοµικών στοιχείων. Υδατοφράκτες. Ρυθµιστές καύσης προωθητήρων στερεών καυσίµων. Στοιχεία µπαταριών. Πτέρυγες αεροσκαφών. οχεία καυσίµων. Εναλλάκτες θερµότητας περιορισµένου όγκου. οχεία υψηλού κενού.

90 82 ιαχύτες αερίων για την κατασκευή ηµιαγωγών και εξοπλισµού εναπόθεσης. Πορώδη ηλεκτρόδια. Σιγαστήρες πνευµατικών εργαλείων. Σιγαστήρες µηχανών αεροσκαφών. Ηλεκτροµαγνητικά φίλτρα. Επένδυση αεροσκαφών για την κατακράτηση θραυσµάτων και ξένων σωµάτων. Επένδυση διαχυτών αεροσκαφών για την απορρόφηση κρουστικών κυµάτων, κατά τη µετάβαση από υποηχητική σε υπερηχητική ροή και το αντίστροφο. Αναφορτιστές θερµικών µηχανών. Κλίνες και αποστακτήρες χηµικής επεξεργασίας. Συλλέκτες υδρατµών και ατµών πτητικών ουσιών. Εξοµαλυντές ροής αεριοθαλάµων. Στοιχεία συµπυκνωτών και ψυκτικών διατάξεων. Αναχαιτιστές υδραυλικών πληγµάτων δικτύων ροής. ιαφράγµατα εκροής ατµού, διατάξεων αφαλάτωσης νερού. Φίλτρα κατακράτησης θαλασσινού νερού σε σκάφη επιφανείας. Στοιχεία απορρόφησης ενέργειας κρούσης οχηµάτων. Άκαµπτα πλαίσια οχηµάτων αγώνων. Αποσπώµενα καλύµµατα πτερύγων στροβιλοσυµπιεστών. Εναλλάκτες θερµότητας υγρών. Υποστρώµατα καταλυτών. Βαλβίδες κενού. Παραδείγµατα εφαρµογών των κυψελοειδών µετάλλων. Μια βασική ιδιότητα που λαµβάνεται υπόψη στην επιλογή των µεταλλικών αφρών είναι το µικρό βάρος τους σε σχέση µε συµπαγή υλικά ίδιου όγκου. Χαρακτηριστική είναι η επιλογή τους στη δηµιουργία πολυστρωµατικών φύλλων αλουµινίου (AFS). Στο σχήµα 3.3 εµφανίζεται όχηµα µεταφορών, όπου η χρήση των AFS κάλυψε την ανάγκη αύξησης του µήκους των βραχιόνων ανύψωσης χωρίς σηµαντική αύξηση του βάρους. Η χρήση συµβατικών υλικών θα οδηγούσε σε µια αύξηση βάρους ανεπιθύµητη, λόγω µεγαλύτερης κατανάλωσης καυσίµου αλλά και ένταξης του οχήµατος σε µεγαλύτερη ασφαλιστική κατηγορία. Σχήµα 3.3 Μεταφορικό όχηµα µε βραχίονες ανύψωσης πορώδους πυρήνα.

91 83 Σχήµα 3.4 Βραχίονες ανύψωσης µε πυρήνα από µεταλλικό αφρό και επένδυση συµπαγούς µετάλλου. Σχήµα 3.5 Σκελετός ποδηλάτου κατασκευασµένος από AFS. Η χρήση των µεταλλικών αφρών στην αυτοκινητοβιοµηχανία έχει αυξηθεί αρκετά τα τελευταία χρόνια. Στην προσπάθεια κατασκευής ασφαλέστερων οχηµάτων, έχουν τοποθετηθεί κυψελοειδή µέταλλα σε κρίσιµα σηµεία των αυτοκινήτων. Η ικανότητα απορρόφησης ενέργειας κρούσεων, αλλά και η στρεπτική τους ακαµψία σε συνδυασµό µε τις χαµηλές τιµές πυκνότητας, επιβάλλει την τοποθέτησή τους στο εσωτερικό των προφυλακτήρων και σε τµήµατα του πλαισίου. Η ικανότητα απορρόφησης ενέργειας αφορά όχι µόνο τη διεύθυνση παραµόρφωσης αλλά και διευθύνσεις εκτός αυτής.

92 84 Σχήµα 3.6 α) Στοιχεία απορρόφησης ενέργειας κρούσεων µε κυψελοειδή πυρήνα. β) Παράδειγµα προφυλακτήρα οχήµατος µε πυρήνα µεταλλικού αφρού. Σχήµα 3.7 Σηµεία τοποθέτησης κυψελοειδών στοιχείων σε πλαίσιο αυτοκινήτου. Σχήµα 3.8 α) Τµήµα ανάρτησης αυτοκινήτου µε κυψελοειδή πυρήνα. Κατανοµή τάσεων στο ίδιο τµήµα, µε (γ) και χωρίς (β) κυψελοειδή πυρήνα.

93 85 Σχήµα 3.9 Χυτός βραχίονας έδρασης κινητήρα της BMW κατασκευασµένος από την LKR Ranshofen. Στα αριστερά διακρίνεται ο βραχίονας χωρίς εσωτερική ενίσχυση. Στο κέντρο ο βραχίονας µε κυψελοειδή πυρήνα και στα δεξιά τοµή αυτού. Σε αυτή την εφαρµογή γίνεται χρήση τόσο του συνδυασµού στρεπτικής ακαµψίας και µικρού βάρους, όσο και της ικανότητας απορρόφησης των ταλαντώσεων που προκαλεί η λειτουργία του κινητήρα. Μια µελλοντική χρήση των µεταλλικών αφρών αφορά στην προστασία από θραύσµατα που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από τη Γη. Έχει εκτιµηθεί ότι ένας µεγάλος αριθµών θραυσµάτων και αντικειµένων της τάξης των και µεγέθους πάνω από 10 cm, µε εκατοµµύρια άλλα µικρότερου µεγέθους, περιφέρονται µε ταχύτητες έως 10 Km / sec. Τα σώµατα αυτά θέτουν σε κίνδυνο κάθε διαστηµική αποστολή επανδρωµένη και µη, ενώ αποτελούν άµεση απειλή για τους δορυφόρους που βρίσκονται σε τροχιά. Μέχρι σήµερα έχει εφαρµοστεί η τοποθέτηση λεπτών πλακών Whipple που παρέχουν µερική προστασία, µε τη δηµιουργία κυµάτων πιέσεως και τη θραύση των αντικειµένων. οκιµές όµως του ινστιτούτου Ernst-Mach και άλλων ερευνητικών κέντρων έδειξαν ότι η χρήση µεταλλικών αφρών είναι σαφώς πιο αποτελεσµατική. Σχήµα 3.10 Σύγκριση της συµπεριφοράς κατά την πρόσκρουση σώµατος σε συµπαγές µεταλλικό φύλλο (α) και φύλλο από µεταλλικό αφρό αλουµινίου (β). γ) Αφρός αλουµινίου ανοιχτής δοµής 10ppi µετά τη δοκιµή πρόσκρουσης (πηγή Fraunhofer).

94 86 Εκτός από την ικανότητα απορρόφησης ενέργειας, η ιδιαιτερότητα των κυψελοειδών δοµών να προσφέρουν µεγάλη επιφάνεια για δεδοµένο όγκο, τις καθιστά ελκυστικές σε εφαρµογές όπως η ανάσχεση φλόγας (φλογοπαγίδες), η κατασκευή εναλλακτών θερµότητας µικρού όγκου, το φιλτράρισµα ρευστών και η βελτίωση της απόδοσης των ηλεκτρικών αντιστάσεων. Στα επόµενα σχήµατα απεικονίζονται τέτοιες εφαρµογές. Σχήµα 3.11 Στα αριστερά διακρίνονται φλογοπαγίδες της Recemat που χρησιµοποιούνται σε σωλήνες µεταφοράς αιθυλενίου µε ταχύτητα ροής 550 m / sec. Έχει διαπιστωθεί ότι σε τµήµατα δικτύων µεταφοράς εύφλεκτων αερίων, ένα πιθανό θερµικό µέτωπο µπορεί να διαδοθεί µε ταχύτητα έως και 2000 m / sec. Για την αποτροπή αυτού του κινδύνου τοποθετούνται τα φίλτρα ανάσχεσης σε επιλεγµένα σηµεία του δικτύου. Έτσι είναι εφικτή η διέλευση του αερίου και η παρεµπόδιση της διάδοσης της φλόγας σε περίπτωση ανάφλεξης. Στα δεξιά διακρίνεται άλλου τύπου φλογοπαγίδα σε δοκιµή. Σχήµα 3.12 α) Μεταλλικός αφρός χρησιµοποιείται για την εξωτερική επένδυση σωλήνων νερού. Ψύξη ή θέρµανση επιτυγχάνεται µε την επιλεκτική απορρόφηση ή δέσµευση της αµµωνίας από ένα µίγµα χηµικών κόνεων, που επικάθονται στην επιφάνεια του µεταλλικού αφρού. β) Στοιχείο από µεταλλικό αφρό που χρησιµοποιείται για τον καθαρισµό της ατµόσφαιρας αλλά και τη ρύθµιση της θερµοκρασίας στο θάλαµο του διαστηµικού λεωφορείου (ERG-Duocel). γ) Εναλλάκτης θερµότητας περιορισµένου όγκου από µεταλλικό αφρό κράµατος FeCrAlY.

95 87 Σχήµα 3.13 Κρυογενική διάταξη για την ψύξη οπτικών συσκευών υπερύθρων, µε χρήση µεταλλικού αφρού αλουµινίου. Σχήµα 3.14 Πιθανή χρήση µικροπορώδους µετάλλου σε διάταξη εφύγρανσης κυψέλης καυσίµου. Οι διατάξεις εφύγρανσεις ρυθµίζουν την απαιτούµενη ποσότητα νερού µε την οποία πρέπει να τροφοδοτηθεί η κυψέλη καυσίµου, ώστε να λειτουργεί αποδοτικά.

96 88 Σχήµα 3.15 Χρήση µεταλλικού αφρού για τη ρύθµιση της ροής ρευστού. Στις κλασικές διατάξεις στραγγαλισµού (β) εµφανίζεται απότοµη αύξηση της ταχύτητας και της θερµοκρασίας µε έντονη διαταραχή του ροϊκού πεδίου. Η κυψελοειδής δοµή επιτυγχάνει τη µεταβολή των χαρακτηριστικών της ροής µε οµαλότερο τρόπο. Η οµοιότητα της κυψελοειδούς δοµής των µεταλλικών αφρών µε την πορώδη δοµή των οστών αφορά και τις µηχανικές ιδιότητες. Ουσιαστικά κάνοντας χρήση των περισσότερων ιδιοτήτων τους, οι µεταλλικοί αφροί αποτελούν µοναδικά τεχνητά εµφυτεύµατα. Σε τέτοιες εφαρµογές χρησιµοποιούνται µέταλλα και κράµατά τους που ακόµα και σε συµπαγή µορφή έχουν εξαιρετικές ιδιότητες, όπως το τιτάνιο. Η ιδιαίτερη δοµή των µεταλλικών αφρών επιτρέπει τη γρήγορη διείσδυση του συνδετικού ιστού, δηµιουργώντας έτσι µια αποτελεσµατική ένταξη του εµφυτεύµατος στον οργανισµό. Έχει ήδη εξεταστεί η επιτυχής χρήση µεσοσπονδύλιου εµφυτεύµατος από πορώδες κράµα τιτανίου νικελίου (PTN porous titanium nickel). Επίσης διαπιστώθηκε η γρηγορότερη αφοµοίωσή του από τον ανθρώπινο οργανισµό σε σχέση µε κλασικά εµφυτεύµατα από κράµα TiAlV. Σχήµα 3.16 Πρωτότυπα κατασκευασµένα από πορώδες τιτάνιο. α) Πορώδης επικάλυψη οδοντικού εµφυτεύµατος. β) Ενίσχυση σύνθετου οστικού εµφυτεύµατος.

97 89 Σχήµα 3.17 Εγκάρσια τοµή µεσοσπονδύλιου κυψελοειδούς εµφυτεύµατος TiAlV που δείχνει τη σταδιακή αφοµοίωσή του από τον ανθρώπινο ιστό µετά από : α) 3 µήνες, β) 6 µήνες, γ) 12 µήνες. Σχήµα 3.18 Εγκάρσια τοµή µεσοσπονδύλιου κυψελοειδούς εµφυτεύµατος PTN που δείχνει τη σταδιακή αφοµοίωσή του από τον ανθρώπινο ιστό µετά από : α) 3 µήνες, β) 6 µήνες, γ) 12 µήνες. Ο βαθµός ανάπτυξης του οστικού ιστού έφτασε σε 12 µήνες το 37.6% σε αντίθεση µε το συµβατικό εµφύτευµα από TiAlV µε 25.4%.

98 90

99 91 Γ. ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΙΑΤΡΙΒΗΣ Από τις αρχές της δεκαετίας του 80 έως σήµερα, η επιστηµονική διερεύνηση των τρόπων παρασκευής και των µηχανικών ιδιοτήτων των σύνθετων υλικών που πραγµατοποιήθηκε, έχει οδηγήσει στην µετάβαση της τεχνολογίας παρασκευής τους σε βιοµηχανική κλίµακα. Ταυτόχρονα, οι ανάγκες εφαρµογής των σύνθετων υλικών, κυρίως µήτρας κραµάτων αλουµινίου, σε εφαρµογές ευρείας χρήσης, έχουν οδηγήσει σε µεθόδους παρασκευής τους περισσότερο ευέλικτες και λιγότερο δαπανηρές. Στο πλαίσιο αυτό, τα τελευταία χρόνια, αναπτύσσεται η διεργασία της in situ παρασκευής σύνθετων υλικών µήτρας αλουµινίου. Η διεργασία αυτή, σε συνδυασµό µε την τεχνική της χύτευσης µε ανάδευση, αποτελεί µία καινούργια ελκυστική προσέγγιση παρασκευής χυτών σύνθετων υλικών, η οποία έως σήµερα έχει εφαρµοστεί κυρίως για το σύστηµα Al-Ti-B. Το βανάδιο είναι ένα στοιχείο που µπορεί να παραχθεί ως παραπροϊόν άλλων στοιχείων, όπως ο σίδηρος, το ουράνιο και ο φώσφορος, αλλά κυρίως παράγεται από τη διύλιση του πετρελαίου. Όπως έχει προσδιορίσει το Υπουργείο Ενέργειας των Ηνωµένων Πολιτειών, ο εφοδιασµός σε βανάδιο από αυτές τις πηγές, δεν είναι ούτε επαρκής, ούτε αξιόπιστος για να αντιµετωπίσει τις συνεχώς αυξανόµενες ανάγκες [22]. Η κύρια χρήση του βαναδίου είναι ως κραµατικό στοιχείο στους χάλυβες και η προσθήκη µικρών ποσοτήτων σε ένα κοινό ανθρακούχο χάλυβα µπορεί να αυξήσει σηµαντικά την αντοχή του και να βελτιώσει ταυτόχρονα την σκληρότητα και την ολκιµότητά του. Τέτοιοι υψηλής αντοχής χαµηλής κραµάτωσης χάλυβες (high strengh low alloy HSLA) συναντώνται σε πολλές κοινές κατασκευαστικές εφαρµογές, ενώ καλύπτουν επίσης και τις απαιτήσεις πολλών διαστηµικών και αµυντικών προγραµµάτων, λόγω της ιδιότητας εξοικονόµησης βάρους που αποκτούν [22]. Παράλληλα µε τους χάλυβες, το βανάδιο χρησιµοποιείται στη βιοµηχανία του τιτανίου, όπου προστίθεται σε κράµατα τιτανίου που απαιτείται να λειτουργήσουν σε συνθήκες υψηλών θερµοκρασιών, όπως για παράδειγµα συµβαίνει σε τµήµατα τουρµπίνων των αεροσκαφών [22]. Στα κράµατα αλουµινίου το βανάδιο χρησιµοποιείται σε µικρές ποσότητες, που είναι ικανές να επιφέρουν αλλαγές στη µικροδοµή και βελτιώνουν τις µηχανικές ιδιότητες των κραµάτων αυτών, κυρίως προκαλώντας εκλέπτυνση των κόκκων [23,24,25] Προξενεί εποµένως µεγάλο επιστηµονικό ενδιαφέρον η διερεύνηση των αποτελεσµάτων της χρησιµοποίησης του βαναδίου, ως αντιδρών συστατικό στη in situ διεργασία, για την παρασκευή σύνθετων υλικών µήτρας αλουµινίου. Σκοπός της παρούσας ερευνητικής εργασίας είναι η εφαρµογή της in situ διεργασίας, σε συνδυασµό µε την τεχνική της χύτευσης µε ανάδευση, για την σύνθεση ενδοµεταλλικών ενώσεων βαναδίου-βορίου και τιτανίου-βορίου, εντός της µήτρας αλουµινίου ως ενισχυτικές φάσεις µε την µεταξύ τους αντίδραση. Επίσης, εκτεταµένο ενδιαφέρον παρουσιάζει και η µελέτη των αλλαγών στη µικροδοµή του υλικού που προκαλεί η προσθήκη διαφόρων κραµατικών στοιχείων όπως ο σίδηρος (Fe) και το βολφράµιο (W). Με τον τρόπο αυτό εξετάζονται οι προοπτικές εφαρµογής της διεργασίας αυτής στα συστήµατα Al-V-B και Al-Ti-B, που αποτελεί µία πρωτοποριακή προσέγγιση στην παραγωγή σύνθετων υλικών µήτρας αλουµινίου.

100 Τέλος παρουσιάζεται ο αναλυτικός σχεδιασµός και η κατασκευή συστήµατος ηλεκτροµαγνητικής ανάδευσης (ΗΜΑ) για την παραγωγή ΣΥΜΜ και µεταλλικών αφρών. 92

101 93 ΙΙ. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Α. ΣΥΜΜ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ ΜΕ ΕΝΩΣΕΙΣ (V χ B ψ ) 1. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΣΥΝΘΕΤΟΥ ΥΛΙΚΟΥ (µε την µέθοδο της διήθησης) IN SITU δοκίµια µεταλλικής µήτρας αλουµινίου ενισχυµένου µε την ενδοµεταλλική ένωση βαναδίου του βορίου (VB 2 ) παρασκευάσθηκαν πειραµατιζόµενοι µε τους χρόνους και τις θερµοκρασίες κατά την διαδικασία παρασκευής τους. Έτσι έχουµε δοκίµια µε χρόνο αντίδρασης 5 λεπτών σε θερµοκρασίες 900, 950 και C,και δοκίµια µε χρόνο αντίδρασης 2, 10, και 15 λεπτών σε θερµοκρασία C. Θέλουµε λοιπόν να δούµε την παραγόµενη ενισχυτική φάση στις διάφορες αυτές περιπτώσεις και να βρούµε το δοκίµιο µε την µέγιστη επί της % ποσοστιαία φάση. Για τον σκοπό αυτό πρέπει να γίνει εξαγωγή (extraction), των παραγόµενων σωµατιδίων από την µήτρα αλουµινίου, µε την διάλυση µικρής ποσότητας του in situ σύνθετου υλικού, που προέκυψε από την σύνθεση των master alloys. Συγκεκριµένα τοποθετείται µικρή ποσότητα in situ σύνθετου υλικού σε πυκνό διάλυµα υδροχλωρικού οξέως 80% HCl, το οποίο θερµάνθηκε στους 80 0 C. Μετά από σύντοµο χρονικό διάστηµα και την πλήρη διάλυση του υλικού, γίνεται η διήθηση του διαλύµατος που προκύπτει, από όπου συλλέγεται ικανή ποσότητα παραγόµενης ενισχυτικής φάσης για το δειγµατοφορέα του περιθλασίµετρου. Τα master alloys από τα οποία παρασκευάζονται τα υπό εξέταση σύνθετα υλικά είναι δύο των 25γραµ. το καθένα και περιέχουν το µεν ένα 5% Βανάδιο το δε άλλο 2,14% Βόριο κατά βάρος συνεπώς, και µε δεδοµένο το γεγονός ότι τα δύο αντιδρώντα στοιχεία είναι σε στοιχειοµετρική αναλογία, το µέγιστο βάρος της ενισχυτικής φάσης που µπορούµε να πάρουµε επί της εκατό είναι 3,57%. Έχοντας αυτό υπ όψιν ξεκινάµε τα πειράµατα κόβοντας µικρές φέτες, ένα από κάθε δοκίµιο, µικρού βάρους περίπου 1 µε 2 γραµµάρια. Χρησιµοποιούµε για κάθε πείραµα 60ml HCl πυκνότητας 37% το οποίο θερµαίνοµε στους 80 0 C. Μετά από χρονικό διάστηµα 20 λεπτών περίπου οπότε βλέποµε πως σταµάτησε η διάλυση του υλικού (σταµατά η βράση) κάνοµε την διήθηση σε κοινό χαρτί διήθησης χωρίς να γνωρίζοµε τα ακριβή χαρακτηριστικά του, το οποίο έχουµε ήδη ζυγίσει πριν την διήθηση για να πάρουµε το απόβαρό του, διήθηση που έγινε µε φυσικό τρόπο χωρίς την χρήση κάποιας συσκευής. Στην συνέχεια αφήνουµε το χαρτί διήθησης µε τα σωµατίδια που κατακράτησε να ξεραθούν εις τρόπον ώστε να φύγει το υγρό και να προβούµε στο ζύγισµα του στεγνού χαρτιού διήθησης και των ενισχυτικών σωµατιδίων και µετά αφού αφαιρέσουµε το απόβαρο του χαρτιού θα µείνει βασικά το βάρος των σωµατιδίων και δεδοµένου ότι γνωρίζουµε το βάρος του ολικού υλικού από κάθε δοκίµιο µπορούµε να βρούµε το επί της εκατό βάρος των σωµατιδίων σε σχέση µε το ολικό βάρος του σύνθετου υλικού του δοκιµίου. Στον παρακάτω πίνακα 1 παραθέτουµε χαρακτηριστικά αποτελέσµατα για την θερµακρασία των C, ενώ στον πίνακα 2 παραθέτουµε χαρακτηριστικά αποτελέσµατα για τον χρόνο ανάδευσης των 5 λεπτών.

102 94 Ποιο συγκεκριµένα για ΣΥΜΜ κράµατος αλουµινίου µε Βανάδιο και Βόριο βρήκαµε. οκίµιο Θερµοκρασία Ανάδευσης Χρόνος Ανάδευσης Ποσότητα Υλικού οκιµίου Ενισχυτική Φάση Ποσοστό Ενισχυτικής Φάσης C 2 min 1,2820 gr 0,0400 gr 3,12% C 10 min 0,9227 gr 0,0300 gr 3,18% C 15 min 1,5583 gr 0,0400 gr 2,56% Πίνακας 1 Φαίνεται πως τα αποτελέσµατα είναι αποδεκτά καθότι τα ποσοστά είναι µικρότερα του 3,57%. Τα δοκίµια είχαν θερµοκρασία ανάδευσης την ίδια C, άλλαζε µόνο ο χρόνος αντίδρασης και όπως φαίνεται ο πιο κατάλληλος χρόνος είναι αυτός των 10 min καθότι έχουµε το µεγαλύτερο ποσοστό ενισχυτικής φάσης που φθάνει το 3,18% κοντά στο µέγιστο θεωρητικό που ως γνωστόν είναι 3,57%, δηλ. είχαµε δηµιουργία ενισχυτικής φάσης 90% του µέγιστου θεωρητικού. Τυπικές φωτογραφίες του σχηµατισµού των σωµατιδίων (Φωτ. 1,2,3,) Φωτ. 1 οκίµιο 00583: Θερµοκρασία C Χρόνος 2 min Σωµατίδια 3,12%

103 95 Φωτ.2 οκίµιο 00585: Θερµοκρασία C Χρόνος 10 min Σωµατίδια 3,18% Φωτ. 3 οκίµιο 00586: Θερµοκρασία C Χρόνος 15 min Σωµατίδια 2,56%

104 96 οκίµια που σχηµατίσθηκαν µε ίδιο χρόνο ανάδευσης 5 min, σε διαφορετική κάθε φορά θερµοκρασία. οκίµιο Θερµοκρασία Ανάδευσης Χρόνος Ανάδευσης Ποσότητα Υλικού οκιµίου Ενισχυτική Φάση Ποσοστό Ενισχυτικής Φάσης C 5 min 1,6683 gr 0,0372 gr 2,23% C 5 min 1,4664 gr 0,0465 gr 3,17% C 5 min 1,3866 gr 0,0265 gr 1,92% Πίνακας 2 Φαίνεται πολύ καθαρά χωρίς καµία αµφιβολία πλέον πως τα πειράµατα είναι πλήρως πετυχηµένα και στη θερµοκρασία των C έχουµε τον µέγιστο σχηµατισµό ενισχυτικής φάσης 3,17% ήτοι 89% περίπου του µέγιστου θεωρητικού που ως γνωστόν είναι 3,57%. Αυτός ο µέγιστος σχηµατισµός ενισχυτικής φάσης 3,17% υστερεί µόλις κατά τι από το 3,18% που είχαµε στο δεύτερο δοκίµιο του πρώτου πειράµατος µε θερµοκρασία ανάδευσης C και χρόνο ανάδευσης 10 min. Ανακεφαλαιώνοντας όλα τα παραπάνω µπορούµε να καταλήξοµε στο εξής συµπέρασµα. Συµπέρασµα 1ον Με την µέθοδο της διάλυσης του υλικού δοκιµίου σε υδροχλωρικό οξύ (HCl) και εν συνεχεία της διήθησης και συλλογής της ενισχυτικής φάσης φαίνεται πως ότι: Η µέγιστη ενισχυτική φάση 3,18% συλλέχθηκε από δοκίµιο που σχηµατίσθηκε στους C και σε χρόνο ανάδευσης-παραµονής 10 min, η οποία πλησιάζει το 90% του µέγιστου ανώτατου θεωρητικού που µπορεί να σχηµατισθεί και που είναι 3,57%. Συνεπώς: Καλύτερη θερµοκρασία C. Καλύτερος χρόνος 10 min

105 97 2. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΣΥΝΘΕΤΟΥ ΥΛΙΚΟΥ (µε παρατήρηση στο µικροσκόπιο) οκίµια ΣΥΜΜ µε Βακελίτη που παρασκευάσθηκαν όπως ανωτέρω σε θερµοκρασία C µε χρόνους 2, 5, 10 και 15 λεπτά τα παρατηρούµε σε µικροσκόπιο OLYMPUS ΒΧ60. οκίµιο: Βακελίτης µε ΣΥΜΜ Al-V χ B ψ σε θερµοκρασία C και χρόνο 2 min. Παρατηρούνται αρκετά σωµατίδια µεγάλων διαστάσεων µεταξύ 40 και 100 µίκρον ενώ οι επιθυµητές διαστάσεις τους είναι κάτω των 10 µίκρον. Τα σωµατίδια δεν είναι πολύ οµοιόµορφα κατανεµηµένα (Σχήµα 1). Σχήµα 1. οκίµιο µε τυπική δοµή Al-V χ B ψ, C, 2 min, X500.

106 98 οκίµιο: Βακελίτης µε ΣΥΜΜ Al-V χ B ψ σε θερµοκρασία C και χρόνο 5 min. Παρατηρούνται ελάχιστα σωµατίδια άνω των 10 µίκρον. Τα σωµατίδια είναι κατανεµηµένα αρκετά οµοιόµορφα (Σχήµα 2). Σχήµα 2. οκίµιο µε τυπική δοµή Al-V χ B ψ, C, 5 min, X500.

107 99 οκίµιο: Βακελίτης µε ΣΥΜΜ Al-V χ B ψ σε θερµοκρασία C και χρόνο 10 min. Όλα τα σωµατίδια έχουν διαστάσεις µικρότερες των 10 µίκρον. Τα σωµατίδια είναι άριστα κατανεµηµένα (Σχήµα 3). Σχήµα 3. οκίµιο µε τυπική δοµή Al-V χ B ψ, C, 10 min, X500.

108 100 οκίµιο: Βακελίτης µε ΣΥΜΜ Al-V χ B ψ σε θερµοκρασία C και χρόνο15 min. Όλα τα σωµατίδια έχουν διαστάσεις κάτω των 10 µίκρον. Τα σωµατίδια είναι συγκεντρωµένα κατά περιοχές σχηµατίζοντας ζώνες πλούσιες σε σωµατίδια και συνεπώς παύει να είναι οµοιόµορφη η κατανοµή τους, όπως φαίνεται πολύ καλά στο σχήµα 4 που ακολουθεί. Σχήµα 4. οκίµιο µε τυπική δοµή Al-V χ B ψ, C, 15 min, X500. Συµπέρασµα 2ον Μετά τις παρατηρήσεις των δοκιµίων βλέπουµε πως το δοκίµιο που παρασκευάσθηκε στους C και σε χρόνο 10 min είναι το πλέον επιθυµητό καθότι. -Τα σωµατίδια έχουν διάσταση µικρότερη των 10 µίκρον. -Τα σωµατίδια είναι άριστα κατανεµηµένα. Βλέπουµε πως τα δύο συµπεράσµατα 1ον και 2ον συγκλίνουν στο ίδιο αποτέλεσµα. Συνεπώς: Καλύτερη θερµοκρασία C. Καλύτερος χρόνος 10 min.

109 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΣΥΝΘΕΤΟΥ ΥΛΙΚΟΥ (µε την βοήθεια του µικροσκοπίου και του προγράµµατος επιφανειακής ποσοστιαίας κατανοµής της ενισχυτικής φάσης) Κάνοντας συνεχείς µετρήσεις επί της % των σωµατιδίων που αποτελούν την ενισχυτική φάση σε διαφορετικά σηµεία και βγάζοντας τον µέσο όρο, έχουµε: 1ο Σηµείο : 0,903% 2ο Σηµείο : 3,337% 3ο Σηµείο : 3,913% 4ο Σηµείο : 3,898% 5ο Σηµείο : 3,266% 6ο Σηµείο : 1,905% 7ο Σηµείο : 2,703% 8ο Σηµείο : 4,875% 9ο Σηµείο : 5,118% 10ο Σηµείο : 3,019% Μετρώντας 8 διαφορετικά σηµεία, έχουµε: 11ο Σηµείο : 3,017% 12ο Σηµείο : 3,862% 13ο Σηµείο : 2,621% 14ο Σηµείο : 3,391% 15ο Σηµείο : 3,185% 16ο Σηµείο : 3,136% 17ο Σηµείο : 3,315% 18ο Σηµείο : 3,015% Συµπέρασµα 3ον Μετά την λείανση του δοκιµίου που παρασκευάσθηκε σε θερµοκρασία C και σε χρόνο 10 min και µετά τις µετρήσεις του προγράµµατος προκύπτει πως το ποσοστό των σωµατιδίων κυµαίνεται µεταξύ 3,193% και 3,294% που είναι αποδεκτά Στην συνέχεια κάνοντας την ίδια διαδικασία και µε άλλα δοκίµια µε διαφορετικές θερµοκρασίες και διαφορετικούς χρόνους βλέπουµε πως το ποσοστό των σωµατιδίων είναι µικρότερο. Συνεπώς και πάλι: Καλύτερη θερµοκρασία C Καλύτερος χρόνος 10 min Άρα λοιπόν αρκεί να πάρουµε αυτό το δοκίµιο που παρασκευάσθηκε στους C µε χρόνο αντίδρασης 10 min και να το συνκρίνουµε µε δοκίµιο από καθαρό αλουµίνιο για να δούµε τη βελτίωση που µπορούµε να πετύχουµε όσον αφορά τις φυσικές και µηχανικές ιδιότητες του αλουµινίου.

110 102 Β. ΣΥΜΜ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ ΜΕ ΕΝΩΣΕΙΣ (TiχBψ) ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΜΗΤΡΑΣ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ ΕΝΙΣΧΥΜΕΝΩΝ ΜΕ ΣΩΜΑΤΙ ΙΑ ΕΝ ΟΜΕΤΑΛΛΙΚΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ ΤΙΤΑΝΙΟΥ ΚΑΙ ΒΟΡΙΟΥ (TixBψ) ΜΕ ΤΗ ΙΕΡΓΑΣΙΑ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗΣ IN SITU 1. ΣΕΙΡΑ ΠΡΩΤΗ Ο στόχος των παρακάτω πειραµάτων είναι να παρασκευασθεί in situ σύνθετο υλικό µήτρας αλουµινίου εµπορικής καθαρότητας µε την προσθήκη µίγµατος αλάτων K 2 TiF 6 και KBF 4 για την σύνθεση της ενίσχυσης του TiB 2 στους C µε την µέθοδο της χύτευσης µε ανάδευση. ιάρκεια χρόνου ανάδευσης-αντίδρασης 30 λεπτά. Ποσότητες υλικών. Βάρος αλουµινίου Al = 585,5 gr ποσοστό = 95,00% Βάρος άλατος K 2 TiF 6 = 15,1 gr «= 2,45% Βάρος «KBF 4 = 15,7 gr «= 2,55% Σύνολα 616,3 gr 100,00% Συνολικό ποσοστό αλάτων 2,45%+2,55% = 5% Χηµική ανάλυση αναδευτήρα, χάλυβας CrNiMo6 C Si Mn Cr Mo Ni Σκληρότητα ΗΒ30 0,38-0,38 Max - o,40 0,40-0,70 1,40-1,70 0,15-0,30 1,40-1, για φ41-100mm Ακολουθούµενη διαδικασία. Τεµάχια αλουµινίου βάρους 585,5γρ τα βάζοµε στον µποτά και αφού λειώσουν στον φούρνο και φθάσουν στους C αρχίζουµε µε αξονικό αναδευτήρα την ανάδευση προσθέτοντας σταδιακά σκόνη αλάτων αναµεµειγµένη 15,1gr Κ 2 ΤιF 6 και 15,7gr KBF 4. Η ανάδευση συνεχίζεται για 30 λεπτά και µετά γίνεται η χύτευση και παίρνοµε συνολικά 7 κυλινδρικά δοκίµια σε καλούπια χαλκού διαφόρων διαµέτρων Φ12, Φ15, Φ20, Φ25 και µήκους περίπου 110 µε 120mm. Ο αναδευτήρας έχει τέσσερα πτερύγια που έχουν κλίση 20 µοιρών, είναι επικαλυµµένος µε αλουµίνα και παρουσιάζει την εικόνα που φαίνεται παρακάτω, µετά την ανάδευση και εκτέλεση του πειράµατος (Σχήµα 5).

111 103 Σχήµα 5. Αναδευτήρας τεσσάρων πτερυγίων, µε κλίση 20 µοιρών, µετά το τέλος του πειράµατος 1.1. Μικροσκοπικός έλεγχος. Από τα διάφορα δοκίµια κόβοµε κοµµάτια Φ12, Φ15, Φ20, Φ25 τα οποία λειαίνοµε µε λειαντικά διαφόρων µεγεθών κόκκων και στο τέλος τα γυαλίζοµε µε πανί και αλουµίνα. Στη συνέχεια παρατηρούµε τις επιφάνειες στο οπτικό µικροσκόπιο. Όλες οι επιφάνειες παρουσιάζουν µια πλεκτή από επιµήκη σωµατίδια υλικού, επιµήκης φάση. Τα επιµήκη σωµατίδια όπως είναι πλεγµένα σχηµατίζουν διάφορα γεωµετρικά σχήµατα, άλλοτε τρίγωνα και άλλοτε τετράπλευρα. Αυτά είναι µεγαλύτερα προς το κέντρο της διατοµής του δοκιµίου και µικρότερα προς την περιφέρεια, καθώς επίσης είναι µεγαλύτερα σε δοκίµιο µε µεγαλύτερη διατοµή και µικρότερα σε δοκίµιο µε µικρότερη διατοµή πράγµα που σηµαίνει πως το µέγεθος έχει σχέση µε το gradient ψύξης, δηλ. γρήγορη ψύξη σηµαίνει πολλά και µικρά σωµατίδια, αργή ψύξη σηµαίνει λιγότερα και µεγαλύτερα σωµατίδια. Έχοµε λοιπόν επιµήκη σωµατίδια σε πλέξη που όπως θα δούµε στην συνέχεια είναι Fe και πολύ µικρά ασυνεχή σωµατίδια απόtib 2 οµοιόµορφα κατανεµηµένα. Τα ανωτέρω φαίνονται στις φωτογραφίες (Σχήµατα 6,7)που ακολουθούν.

112 104 Σχήµα 6. οκίµιο Φ15, µεγέθυνση Χ50, Κεντρική λήψη. Σχήµα 7. Μικρά και πολλά επιµήκη σωµατίδια λόγω απότοµης ψύξης στην Περιφέρεια. οκίµιο Φ12, µεγέθυνση Χ50, Περιµετρική λήψη

113 105 Στο µικροσκόπιο, µεγέθυνση Χ500,όπως δείχνει η φωτογραφία που ακολουθεί (Σχήµα 8), φαίνονται τα σωµατίδια του TiB 2 που σχηµατίσθηκαν, υπάρχουν παντού και είναι οµοιόµορφα κατανεµηµένα, µετρήθηκαν δε και βρέθηκαν γύρω στα 3 µικρά. Σχήµα 8. οκίµιο Φ20, µεγέθυνση Χ Κρυσταλλική δοµή. Προσβάλλοντας τα δοκίµια µε Kellers και παρατηρώντας τα στο µικροσκόπιο βλέπουµε πως η δοµή τους είναι δενδριτική. Οπτική δοµή του υλικού Ακολουθούν φωτογραφίες του δοκιµίου που πάρθηκαν στο µικροσκόπιο µε διάφορους φακούς όπου φαίνεται η δοµή του υλικού (Σχήµατα 9-13).

114 106 Σχήµα 9. Τα επιµήκη σωµατίδια είναι πλούσια σε σίδηρο. Σχήµα 10. Τα επιµήκη σωµατίδια είναι πλούσια σε σίδηρο και διακρίνονται οι κόκκοι ενισχυτικής φάσης (TiB 2 ) διασπαρµένοι.

115 107 Σχήµα 11. Τα επιµήκη σωµατίδια είναι πλούσια σε σίδηρο και διακρίνονται οι κόκκοι ενισχυτικής φάσης (TiB 2 ) διασπαρµένοι. Σχήµα 12. ιακρίνονται τα επιµήκη σωµατίδια που είναι πλούσια σε σίδηρο η µεταλλική µήτρα αλουµινίου και ορισµένοι κόκκοι (TiB 2 ).

116 108 Σχήµα 13. ιακρίνονται τα επιµήκη σωµατίδια που είναι πλούσια σε σίδηρο η µεταλλική µήτρα αλουµινίου και ορισµένοι κόκκοι (TiB 2 ). 1.3 ηµιουργία ενισχυτικής φάσης (σωµατίδια). Από τις διάφορες µετρήσεις προκύπτει µία µέση τιµή γύρω στο 2% συνεπώς η δηµιουργία ενισχυτικής φάσης δεν είναι ικανοποιητική, τα άλατα δεν εισήλθαν όλα στην υγρή µάζα αλλά ένα µέρος, περίπου 60%, επέπλευσαν πάνω στην λάβα, η ανάδευση δεν δηµιούργησε σωστή δίνη να παρασύρει τις σκόνες αλάτων µέσα στην µήτρα αλουµινίου 1.4 Μέτρηση σκληρότητας α) Σκληροµέτρηση κατά Rockwell B Συσκευή Για το σκοπό αυτό χρησιµοποιούµε συσκευή µέτρησης επιφανειακής σκληρότητας της ACCO (American Chain & Cable Company) και πιο επακριβώς την συσκευή ROCKWELL SUPERFICIAL HARDNESS TESTER. Το αλουµίνιο επειδή σαν υλικό δεν είναι σκληρό γιαυτό κάνουµε µέτρηση ROCKWELL B δηλαδή χρησιµοποιούµε δύναµη100kg και µύτη πίεσης και εισχώρησης σφαιρική µε διάµετρο 1/16.

117 109 Σκληρόµετρο ROCKWELL Σκληρόµετρο ROCKWELL

118 110 Παίρνουµε τρία δοκίµια µε διαµέτρους 15, 20 και 25 χιλιοστά και αφού τα προετοιµάσουµε επιφανειακά γυαλίζοντάς τα κατά τα γνωστά, κάνουµε σε κάθε ένα από αυτά κατά µήκος µιας διαµέτρου πολλές µετρήσεις εις τρόπον ώστε να έχουµε όσον το δυνατόν πιο αντικειµενικό αποτέλεσµα. Έτσι έχουµε. οκίµιο 1: 17,16,25,22,24,28,21,29,21,20,13,21 οπότε έχουµε µέσο όρο RB=21,4 οκίµιο 2: 15,24,20,22,23,21,11,20,26,26,20,20 οπότε έχουµε µέσο όρο RB=20,7 οκίµιο 3: 12,21,24,16,18,20,18,12,20,23,25,15 οπότε έχουµε µέσο όρο RB=18,7 Κατά συνέπεια η µέση τιµή είναι γύρο στα 20, άρα: RB=20 β) Σκληροµέτρηση κατά Βίκερς Όλες οι σκληροµετρήσεις έγιναν χρησιµοποιώντας το ίδιο βάρος 100gf και όλες οι φωτογραφίες πάρθηκαν στο µικροσκόπιο µε µεγέθυνση Χ200. Όπως φαίνεται η σκληρότητα δεν είναι σταθερή αλλά από σηµείο σε σηµείο διαφέρει και αυτό είναι λογικό καθότι µέσα στην µήτρα του αλουµινίου υπάρχουν επιµήκη σωµατίδια σιδήρου και συνεπώς ανάλογα µε το πού πέφτει η ακίδα του µικροσκληρόµετρου έχουµε και ανάλογη τιµή. Όπως και να έχει είναι σαφές πως η σκληρότητα του υλικού είναι πολύ µεγάλη. Εµείς σαν σκληρότητα παίρνουµε το µέσο όρο των διάφορων τιµών. Έτσι τελικά µπορούµε να πάρουµε σαν µέση τιµή Hv131 Μικροσκληρόµετρο Βίκερς

119 Μικροσκληρόµετρο Βίκερς 111

120 112 Ακολουθούν διάφορες φωτογραφίες σκληροµέτρησης που έγιναν µε µικροσκληρόµετρο κατά Βίκερς (Σχήµατα 14-16). Σχήµα 14. Πείραµα 1, Hv µε P=100gf, d=30µm Σχήµα 15. Πείραµα 2, Hv µε P=100gf, d=45µm

121 113 Σχήµα 16. Πείραµα 3, Hv µε P=100gf, d=42µm Λήψη φωτογραφίας περιµετρική Σε αυτήν τη φωτογραφία φαίνεται πως τα επιµήκη σωµατίδια σιδήρου είναι πολύ µικρότερα και πολύ πυκνότερα από ότι στις άλλες φωτογραφίες και αυτό έχει την εξήγησή του. Η φωτογραφία αυτή είναι παρµένη περιµετρικά, από την άκρη του δοκιµίου όπου η ψύξη είναι πολύ ταχύτερη συνεπώς έχουµε µεγάλη και απότοµη πτώση της θερµοκρασίας και ως εκ τούτου πολλά σηµεία αρχής πήξεως µε αποτέλεσµα να παρουσιάζεται αυτή η εικόνα Αντοχή υλικού σε εφελκυσµό. Με την βοήθεια του τόρνου κατασκευάζουµε πρότυπο δοκίµιο εφελκυσµού κατά την τυποποίηση ASTM A370 µε ελάχιστη διάµετρο εφελκυσµού W=6,25mm.

122 114 Τοποθετούµε το δοκίµιο στην συσκευή εφελκυσµού θραύσης και αυξάνοµε βαθµιαία την δύναµη καταπόνησης µέχρι την τελική θραύση του δοκιµίου. Βλέπουµε πως η δύναµη που προκάλεσε την θραύση είναι: F=4.300N=438Kg. Η καταπονηθείσα διατοµή είναι: Α=πd 2 /4=π6,25 2 /4=30,66mm 2 άρα: Η τάση θραύσης είναι: σ θρ =F/A=438/30,66=14,30Kg/mm 2, άρα σ θρ =14,30Kg/mm Αντοχή υλικού σε φθορά Για να προσδιορίσουµε την φθορά του δοκιµίου σε όγκο όταν αυτό διανύσει µια ορισµένη απόσταση επάνω σε µία επιφάνεια τριβής πιεζόµενο µε ορισµένη κάθετη δύναµη χρησιµοποιούµε την συσκευή STRUERS DP-U2. Η συσκευή αυτή διαθέτει, περιστρεφόµενο δίσκο πάνω στον οποίο τοποθετείται η επιφάνεια τριβής που µπορεί να αλλάξει, βραχίονα που φέρει το δοκίµιο από κάτω ενώ από πάνω µε την παρεµβολή ελατηρίου φέρει βάση που τοποθετείται το βαρίδιο πίεσης του δοκιµίου επί της επιφάνειας τριβής και φωτοκύτταρο µέτρησης των αριθµών στροφών του δίσκου για να προσδιορισθεί τελικά η διανυθείσα απόσταση. Βέβαια για το ίδιο δοκίµιο η φθορά αλλάζει αν αλλάξουν τα χαρακτηριστικά της επιφάνειας τριβής ή αλλάξει η κάθετη δύναµη που ασκείται πάνω του έστω και αν διανύσει την ίδια απόσταση τριβής, γιαυτό η φθορά έχει νόηµα σαν συγκριτικό µέγεθος δύο ίδιων δοκιµίων, από διαφορετική σύσταση υλικού φυσικά, που διανύουν την ίδια απόσταση, πάνω στην ίδια επιφάνεια τριβής, µε την ίδια κάθετη δύναµη. Η φθορά υπολογίζεται από τον τύπο. W S = m/ρf n L= V/F n L (mm 3 /N*m) m= απώλεια υλικού σε βάρος σε Newton V= απώλεια όγκου σε mm 3 ρ = m/v σε Ν/mm 3 F n = κάθετη εφαρµοσµένη δύναµη σε Newton L = 2πRn διανυθείσα απόσταση σε m R = απόσταση του δοκιµίου από το κέντρο περιστροφής του δίσκου σε m n = ο συνολικός αριθµός των στροφών Χαρακτηριστικά του δοκιµίου µας. Βάρος δοκιµίου m=6,347gr=0, ν και όγκος V=4ml=4000mm 3 ρ=0, /4000=0, n/mm 3 συνεπώς Συνθήκες εργασίας. F n =2207gr=21,65N R=0,05m n=250 στροφές και συνεπώς L=2*3,14*0,05*250=78,5m Νέο βάρος δοκιµίου m =5,9665gr άρα η απώλεια βάρους είναι m=m-m =6,347-5,9665=0,3805gr=0, N Μπορούµε συνεπώς να υπολογίσουµε την φθορά που είναι. W s =0, /0, *21,65*78,5=0,14 (mm 3 /Nm)

123 SEM Ακολουθούν φωτογραφίες που ελήφθησαν από το ηλεκτρονικό µικροσκόπιο σάρωσης, η επιµήκης φάση εσωτερικά είναι σίδηρος και µόνο περιφερειακά είναι ενώσεις σιδήρου και αλουµινίου (Σχήµατα 17-26). Συνάγεται εποµένως το συµπέρασµα πως οι πλούσιες σε σίδηρο περιοχές δεν κατανέµονυαι οµοιόµορφα και υπάρχει αύξηση της διαλυτότητάς του από το εσωτερικό προς το εξωτερικό των δοκιµίων. Από την ανάλυση στοιχείων φαίνεται επίσης η ύπαρξη του τιτανίου. Βελόνες πλούσιες σε σίδηρο (Fe). Σχήµα 17. Λευκές ζώνες πλούσιες σε σίδηρο, µαύρες και γκρί ζώνες από Αλουµίνιο και ύπαρξη τιτανίου σε διάσπαρτες περιοχές.

124 116 Σχήµα 18. Λευκές ζώνες πλούσιες σε σίδηρο, µαύρες και γκρί ζώνες από Αλουµίνιο και ύπαρξη τιτανίου σε διάσπαρτες περιοχές. Σχήµα 19. Λευκές ζώνες πλούσιες σε σίδηρο, µαύρες και γκρί ζώνες από Αλουµίνιο και ύπαρξη τιτανίου σε διάσπαρτες περιοχές.

125 117 Σχήµα 20. Λευκές ζώνες πλούσιες σε σίδηρο, µαύρες και γκρί ζώνες από Αλουµίνιο και ύπαρξη τιτανίου σε διάσπαρτες περιοχές. Σχήµα 21. Λευκές ζώνες πλούσιες σε σίδηρο, µαύρες και γκρί ζώνες από Αλουµίνιο και ύπαρξη τιτανίου σε διάσπαρτες περιοχές.

126 118 Σχήµα 22. Λευκές ζώνες πλούσιες σε σίδηρο, µαύρες και γκρί ζώνες από Αλουµίνιο και ύπαρξη τιτανίου σε διάσπαρτες περιοχές. Σχήµα 23. Λευκές ζώνες πλούσιες σε σίδηρο, µαύρες και γκρί ζώνες από Αλουµίνιο και ύπαρξη τιτανίου σε διάσπαρτες περιοχές.

127 119 Σχήµα 24. Al καθαρό Συγκρίνοντας τις ανωτέρω φωτογραφίες (Σχήµατα 17-23) µε αυτήν του καθαρού αλουµινίου (Σχήµα 24) γίνεται άµεσα αντιληπτή η διαφοροποίηση της δοµής του υλικού.

128 1map1 Σχήµα 25. Τυπική φωτογραφία των φάσεων που προέκυψαν από χύτευση. Χαρακτηριστικές αναλύσεις των φάσεων αυτών (λευκή, µαύρη και γκρί) δίδονται παρακάτω στον πίνακα

129 1map2 Σχήµα 26. Τυπική φωτογραφία των φάσεων που προέκυψαν από χύτευση. Χαρακτηριστικές αναλύσεις των φάσεων αυτών (λευκή, µαύρη και γκρί) δίδονται παρακάτω στον πίνακα

130 122 ΠΙΝΑΚΑΣ 3 Data_1.txt 1 SEMQuant results. Listed at 12:11:41 on 27/10/04 Operator: Eleni Client: none Job: Job number 7 Spectrum label: System resolution = 72 ev Quantitative method: ZAF ( 4 iterations). Analysed all elements and normalised results. 1 peak possibly omitted: 0.00 kev Standards : Al K Al2O3 23/11/93 Cr K Cr 01/12/93 Fe K Fe 01/12/93 Ni K Ni 01/12/93 Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED 0.01* 0.01* Cr K ED Fe K ED Ni K ED Total white phase Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED -0.03* -0.02* Cr K ED Fe K ED Ni K ED Total white

131 123 Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED -0.07* -0.04* Cr K ED 0.09* 0.05* Fe K ED Ni K ED Total dark Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED 0.16* 0.09* Cr K ED 0.01* 0.00* Fe K ED Ni K ED 0.57* 0.27* Total dark Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED 0.08* 0.05* Cr K ED -0.03* -0.02* Fe K ED Ni K ED 0.51* 0.24* Total dark Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED 0.07* 0.04* Cr K ED 0.15* 0.08* Fe K ED 0.36* 0.18* Ni K ED 0.33* 0.15* Total grey Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED 0.02* 0.01* Cr K ED 0.10* 0.05* Fe K ED 0.30* 0.14* Ni K ED 0.25* 0.11* Total grey

132 124 Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED -0.07* -0.04* Cr K ED 0.20* 0.11* Fe K ED 0.52* 0.25* Ni K ED 0.05* 0.02* Total Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED Fe K ED Ni K ED 0.29* 0.16* Total from 1_6.tif Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED 0.28* 0.17* Fe K ED Ni K ED Total

133 XRD Για τον χαρακτηρισµό της παραγόµενης ενισχυτικής φάσης χρησιµοποιήθηκε περιθλασίµετρο ακτίνων Χ (X-Ray difractometer), ακτινοβολίας χαλκού. Από το διάγραµµα φαίνεται ο σχηµατισµός της ενισχυτικής φάσης TiB 2 και TiB. Παράλληλα έχοµε την παρουσία Fe-Cr-Ni και Al 13 Fe 4 (Σχήµα 27). Σχήµα 27. Χαρακτηριστικές φάσεις στο υλικό.

134 ΣΕΙΡΑ ΕΥΤΕΡΗ Ο στόχος της παρούσας σειράς πειραµάτων είναι να παρασκευασθεί in situ σύνθετο υλικό µήτρας αλουµινίου εµπορικής καθαρότητας µε την προσθήκη µίγµατος αλάτων K 2 TiF 6 και KBF 4 για την σύνθεση της ενίσχυσης του TiB 2 στους C µε την µέθοδο της χύτευσης µε ανάδευση. ιάρκεια χρόνου ανάδευσης-αντίδρασης 20 λεπτά. Αναδευτήρας από Βολφράµιο W. Ποσότητες υλικών. Βάρος αλουµινίου Al = 616,31 gr ποσοστό = 90,91% Βάρος αλατος K 2 TiF 6 = 30,12 gr «= 4,44% Βάρος «KBF 4 = 31,51 gr «= 4,65% Σύνολα 677,94 gr 100,00% Συνολικό ποσοστιαίο βάρος αλάτων 4,44%+4,65%= 9,09% Ακολουθούµενη διαδικασία. Τεµάχια αλουµινίου βάρους 616,31γρ τα βάζοµε στον µποτά και αφού λειώσουν στον φούρνο και φθάσουν στους C, αρχίζουµε µε αναδευτήρα Βολφραµίου δύο ακτινικών φτερών την ανάδευση, προσθέτοντας σταδιακά σκόνη αλάτων αναµεµειγµένη 30,12gr Κ 2 ΤιF 6 και 31,51gr KBF 4. Η ανάδευση συνεχίζεται για 20 λεπτά και µετά γίνεται η χύτευση και παίρνοµε συνολικά 3 κυλινδρικά δοκίµια σε καλούπια χαλκού διαφόρων διαµέτρων Φ12, Φ15, Φ20, και µήκους περίπου 110 µε 120mm. 2.1.Μικροσκοπικός έλεγχος. Απο τα 3 δοκίµια κοβοµε κοµάτια Φ12, Φ15, Φ20 τα οποία λειαίνοµε µε λειαντικά διαφόρων µεγεθών κόκκων και στο τέλος τα γυαλίζοµε µε πανί και αλουµίνα. Στη συνέχεια πάµε στο µικροσκόπιο και παρατηρούµε τις επιφάνειες που ετοιµάσαµε. Όπως φαίνεται από τις δύο αυτές εικόνες του δοκιµίου Φ15 που ακολουθούν, αλλά και από τα άλλα δύο δοκίµια, υπάρχει αλουµίνιο σε δενδριτική δοµή και ενισχυτικά σωµατίδια (Σχήµατα 28,29).

135 127 Σχήµα 28. οκίµιο Φ15, µεγέθυνση Χ200. Σχήµα 29. οκίµιο Φ15, Aλουµίνιο και σωµατίδια (TiB 2 ), µεγέθυνση Χ1000.

136 Κρυσταλική δοµή. Παρατηρώντας τα δοκίµια στο µικροσκόπιο βλέποµε πως η κρυσταλική δοµή τους είναι δενδριτική. Αυτό ωφείλεται στον σχηµατισµό και παρουσία των σωµατιδίων TiB 2 διότι το καθαρό αλουµίνιο παρουσιάζει κιονική δοµή. Συνεπώς δοµή δενδριτική. Οπτική δοµή του υλικού Ακολουθούν φωτογραφίες του δοκιµίου που πάρθηκαν στο µικροσκόπιο µε διάφορους φακούς όπου φαίνεται η δοµή του υλικού που αποτελείται από µεταλλική µήτρα αλουµινίου, από ενισχυτικά σωµατίδια (TiB 2 ) και από ελάχιστα επιµήκη (βελονοειδή) µεγαλύτερα σωµατίδια, που όπως θα δούµε παρακάτω, είναι βολφράµιο (W) υλικό του αναδευτήρα που πήρε µέσα του το υγρό αλουµίνιο (Σχήµατα 30-34). Σχήµα 30. Υπάρχουν ελάχιστα επιµήκη σωµατίδια βολφραµίου.

137 129 Σχήµα 31. Τα επιµήκη σωµατίδια βολφραµίου είναι πιο ευδιάκριτα. Σχήµα 32. Τα επιµήκη σωµατίδια βολφραµίου είναι πιο ευδιάκριτα.

138 130 Σχήµα 33. Φαίνεται ένα επίµηκες σωµατίδιο. Σχήµα 34. Στην περιορισµένη ζώνη που φαίνεται δεν διακρίνονται επιµήκη σωµατίδια αλλά φαίνονται κάποια σωµατίδια ενισχυτικά (TiB 2 )

139 ηµιουργία ενισχυτικής φάσης (σωµατίδια). Απο ένα δοκίµιο κόβοµε κοµάτι βάρους 2,097γρ το οποίο το τοποθετούµε µέσα σε υδροχλωρικό οξύ HCL όγκου 100ml που έχει προθερµανθεί στους 80 0 C. Η προσβολή του αλουµινίου από το οξύ αρχίζει αµέσως και ολοκληρώνεται σε 20 λεπτά περίπου οπότε και σταµατάει ο βρασµός. Το αποτέλεσµα είναι ένα υγρό µαύρου χρώµατος που περιέχει σωµατίδια ενισχυτικής φάσης TiB 2. Πρέπει να φιλτράρουµε τα σωµατίδια και το κάνουµε µε συσκευή κενού και µε φίλτρο υάλου και ζυγίζουµε τα σωµατίδια και βρίσκουµε βάρος 0,067γρ. ήτοι ποσοστό 3,20% Ποσοστό 3,20% 2.4. Σκληροµέτρηση Όλες οι σκληροµετρήσεις έγιναν µε µικροσκληρόµετρο Βίκερς χρησιµοποιώντας το ίδιο βάρος 100gf και όλες οι φωτογραφίες πάρθηκαν στο µικροσκόπιο µε φακό 20. Όπως φαίνεται η σκληρότητα δεν είναι απόλυτα σταθερή αλλά όµως η µεταβολή από σηµείο σε σηµείο διαφέρει ελάχιστα. Εµείς σαν σκληρότητα παίρνουµε το µέσο όρο των διάφορων τιµών. Έτσι τελικά µπορούµε να πάρουµε σαν µέση τιµή Hv45 Ακολουθούν διάφορες φωτογραφίες σκληροµέτρησης που έγιναν µε µικροσκληρόµετρο κατά Βίκερς (Σχήµατα 35-37). Σχήµα 35. Hv µε P=100gf, d=65µm. Φαίνονται πολύ καθαρά τα ενισχυτικά σωµατίδια (TiB 2 ) και κάποια επιµήκη πλούσια σε βολφράµιο.

140 132 Σχήµα 36. Hv µε P=100gf, d=66µm. Φαίνονται πολύ καθαρά τα ενισχυτικά σωµατίδια (TiB 2 ) και κάποια επιµήκη πλούσια σε βολφράµιο. Σχήµα 37. Hv µε P=100gf, d=63µm. Φαίνονται πολύ καθαρά τα ενισχυτικά σωµατίδια (TiB 2 ) και κάποια επιµήκη πλούσια σε βολφράµιο

141 SEM Ακολουθούν φωτογραφίες που ελήφθησαν από το ηλεκτρονικό µικροσκόπιο σάρωσης (Σχήµατα 38-43). Από την ανάλυση στοιχείων φαίνεται η ύπαρξη του τιτανίου. Σχήµα 38. Οι λευκές ζώνες εµπεριέχουν ίχνη W και Fe, οι µαύρες και γκρί ζώνες είναι αλουµίνιο και το τιτανίου υπάρχει σε διάφορες περιοχές.

142 134 Σχήµα 39. Οι λευκές ζώνες εµπεριέχουν ίχνη W και Fe, οι µαύρες και γκρί ζώνες είναι αλουµίνιο και το τιτανίου υπάρχει σε διάφορες περιοχές. Σχήµα 40. Οι λευκές ζώνες εµπεριέχουν ίχνη W και Fe, οι µαύρες και γκρί ζώνες είναι αλουµίνιο και το τιτανίου υπάρχει σε διάφορες περιοχές.

143 135 Σχήµα 41. Οι λευκές ζώνες εµπεριέχουν ίχνη W και Fe, οι µαύρες και γκρί ζώνες είναι αλουµίνιο και το τιτανίου υπάρχει σε διάφορες περιοχές. Σχήµα 42. Οι λευκές ζώνες εµπεριέχουν ίχνη W και Fe, οι µαύρες και γκρί ζώνες είναι αλουµίνιο και το τιτανίου υπάρχει σε διάφορες περιοχές.

144 136 2map1 Σχήµα 43. Τυπική φωτογραφία των φάσεων που προέκυψαν από χύτευση. Χαρακτηριστικές αναλύσεις των φάσεων αυτών δίδονται παρακάτω στον πίνακα 4.

145 137 ΠΙΝΑΚΑΣ 4 Data_2.txt 2 SEMQuant results. Listed at 10:02:14 on 29/10/04 Operator: Eleni Client: none Job: Job number 7 Spectrum label: System resolution = 72 ev Quantitative method: ZAF ( 2 iterations). Analysed all elements and normalised results. 1 peak possibly omitted: 0.00 kev Standards : Al K Al2O3 23/11/93 Ti K Ti 01/12/93 Cr K Cr 01/12/93 Fe K Fe 01/12/93 Ni K Ni 01/12/93 Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED 0.11* 0.06* Fe K ED Ni K ED Total white phase * = <2 Sigma Elmt Spect. Element Atomic Type % %

146 138 Al K ED Ti K ED Cr K ED 0.23* 0.13* Fe K ED Ni K ED 0.87* 0.43* Total white Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED Fe K ED Total Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED -0.27* -0.15* Cr K ED -0.04* -0.02* Fe K ED 0.38* 0.18* Ni K ED -0.04* -0.02* matrix Total Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED -0.33* -0.18* Cr K ED 0.06* 0.03* Fe K ED 0.35* 0.17* Ni K ED 0.04* 0.02* Total matrix Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED 0.05* 0.03* Cr K ED -0.03* -0.01* Fe K ED 0.09* 0.05* Total Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED -0.05* -0.03* Cr K ED 0.18* 0.09* Fe K ED Ni K ED -0.29* -0.13* Total white spot

147 ΣΕΙΡΑ ΤΡΙΤΗ Ο στόχος της παρούσας σειράς πειραµάτων είναι να παρασκευασθεί in situ σύνθετο υλικό µήτρας αλουµινίου εµπορικής καθαρότητας µε την προσθήκη µίγµατος αλάτων K 2 TiF 6 και KBF 4 για την σύνθεση της ενίσχυσης του TiB 2 στους C µε την µέθοδο της χύτευσης µε ανάδευση. ιάρκεια χρόνου ανάδευσης-αντίδρασης 45 λεπτά. Στροφές ανάδευσης 1000 ανα λεπτό. Αναδευτήρας Βολφραµίου W. Ποσότητες υλικών. Βάρος αλουµινίου Al = 574,72 gr ποσοστό = 89,29% Βάρος αλατος K 2 TiF 6 = 34,00 gr «= 5,28% Βάρος «KBF 4 = 34,96 gr «= 5,43% Σύνολα 643,68 gr 100,00% Συνολικό ποσοστό αλάτων σε βάρος 10,71% Ακολουθούµενη διαδικασία. Τεµάχια αλουµινίου βάρους 574,72γρ τα βάζοµε στον µποτά και αφού λειώσουν στον φούρνο και φθάσουν στους C αρχίζουµε µε ακτινικό αναδευτήρα Βολφραµίου την ανάδευση προσθέτοντας σταδιακά σκόνη αλάτων αναµεµειγµένη 34,00gr Κ 2 ΤιF 6 και 34,96gr KBF 4. Η ανάδευση συνεχίζεται για 45 λεπτά και µετά γίνεται η χύτευση και παίρνοµε διάφορα κυλινδρικά δοκίµια σε καλούπια χαλκού διαµέτρων Φ15, Φ20 και µήκους περίπου 110 µε 120mm. Παρατηρούµε πως πολλά άλατα έµειναν στο µποτά χωρίς να εγκλωβιστούνε στην µήτρα αλουµινίου. Προς το τέλος της ανάδευσης τα τοιχώµατα του µποτά ακτινοβολούσαν πάρα πολύ έντονα φώς.

148 Μικροσκοπικός έλεγχος. Απο τα δοκίµια Φ15 και Φ20 κοβοµε κοµάτια τα οποία λειαίνοµε µε λειαντικά διαφόρων µεγεθών κόκκων και στο τέλος τα γυαλίζοµε µε πανί και αλουµίνα. Στη συνέχεια παρατηρούµε στο µικροσκόπιο τις επιφάνειες που ετοιµάσαµε (Σχήµα 44). Σχήµα 44. οκίµιο Φ15, µεγέθυνση Χ200. Στο µικροσκόπιο φαίνονται περιορισµένος αριθµός από σωµατίδια του TiB 2 που σχηµατίσθηκαν και είναι οµοιόµορφα κατανεµηµένα, ταυτόχρονα όµως φαίνονται και οι επιµήκεις βελόνες από βολφράµιο (υλικό αναδευτήρα) που πήρε µέσα το υγρό αλουµίνιο.

149 Κρυσταλική δοµή. Προσβάλοντας τα δοκίµια µε Kellers και παρατηρώντας τα στο µικροσκόπιο βλέποµε πως η κρυσταλική δοµή τους, όπως αναµενόταν, είναι δενδριτική. οµή υλικού Ακολουθούν φωτογραφίες (Σχήµατα 45-49) παρµένες στο µικροσκόπιο µε διάφορους φακούς που καταδεικνύουν την δοµή του υλικού. Στις φωτογραφίες αυτές φαίνονται τα σωµατίδια ασυνεχούς ενίσχυσης (TiB 2 ) και ψιλές βελόνες µέσα στην µήτρα του αλουµινίου. Οι βελόνες αυτές, όπως φάνηκε από την ανάλυση στο SEM, αποτελούνται από Βολφράµιο. Παρατηρούµε πως σ αυτή τη σειρά πειραµάτων οι βελόνες βολφραµίου είναι περισσότερες απ ότι στην δεύτερη σειρά πράγµα που ωφείλεται στο ότι η διάρκεια ανάδευσης είναι µεγαλύτερη, 45 λεπτά αντί 20 που ήταν στη δεύτερη σειρά. Σχήµα 45. Τα σωµατίδια ασυνεχούς ενίσχυσης (TiB 2 ) είναι ευδιάκριτα και οµοιόµορφα κατανεµηµένα παντού καθώς επίσης και τα βελονοειδή σωµατίδια βολφραµίου.

150 142 Σχήµα 46. Τα σωµατίδια ασυνεχούς ενίσχυσης (TiB 2 ) είναι ευδιάκριτα και οµοιόµορφα κατανεµηµένα παντού καθώς επίσης και τα βελονοειδή σωµατίδια βολφραµίου. Σχήµα 47. Τα σωµατίδια ασυνεχούς ενίσχυσης (TiB 2 ) είναι ευδιάκριτα και οµοιόµορφα κατανεµηµένα παντού καθώς επίσης και τα βελονοειδή σωµατίδια βολφραµίου.

151 143 Σχήµα 48. Συνεχίζουν να διακρίνονται σωµατίδια ασυνεχούς ενίσχυσης (TiB 2 ) και βελονοειδή σωµατίδια βολφραµίου. Σχήµα 49. Συνεχίζουν να διακρίνονται σωµατίδια ασυνεχούς ενίσχυσης (TiB 2 ) και βελονοειδή σωµατίδια βολφραµίου.

152 ηµιουργία ενισχυτικής φάσης (σωµατίδια). Απο τα διάφορα δοκίµια κόβοµε µοκρά κοµάτια τα οποία ζυγίζοµε και εν συνεχεία τα προσβάλοµε µε υδροχλωρικό οξύ HCL στους 80 0 C για να πάροµε τα σωµατίδια τα οποία ζυγίζοµε και βρίσκοµε το ποσοστό δηµιουργίας ενισχυτικής φάσης TiB 2. Από τις διάφορες µετρήσεις προκύπτει µία µέση τιµή γύρω στο 2,7% συνεπώς η δηµιουργία ενισχυτικής φάσης δεν είναι ικανοποιητική, τα άλατα δεν εισήλθαν όλα στην υγρή µάζα στην µήτρα του αλουµινίου αλλά ένα µέρος, επέπλευσαν πάνω στην λάβα, η ανάδευση δεν δηµιούργησε σωστή δίνη να παρασύρει τις σκόνες αλάτων µέσα στην µήτρα αλουµινίου. Ποσοστό 2,7% 3.4.Μέτρηση σκληρότητας υλικού Μικροσκληροµέτρηση Μετρώντας την σκληρότητα µε µικροσκληρόµετρο κατά Βίκερς βρίσκοµε κάποια ενδιαφέροντα στοιχεία. Όπως φαίνεται η σκληρότητα δεν είναι σταθερή αλλά από σηµείο σε σηµείο διαφέρει και αυτό είναι λογικό καθότι µέσα στην µήτρα του αλουµινίου υπάρχουν βελόνες βολφραµίου. Εµείς σαν σκληρότητα παίρνουµε το µέσο όρο των διάφορων τιµών. Έτσι τελικά µπορούµε να πάρουµε σαν µέση τιµή Hv57 Ακολουθούν διάφορες φωτογραφίες σκληροµέτρησης που έγιναν µε µικροσκληρόµετρο κατά Βίκερς χρησιµοποιώντας το ίδιο βάρος 100gf και φακό 20 (Σχήµατα 50,51).

153 145 Σχήµα 50. Hv µε P=100gf, d=59µm. Φαίνονται πολύ καθαρά τα ενισχυτικά σωµατίδια (TiB 2 ) και τα επιµήκη πλούσια σε βολφράµιο. Σχήµα 51. Hv µε P=100gf, d=55µm. Φαίνονται πολύ καθαρά τα ενισχυτικά σωµατίδια (TiB 2 ) και τα επιµήκη πλούσια σε βολφράµιο.

154 SEM Ακολουθούν φωτογραφίες (Σχήµατα 52-57) που ελήφθησαν από το ηλεκτρονικό µικροσκόπιο σάρωσης. Από τις φωτογραφίες φαίνονται άσπρες βελόνες που είναι βολφράµιο, επείσης από την ανάλυση στοιχείων φαίνεται η ύπαρξη τιτανίου και βολφραµίου. Σχήµα 52. Κάτασπρες βελόνες βολφραµίου Σχήµα 53. Κάτασπρες βελόνες βολφραµίου

155 147 Σχήµα 54. Κάτασπρες βελόνες βολφραµίου Σχήµα 55. ιάσπαρτα σωµατίδια (TiB 2) και ίχνη βολφραµίου

156 148 3map1 Σχήµα 56. Τυπική φωτογραφία των φάσεων που προέκυψαν από χύτευση. Χαρακτηριστικές αναλύσεις των φάσεων αυτών δίδονται παρακάτω στον πίνακα 5. ιακρίνονται οι περιοχές W,Ti.

157 149 3map2 Σχήµα 57. Τυπική φωτογραφία των φάσεων που προέκυψαν από χύτευση. Χαρακτηριστικές αναλύσεις των φάσεων αυτών δίδονται παρακάτω στον πίνακα 5. ιακρίνονται οι περιοχές W,Ti.

158 150 ΠΙΝΑΚΑΣ 5 Data_3.txt 3 SEMQuant results. Listed at 11:26:04 on 29/10/04 Operator: Eleni Client: none Job: Job number 7 Spectrum label: System resolution = 72 ev Quantitative method: ZAF ( 4 iterations). Analysed all elements and normalised results. 1 peak possibly omitted: 0.00 kev Standards : Al K Al2O3 23/11/93 Ti K Ti 01/12/93 Cr K Cr 01/12/93 Fe K Fe 01/12/93 Mo L Mo 01/12/93 W M W 07/12/93 Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED -0.06* -0.05* Fe K ED -0.23* -0.19* Mo L ED W M ED Total white needles Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED 0.05* 0.04* Fe K ED 0.49* 0.39* Mo L ED W M ED Total needle

159 151 Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED 0.78* 0.67* Cr K ED 0.35* 0.27* Fe K ED Mo L ED W M ED Total needle Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED 0.17* 0.12* Fe K ED Mo L ED W M ED Total white phase Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED Fe K ED Mo L ED W M ED Total Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED 0.29* 0.18* Fe K ED Mo L ED W M ED Total Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED Fe K ED Mo L ED 0.73* 0.25* W M ED

160 152 Total Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED 0.20* 0.12* Fe K ED Mo L ED 1.27* 0.42* W M ED Total Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED Fe K ED Mo L ED W M ED Total Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED 0.30* 0.17* Cr K ED Fe K ED 0.02* 0.01* Mo L ED 0.78* 0.22* W M ED Total matrix Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED 0.28* 0.16* Cr K ED -0.20* -0.11* Fe K ED 0.06* 0.03* Mo L ED 0.41* 0.12* W M ED Total matrix

161 XRD Για τον χαρακτηρισµό της παραγόµενης ενισχυτικής φάσης χρησιµοποιήθηκε περιθλασίµετρο ακτίνων Χ (X-Ray difractometer), ακτινοβολίας χαλκού. Από το διάγραµµα φαίνεται ο σχηµατισµός της ενισχυτικής φάσης TiB. Παράλληλα έχοµε την παρουσία Al 5 W (Σχήµα 58). Σχήµα 58. Χαρακτηριστικές φάσεις στο υλικό.

162 ΣΕΙΡΑ ΤΕΤΑΡΤΗ Ο στόχος της παρούσας σειράς πειραµάτων είναι να παρασκευασθεί in situ σύνθετο υλικό µήτρας αλουµινίου εµπορικής καθαρότητας µε την προσθήκη µίγµατος αλάτων K 2 TiF 6 και KBF 4 για την σύνθεση της ενίσχυσης του TiB 2 στους C µε την µέθοδο της χύτευσης µε ανάδευση και αναδευτήρα από πυρίµαχο χάλυβα C310. ιάρκεια χρόνου ανάδευσης 15 λεπτά, χρόνος ηρεµίας 8 λεπτά. Η ανάδευση έγινε µε αξονικό αναδευτήρα τριών πτερυγίων µε κλίση 20 0 και άνοιγµα 40mm, που κόπηκαν µε κονδύλη Φ10. Ο αναδευτήρας κάτω καταλήγει σε κώνο. Ποσότητες υλικών. Βάρος αλουµινίου Al = 563,00 gr ποσοστό = 90,95% Βάρος άλατος K 2 TiF 6 = 28,00 gr «= 4,525% Βάρος «KBF 4 = 28,00 gr «= 4,525% Σύνολα 619,00 gr 100,00% Συνολικό βάρος αλάτων 4,525+4,525 = 9,05% Χηµική ανάλυση αναδευτήρα. Πυρίµαχος χάλυβας C X15CrNiSi2520 C Si Mn Cr Ni Mo,V,W HB30 Max 1,50 Max 24,0 19, ,20 2,50 2,00 26,0 22,0 200 Ακολουθούµενη διαδικασία. Τεµάχια αλουµινίου βάρους 563,00gr τα βάζοµε στον µποτά και αφού λειώσουν στον φούρνο και φθάσουν στους C αρχίζουµε µε αξονικό αναδευτήρα την ανάδευση προσθέτοντας σταδιακά σκόνη αλάτων αναµεµειγµένη 28,00gr Κ 2 ΤιF 6 και 28,00gr KBF 4. Η ανάδευση συνεχίζεται για 15 λεπτά µετά αφήνεται το τήγµα να ηρεµήσει για 8 λεπτά και στην συνέχεια γίνεται η χύτευση και παίρνοµε κυλινδρικά δοκίµια Φ20 και ένα κωνικό Φ20-30 σε καλούπια χαλκού µήκους περίπου 110 µε 120mm. Αποτελέσµατα Η ανάδευση ήταν πολύ πετυχηµένη διότι καίτη οι στροφές δεν ήταν πολλές, 800RPM, δηµιουργήθηκε δύνη που έπαιρνε τις σκόνες αλλάτων αµέσως µέσα στο τήγµα και έτσι είχαµε άµεση αντίδραση των αλάτων η οποία συνεχίσθηκε µέχρι την στιγµή της χύτευσης. 4.1.Μικροσκοπικός έλεγχος Τα δοκίµια αφού τα επεξεργαστήκαµε παρουσιάζουν την ακόλουθη εικόνα που φαίνεται στα (Σχήµατα 59-65).

163 155 Σχήµα 59. οκίµιο κωνικό, µεγέθυνση Χ50. Φαίνονται πολύ καθαρά σωµατίδια ακανόνιστου σχήµατος διάσπαρτα παντού από υλικό του αναδευτήρα δηλ. πυρίµαχος χάλυβας, που πήρε µέσα του το υγρό αλουµίνιο. Σχήµα 60. οκίµιο Φ20δ 1, µεγέθυνση Χ200. Φαίνονται τα σωµατίδια (TiB 2 ).

164 156 Σχήµα 61. οκίµιο Φ20δ 2, µεγέθυνση Χ200. Φαίνονται τα σωµατίδια από πυρί- µαχο χάλυβα και τα ενισχυτικά σωµατίδια από (TiB 2 ). Σχήµα 62. οκίµιο κωνικό, µεγέθυνση Χ200. Φαίνονται τα σωµατίδια από πυρί- µαχο χάλυβα και τα ενισχυτικά σωµατίδια από (TiB 2 ).

165 157 Σχήµα 63. οκίµιο Φ20δ 1, µεγέθυνση Χ1000. Φαίνονται τα σωµατίδια από πυρί- µαχο χάλυβα και τα ενισχυτικά σωµατίδια από (TiB 2 ). Σχήµα 64. οκίµιο Φ20δ 2, µεγέθυνση Χ1000. Φαίνονται τα σωµατίδια από πυρί- µαχο χάλυβα και τα ενισχυτικά σωµατίδια από (TiB 2 ).

166 158 Σχήµα 65. οκίµιο κωνικό, µεγέθυνση Χ1000. Φαίνονται τα σωµατίδια από πυρί- µαχο χάλυβα και τα ενισχυτικά σωµατίδια από (TiB 2 ). 4.2.Κρυσταλλική δοµή Προσβάλοντας τα δοκίµια µε Kellers και παρατηρώντας τα στο µικροσκόπιο βλέποµε πως η κρυσταλική δοµή τους, όπως αναµενόταν, είναι δενδριτική. οµή υλικού Ακολουθούν φωτογραφίες (Σχήµατα 66-70) παρµένες στο µικροσκόπιο µε διάφορους φακούς που καταδεικνύουν την δοµή του υλικού. Στις φωτογραφίες αυτές φαίνονται τα σωµατίδια ασυνεχούς ενίσχυσης (TiB 2 ) και τα µεγαλύτερα σωµατίδια ακανονίστου σχήµατος που είναι πυρίµαχος χάλυβας δηλ. υλικό του αναδευτήρα τον οποίο προσέβαλε το υγρό αλουµίνιο υπο την παρουσία των αλάτων.

167 159 Σχήµα 66. Φαίνονται πολύ καθαρά σωµατίδια ακανόνιστου σχήµατος διάσπαρτα παντού από υλικό του αναδευτήρα δηλ. πυρίµαχος χάλυβας, που πήρε µέσα του το υγρό αλουµίνιο και τα ενισχυτικά σωµατίδια από (TiB 2 ). Σχήµα 67. Φαίνονται τα µεγαλύτερα σωµατίδια από πυρίµαχο χάλυβα του αναδευτήρα και τα ενισχυτικά σωµατίδια από (TiB 2 ).

168 160 Σχήµα 68. Φαίνονται τα ακανόνιστα λευκά σωµατίδια από πυρίµαχο χάλυβα του αναδευτήρα και τα µαύρα ροµβοειδή σωµατίδια από (TiB 2 ). Σχήµα 69. Φαίνονται τα ακανόνιστα λευκά σωµατίδια από πυρίµαχο χάλυβα του αναδευτήρα και τα µαύρα ροµβοειδή σωµατίδια από (TiB 2 ).

169 161 Σχήµα 70. Φαίνονται ακανόνιστα λευκά σωµατίδια από πυρίµαχο χάλυβα του αναδευτήρα και µαύρα ροµβοειδή σωµατίδια από (TiB 2 ) Σκληροµέτρηση Όλες οι σκληροµετρήσεις έγιναν µε µικροσκληρόµετρο Βίκερς χρησιµοποιώντας το ίδιο βάρος 100gf και όλες οι φωτογραφίες πάρθηκαν στο µικροσκόπιο µε µεγέθυνση Χ200. Όπως φαίνεται η σκληρότητα δεν είναι σταθερή αλλά από σηµείο σε σηµείο διαφέρει και αυτό είναι λογικό καθότι µέσα στην µήτρα του αλουµινίου υπάρχουν σωµατίδια που προήλθαν από το C310 καθώς επίσης και βορίδια του τιτανίου και συνεπώς ανάλογα µε το πού πέφτει η ακίδα του µικροσκληρόµετρου έχουµε και ανάλογη τιµή. Εµείς σαν σκληρότητα παίρνουµε το µέσο όρο των διάφορων τιµών. Έτσι τελικά µπορούµε να πάρουµε σαν µέση τιµή Hv64 Ακολουθούν διάφορες φωτογραφίες σκληροµέτρησης που έγιναν µε µικροσκληρόµετρο κατά Βίκερς (Σχήµατα 71-74).

170 162 Σχήµα 71. Hv µε P=100gf, d=59µm. Σχήµα 72. Hv µε P=100gf, d=50µm.

171 163 Σχήµα 73. Hv µε P=100gf, d=53µm. Σχήµα 74. Hv µε P=100gf, d=55µm.

172 SEM Ακολουθούν φωτογραφίες που ελήφθησαν από το ηλεκτρονικό µικροσκόπιο σάρωσης. Από την ανάλυση στοιχείων φαίνεται η ύπαρξη του τιτανίου καθώς επείσης και υλικά του αναδευτήρα όπως σίδηρος και χρώµιο (Σχήµατα 75-83). Σχήµα 75. Λευκή φάση σίδηρος και χρώµιο οι άλλες φάσεις αλουµίνιο και το τιτάνιο διάσπαρτο οπουδήποτε. Σχήµα 76. Λευκή φάση σίδηρος και χρώµιο οι άλλες φάσεις αλουµίνιο και το τιτάνιο διάσπαρτο οπουδήποτε.

173 165 Σχήµα 77. Λευκή φάση σίδηρος και χρώµιο οι άλλες φάσεις αλουµίνιο και το τιτάνιο διάσπαρτο οπουδήποτε. Σχήµα 78. Λευκή φάση σίδηρος και χρώµιο οι άλλες φάσεις αλουµίνιο και το τιτάνιο διάσπαρτο οπουδήποτε.

174 166 Σχήµα 79. Λευκή φάση σίδηρος και χρώµιο οι άλλες φάσεις αλουµίνιο και το τιτάνιο διάσπαρτο οπουδήποτε. Σχήµα 80. Λευκή φάση σίδηρος και χρώµιο οι άλλες φάσεις αλουµίνιο και το τιτάνιο διάσπαρτο οπουδήποτε.

175 167 5map1 Σχήµα 81. Τυπική φωτογραφία των φάσεων που προέκυψαν από χύτευση. Χαρακτηριστικές αναλύσεις των φάσεων αυτών δίδονται παρακάτω στον πίνακα 6. Λευκή φάση σίδηρος και χρώµιο οι άλλες φάσεις αλουµίνιο και το τιτάνιο διάσπαρτο οπουδήποτε.

176 168 5map2 Σχήµα 82. Τυπική φωτογραφία των φάσεων που προέκυψαν από χύτευση. Χαρακτηριστικές αναλύσεις των φάσεων αυτών δίδονται παρακάτω στον πίνακα 6. Λευκή φάση σίδηρος και χρώµιο οι άλλες φάσεις αλουµίνιο και το τιτάνιο διάσπαρτο οπουδήποτε.

177 169 5map3 Σχήµα 83. Τυπική φωτογραφία των φάσεων που προέκυψαν από χύτευση. Χαρακτηριστικές αναλύσεις των φάσεων αυτών δίδονται παρακάτω στον πίνακα 6. Λευκή φάση σίδηρος και χρώµιο οι άλλες φάσεις αλουµίνιο και το τιτάνιο διάσπαρτο οπουδήποτε.

178 170 ΠΙΝΑΚΑΣ 6 Data_5.txt 5 Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED Fe K ED Total white phase Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED Fe K ED Total white Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED Fe K ED Total white Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED 0.11* 0.06* Cr K ED 0.30* 0.16* Fe K ED Total dark Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED 0.50* 0.28* Cr K ED 0.52* 0.27* Fe K ED -0.40* -0.20* Total lighter dark

179 171 Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED 0.33* 0.19* Cr K ED 0.32* 0.17* Fe K ED Total smaller white Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED 0.09* 0.05* Fe K ED 0.20* 0.10* Total black Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED Fe K ED Total area next to white one tiff 5-6 Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED Fe K ED Total Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED Fe K ED Total lighter spots

180 XRD Για τον χαρακτηρισµό της παραγόµενης ενισχυτικής φάσης χρησιµοποιήθηκε περιθλασίµετρο ακτίνων Χ (X-Ray difractometer), ακτινοβολίας χαλκού. Από το διάγραµµα φαίνεται ο σχηµατισµός της ενισχυτικής φάσης TiB (Σχήµα 84). Παράλληλα έχοµε την παρουσία Fe-Cr-Ni, Al 13 Fe 4 και Al 13 Cr 2, πράγµα που αναµενόταν άλωστε, λόγω διάβρωσης του υλικού του αναδευτήρα που όπως είδαµε στην χηµική του ανάλυση εµπεριέχει Fe, Cr και Ni. Σχήµα 84. Χαρακτηριστικές φάσεις στο υλικό.

181 ΣΕΙΡΑ ΠΕΜΠΤΗ Ο στόχος της παρούσας σειράς πειραµάτων είναι να παρασκευασθεί in situ σύνθετο υλικό µήτρας αλουµινίου εµπορικής καθαρότητας µε την προσθήκη µίγµατος αλάτων K 2 TiF 6 και KBF 4 για την σύνθεση της ενίσχυσης του TiB 2 στους C µε την µέθοδο της χύτευσης µε ανάδευση. Η ανάδευση γίνεται µε κεραµικό αναδευτήρα που παρασκευάσθηκε σε κεραµοποιείο των Σερρών. Αποτελέσµατα Μετά από ανάδευση λίγου χρόνου ο αναδευτήρας έσπασε. Παρ όλα ταύτα πήραµε δοκίµια Φ15 και Φ20 τα οποία όπως φαίνεται και στο µικροσκόπιο παρουσιάζουν κόκκους οµοιόµορφα κατανεµηµένους αλλά πιο αραιούς και εποµένως λιγότερα σωµατίδια Μικροσκοπικός έλεγχος Ακολουθούν φωτογραφίες των δοκιµίων (Σχήµατα 85-88). Σχήµα 85. οκίµιο Φ15, µεγέθυνση Χ200.

182 174 Σχήµα 86. οκίµιο Φ20, µεγέθυνση Χ200, τα σωµατίδια είναι πιο ευδιάκριτα. Σχήµα 87. οκίµιο Φ15, µεγέθυνση Χ1000.

183 175 Σχήµα 88. οκίµιο Φ20, µεγέθυνση Χ1000, τα σωµατίδια είναι ευδιάκριτα Κρυσταλλική δοµή Προσβάλοντας τα δοκίµια µε Kellers και παρατηρώντας τα στο µικροσκόπιο βλέποµε πως η κρυσταλική δοµή τους είναι δενδριτική. οµή υλικού Ακολουθούν φωτογραφίες (Σχήµατα 89-93) παρµένες στο µικροσκόπιο σε διάφορη µεγέθυνση που καταδεικνύουν την δοµή του υλικού. Στις φωτογραφίες αυτές φαίνονται τα σωµατίδια ασυνεχούς ενίσχυσης (TiB 2 ) και τα µεγαλύτερα σωµατίδια ακανονίστου σχήµατος που τα µεν µαύρα, όπως θα δούµε στη συνέχεια, είναι πλούσια σε πυρίτιο (υλικό του αναδευτήρα που έσπασε), τα δε λευκά περέχουν χάλυβα.

184 176 Σχήµα 89. οκίµιο σε µεγέθυνση Χ50. Σχήµα 90. οκίµιο σε µεγέθυνση Χ100.

185 177 Σχήµα 91. οκίµιο σε µεγέθυνση Χ200. Σχήµα 92. οκίµιο σε µεγέθυνση Χ500.

186 178 Σχήµα 93. οκίµιο σε µεγέθυνση Χ Σκληροµέτρηση Όλες οι σκληροµετρήσεις έγιναν µε µικροσκληρόµετρο Βίκερς χρησιµοποιώντας το ίδιο βάρος 100gf και όλες οι φωτογραφίες πάρθηκαν στο µικροσκόπιο µε µεγέθυνση 200. Εµείς σαν σκληρότητα παίρνουµε το µέσο όρο των διάφορων τιµών. Έτσι τελικά µπορούµε να πάρουµε σαν µέση τιµή Hv61 Ακολουθούν διάφορες φωτογραφίες σκληροµέτρησης που έγιναν µε µικροσκληρόµετρο κατά Βίκερς (Σχήµατα 94-96).

187 179 Σχήµα 94. Hv µε P=100gf, d=54µm, µεγέθυνση Χ200. Σχήµα 95. Hv µε P=100gf, d=57µm, µεγέθυνση Χ200.

188 180 Σχήµα 96. Hv µε P=100gf, d=55µm, µεγέθυνση Χ SEM Ακολουθούν φωτογραφίες που ελήφθησαν από το ηλεκτρονικό µικροσκόπιο σάρωσης. Από την ανάλυση στοιχείων φαίνεται η ύπαρξη του τιτανίου καθώς επείσης πυριτίου και σιδήρου (Σχήµατα ). Σχήµα 97. Οι λευκες ζώνες περιέχουν Fe, οι µαύρες είναι πλούσιες σε Si.

189 181 Σχήµα 98. Οι λευκες ζώνες περιέχουν Fe, οι µαύρες είναι πλούσιες σε Si. Σχήµα 99. Οι λευκες ζώνες περιέχουν Fe, οι µαύρες είναι πλούσιες σε Si.

190 182 6map1 Σχήµα 100. Τυπική φωτογραφία των φάσεων που προέκυψαν από χύτευση. Χαρακτηριστικές αναλύσεις των φάσεων αυτών δίδονται παρακάτω στον πίνακα 7. Η λευκή φάση περιέχει σίδηρο, η µαύρη είναι πλούσια σι πυρίτιο, το τιτάνιο υπάρχει στην λευκή και γκρί φάση και ίχνη βολφραµίου και άνθρακα υπάρχουν στην µαύρη φάση.

191 183 6map2 Σχήµα 101. Τυπική φωτογραφία των φάσεων που προέκυψαν από χύτευση. Χαρακτηριστικές αναλύσεις των φάσεων αυτών δίδονται παρακάτω στον πίνακα 7. Η λευκή φάση περιέχει σίδηρο, η µαύρη είναι πλούσια σι πυρίτιο, το τιτάνιο υπάρχει στην λευκή και γκρί φάση και ίχνη βολφραµίου και άνθρακα υπάρχουν στην µαύρη φάση.

192 184 Elmt Spect. Element Atomic Type % % O K ED Al K ED Ti K ED Cr K ED Fe K ED W M ED Total white phase Elmt Spect. Element Atomic Type % % O K ED Al K ED Ti K ED Cr K ED Fe K ED W M ED Total white Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED Fe K ED W M ED Total white Elmt Spect. Element Atomic Type % % O K ED Al K ED Ti K ED Cr K ED 0.16* 0.08* Fe K ED W M ED Total grey Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED Fe K ED W M ED Total grey ΠΙΝΑΚΑΣ 7

193 185 Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED 0.25* 0.14* Fe K ED -0.03* -0.01* W M ED Total matrix Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED 0.04* 0.02* Cr K ED 0.19* 0.10* Fe K ED 0.01* 0.00* W M ED Total matrix Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED 0.22* 0.12* Fe K ED 0.30* 0.15* W M ED Total matrix Elmt Spect. Element Atomic Type % % C K ED O K ED Al K ED Si K ED Ti K ED 0.04* 0.02* Cr K ED 0.05* 0.02* Fe K ED Total black p6_2.tif Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED -0.05* -0.03* Cr K ED Fe K ED W M ED Total white

194 186 Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED 0.11* 0.06* Cr K ED 0.23* 0.12* Fe K ED 0.21* 0.10* W M ED 1.53* 0.23* Total matrix Elmt Spect. Element Atomic Type % % O K ED Al K ED Ti K ED 0.07* 0.04* Cr K ED 0.07* 0.04* Fe K ED 0.28* 0.13* W M ED Total black Elmt Spect. Element Atomic Type % % O K ED Al K ED Ti K ED Cr K ED Fe K ED W M ED Total grey

195 ΣΕΙΡΑ ΕΚΤΗ Να παρασκευασθεί in situ σύνθετο υλικό µήτρας αλουµινίου εµπορικής καθαρότητας µε την προσθήκη µίγµατος αλάτων K 2 TiF 6 και KBF 4 για την σύνθεση της ενίσχυσης του TiB 2 στους C µε την µέθοδο της χύτευσης µε ανάδευση και αναδευτήρα από χάλυβα C310. ιάρκεια χρόνου ανάδευσης-αντίδρασης 30 λεπτά. Ποσότητες υλικών. Βάρος αλουµινίου Al = 585,5 gr ποσοστό = 90,48% Βάρος άλατος K 2 TiF 6 = 30,2 gr «= 4,67% Βάρος «KBF 4 = 31,4 gr «= 4,85% Σύνολα 647,1 gr 100,00% Συνολικό ποσοστό αλάτων 4,67+4,85=9,52% Χηµική ανάλυση αναδευτήρα, πυρίµαχος χάλυβας C X15CrNiSi2520 C Si Mn Cr Ni Mo,V,W HB30 Max 1,50 Max 24,0 19, ,20 2,50 2,00 26,0 22,0 200 Ακολουθούµενη διαδικασία. Τεµάχια αλουµινίου βάρους 585,5γρ τα βάζοµε στον µποτά και αφού λειώσουν στον φούρνο και φθάσουν στους C, αρχίζουµε µε αξονικό αναδευτήρα την ανάδευση προσθέτοντας σταδιακά σκόνη αλάτων αναµεµειγµένη 30,2gr Κ 2 ΤιF 6 και 31,4gr KBF 4. Η ανάδευση συνεχίζεται στις 1000RPM για 30 λεπτά και µετά γίνεται η χύτευση και παίρνοµε δοκίµια σε καλούπι χαλκού διαµέτρου Φ25 και µήκους περίπου 110 µε 120mm. 6.1.Μικροσκοπικός έλεγχος. Από δοκίµιo Φ25 κόβοµε κοµµάτι το οποίο λειαίνοµε µε λειαντικά διαφόρων µεγεθών κόκκων και στο τέλος το γυαλίζοµε µε πανί και αλουµίνα. Στη συνέχεια πάµε στο µικροσκόπιο και παρατηρούµε την επιφάνεια που ετοιµάσαµε. Έχουµε µια διατοµή µε πλούσια κατανοµή σωµατιδίων διαφόρων µεγεθών και σχηµάτων. Ακολουθούν φωτογραφίες (Σχήµατα ).

196 188 Σχήµα 102. οκίµιο Φ25, µεγέθυνση Χ50. Φαίνονται τα σωµατίδια από πυρί- µαχο χάλυβα και τα ενισχυτικά σωµατίδια από (TiB 2 ). Σχήµα 103. οκίµιο Φ25, µεγέθυνση Χ200. Φαίνονται καλύτερα τα σωµατίδια από πυρίµαχο χάλυβα και τα ενισχυτικά σωµατίδια από (TiB 2 ).

197 189 Σχήµα 104. οκίµιο Φ25, µεγέθυνση Χ1000. Φαίνονται καλύτερα τα σωµατίδια από πυρίµαχο χάλυβα και τα ενισχυτικά σωµατίδια από (TiB 2 ). 6.2.Κρυσταλλική δοµή. Προσβάλλοντας τα δοκίµια µε Kellers και παρατηρώντας τα στο µικροσκόπιο βλέποµε πως η κρυσταλλική δοµή τους είναι δενδριτική. Αυτό οφείλεται στον σχηµατισµό και παρουσία των σωµατιδίων TiB 2 διότι το καθαρό αλουµίνιο παρουσιάζει κιονική δοµή. Οι δενδρίτες είναι µικρού µεγέθους, δεν είναι σαν πλατανόφυλλα αλλά σαν λιθοδοµή, δηλ. σαν να είναι σπασµένοι. οµή υλικού Ακολουθούν φωτογραφίες (Σχήµατα ) παρµένες στο µικροσκόπιο µε διάφορους φακούς που καταδεικνύουν την δοµή του υλικού. Στις φωτογραφίες αυτές φαίνονται τα σωµατίδια ασυνεχούς ενίσχυσης (TiB 2 ) και τα µεγαλύτερα επιµήκη σωµατίδια που είναι πυρίµαχος χάλυβας δηλ. υλικό του αναδευτήρα τον οποίο προσέβαλε το υγρό αλουµίνιο υπο την παρουσία των αλάτων.

198 190 Σχήµα 105. οκίµιο Φ25. Φαίνονται τα επιµήκη σωµατίδια από πυρίµαχο χάλυβα. Σχήµα 106. οκίµιο Φ25. Φαίνονται τα επιµήκη σωµατίδια από πυρίµαχο χάλυβα και τα ενισχυτικά σωµατίδια από (TiB 2 ).

199 191 Σχήµα 107. οκίµιο Φ25. Φαίνονται τα επιµήκη σωµατίδια από πυρίµαχο χάλυβα και τα ενισχυτικά σωµατίδια από (TiB 2 ). Σχήµα 108. οκίµιο Φ25. Φαίνονται τα επιµήκη σωµατίδια από πυρίµαχο χάλυβα και τα ενισχυτικά σωµατίδια από (TiB 2 ).

200 192 Σχήµα 109. οκίµιο Φ25. Φαίνονται τα επιµήκη σωµατίδια από πυρίµαχο χάλυβα και η µήτρα του υλικού. 6.3.Σκληροµέτρηση Στα διάφορα δοκίµια κάνουµε αλλεπάλληλες µετρήσεις µε σκληρόµετρο Rockwell B και όλες συγκλίνουν στο RB=12. Αν λάβουµε υπ όψιν µας πως στην κλίµακα Rockwell B το αλουµίνιο δείχνει αρνητικά διότι είναι πολύ µαλακό καταλαβαίνουµε πως πετύχαµε ένα υλικό αρκετά σκληρό. Συνεπώς σκληρότητα υλικού αρκετά µεγάλη. RB=12 Επείσης έγιναν σκληροµετρήσεις µε µικροσκληρόµετρο Βίκερς χρησιµοποιώντας το ίδιο βάρος 100gf και όλες οι φωτογραφίες πάρθηκαν στο µικροσκόπιο µε µεγέθυνση Χ200. Εµείς σαν σκληρότητα παίρνουµε το µέσο όρο των διάφορων τιµών που όπως φαίνεται και εδώ είναι αρκετά µεγάλη. Έτσι τελικά µπορούµε να πάρουµε σαν µέση τιµή Hv94 Ακολουθούν διάφορες φωτογραφίες σκληροµέτρησης που έγιναν µε µικροσκληρόµετρο κατά Βίκερς (Σχήµατα ).

201 193 Σχήµα 110. Hv µε P=100gf, d=42µm. Σχήµα 111. Hv µε P=100gf, d=47µm

202 194 Σχήµα 112. Hv µε P=100gf, d=41µm Σχήµα 113. Hv µε P=100gf, d=40µm

203 SEM Ακολουθούν φωτογραφίες (Σχήµατα ) που ελήφθησαν από το ηλεκτρονικό µικροσκόπιο σάρωσης. Από την ανάλυση στοιχείων φαίνεται η ύπαρξη του τιτανίου καθώς επείσης και σιδήρου µε λίγο χρώµιο και νίκελ. Σχήµα 114. Μαύρη φάση αλουµίνιο, λευκή και ενδιάµεση φάση τιτάνιο σίδηρος και χρώµιο. Σχήµα 115. Μαύρη φάση αλουµίνιο, λευκή και ενδιάµεση φάση τιτάνιο σίδηρος και χρώµιο.

204 196 Σχήµα 116. Μαύρη φάση αλουµίνιο, λευκή και ενδιάµεση φάση τιτάνιο σίδηρος και χρώµιο. Σχήµα 117. Μαύρη φάση αλουµίνιο, λευκή και ενδιάµεση φάση τιτάνιο σίδηρος και χρώµιο.

205 197 Σχήµα 118. Μαύρη φάση αλουµίνιο, λευκή και ενδιάµεση φάση τιτάνιο σίδηρος και χρώµιο. Σχήµα 119. Μαύρη φάση αλουµίνιο, λευκή και ενδιάµεση φάση τιτάνιο σίδηρος και χρώµιο.

206 Σχήµα 120. Μαύρη φάση αλουµίνιο, λευκή και ενδιάµεση φάση τιτάνιο σίδηρος και χρώµιο. 198

207 199 6map1 Σχήµα 121. Τυπική φωτογραφία των φάσεων που προέκυψαν από χύτευση. Χαρακτηριστικές αναλύσεις των φάσεων αυτών δίδονται παρακάτω στον πίνακα 8. Μαύρη φάση αλουµίνιο, λευκή φάση σίδηρος, τιτάνιο, χαλκός και ίχνη νικελίου, ενδιάµεση φάση τιτάνιο σίδηρος και χρώµιο.

208 200 6map2 Σχήµα 122. Τυπική φωτογραφία των φάσεων που προέκυψαν από χύτευση. Χαρακτηριστικές αναλύσεις των φάσεων αυτών δίδονται παρακάτω στον πίνακα 8. Μαύρη φάση αλουµίνιο, λευκή φάση σίδηρος, τιτάνιο, χαλκός και ίχνη νικελίου, ενδιάµεση φάση τιτάνιο σίδηρος και χρώµιο.

209 201 6map3 Σχήµα 123. Τυπική φωτογραφία των φάσεων που προέκυψαν από χύτευση. Χαρακτηριστικές αναλύσεις των φάσεων αυτών δίδονται παρακάτω στον πίνακα 8. Μαύρη φάση αλουµίνιο, λευκή φάση σίδηρος, τιτάνιο, χαλκός και ίχνη νικελίου, ενδιάµεση φάση τιτάνιο σίδηρος και χρώµιο.

210 202 ΠΙΝΑΚΑΣ 8 Data_7.txt 6 SEMQuant results. Listed at 14:27:58 on 27/10/04 Operator: Eleni Client: none Job: Job number 7 Spectrum label: System resolution = 72 ev Quantitative method: ZAF ( 3 iterations). Analysed all elements and normalised results. 1 peak possibly omitted: 0.00 kev Standards : Al K Al2O3 23/11/93 Ti K Ti 01/12/93 Cr K Cr 01/12/93 Fe K Fe 01/12/93 Ni K Ni 01/12/93 Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED Fe K ED Ni K ED Total white phase * = <2 Sigma Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED 0.08* 0.06* Cr K ED Fe K ED Ni K ED 0.98* 0.56* Total white

211 203 Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED 0.00* 0.00* Cr K ED Fe K ED Ni K ED Total white Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED 0.20* 0.12* Cr K ED 0.14* 0.07* Fe K ED Ni K ED 0.05* 0.02* Total dark Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED -0.43* -0.24* Cr K ED 0.35* 0.18* Fe K ED 0.34* 0.16* Ni K ED -0.05* -0.02* Total dark Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED Fe K ED Ni K ED -0.22* -0.11* Total intermediate grey Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED Fe K ED Ni K ED 0.03* 0.02* Total inter

212 204 Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED Fe K ED Ni K ED 0.42* 0.22* Total inter Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED Fe K ED Ni K ED Total Ti rich 7_1 map Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED Fe K ED Ni K ED 0.23* 0.12* Total Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED Fe K ED Ni K ED Total Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED Fe K ED Ni K ED 0.49* 0.25* Total Cr rich

213 Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED Fe K ED Ni K ED 0.44* 0.23* Total

214 XRD Για τον χαρακτηρισµό της παραγόµενης ενισχυτικής φάσης χρησιµοποιήθηκε περιθλασίµετρο ακτίνων Χ (X-Ray difractometer), ακτινοβολίας χαλκού. Από το διάγραµµα φαίνεται ο σχηµατισµός της ενισχυτικής φάσης TiB. Παράλληλα έχοµε την παρουσία Fe-Cr-Ni, Al 13 Fe 4 και Al 8 Cr 5. Σχήµα 124. Χαρακτηριστικές φάσεις στο υλικό.

215 ΣΕΙΡΑ ΕΒ ΟΜΗ Να παρασκευασθεί in situ σύνθετο υλικό µήτρας αλουµινίου εµπορικής καθαρότητας µε την προσθήκη µίγµατος αλάτων K 2 TiF 6 και KBF 4 για την σύνθεση της ενίσχυσης του TiB 2 στους C µε την µέθοδο της χύτευσης µε ανάδευση. Αναδευτήρας από υλικό Η13, µε εξωτερική διάµετρο Φ40, γωνία κοπής 22 0 και µεγάλο µήκος πτερυγίων εις τρόπον ώστε να υπάρχει αλληλοεπικάλυψη. ιάρκεια χρόνου ανάδευσης 10 λεπτά. Χρόνος ηρεµίας 5 λεπτά. Ποσοστό αλάτων 10%. Χηµική ανάλυση αναδευτήρα, χάλυβας εργαλείων Η X40CrMoV51 C Si Mn Cr Mo V Σκληρότητα ΗΒ30 0,37-0,42 0,90-1,20 0,30-0,50 5,00-5,50 1,20-1,50 0,90-1, Αποτελέσµατα Πήραµε δοκίµια Φ12 και Φ20 τα οποία παρουσιάζουν την εξής εικόνα. 7.1.Μικροσκοπικός έλεγχος εν υπάρχουν διάκενα (εγκλωβισµοί αέρα) Υπάρχει οµοιοµορφία στην δοµή. Τα σωµατίδια που παρατηρούνται είναι πολύµορφα, βελονοειδή, τετράγωνα, πολύπλευρα κ.τ.λ. Παρατίθενται φωτογραφίες από τα δοκίµια (Σχήµατα ).

216 208 Σχήµα 125. οκίµιο Φ20, µεγέθυνση Χ50. Σχήµα 126. οκίµιο Φ20, µεγέθυνση Χ200.

217 209 Σχήµα 127. οκίµιο Φ20, µεγέθυνση Χ Κρυσταλλική δοµή. Προσβάλλοντας τα δοκίµια µε Kellers και παρατηρώντας τα στο µικροσκόπιο βλέποµε πως η κρυσταλλική δοµή τους είναι δενδριτική. Αυτό οφείλεται στον σχηµατισµό και παρουσία των σωµατιδίων TiB 2 διότι το καθαρό αλουµίνιο παρουσιάζει κιονική δοµή. οµή υλικού Ακολουθούν φωτογραφίες (Σχήµατα ) παρµένες στο µικροσκόπιο µε διάφορες µεγεθύνσεις που καταδεικνύουν την δοµή του υλικού. Στις φωτογραφίες αυτές φαίνονται τα σωµατίδια ασυνεχούς ενίσχυσης (TiB 2 ) και τα µεγαλύτερα σωµατίδια που είνα χάλυβας εργαλείων δηλ. υλικό του αναδευτήρα τον οποίο προσέβαλε το υγρό αλουµίνιο υπο την παρουσία των αλάτων.

218 210 Σχήµα 128. Φαίνονται τα σωµατίδια από χάλυβα εργαλείων του αναδευτήρα µε ακανόνιστο σχήµα και µορφή. Σχήµα 129. Φαίνονται τα σωµατίδια από χάλυβα εργαλείων του αναδευτήρα µε ακανόνιστο σχήµα και µορφή.

219 211 Σχήµα 130. Φαίνονται τα σωµατίδια από χάλυβα εργαλείων του αναδευτήρα µε ακανόνιστο σχήµα και µορφή. Σχήµα 131. Φαίνονται τα σωµατίδια από χάλυβα εργαλείων του αναδευτήρα µε ακανόνιστο σχήµα και µορφή.

220 212 Σχήµα 132. Φαίνονται τα σωµατίδια από χάλυβα εργαλείων του αναδευτήρα µε ακανόνιστο σχήµα και µορφή. 7.3.Σκληροµέτρηση Όλες οι σκληροµετρήσεις έγιναν µε µικροσκληρόµετρο Βίκερς χρησιµοποιώντας το ίδιο βάρος 100gf και όλες οι φωτογραφίες πάρθηκαν στο µικροσκόπιο µε µεγέθυνση Χ200. Εµείς σαν σκληρότητα παίρνουµε το µέσο όρο των διάφορων τιµών η οποία όπως φαίνεται είναι αρκετά µεγάλη. Έτσι τελικά µπορούµε να πάρουµε σαν µέση τιµή Hv96 Ακολουθούν διάφορες φωτογραφίες σκληροµέτρησης που έγιναν µε µικροσκληρόµετρο κατά Βίκερς (Σχήµατα ).

221 213 Σχήµα 133. Hv µε P=100gf, d=32µm. Σχήµα 134. Hv µε P=100gf, d=47µm.

222 214 Σχήµα 135. Hv µε P=100gf, d=52µm. Σχήµα 136. Hv µε P=100gf, d=46µm.

223 215 Σχήµα 137. Hv µε P=100gf, d=49µm. Σχήµα 138. Hv µε P=100gf, d=48µm.

224 ΣΕΙΡΑ ΟΓ ΟΗ Να παρασκευασθεί in situ σύνθετο υλικό µήτρας αλουµινίου εµπορικής καθαρότητας µε την προσθήκη µίγµατος αλάτων K 2 TiF 6 και KBF 4 για την σύνθεση της ενίσχυσης του TiB 2 στους C µε την µέθοδο της χύτευσης µε ανάδευση µε αναδευτήρα από χάλυβα εργαλείων Η13. ιάρκεια χρόνου ανάδευσης 15, 60 λεπτά. Ποσότητες υλικών. Βάρος αλουµινίου Al = 381,80 gr ποσοστό = 86,96% Βάρος άλατος K 2 TiF 6 = 28,63 gr «= 6,52% Βάρος «KBF 4 = 28,63 gr «= 6,52% Σύνολα 439,06 gr 100,00% Συνολικό ποσοστό αλάτων 6,52+6,52 = 13,04% Χηµική ανάλυση αναδευτήρα, χάλυβας εργαλείων Η X40CrMoV51 C Si Mn Cr Mo V Σκληρότητα ΗΒ30 0,37-0,42 0,90-1,20 0,30-0,50 5,00-5,50 1,20-1,50 0,90-1, Ακολουθούµενη διαδικασία. Τεµάχια αλουµινίου βάρους 381,80gr τα βάζοµε στον µποτά και αφού λειώσουν στον φούρνο και φθάσουν στους C αρχίζουµε µε αξονικό αναδευτήρα την ανάδευση προσθέτοντας σταδιακά σκόνη αλάτων αναµεµειγµένη 28,63gr Κ 2 ΤιF 6 και 28,63gr KBF 4. Η ανάδευση συνεχίζεται για 15 λεπτά και παίρνοµε ένα δοκίµιο Φ25, µετά συνεχίζεται η ανάδευση για άλλα 45 λεπτά δηλ. συνολικά για 60 λεπτά και παίρνοµε ένα δεύτερο δοκίµιο Φ15. Τα καλούπια είναι χαλκού µήκους περίπου 110 µε 120mm. 8.1.Μικροσκοπικός έλεγχος. Από τα δοκίµια κόβοµε κοµµάτια Φ15 και Φ25 τα οποία λειαίνοµε µε λειαντικά διαφόρων µεγεθών κόκκων και στο τέλος τα γυαλίζοµε µε πανί και αλουµίνα. Στη συνέχεια πάµε στο µικροσκόπιο και παρατηρούµε τις επιφάνειες που ετοιµάσαµε. Τα δύο δοκίµια παρουσιάζουν περίπου την ίδια δοµή δηλ. διακρίνεται η φάση του σιδήρου σε σωµατίδια διαφόρων σχηµάτων ακόµη και σαν βελόνες, οµοιόµορφα κατανεµηµένη, στο δεύτερο δοκίµιο όµως των 60 λεπτών παρουσιάζονται µερικά σωµατίδια σιδήρου µεγαλυτέρων διαστάσεων σχήµατος πενταγώνου. Φαίνεται πως πολλά µικρά σωµατίδια ενώθηκαν και σχηµάτισαν τα µεγαλύτερα όταν συνεχίστηκε η ανάδευση για πολλή ώρα. Άρα ο χρόνος 60 λεπτών είναι πολύ µεγάλος και επιδρά αρνητικά στην ποιότητα του υλικού, όπως παρουσιάζεται στις φωτογραφίες που ακολουθούν (Σχήµατα ).

225 217 Σχήµα 139. οκίµιο Φ25, µεγέθυνση Χ200, χρόνος ανάδευσης 15 λεπτά. Σχήµα 140. οκίµιο Φ15, µεγέθυνση Χ200, χρόνος ανάδευσης 60 λεπτά.

226 Κρυσταλλική δοµή. Προσβάλλοντας τα δοκίµια µε Kellers και παρατηρώντας τα στο µικροσκόπιο βλέποµε πως η κρυσταλλική δοµή τους είναι δενδριτική. οµή υλικού Ακολουθούν φωτογραφίες (Σχήµατα ) παρµένες στο µικροσκόπιο µε διάφορες µεγεθύνσεις που καταδεικνύουν την δοµή του υλικού. Στις φωτογραφίες αυτές φαίνονται τα σωµατίδια σιδήρου κατανεµηµένα σε όλη τη διατοµή, που προήλθαν από την προσβολή του αναδευτήρα από το υγρό αλουµίνιο υπο την παρουσία των αλάτων. Σχήµα 141. Σωµατίδια σιδήρου διαφόρων µορφών στην µήτρα του αλουµινίου.

227 219 Σχήµα 142. Σωµατίδια σιδήρου διαφόρων µορφών στην µήτρα του αλουµινίου. Σχήµα 143. Σωµατίδια σιδήρου διαφόρων µορφών στην µήτρα του αλουµινίου.

228 220 Σχήµα 144. Σωµατίδια σιδήρου διαφόρων µορφών στην µήτρα του αλουµινίου. Σχήµα 145. Σωµατίδια σιδήρου διαφόρων µορφών στην µήτρα του αλουµινίου.

229 Σκληροµέτρηση Όλες οι σκληροµετρήσεις έγιναν µε µικροσκληρόµετρο Βίκερς χρησιµοποιώντας το ίδιο βάρος 100gf και όλες οι φωτογραφίες πάρθηκαν στο µικροσκόπιο µε µεγέθυνση Χ200. Εµείς σαν σκληρότητα παίρνουµε το µέσο όρο των διάφορων τιµών. Έτσι τελικά µπορούµε να πάρουµε σαν µέση τιµή Hv63 Ακολουθούν διάφορες φωτογραφίες (Σχήµατα ) σκληροµέτρησης που έγιναν µε µικροσκληρόµετρο κατά Βίκερς. Σχήµα 146. Hv µε P=100gf, d=54µm

230 222 Σχήµα 147. Hv µε P=100gf, d=49µm. Σχήµα 148. Hv µε P=100gf, d=54µm.

231 223 Σχήµα 149. Hv µε P=100gf, d=59µm. Σχήµα 150. Hv µε P=100gf, d=57µm.

232 SEM Ακολουθούν φωτογραφίες (Σχήµατα ) που ελήφθησαν από το ηλεκτρονικό µικροσκόπιο σάρωσης. Από την ανάλυση στοιχείων φαίνεται η ύπαρξη του τιτανίου καθώς επείσης και σιδήρου. Σχήµα 151. Λευκή φάση σίδηρος, γκρί φάση τιτάνιο και σίδηρος. Σχήµα 152. Λευκή φάση σίδηρος, γκρί φάση τιτάνιο και σίδηρος.

233 225 Σχήµα 153. Λευκή φάση σίδηρος, γκρί φάση τιτάνιο και σίδηρος. Σχήµα 154. Λευκή φάση σίδηρος, γκρί φάση τιτάνιο και σίδηρος.

234 226 8 map Σχήµα 155. Τυπική φωτογραφία των φάσεων που προέκυψαν από χύτευση. Χαρακτηριστικές αναλύσεις των φάσεων αυτών δίδονται παρακάτω στον πίνακα 9. Λευκή φάση σίδηρος, γκρί φάση τιτάνιο και σίδηρος.

235 227 ΠΙΝΑΚΑΣ 9 Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED Fe K ED Total white Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED Fe K ED Total Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED Fe K ED Total white Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED 0.27* 0.15* Cr K ED 0.31* 0.16* Fe K ED Total matrix Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED -0.01* -0.01* Cr K ED 0.50* 0.26* Fe K ED 0.50* 0.24* Total matrix

236 228 Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED 0.29* 0.15* Fe K ED 0.35* 0.17* Total matrix Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED Fe K ED Total grey Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED Fe K ED Total grey Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED Fe K ED Total grey Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED Fe K ED Total grey Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED Cr K ED Fe K ED 0.25* 0.15* Total grey

237 Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED -0.19* -0.13* Cr K ED 0.27* 0.17* Fe K ED Sn L ED Total

238 ΣΕΙΡΑ ΕΝΑΤΗ Να παρασκευασθεί in situ σύνθετο υλικό µήτρας αλουµινίου εµπορικής καθαρότητας µε την προσθήκη µίγµατος αλάτων K 2 TiF 6 και KBF 4 για την σύνθεση της ενίσχυσης του TiB 2 στους C µε την µέθοδο της χύτευσης µε αναδευτήρα από χάλυβα εργαλείων Η13. ιάρκεια χρόνου ανάδευσης-αντίδρασης 15 λεπτά. Στροφές ανάδευσης 1100RPM. Ποσοστό αλάτων 20%. Αναδευτήρας µε µεγάλη κλίση πτερυγίων 65 0 περίπου. Χηµική ανάλυση αναδευτηρα. Χάλυβας εργαλείων Η X40CrMoV51 C Si Mn Cr Mo V Σκληρότητα ΗΒ30 0,37-0,42 0,90-1,20 0,30-0,50 5,00-5,50 1,20-1,50 0,90-1, Αποτελέσµατα Παίρνοµε δοκίµια Φ25, Φ20, Φ10. Κατά την διαδικασία εκτέλεσης του πειράµατος είχαµε πάρα πολλές αναθυµιάσεις. Ο αναδευτήρας κράτησε αλλά αδυνάτισαν πολύ τα πτερύγιά του, δηλ. έχοµε προσθήκη χάλυβα Η Μικροσκοπικός έλεγχος Ο χάλυβας σαν ξεχωριστή φάση είναι ευδιάκριτος και είναι επιµήκης. Τα δοκίµια παρουσιάζουν την ακόλουθη εικόνα (Σχήµατα ).

239 231 Σχήµα 156. οκίµιο Φ10, µεγέθυνση Χ500, λήψη περιµετρική. Σχήµα 157. οκίµιο Φ10, µεγέθυνση Χ500, λήψη κεντρική. Ο χάλυβας σαν ξεχωριστή φάση είναι ευδιάκριτος και είναι επιµήκης.

240 Κρυσταλλική δοµή Προσβάλλοντας τα δοκίµια µε Kellers και παρατηρώντας τα στο µικροσκόπιο βλέποµε πως η κρυσταλλική δοµή τους είναι δενδριτική. οµή υλικού Ακολουθούν φωτογραφίες (Σχήµατα ) παρµένες στο µικροσκόπιο µε διάφορες µεγεθύνσεις που καταδεικνύουν την δοµή του υλικού. Στις φωτογραφίες αυτές φαίνονται τα σωµατίδια σιδήρου κατανεµηµένα σε όλη τη διατοµή, που προήλθαν από την προσβολή του αναδευτήρα από το υγρό αλουµίνιο υπο την παρουσία των αλάτων. Σχήµα 158. Σωµατίδια σιδήρου διαφόρων µορφών στην µήτρα του αλουµινίου. Ξεχωρίζει ιδιαίτερα η επιµήκης µορφή που δεσπόζει.

241 233 Σχήµα 159. Σωµατίδια σιδήρου διαφόρων µορφών στην µήτρα του αλουµινίου. Ξεχωρίζει ιδιαίτερα η επιµήκης µορφή που δεσπόζει. Σχήµα 160. Σωµατίδια σιδήρου διαφόρων µορφών στην µήτρα του αλουµινίου. Ξεχωρίζει ιδιαίτερα η επιµήκης µορφή που δεσπόζει.

242 234 Σχήµα 161. Σωµατίδια σιδήρου διαφόρων µορφών στην µήτρα του αλουµινίου. Ξεχωρίζουν τα ενισχυτικά σωµατίδια του τιτανίου. Σχήµα 162. Σωµατίδια σιδήρου διαφόρων µορφών στην µήτρα του αλουµινίου. Ξεχωρίζουν τα ενισχυτικά σωµατίδια του τιτανίου.

243 Σκληροµετρηση Όλες οι σκληροµετρήσεις έγιναν µε µικροσκληρόµετρο Βίκερς χρησιµοποιώντας το ίδιο βάρος 100gf και όλες οι φωτογραφίες πάρθηκαν στο µικροσκόπιο µε µεγέθυνση Χ200. Εµείς σαν σκληρότητα παίρνουµε το µέσο όρο των διάφορων τιµών. Έτσι τελικά µπορούµε να πάρουµε σαν µέση τιµή Hv105 Ακολουθούν διάφορες φωτογραφίες σκληροµέτρησης (Σχήµατα ) που έγιναν µε µικροσκληρόµετρο κατά Βίκερς. Σχήµα 163. Hv µε P=100gf, d=43µm.

244 236 Σχήµα 164. Hv µε P=100gf, d=60µm. Σχήµα 165. Hv µε P=100gf, d=34µm.

245 237 Σχήµα 166. Hv µε P=100gf, d=41µm. Λήψη περιµετρική, µεγάλο gradient, πολλά και µικρά σωµατίδια 9.4. SEM Ακολουθούν φωτογραφίες που ελήφθησαν από το ηλεκτρονικό µικροσκόπιο σάρωσης. Από την ανάλυση στοιχείων φαίνεται η ύπαρξη του τιτανίου καθώς επίσης και σιδήρου µε λίγο χρώµιο και πυρίτιο (Σχήµατα ).

246 238 Σχήµα 167. Λευκή φάση σίδηρος και τιτάνιο, γκρί φάση τιτάνιο, σίδηρος, λίγο πυρίτιο και ακόµα λιγότερο χρώµιο. Σχήµα 168. Λευκή φάση σίδηρος και τιτάνιο, γκρί φάση τιτάνιο, σίδηρος, λίγο πυρίτιο και ακόµα λιγότερο χρώµιο.

247 239 Σχήµα 169. Λευκή φάση σίδηρος και τιτάνιο, γκρί φάση τιτάνιο, σίδηρος, λίγο πυρίτιο και ακόµα λιγότερο χρώµιο. Σχήµα 170. Λευκή φάση σίδηρος και τιτάνιο, γκρί φάση τιτάνιο, σίδηρος, λίγο πυρίτιο και ακόµα λιγότερο χρώµιο.

248 240 9 map Σχήµα 171. Τυπική φωτογραφία των φάσεων που προέκυψαν από χύτευση. Χαρακτηριστικές αναλύσεις των φάσεων αυτών δίδονται παρακάτω στον πίνακα 10. Λευκή φάση σίδηρος, γκρί φάση τιτάνιο, σίδηρος και λίγο χρώµιο.

249 241 ΠΙΝΑΚΑΣ 10 P 10 Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED V K ED 0.11* 0.07* Cr K ED 0.40* 0.27* Mn K ED 0.30* 0.19* Fe K ED Total white needle Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED V K ED 0.42* 0.28* Cr K ED Fe K ED Total needle Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED 0.63* 0.43* V K ED 0.19* 0.12* Cr K ED 0.09* 0.06* Fe K ED Total needle Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Ti K ED V K ED -0.08* -0.05* Cr K ED 0.22* 0.14* Fe K ED Total needle Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Si K ED Ti K ED Cr K ED Fe K ED Total grey

250 242 Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Si K ED Ti K ED Cr K ED Fe K ED 0.90* 0.46* Total grey Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Si K ED Ti K ED Cr K ED Fe K ED Total grey Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Si K ED Ti K ED Cr K ED 0.89* 0.50* Fe K ED Total grey Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Si K ED K K ED Ti K ED Cr K ED 0.37* 0.19* Fe K ED Total matrix Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Si K ED K K ED Ti K ED Cr K ED Fe K ED Total matrix

251 243 Elmt Spect. Element Atomic Type % % Al K ED Si K ED K K ED Ti K ED Cr K ED Fe K ED Total grey

252 XRD Για τον χαρακτηρισµό της παραγόµενης ενισχυτικής φάσης χρησιµοποιήθηκε περιθλασίµετρο ακτίνων Χ (X-Ray difractometer), ακτινοβολίας χαλκού. Από το διάγραµµα φαίνεται ο σχηµατισµός της ενισχυτικής φάσης TiB 2 και TiB. Παράλληλα έχοµε την παρουσία Fe, Al 13 FeSi, Al 13 Fe 4 και Al 8 Cr 5. Σχήµα 172. Χαρακτηριστικές φάσεις στο υλικό.

253 245 Γ. ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΜΕ ΟΝΗΣΗ ΤΩΝ ΚΑΛΟΥΠΙΩΝ ΠΕΙΡΑΜΑ 1 ο Λειώνουµε καθαρό αλουµίνιο στον φούρνο και ανεβάζουµε την θερµοκρασία στους C. Πάνω στην συσκευή δονήσεως προσαρµόζουµε διαιρούµενο καλούπι χαλκού µε τρεις οπές δοκιµίων Φ25, Φ20 και Φ12. Οι δονήσεις της συσκευής είναι γύρω στις 650 ανά λεπτό και το εύρος έχει 10 διαβαθµίσεις µε µέγιστη τιµή περίπου 1mm. Βάζουµε σε λειτουργία την συσκευή µε το καλούπι στην διαβάθµιση 8 (δηλ. εύρος λίγο µικρότερο του 1 χιλιοστού) και προχωρούµε στην έκχυση του λειωµένου αλουµινίου που ετοιµάσαµε µε την σειρά, πρώτα στο Φ25, µετά στο Φ20 και τέλος στο Φ12. Έτσι παίρνοµε τρία δοκίµια µε δόνηση. Η δόνηση είναι συνάρτηση του χρόνου στερεοποίησησς. Τα τρία δοκίµια µετά την λείανση και προσβολή µε Kellers παρουσιάζουν την παρακάτω εικόνα (Σχήµατα ). Σχήµα 173. οκίµιο Φ25, µεγέθυνση Χ50. Πυρήνας δοκιµίου.

254 246 Σχήµα 174. οκίµιο Φ20, µεγέθυνση Χ50. Εσωτερικό δοκιµίου. Σχήµα 175. οκίµιο Φ12, µεγέθυνση Χ50. Περιµετρικό δοκιµίου.

255 247 Παρατηρήσεις επί των δοκιµίων. Το 1 ο δοκίµιο Φ25 παρουσιάζει στον πυρήνα του (κέντρο της διατοµής του), όπως φαίνεται και στην πρώτη εικόνα, µία δοµή δενδριτική και από εκεί και πέρα στην υπόλοιπη διατοµή του η δοµή είναι περισσότερο κυονική. Το 2 ο δοκίµιο Φ20 παρουσιάζει στην πλειονότητά του δοµή κυονική και µόνο τοπικά δενδριτική ανά ζώνες εδώ και εκεί διάσπαρτα σε διάφορα σηµεία της διατοµής εικόνα δεύτερη (Σχήµα 174). Το 3 ο δοκίµιο Φ12 παρουσιάζει σχεδόν στο σύνολό του δοµή καθαρά κυονική και µόνο η περιµετρική ζώνη έχει δενδριτική δοµή, από όπου και η τρίτη εικόνα (Σχήµα 175), η οποία ζώνη είναι πολύ χαρακτηριστική διότι σαυτήν φαίνονται πολύ καθαρά οι σπασµένοι δενδρίτες. Γενικό συµπέρασµα. Και τα τρία δοκίµια σε κάποια ζώνη παρουσίασαν δενδριτική δοµή. Η δενδριτική δοµή όπως παρατηρούµε δεν είναι η συνήθης, αλλά οι δενδρίτες παρουσιάζουν µικρότερες διαστάσεις και έχουν απλό σχήµα που σηµαίνει πως οι δενδρίτες έσπασαν µερικώς αν και όχι απόλυτα και αυτό οφείλεται στην δόνηση κατά την διαδικασία έκχυσης-στερεοποίησης. Το καλύτερο σπάσιµο των δενδριτών παρατηρούµε πως επιτεύχθηκε στο 3 ο δοκίµιο και αυτό µπορούµε να πούµε πως οφείλεται στους εξής λόγους. 1. Είναι το δοκίµιο µε την µικρότερη διάµετρο και συνεπώς η δόνηση έγινε πιο αισθητή στο τήγµα καθότι, το χτύπηµα του τοιχώµατος του καλουπιού ήταν πιο οξύ. 2. Επειδή και τα τρία δοκίµια είναι ενσωµατωµένα στο ίδιο καλούπι και επειδή προηγήθηκαν οι χυτεύσεις στα δοκίµια 1 ο και 2 ο, όταν έγινε η χύτευση στο τρίτο δοκίµιο ήδη η θερµοκρασία του καλουπιού ήταν ανεβασµένη και συνεπώς η στερεοποίηση του τήγµατος δεν ήταν τόσο άµεση µε αποτέλεσµα η δόνηση να δράσει περισσότερο χρόνο στο τήγµα.

256 248 ΠΕΙΡΑΜΑ 2 ο Σε φούρνο τοποθετήθηκαν τρία κοµµάτια καθαρού αλουµινίου τα οποία αφού έλειωσαν στους C, έγινε χύτευση σε δοκίµια επάνω στον δονητή σε διαµέτρους Φ25 και Φ20. Στη συνέχεια δύο κοµµάτια Φ25 και Φ20 από τα δύο δοκίµια, µετά την λείανση και προσβολλή µε Keller s, εξετάσθηκαν στο µικροσκόπιο. Παρατηρήσεις. 1. εν υπάρχουν οπές-διάκενα σε κανένα δοκίµιο. 2. Κατά δεύτερον έχουµε δοµή κιονική, συνεπώς τεκµαίρεται πως µε καθαρό αλουµίνιο η δοµή που προκύπτει είναι κιονική και όχι δενδριτική. Εάν κάπου-κάπου παρατηρούνται δενδρίτες αυτοί οφείλονται σε τοπική υπερψύξη ή σε ακαθαρσίες. Ακολουθούν φωτογραφίες των δύο δοκιµίων σε διάφορα µεγέθη. (Σχήµατα ). Σχήµα 176. οκίµιο Φ25, µεγέθυνση Χ50. οµή κιονική και ισοαξονική µόνο στο κέντρο.

257 249 Σχήµα 177. οκίµιο Φ25, µεγέθυνση Χ50. οµή κιονική, σηµείο περιµετρικό. Σχήµα 178. οκίµιο Φ25, µεγέθυνση Χ200. Σηµείο περιµετρικό, δοµή κιονική.

258 250 Σχήµα 179. οκίµιο Φ25, µεγέθυνση Χ1000. Σηµείο περιµετρικό, δοµή κιονική. Σχήµα 180. οκίµιο Φ20, µεγέθυνση Χ50. Σηµείο περιµετρικό, δοµή κιονική.

259 251 Σχήµα 181. οκίµιο Φ20, µεγέθυνση Χ200. Σηµείο περιµετρικό, δοµή κιονική. Σχήµα 182. οκίµιο Φ20, µεγέθυνση Χ1000. Σηµείο περιµετρικό, δοµή κιονική.

260 252 ΠΕΙΡΑΜΑ 3 ο Σε φούρνο λειώνουµε κοµµάτια καθαρού αλουµινίου ανεβάζοντας την θερµοκρασία στους C, προθερµαίνουµε το καλούπι που τοποθετούµε στον δονητή µε τον διακόπτη ρύθµισης στη θέση 10, και στη συνέχεια παίρνουµε δύο δοκίµια µε δόνηση Φ25 και Φ20, και δύο δοκίµια χωρίς δόνηση Φ15. Στη συνέχεια κόβουµε και λειαίνουµε τα κοµµάτια και αφού τα προσβάλουµε µε Keller s τα παρατηρούµε στο µικροσκόπιο από όπου και εξάγουµε τα εξής συµπεράσµατα. 1. Για άλλη µια φορά επιβεβαιώνεται πως µε καθαρό αλουµίνιο έχουµε δοµή κιονική. 2. Με την δόνηση δεν πετυχαίνουµε σπάσιµο της κιονικής δοµής. Το µήκος των κιόνων είναι µικρότερο κοντά στην περιφέρεια (ψυχρή ζώνη), και µεγαλύτερο προς το εσωτερικό του δοκιµίου. 3. Στο κέντρο του δοκιµίου Φ15 παρατηρείται ισοαξονική δοµή. Ακολουθούν φωτογραφίες (Σχήµατα ). Σχήµα 183. οκίµιο Φ20 µεγέθυνση Χ200. Κέντρο του δοκιµίου ισοαξονική δοµή από όπου ξεκινά η κιονική δοµή.

261 253 Σχήµα 184. οκίµιο Φ20 µεγέθυνση Χ200. Οι κίονες έχουν µικρότερο µήκος περιµετρικά, ψυχρή ζώνη. Σχήµα 185. οκίµιο Φ20 µεγέθυνση Χ1000. Γραµµή διαχωρισµού κιόνων, δοµή ύλης.

262 Σχήµα 186. οκίµιο Φ15, µεγέθυνση Χ500. Κέντρο δοκιµίου, ισοαξονική ζώνη. 254

263 255 ΠΕΙΡΑΜΑ 4 ο Σε φούρνο λειώνουµε αλουµίνιο µε άλατα στους 1060 ο C και παίρνουµε δύο δοκίµια µε δόνηση Φ25 και Φ20, και ένα δοκίµιο χωρίς δόνηση Φ15. Στη συνέχεια λειαίνουµε και προσβάλουµε µε Keller s και στο τέλος παρατηρούµε και φωτογραφίζουµε, έχουµε τα εξής αποτελέσµατα. 1. Έχουµε δενδριτική δοµή σε όλα τα δοκίµια ανεξάρτητα αν είχαµε ή όχι δόνηση. 2. Οι δενδρίτες σπάσανε ελάχιστα από την δόνηση. Ακολουθούν φωτογραφίες (Σχήµατα ). Σχήµα 187. οκίµιο Φ25 µεγέθυνση Χ200. ενδριτική δοµή. Πείραµα µε δόνηση.

264 256 Σχήµα 188. οκίµιο Φ20, µεγέθυνση Χ200. ενδριτική δοµή. Πείραµα µε δόνηση. Σχήµα 189. οκίµιο Φ15 µεγέθυνση Χ200. ενδριτική δοµή. Πείραµα χωρίς δόνηση.

265 257 Τελικά συµπεράσµατα. 1. Με καθαρό αλουµίνιο έχουµε κιονική δοµή ενώ µε άλατα έχουµε δενδριτική. 2. Με την συσκευή δόνησης που έχουµε πολύ περιορισµένα σπάζουν οι δενδρίτες και περιορίζεται το µέγεθός τους, για καλύτερα αποτελέσµατα προφανώς χρειαζόµαστε µεγαλύτερη συχνότητα. 3. Σε κάθε δοκίµιο οι δενδρίτες είναι µεγαλύτεροι προς το κέντρο και µικρότεροι προς την περιφέρεια. 4. Οσο µεγαλώνει η διάµετρος του δοκιµίου µεγαλώνουν και οι δενδρίτες, γιαυτό και το δοκίµιο Φ25 έχει τους µεγαλύτερους δενδρίτες, ενώ το δοκίµιο Φ15 έχει τους µικρότερους. 5. Επειδή στο κέντρο του δοκιµίου, που έχουµε µεγαλύτερους δενδρίτες, η θερµοκρασία µεταβάλλεται µε µικρότερο ρυθµό από ότι στην περιφέρεια δηλ. έχουµε µικρότερο gradient, και επειδή επίσης σε µεγαλύτερο δοκίµιο που έχουµε επίσης µικρότερο gradient έχουµε µεγαλύτερους δενδρίτες, συνάγεται το συµπέρασµα πως, όταν έχουµε µικρό gradient έχουµε µεγάλους δενδρίτες, ενώ όταν έχουµε µεγάλο gradient έχουµε µικρούς δενδρίτες.

266 258 ΠΕΙΡΑΜΑ 5 ο Σε φούρνο και σε θερµοκρασία 820 ο C λειώνουµε αλουµίνιο µε άλατα και στην συνέχεια αφού πάρουµε ένα δοκίµιο Φ12 µε δόνηση και ένα Φ15 χωρίς δόνηση τα παρατηρούµε στο µικροσκόπιο και τα φωτογραφίζουµε. Ακολουθούν οι φωτογραφίες (Σχήµατα 190,191). Σχήµα 190. οκίµιο Φ12 µεγέθυνση Χ500. ενδριτική δοµή. Πείραµα µε δόνηση.

267 259 Σχήµα 191. οκίµιο Φ15 µεγέθυνση Χ500. ενδριτική δοµή. Πείραµα χωρίς δόνηση. Φαίνεται πως οι δενδρίτες στο δοκίµιο Φ15 χωρίς δόνηση είναι µεγαλύτεροι, ενώ οι δενδρίτες στο δοκίµιο Φ12 µε δόνηση είναι µικρότεροι. Αυτό οφείλεται σε δύο λόγους. Πρώτον το δοκίµιο Φ15 είναι µεγαλύτερης διαµέτρου και εποµένως έχουµε µικρότερο gradient κατά συνέπεια µεγαλύτερους δενδρίτες και δεύτερον το δοκίµιο Φ12 το πήραµε µε δόνηση που µπορεί να µην έσπασε τους δενδρίτες όπως θα θέλαµε αλλά περιόρισε το µέγεθός τους.

268 260

269 261. ΑΝΤΟΧΗ ΥΛΙΚΟΥ ΣΕ ΦΘΟΡΑ Για να προσδιορίσουµε την φθορά ενός δοκιµίου σε όγκο ή σε βάρος όταν αυτό διανύσει µια ορισµένη απόσταση επάνω σε µία επιφάνεια τριβής πιεζόµενο µε ορισµένη κάθετη δύναµη χρησιµοποιούµε την τροποποιηµένη συσκευή STRUERS DP-U2. Η συσκευή αυτή διαθέτει, περιστρεφόµενο δίσκο πάνω στον οποίο τοποθετείται η επιφάνεια τριβής που µπορεί να αλλάξει, βραχίονα που φέρει το δοκίµιο από κάτω ενώ από πάνω µε την παρεµβολή ελατηρίου φέρει πιατέλα όπου τοποθετείται το βαρίδιο πίεσης του δοκιµίου επί της επιφάνειας τριβής και φωτοκύτταρο µέτρησης των αριθµών στροφών του δίσκου για να προσδιορισθεί τελικά η διανυθείσα απόσταση L συναρτήσει του συνολικού αριθµού στροφών n και της απόστασης του δοκιµίου από το κέντρο περιστροφής του δίσκου τριβής R, δηλαδή L=2πRn. Βέβαια για το ίδιο δοκίµιο η φθορά αλλάζει αν αλλάξουν τα χαρακτηριστικά της επιφάνειας τριβής ή αλλάξει η κάθετη δύναµη που ασκείται πάνω του έστω και αν διανύσει την ίδια απόσταση τριβής, γιαυτό η φθορά έχει νόηµα σαν συγκριτικό µέγεθος δύο ή περισσότερων ίδιων δοκιµίων, από διαφορετική σύσταση υλικού φυσικά, που διανύουν την ίδια απόσταση, πάνω στην ίδια επιφάνεια τριβής, µε την ίδια κάθετη δύναµη. Έτσι λοιπόν κατ αρχάς έχουµε τρία µεγέθη που πρέπει να είναι σταθερά και ίδια για όλα τα δοκίµια και αυτά είναι: 1. L=2πRn διανυθείσα απόσταση τριβής σε cm 2. Ν o τριβέα, δηλαδή το µέγεθος των κόκκων του τριβέα 3. F n κάθετη εφαρµοσµένη δύναµη τριβής σε gr ιατηρούµε την ίδια σταθερή ταχύτητα σε όλα τα πειράµατα και σε όλα τα δοκίµια υ=2πrn 1 =σταθερά, όπου n 1 είναι η ταχύτητα περιστροφής και όχι βέβαια ο συνολικός αριθµός στροφών που είχαµε παραπάνω και συµβολίσαµε µε το γράµµα n χωρίς δείκτη. Είναι φανερό πως όταν αλλάζει η απόσταση του δοκιµίου από το κέντρο περιστροφής του δίσκου, πρέπει να αλλάξουµε την ταχύτητα περιστροφής του δίσκου ανάλογα εις τρόπον ώστε το γινόµενο να παραµείνει σταθερό. Έτσι λοιπόν έχουµε το τέταρτο σταθερό µέγεθος. 4. υ=2πrn 1 ταχύτητα τριβής του δοκιµίου από τον τριβέα σε cm/min Εκτός από τα τέσσερα παραπάνω µεγέθη που όπως είπαµε πρέπει να παραµείνουν σταθερά, υπάρχουν και άλλοι παράγοντες τους οποίους πρέπει να περιορίσουµε εις τρόπον ώστε τα αποτελέσµατά µας να είναι όσο το δυνατόν πιο αξιόπιστα. -Κατ αρχάς η στόµωση του τριβέα από τα ρινίσµατα (σκόνες) του υλικού του δοκιµίου κατά την διαδικασία (διάρκεια) τριβής, καθόσον µάλιστα που η βάση του υλικού των δοκιµίων είναι το αλουµίνιο δηλαδή σχετικά µαλακό υλικό, υπάρχει το ενδεχόµενο τα ρινίσµατα να κολλήσουν στον τριβέα οπότε να µειωθεί η ικανότητά του. Για να εξαλείψοµε ένα τέτοιο ενδεχόµενο κατά την διαδικασία τριβής καθαρίζουµε την επιφάνεια του τριβέα µε πεπιεσµένο αέρα από αεροσυµπιεστή κάνοντας χρήση ακροφυσίου. -Ένα άλλο στοιχείο που ενδεχόµενα να επηρεάζει την φθορά είναι η διατοµή των δοκιµίων γιαυτό και κάνοµε όλα τα δοκίµια µε την ίδια διατοµή. Έτσι καθορίσαµε τα

270 262 δοκίµιά µας να έχουν τις εξής διαστάσεις, διάµετρο περίπου 9mm και µήκος περίπου 40mm. Οι διαστάσεις αυτές είναι πολύ εύχρηστες για δύο λόγους. Πρώτον ο υποδοχέας όπου θα στερεοποιηθεί το δοκίµιο είναι ένας πύρος τοποθετηµένος στην άκρη του βραχίονα της συσκευής τριβής, που ενώ στο πάνω µέρος όπως είπαµε µε την παρεµβολή ελατηρίου φέρει βάση για την τοποθέτηση του ανάλογου βάρους πίεσης τριβής, στο κάτω µέρος όµως φέρει οπή όπου τοποθετείται και στερεώνεται το δοκίµιο µε την βοήθεια κοχλία. Αυτή λοιπόν η οπή είναι διαµέτρου 9,5mm περίπου και συνεπώς το δοκίµιο πρέπει να έχει µικρότερη διάµετρο οπότε επιλέξαµε τα 9mm ώστε αφ ενός µεν να έχοµε εύκολη πρόσδεση και αφ εταίρου να µην έχουµε πολύ µεγάλες ανοχές εις τρόπον ώστε να είναι εύκολη η δηµιουργία ίδιων συνθηκών πρόσδεσης. εύτερον το µήκος των δοκιµίων επιδιώξαµε να είναι όσο το δυνατόν µεγαλύτερο για να έχει διάρκεια, περιορίζεται όµως για λόγους εύκολης τοποθέτησης στην κάτω υποδοχή του πύρου και έτσι επιλέχθηκαν τα 40mm περίπου. Η σύγκριση των ιδιοτήτων φθοράς έγινε µεταξύ 5 διαφορετικών υλικών, ένα από καθαρό αλουµίνιο εµπορικής καθαρότητας και τέσσερα δοκίµια µε ενισχυτικά σωµατίδια που προέκυψαν από τα πειράµατα 1,3,5 και 7 που κάναµε στο εργαστήριο. Για το κάθε δοκίµιο κάναµε πέντε διαδοχικά πειράµατα τριβής, µε το ίδιο µήκος τριβής κάθε φορά L=2πRn=6.280cm, µε τον ίδιο τριβέα Ν ο =120, την ίδια κάθετη δύναµη F n =1.001gr και την ίδια ταχύτητα τριβής υ=4.710cm/min, δηλαδή κρατήσαµε τις ίδιες τέσσερις σταθερές που αναφέραµε πιο πάνω. Κατόπιν καθορίσαµε την θέση τριβής κάθε δοκιµίου δηλαδή ορίσαµε απόσταση δοκιµίου από το κέντρο περιστροφής του τριβέα δηλαδή το R σε cm. Ανάλογα βέβαια µε το R του κάθε δοκιµίου υπολογίσθηκαν και ο συνολικός αριθµός στροφών n και η ταχύτητα περιστροφής n 1 στροφές ανά λεπτό του τριβέα ώστε να έχοµε το ίδιο µήκος τριβής και την ίδια ταχύτητα τριβής όπως είπαµε παραπάνω. Τα στοιχεία αυτά τα καταγράψαµε στον πίνακα που δηµιουργήσαµε όπου καταγράψαµε επίσης και τα αποτελέσµατα των πειραµάτων που κάναµε. Έτσι κατ αρχάς µετρήσαµε µε ζυγαριά ακριβείας τα αρχικά βάρη των δοκιµίων που φαίνονται στον πίνακα µε το γράµµα m, στη συνέχεια µετά τα διαδοχικά πειράµατα ζυγίσαµε και καταγράψαµε τα διαδοχικά βάρη των δοκιµίων m 1, m 2, m 3, m 4, m 5 και τέλος καταγράψαµε τις διαδοχικές διαφορές των βαρών αυτών δηλαδή την φθορά των δοκιµίων εκφρασµένη σε gr ήτοι m 1 =m-m 1, m 2 =m-m 2, m 3 =m-m 3, m 4 =m-m 4 και m 5 =m-m 5. Πρέπει να σηµειώσουµε εδώ πως επειδή όλα τα δοκίµια έχουν το ίδιο ειδικό βάρος, καταγράφοµε την φθορά σε βάρος που είναι πιο εύχρηστη και έχοµε πιο άµεσα αποτελέσµατα. Έτσι συνοψίζοντας έχοµε τον πίνακα 11 που ακολουθεί.

271 263 ΠΙΝΑΚΑΣ 11 Για L=6.280cm, Τριβέας Ν ο 120, F n =1001gr, υ=4.710cm/min, Χρόνος κάθε πειράµατος περίπου =1,33min Υλικό m m 1 m 2 m 3 m 4 m 5 m 1 m 2 m 3 m 4 m 5 R n n 1 Αλ.καθ 7,145 7,063 7,026 6,983 6,951 6,896 0,082 0,119 0,162 0,194 0, Π 1 7,693 7,673 7,655 7,604 7,595 7,587 0,020 0,038 0,089 0,098 0, Π 3 6,684 6,661 6,636 6,628 6,608 6, ,048 0,056 0,076 0, Π 4 7,412 7,389 7,366 7,330 7,298 7,294 0,023 0,046 0,082 0,114 0, Π 6 7,419 7,392 7,352 7,331 7,290 7,263 0,027 0,067 0,088 0,129 0, Από τον πίνακα φαίνεται η συνολική φθορά κάθε δοκιµίου µετά από 5 πειράµατα και διακρίνεται καθαρά η διαφορά φθοράς του καθαρού αλουµινίου από τα άλλα δοκίµια που περιέχουν ενισχυτικά σωµατίδια. Τα παραπάνω αποτελέσµατα απεικονίζονται και στο διάγραµµα 1 που ακολουθεί. ΙΑΓΡΑΜΜΑ 1 ΦΘΟΡΑ ΟΚΙΜΙΩΝ 0,3 ΦΘΟΡΑ ΣΕ gr 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 Al. Π1 Π3 Π4 Π6 0 m1 m2 m3 m4 m5 ΑΡΙΘΜΟΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΩΝ Από το διάγραµµα φαίνεται πως το καθαρό αλουµίνιο παρουσιάζει την µεγαλύτερη φθορά, ενώ το δοκίµιο του 3 ου πειράµατος την µικρότερη και ακολουθούν το 1 ο το 4 ο και το 6 ο πείραµα. Το δοκίµιο του 3 ου πειράµατος, όπως φάνηκε και από το SEM, έχει πάρει µέσα του Βολφράµιο σε βελονοειδή µορφή και προφανώς σε αυτό οφείλει την µεγάλη αντοχή του σε φθορά. Το δοκίµιο του 1 ου πειράµατος, που είναι δεύτερο σε αντοχή σε φθορά, έχει πάρει µέσα του Βελτιωµένο χάλυβα σε επιµήκη µορφή. Το δοκίµιο του 4 ου πειράµατος, που είναι τρίτο σε αντοχή σε φθορά, έχει πάρει µέσα του χάλυβα C310 σε µορφή ασυνεχών σωµατιδίων. Το δοκίµιο του 6 ου πειράµατος, που είναι τέταρτο σε αντοχή σε φθορά, έχει πάρει µέσα του επίσης χάλυβα C310 σε επιµήκη µορφή. Ακολουθούν χαρακτηριστικές φωτογραφίες των ως άνω δοκιµίων (Σχήµατα ).

272 264 Πείραµα 1 Σχήµα 192. Επιµήκη σωµατίδια βελτιωµένου χάλυβα 34CrNiMo6. Θερµοκρασία C, χρόνος ανάδευσης αντίδρασης 30 λεπτά. Πείραµα 3 Σχήµα 193. Βελονοειδή σωµατίδια Βολφραµίου. Θερµοκρασία C, χρόνος ανάδευσης αντίδρασης 45 λεπτά

273 265 Πείραµα 4 Σχήµα 194. Σωµατίδια ασυνεχή χάλυβα C310 - X15CrNiSi2520 Θερµοκρασία C, χρόνος ανάδευσης 15 λεπτά και ηρεµίας 8 λεπτά Πείραµα 6 Σχήµα 196. Επιµήκη σωµατίδια χάλυβα C310 - X15CrNiSi2520 Θερµοκρασία C, χρόνος ανάδευσης ηρεµίας 30 λεπτά.

274 266 Ε. ΣΚΛΗΡΟΤΗΤΑ ΟΚΙΜΙΩΝ Ετοιµάζουµε δέκα δοκίµια, ένα δοκίµιο από κάθε πείραµα εκτός του τετάρτου, και ένα δοκίµιο από καθαρό αλουµίνιο. Τα δοκίµια αυτά έχουν επίπεδες και παράλληλες τις δύο επιφάνειες (άνω και κάτω), εις τρόπον ώστε να κάθονται καλά και σταθερά κατά την διαδικασία της σκληροµέτρησης. Επί πλέον η άνω επιφάνεια είναι καλά γυαλισµένη ώστε να έχουµε αξιόπιστες και καλές µετρήσεις. Για την µέτρηση της σκληρότητας χρησιµοποιούµε µικροσκληρόµετρο SHIMADZU Ιαπωνίας µε τα εξής χαρακτηριστικά. HV = 1854,4 P/d 2 HV = Vickers hardness number P = load, gf D = mean diagonal of indentation, µm Εµείς συγκεκριµένα για να έχουµε άµεσα οπτικά συγκριτικά αποτελέσµατα, χρησιµοποιούµε το ίδιο βάρος P=100gf για όλα τα δοκίµια και για όλες τις µετρήσεις. Βέβαια στο ίδιο δοκίµιο κάναµε πολλές µετρήσεις οι οποίες καµιά φορά παρουσιάζουν µεγάλες αποκλίσεις και αυτό βεβαίως οφείλεται στο κατά πόσο το υλικό είναι οµοιογενές µε την έννοια ότι, εφ όσον στη µήτρα αλουµινίου σχηµατίζονται διάφορα σωµατίδια διαφόρων µεγεθών, λογικό είναι ανάλογα µε τη στόχευση µπορούµε να έχουµε διάφορα αποτελέσµατα. Οι µετρήσεις που κάναµε ήταν πάρα πολλές από τις οποίες εµείς αποτυπώσαµε, µε την βοήθεια µικροσκοπίου χρησιµοποιώντας πάντοτε µεγέθυνση Χ200, κάποιες µόνο χαρακτηριστικές και αντιπροσωπευτικές. Τελικά σαν σκληρότητα παίρνοµε τις µέσες τιµές και µε αυτές κάνοµε το διάγραµµα 2 από το οποίο φαίνονται οι σκληρότητες των διαφόρων δοκιµίων. ΙΑΓΡΑΜΜΑ 2 ΙΑΓΡΑΜΜΑ ΣΚΛΗΡΟΤΗΤΑΣ ΣΚΛΗΡΟΤΗΤΑ Βίκερς Al Π1 Π2 Π3 Π4 Π5 Π6 Π7 Π8 Π9 ΟΚΙΜΙΑ Από το διάγραµµα φαίνεται η υπεροχή σε σκληρότητα του δοκιµίου του 1 ου πειράµατος και ακολουθούν κατά σειρά το 9 ο, 7 ο και 6 ο πείραµα.

275 267 ΑΚΟΛΟΥΘΟΥΝ ΕΝ ΕΙΚΤΙΚΕΣ ΦΩΤΟΓΡΑΦΙΕΣ (Σχήµατα ) Σχήµα 197. Καθαρό αλουµίνιο. Hv µε P=100gf, d=68µm. Σχήµα 198. Πείραµα 1. Hv µε P=100gf, d=45µm.

276 268 Σχήµα 199. Πείραµα 2. Hv µε P=100gf, d=65µ. Σχήµα 200. Πείραµα 3. Hv µε P=100gf, d=55µm.

277 269 Σχήµα 201. Πείραµα 4. Hv µε P=100gf, d=53µm. Σχήµα 202. Πείραµα 5. Hv µε P=100gf, d=55µm.

278 270 Σχήµα 203. Πείραµα 6. Hv µε P=100gf, d=42µm. Σχήµα 204. Πείραµα 7. Hv µε P=100gf, d=46µm.

279 271 Σχήµα 205. Πείραµα 8. Hv µε P=100gf, d=54µm. Σχήµα 206. Πείραµα 9. Hv µε P=100gf, d=43µm.

280 272 Ζ. ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΜΕΝΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΕΠΙΤΑΧΥΝΟΜΕΝΗΣ ΙΑΒΡΩΣΗΣ Παίρνοµε έξη υλικά, το ένα από καθαρό αλουµίνιο και τα άλλα πέντε από το 1 ο, 3 ο, 4 ο, 6 ο, και 9ο πείραµα αντίστοιχα. Τα δοκίµια αυτά τα καθαρίζοµε και την µια πλευρά τους τουλάχιστον την λειαίνοµε και µε αλουµίνα ώστε να έχοµε την δυνατότητα καλής και άνετης παρατήρησης των όσων θα συµβούν. Έτσι έχοµε την παρακάτω εξάδα. οκίµια έξη (6) στην αρχή. 1. οκίµιο καθαρού αλουµινίου Πal = 4,3218γρ. 2. οκίµιο 1 ου πειράµατος Π1 =11,9441γρ. 3. οκίµιο 3 ου πειράµατος Π3 =16,4365γρ 4. οκίµιο 4 ου πειράµατος Π4 =12,0156γρ 5. οκίµιο 6 ου πειράµατος Π6 =24,4104γρ 6. οκίµιο 9 ου πειράµατος Π9 =10,5846γρ Αφού ζυγίσαµε τα δοκίµια τα δέσαµε µε πλαστικό νήµα (µπετονιά) πάνω σε µία κήλη λευκή πλαστική ράβδο την οποία στη συνέχεια τοποθετήσαµε στον θάλαµο διάβρωσης µε αλατονέφοση και στη συνέχεια θέσαµε σε λειτουργία την συσκευή. Συσκευή αλατονέφοσης Ηµεροµηνία τοποθέτησης και έναρξης λειτουργίας Μετά από 10 ηµέρες, δηλαδή στις , βγάζοµε τα δοκίµια από τον θάλαµο, τα πλένοµε µε νερό και τα ζυγίζοµε ξανά. Βλέποµε πως τα βάρη των δοκιµίων είναι αυξηµένα διότι τα άλατα που κόλλησαν πάνω στα δοκίµια δεν καθάρισαν, αυτό εξ άλλου φαίνεται και στην φωτογραφία που ακολουθεί.

281 273 οκίµια έξη (6) µετά τις 10 ηµέρες. 1. οκίµιο καθαρού αλουµινίου Πal = 4,3253γρ. 2. οκίµιο 1 ου πειράµατος Π1 =11,9960γρ. 3. οκίµιο 3 ου πειράµατος Π3 =16,4649γρ 4. οκίµιο 4 ου πειράµατος Π4 =12,0742γρ 5. οκίµιο 6 ου πειράµατος Π6 =24,4940γρ 6. οκίµιο 9 ου πειράµατος Π9 =10,6035γρ οκίµια µε άλατα Για να καθαρίσουµε τα άλατα από τα δοκίµια κάναµε το εξής. Τοποθετήσαµε τα δοκίµια µέσα σε γυάλινο δοχείο και στη συνέχεια ρίξαµε µέσα αλκοόλη έως ότου σκεπαστούν καλά όλα τα δοκίµια. Κατόπιν τοποθετήσαµε το δοχείο µε τα δοκίµια µέσα στην συσκευή υπερήχων και θέσαµε σε λειτουργία το σύστηµα για 15 λεπτά στην αρχή και µετά προσθέσαµε άλλα 5 λεπτά δηλαδή σύνολο 20 λεπτά. Μετά ξαναζυγίσαµε και ξαναφωτογραφίσαµε τα δοκίµια. οκίµια έξη (6) µετά τις 10 ηµέρες και τον καθαρισµό τους µε αλκοόλη και υπερήχους. 1. οκίµιο καθαρού αλουµινίου Πal = 4,3234γρ. 2. οκίµιο 1 ου πειράµατος Π1 =11,9760γρ. 3. οκίµιο 3 ου πειράµατος Π3 =16,4472γρ 4. οκίµιο 4 ου πειράµατος Π4 =12,0577γρ 5. οκίµιο 6 ου πειράµατος Π6 =24,4448γρ 6. οκίµιο 9 ου πειράµατος Π9 =10,5891γρ

282 274 Τα ίδια δοκίµια µετά το καθάρισµα από άλατα µε αλκοόλη και ultrasonic. Παρ όλο που καθάρισαν κάπως παραµένουν έστω και ελάχιστα βαρύτερα των αρχικών.

283 275

284 276

285 277 Η. ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΗ ΑΝΑ ΕΥΣΗΣ ΥΓΡΟΥ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ 1. Εισαγωγή Στα πλαίσια Ανάπτυξης Μεταλλικών Σύνθετων Υλικών Αλουµινίου µε Αυτοκαταλητικές Μεθόδους, ακολουθείται η διαδικασία ανάδευσης και προσθήκης σκόνης αλάτων στο υγρό αλουµίνιο για την δηµιουργία, µε την διεργασία in situ, σωµατιδίων ενδοµεταλλικών ενώσεων, ασυνεχούς ενίσχυσης. Κυρίαρχο ρόλο στην επιτυχία καλών αποτελεσµάτων έχει η σωστή ανάδευση. Πρέπει κατά την διαδικασία ανάδευσης να δηµιουργείται δύνη η οποία να παρασύρει τις σκόνες αλάτων άµεσα µέσα στην µήτρα του υγρού αλουµινίου για να έχουµε την καλύτερη δηµιουργία ενισχυτικής φάσης γιατί αλλιώς τα άλατα υγροποιούνται και σαν πιο ελαφριά επιπλέουν στην επιφάνεια χωρίς να αντιδράσουν και συνεπώς χωρίς αποτέλεσµα. Έτσι παρατηρήθηκε πως οι κατάλληλες στροφές ανάδευσης για την δηµιουργία δύνης είναι γύρω στις 1000 µε 1200 στροφές ανά λεπτό. Φαίνεται συνεπώς πως πολύ εύκολα µπορούµε να πετύχουµε την ανάδευση µε µηχανικό τρόπο, δηλ. µε αναδευτήρα µε πτερύγια διατεταγµένα µε κλίση γύρω στις 20 0 που περιστρέφεται µε την βοήθεια ηλεκτροκινητήρα και παρασύρει το υγρό αλουµίνιο. Ενώ όµως φαίνεται πως η λύση του προβλήµατος είναι απλή εν τούτοις παρουσιάζει διάφορες δυσκολίες η µεγαλύτερη από τις οποίες είναι η αντοχή του αναδευτήρα µέσα στο υγρό αλουµίνιο σε θερµοκρασία που κυµαίνεται από C έως C µε την ταυτόχρονη επίδραση των αλάτων. Έτσι λοιπόν παρόλο που κατασκευάστηκαν αναδευτήρες από ειδικούς χάλυβες αντοχής σε υψηλές θερµοκρασίες, όπως Η13, και έγινε µάλιστα και επικάλυψη αυτών µε Αλουµίνα, µε πυρίτιο και βόριο, παρατηρήθηκε πως διαβρώνονται και η αντοχή τους περιορίζεται σε πολύ λίγα πειράµατα µε αποτέλεσµα να αλλοιώνεται και η σύσταση του κράµατος αλουµινίου καθότι το υλικό διάβρωσης του αναδευτήρα καταλήγει µέσα σε αυτό. Μπροστά λοιπόν σε αυτήν την κατάσταση έγινε προσπάθεια αντιµετώπισης του προβλήµατος κάνοντας ανάδευση µε την χρήση του ηλεκτροµαγνητισµού δηλ. χωρίς την εισδοχή κάποιου ξένου αντικειµένου µέσα στο υγρό αλουµίνιο, αλλά µε την επίδραση ενός ηλεκτροµαγνητικού πεδίου για την δηµιουργία ηλεκτρικών επαγωγικών ρευµάτων και ακολούθως την ανάπτυξη δυνάµεων Lorentz σαν συνέπεια της σχέσης µεταξύ επαγωγικών ρευµάτων και ηλεκτροµαγνητικού πεδίου. Το αλουµίνιο σαν υλικό είναι, µη µαγνητικό, αλλά ηλεκτρικά αγώγιµο, γιαυτό η δύναµη που µπορεί να το θέσει σε κίνηση οφείλεται στα επαγωγικά ρεύµατα τα οποία µε τη σειρά τους οφείλονται στη µαγνητική επαγωγή. Έτσι λοιπόν τα πηνία της συσκευής δηµιουργούν την µαγνητική επαγωγή, η οποία µε την σειρά της γεννά τα επαγωγικά ρεύµατα µέσα στο υγρό αλουµίνιο και τα ρεύµατα αυτά δίνουν την δύναµη του Lorentz η οποία κινεί το υγρό αλουµίνιο. Η αρχή που είναι η βάση της µαγνητοϊδροδυναµικής είναι ότι, η δύναµη που δρά στα ηλεκτρικά φορτία που κινούνται µέσα στο µαγνητικό πεδίο προστίθενται στις ηλεκτροστατικές δυνάµεις. Ολόκληρη αυτή η δύναµη παίρνει το όνοµα <δύναµη του Lorentz> και εκφράζεται από τον τύπο. r r r r F = qe + J B Αυτή η δύναµη αντιπροσωπεύει, τη συνολική έλξη όλων των ηλεκτρικών φορτίων που περιφέρονται, στη µονάδα όγκου. Σε αυτήν την έκφραση ο πρώτος παράγοντας αντιπροσωπεύει την δύναµη του Coulomb, αµελητέος για αγώγιµα υλικά που µας ενδιαφέρουν. Εποµένως ηλεκτροµαγνητικά, η δύναµη στη µονάδα όγκου, που λέγεται και δύναµη του Laplace είναι.

286 278 r r r F = J B Από το θεώρηµα του Ampere+Maxwell έχοµε r r r D H = J + t Για αγώγιµα υλικά το ε είναι χαµηλό οπότε µπορούµε να παραλείψοµε την ηλεκτρική επαγωγή D από την εξίσωση του Maxwell οπότε έχοµε. r r 1 r r H = J B = J µ Για το αλουµίνιο που µας ενδιαφέρει r µ=µ r 0 οπότε r η δύναµη Lorentz γίνεται. F = J B r F = 1 µ 0 r r ( B) B Φαίνεται λοιπόν πως η δύναµη είναι ανάλογη του τετραγώνου της µαγνητικής επαγωγής και συνεπώς είναι αυτή που καθορίζει την δύναµη ανάδευσης. Έτσι δηµιουργήθηκαν οι ηλεκτροµαγνητικές µηχανές. Οι ηλεκτροµαγνητικές µηχανές ανάλογα µε την επίδραση που έχουν στο υγρό αλουµίνιο διακρίνονται βασικά σε δύο κατηγορίες. 1). Ηλεκτροµαγνητικές µηχανές πολύ υψηλών συχνοτήτων που προκαλούν δόνηση στο υγρό αλουµίνιο, κάτι που έχει µεγάλη εφαρµογή στο σπάσιµο των δενδριτών κατά την διαδικασία στερεοποίησης. 2). Ηλεκτροµαγνητικές µηχανές χαµηλών συχνοτήτων που προκαλούν περιστροφική κίνηση στο υγρό αλουµίνιο µε αποτέλεσµα την ανάδευσή του, που σε συνδυασµό µε την προσθήκη των αλάτων να έχοµε την δηµιουργία σωµατιδίων ασυνεχούς ενίσχυσης µε την διεργασία in situ. Εµείς θα ασχοληθούµε ακριβώς µε αυτήν την δεύτερη περίπτωση. Ηλεκτροµαγνητικοί διεγέρτες περιστροφικής κίνησης υγρού αλουµινίου Η περιστροφική κίνηση του υγρού αλουµινίου µπορεί να γίνει µε δύο ειδών διατάξεις πηνίων (διεγέρτες). Στην πρώτη περίπτωση έχουµε την περιµετρική διάταξη των πηνίων (περιµετρικοί διεγέρτες), ενώ στην δεύτερη περίπτωση έχουµε την γραµµική διάταξη των πηνίων (γραµµικοί διεγέρτες). Οι δύο αυτές διατάξεις φαίνονται παρακάτω. Συµµετρικό Ασύµµετρο Συµµετρικό Ασύµµετρο Περιµετρικοί διεγέρτες Γραµµικοί διεγέρτες Ηλεκτροµαγνητικοί διεγέρτες, περιµετρικοί και γραµµικοί τριφασικοί (κίνηση 1-2-3)

287 279 Οι περιµετρικοί διεγέρτες λειτουργούν σαν τον στάτη ενός ασύγχρονου τριφασικού κινητήρα και προκαλούν την περιστροφική κίνηση του υγρού µετάλλου σε ένα επίπεδο κάθετο προς την διεύθυνση του άξονα του κινητήρα. Οι γραµµικοί διεγέρτες λειτουργούν σαν τον στάτη ενός ασύγχρονου γραµµικού κινητήρα και προκαλούν την περιστροφική κίνηση του υγρού µετάλλου σε ένα επίπεδο παράλληλο προς την διεύθυνση του άξονα. Μπορούν να επιτευχθούν διάφοροι συνδυασµοί των παραπάνω περιστροφικών κινήσεων, ανάλογα µε τα µαγνητικά πεδία που εφαρµόζονται. Τέλος είναι δυνατόν να συνδυαστούν κατάλληλα ένας γραµµικός µε έναν κανονικό κινητήρα για να πετύχουµε µία κίνηση ελικοειδή του υγρού µετάλλου. Εµείς θέλοντας να πετύχουµε την περιστροφική κίνηση του υγρού αλουµινίου µέσα στον µποτά, ήτοι περιστροφική κίνηση κάθετη στον άξονα του µποτά και συνεπώς του κινητήρα και έτσι επιλέγοµε την χρήση του στάτη ενός ασύγχρονου τριφασικού κινητήρα για να πραγµατοποιήσουµε τον στόχο µας. 2. ιαστασιολόγηση µηχανής µε τριφασικό κινητήρα 2.1. Περιστρεφόµενο µαγνητικό πεδίο Ο ασύγχρονος τριφασικός κινητήρας είναι µια περιστρεφόµενη ηλεκτρική µηχανή που αποτελείται από ένα στάτη (σταθερό) και από ένα δροµέα. Στον στάτη είναι τοποθετηµένοι τρεις ίδιες περιελίξεις, των οποίων οι γεωµετρικοί άξονες είναι ακτινικοί και αµοιβαία µετατοπισµένοι κατά 120 ο (σχ. 1). Οι περιελίξεις τροφοδοτούνται από µια τριάδα ηµιτονοειδών εναλλασσοµένων τάσεων που ηλεκτρικά έχουν διαφορά φάσης 120 ο (ένα συµµετρικό σύστηµα τάσεων µε ευθεία ακολουθία). 2π 4π v 1 = Vsin(ω t); v 2 = Vsin ωt - ; = Vsin ωt v 3 (1) όπου ω=2πf είναι γωνιακή ταχύτητα ή κυκλική συχνότητα, f =1/Τ είναι η συχνότητα, Τ είναι η περίοδος. Το ρεύµα που κυκλοφορεί σε κάθε περιέλιξη, προσδιορίζει µια µαγνητική ροή που έχει την διεύθυνση του άξονα της περιέλιξης αλλά µεταβάλλεται στον χρόνο. Η µαγνητική ροή Φ 1 που δρα κατά τον άξονα της πρώτης περιέλιξης, µεταβαλλόµενη ηµιτόνια στον χρόνο µε µέγιστη τιµή Φ 1Μ, προκύπτει να είναι ισοδύναµη µε το άθροισµα των δύο ανυσµάτων ροής Φ 1d και Φ 1i, το καθένα µε σταθερό εύρος και ίσο µε Φ 1Μ /2, που περιστρέφονται στο χώρο µε ταχύτητες αντίθετες ( ± ω) σε σχέση µε το σηµείο Ο του σχήµατος 1. Σε κάθε στιγµή η ανυσµατική συνισταµένη τους έχει διεύθυνση κατά τον άξονα της περιέλιξης και το συνιστάµενο εύρος µεταβάλλεται ηµιτόνια στο χρόνο.

288 280 Σχήµα 1 - Σχηµατική διάταξη περιστρεφόµενου µαγνητικού πεδίου Η µαγνητική ροή Φ 2 δρα κατά τον άξονα της δεύτερης περιέλιξης και χρονικά είναι σε αργοπορία 120 ο σε σχέση µε την Φ 1. Και για το άνυσµα Φ 2 µπορεί να γίνει µια ανάλυση στα ανύσµατα Φ 2d και Φ 2i που περιστρέφονται στο χώρο, σχήµα 1 µε ταχύτητες αντίθετες ( ± ω). Ωστόσο και για τα δύο πρέπει να περάσει χρόνος ίσος µε Τ/3 προτού φθάσουν να τοποθετηθούν κατά την διεύθυνση του γεωµετρικού άξονα της δεύτερης περιέλιξης, ορίζοντας για την µαγνητική ροή Φ 2 την µέγιστη στιγµιαία τιµή, ίση µε Φ 2Μ. Ανάλογοι συλλογισµοί ισχύουν και για την µαγνητική ροή Φ 3 µετά από χρόνο ίσο µε 2Τ/3. Τελικά αφού οι τρεις περιελίξεις είναι ίδιες, και οι τρεις τάσης τροφοδοσίας συµµετρικές, το µέγεθος της µαγνητικής ροής είναι ίδιο και για τις τρεις φάσης. ( Φ 1Μ = Φ 2Μ = Φ 3Μ = Φ Μ ). Γιαυτό και το εύρος των περιστρεφόµενων µαγνητικών ροών είναι το ίδιο για κάθε φάση (Φ d =Φ i =Φ M /2). Ο συνδυασµός όλων των περιστρεφόµενων ανυσµάτων στο χώρο συνεπάγεται τον µηδενισµό των τριών αντίθετων ανυσµάτων (Φ 1i Φ 2i Φ 3i ) ενώ τα τρία ευθεία ανύσµατα (Φ 1d Φ 2d Φ 3d ) γεννούν το άνυσµα του περιστρεφόµενου µαγνητικού πεδίου, µε µέγιστο εύρος 3Φ Μ / Υπολογισµός των επαγωγικών ρευµάτων Για να προσοµοιώσοµε τα επαγωγικά ρεύµατα χρησιµοποιήσαµε το µοντέλο του σχήµατος 2α. Εξετάζοµε τον όγκο µιας σφαίρας στο κέντρο του κυλίνδρου. Σε συνθήκες πλήρους εισχωρήσεως η σφαίρα δίνει το σύνολο των επαγωγικών ρευµάτων που

289 281 γεννιούνται στο υγρό αλουµίνιο από το µεταβλητό µαγνητικό πεδίο. Εύλογα, τα ρεύµατα δεν γεννιούνται µόνο σε αυτή τη ζώνη αλλά σε ολόκληρο τον όγκο. Η επιλογή αυτού του όγκου έγινε µε βάση τους εξής δύο λόγους. Κατά αρχάς η ένταση του µαγνητικού πεδίου στο υγρό αλουµίνιο αλλάζει κατά τον άξονα z και πιο επακριβώς µειώνεται µε την αποµάκρυνση από το κέντρο. Η ένταση των ρευµάτων προς την εξωτερική επιφάνεια είναι αισθητά πιο αδύνατη. Ο δεύτερος λόγος αφορά την διαδροµή των ρευµάτων. Όπως είναι καλά γνωστό αυτά κινούνται σε οµοαξονικές ζώνες (σχήµα 2β) πάνω σε επίπεδα κάθετα στην διεύθυνση του πεδίου B r. Το σύνολο των µέγιστων περιφερειών που περιγράφονται δίνουν την επιφάνεια µιας σφαίρας και λαµβάνοµε τον περικλείοντα όγκο, σαν όγκο αναφοράς. Για την ιδιαίτερη γεωµετρία του συστήµατός µας στον κύλινδρο υπεισέρχονται τρεις σφαίρες σαν αυτήν του σχήµατος 2α, αλλά έχοντας την µαγνητική επαγωγή B r πιο χαµηλή µακριά από την κεντρική ζώνη, η δική τους συνεισφορά θα είναι µικρότερη. Θα αυξήσοµε το αποτέλεσµα που λάβαµε από το µοντέλο µε ένα συντελεστή προσαύξησης ν=2.

290 282 Σχήµα 2 Μοντελοποίηση των επαγωγικών ρευµάτων r Η µαγνητική ροή του µαγνητικού πεδίου µεταβαλλόµενο = B 2 sen(ω t) B 0 γεννά µια ηλεκτρεγερτική δύναµη σύµφωνα µε τον νόµο του Lenz.

291 283 dφ e(t) = E & = i ω Φ & 2 = iω π r B & dt E = ω π r 2 B0 (2) Η συνολική διατοµή Κ που διατρέχουν τα επαγωγικά ρεύµατα είναι ίση µε το µισό του εµβαδού της καθέτου διατοµής του κυλίνδρου. Εάν εξετάσοµε µια λεπτή κυκλική ζώνη σ (σχήµα 2β) θα έχοµε µια πυκνότητα ρεύµατος J r δια µέσου µιας διατοµής µήκους ίσης µε τη χορδή C και πάχος ίσο µε dr όπως φαίνεται στο σχήµα 2δ. Μπορούµε να υπολογίσοµε την αγωγιµότητα αυτού του σωληνοειδούς στοιχείου από το νόµο του Ωµ. C G = γ r (3) 2π r Το ρεύµα που κυκλοφορεί στη στοιχειώδη σπείρα είναι. i = E G = π f B0 γ C r r (4) Από το σχήµα 2δ προκύπτει η χορδή C δίδεται από τη σχέση το στοιχειώδες ρεύµα i γίνεται: C = 2R 1- r R 2 r i = 2π R f B0 γ C r 1- R Έχοµε προσδιορίσει το ρεύµα για µια στοιχειώδη ζώνη συγκεκριµένη του κυλίνδρου µας. Εάν εξετάσοµε αυτά τα συγκεκριµένα πολύ µικρά µέρη, που τα δείχνοµε µε το γράµµα, µπορούµε να περάσοµε σε απειροελάχιστες ποσότητες που θα τα δείχνοµε µε το γράµµα «d». Αυτό το κάνοµε µε σκοπό να ολοκληρώσοµε ως προς την ακτίνα για να µπορέσοµε να υπολογίσοµε το συνολικό ηλεκτρικό ρεύµα που γεννιέται στην σφαίρα. R 2 2 I = 2π f B γ r R r dr 0 0 I = 2π f B γ (5) 0 ξ 1 2 r Το ολοκλήρωµα ξ 1 είναι ίσον µε 1 R 3 3 Το επαγωγικό ρεύµα που γεννάται, λαµβάνοντας υπ όψιν και τον συντελεστή προσαύξησης ν είναι..

292 284 όπου. Β 0 = 0,1 [Τ] f = 50 [Hz] I = 2 3 ν π f B0 γ R = 1288 [A] 3 γ = 8, [1/Ωm] ηλεκτρική αγωγηµότητα αλουµινίου στους C (D. Sette σελίδα 191) R = 0,019 [m] Από αυτήν µπορούµε να πάροµε την µέση πυκνότητα ρεύµατος στο υγρό αλουµίνιο, παίρνοντας σαν διατοµή το µισό του εµβαδού του κύκλου. ' fuso = 2I 6 A = 2, πr m 2 J (6) Η δύναµη του Lorentz τώρα είναι άµεση. r r r F = J B ' 5 N F = 2, (7) m Για να υπολογίσοµε την δαπανούµενη ισχύ λόγω Joule στο υγρό αλουµίνιο, εισάγοµε την τιµή J fuso ολικό στην σχέση. 2 R 2 ' J fuso J fuso P = dv = 2π L r dr (8) J, fuso γ γ D 0 2 ' J fuso 2 PJ, fuso = π L R = 71,60[W] όπου L=0,11m (9) γ 2.3. Κατανοµή ισχύος Για να κάνοµε την διαστασιολόγηση του κινητήρα ξεκινάµε παίρνοντας τα γεωµετρικά στοιχεία ενός υπαρκτού κινητήρα ισχύος 4KW που χρησιµοποιήσαµε στα πειράµατά µας, αφήνοντας όµως ανοιχτά για προσδιορισµό τον αριθµό των σπειρών Ν και την ένταση του ρεύµατος I, παρ όλο που αυτά είναι γνωστά, έτσι όµως εµείς θα µπορέσοµε να δούµε αν ο υπάρχων κινητήρας µπορεί να ανταποκριθεί ή όχι. Σύµφωνα µε αυτόν τον κινητήρα λοιπόν εµείς καθορίσαµε και τα γεωµετρικά µεγέθη του µποτά και κατά συνέπεια και του υγρού αλουµινίου που φαίνονται στο σχήµα 3.

293 285 Σχήµα 3. Συσκευή αναφοράς Για να προσδιορίσοµε τα βασικά µεγέθη της µηχανής µας θα ακολουθήσοµε το σχήµα 4 αντίθετα. Έχοµε τις γεωµετρικές διαστάσεις της συσκευής του σχήµατος 3 και τα χαρακτηριστικά του υγρού αλουµινίου στην θερµοκρασία των 830 C.

294 286 Σχήµα 4 Κατανοµή ισχύος µηχανής Μπορούµε να υπολογίσοµε την δύναµη Lorentz από την σχέση 10) για την κεντρική κυκλική ζώνη (z = 0,055 m), όπου αυτή είναι µέγιστη. Στο σχήµα 5 είναι σχηµατοποιηµένο ένας δακτύλιος στην περιφέρεια του λυοµένου αλουµινίου στην κεντρική διατοµή του κυλίνδρου που περιστρέφεται µε περιφερειακή ταχύτητα u θ. Συµβολίζοµε µε Β 0 την µέγιστη τιµή της µαγνητικής επαγωγής στο κέντρο του στάτη, µε f την συχνότητα του δικτύου, µε r=d 1 /2 την ακτίνα του λυοµένου αλουµινίου και µε γ την ηλεκτρική αγωγιµότητα του αλουµινίου. Αντικαθιστώντας στην σχέση (10) τα δεδοµένα που ακολουθούν προσδιορίζοµε τα βασικά µεγέθη του φαινοµένου. 2 r 1 2 2(z z ) mid uθ F = γb ωrexp 1 ϑˆ z ωr width (10)

295 287 Σχήµα 5 ιαστάσεις και δεδοµένα του µποτά B0 = 0,1 [T] rad ω = 2π f = 2π 50 s r = 0,019 [m] z = 0,055 [m] m u θ = 0,19 s z = 0,055[m] mid z width = 0,050[m] Η δύναµη Lorentz προκύπτει: N F = (11) m Η δύναµη που ασκείται στον όγκο V=πr 2 L=1, F v = F.V= 32,32 [N] [m 3 ] του αλουµινίου είναι. Συµβολίζοντας µε r m την µέση διάµετρο του υγρού αλουµινίου, η ηλεκτροµαγνητική ροπή στο υγρό αλουµίνιο είναι:

296 288 C EM rm = = F r 2 v r m = 0,0095[m] C EM = 0,31 [Nm] (12) r r v F = J B 2 V = πr L L = 0,24[m] F 6 A J = = 2,59 10 (13) B m 2 Η ισχύς που χάνεται σε θερµότητα είναι. P 2 J fuso 2 = π L R 93,33[W] (14) γ J, fuso = Πολλαπλασιάζοντας επί τον όγκο του υγρού αλουµινίου έχοµε την δύναµη και µετά πολλαπλασιάζοντας επί την ταχύτητα παίρνοµε την ισχύ που παράγεται από τις δυνάµεις Lorentz. P EM r r r = (J B) udv D PEM = FV u θ = 6,15[W] (15) Παρατηρούµε πως οι τιµές που έχοµε πάρει από το µοντέλο µας για την δύναµη Lorentz και για την ισχύ P J,fuso από τις (7) και (9) είναι πιο περιοριστικοί σε σχέση µε όσα βρήκαµε από τα δεδοµένα που αναφερόµαστε. Για να κάνοµε ένα τελευταίο έλεγχο στις τιµές που πετύχαµε έως τώρα υπολογίζοµε την µαγνητική ροπή που γεννάται από το περιστρεφόµενο µαγνητικό πεδίο από τον ακόλουθο εµπειρικό τύπο της ηλεκτροµαγνητικής διέγερσης [27] C' EM = π γ ω B r L1 = 0,317 [Nm] (16) 4 µε L 1 το µήκος του στάτη ίσο µε 0,11 m και οι άλλες µεταβλητές όπως προσδιορίσθηκαν προηγουµένως. Παρατηρούµε πως οι τιµές της ροπής που πήραµε στις δύο περιπτώσεις είναι αρκετά κοντά. Στην τελευταία σχέση είναι σαφές πως η ροπή είναι ένας συνδυασµός µιας γεωµετρικής παραµέτρου r 4 L, µιας µαγνητικής παραµέτρου f B 2 και της παραµέτρου γ που έχει να κάνει µε τα χαρακτηριστικά του λυοµένου µετάλλου. Για να αλλάξοµε

297 289 συνεπώς την ροπή σε σχέση µε την µαγνητική παράµετρο διατηρώντας σταθερές τις άλλες παραµέτρους, πρέπει να αλλάξοµε την συχνότητα (f) και το µαγνητικό πεδίο Β και επειδή το µαγνητικό πεδίο Β είναι συνάρτηση του ρεύµατος (i) άρα πρέπει να αλάξοµε την συχνότητα (f) και την ένταση (i). Συνεπώς η ροπή ή αλλοιώς η δύναµη Lorentz είναι ευθεία συνάρτηση της παραµέτρου fi 2. Το να αυξήσοµε όµως την συχνότητα αυτό συνεπάγεται αύξηση της ταχύτητας περιστροφής του λιωµένου αλουµινίου και αυτό µε τη σειρά του θα επιφέρει αύξηση της ζητούµενης ισχύος και επειδή η τάση είναι σταθερή θα έχοµε αύξηση της εντάσεως του ρεύµατος (i). Έτσι λοιπόν αυξάνοντας την συχνότητα η δύναµη Lorentz και η ροπή περιστροφής του λιωµένου αλουµινίου αυξάνεται όχι µόνο λόγω αύξησης συχνότητας αλλά και κατά µείζονα λόγω του ότι αυξάνεται η ένταση του ρεύµατος η οποία µάλιστα επηρεάζει µε το τετράγωνό της τα αντίστοιχα µεγέθη. Θα έµοιαζε λογικό συνεπώς πως µπορούµε να αυξήσοµε τη δύναµη Lorentz και τη ροπή κατά βούληση. Κάτι τέτοιο φυσικά δεν συµβαίνει, υπάρχει ανώτατο όριο στην αύξηση της έντασης ρεύµατος που είναι καθορισµένο από τη γεωµετρία και τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά του στάτη. Στην περίπτωσή µας, όπως θα δούµε παρακάτω, η ανώτατη τιµή της έντασης του ρεύµατος είναι 4,9 Α που αντιστοιχεί στην συχνότητα των 17 Hz. Αν ξεπεράσοµε την τιµή αυτή τότε αυξάνονται οι απώλειες στον στάτη που µπορούν να δηµιουργήσουν προβλήµατα υπερθέρµανσης και φυσικά το σύρµα περιέλιξης που δέχεται περισσότερη ένταση ρεύµατος από αυτή για την οποία έχει υπολογισθεί, ώστε να λειτουργεί µε ασφάλεια, µπορεί να καεί οπότε ο κινητήρας τίθεται εκτός λειτουργίας. Φυσικά για µικρές υπερβάσεις και για µικρούς χρόνους µπορεί να λειτουργήσει καθότι υπάρχουν αρκετά περιθόρια ασφαλείας, καλό είναι όµως να µην υπερβούµε τις παραπάνω τιµές. Η ωφέλιµη ισχύς σε ένα κλασικό τριφασικό κινητήρα δίδεται από την διαφορά της παρεχόµενης µηχανικής ισχύος P mecc και την δαπανούµενη ισχύ σε τριβές και ψύξη. Στην περίπτωσή µας, εύλογα µηχανικές τριβές δεν υπάρχουν, οι τριβές στο ρευστό µελετούνται δια του ιξώδους, του οποίου αντικείµενο είναι, η µελέτη της ρευστοκινηµατικής στην µαγνητοϋδροδυναµική για να εκτιµήσοµε ποιοτικά την κίνηση του λιωµένου αλουµινίου. Η ψύξη µε ανεµιστήρα είτε µε κυκλοφορία νερού δεν καταναλώνει µέρος της παρεχόµενης ισχύος, γιατί αφορά µία πηγή εξωτερικής ισχύος. Η P mecc αντιπροσωπεύει την

298 290 ηλεκτροµαγνητική ενέργεια µετατρεπόµενη σε δύναµη Lorentz και συνεπώς σε ροπή. Εποµένως έχοµε. P = P P = P 6,15[W] (17) ut mecc V mecc = Η µεταδιδόµενη ισχύς στο λιωµένο αλουµίνιο από τον στάτη δίδεται από την ακόλουθη σχέση. P = P + P (18 ) T mecc J, fuso είναι η δαπανούµενη ενέργεια σε θερµότητα κατά Joule στην µονάδα του χρόνου στην περιοχή D, ήτοι στον όγκο του λιωµένου αλουµινίου και η ισχύς P T είναι ίση µε. P T = 99,83[W] Η αποροφόµενη ηλεκτρική ισχύς δίδεται από την παρακάτω έκφραση. P = P + P + P + P (19) el T J,stat P Fe αντιπροσωπεύει τις απώλειες στον χάλυβα λόγω υστέρησης και παρασιτικών ρευµάτων και λαµβάνονται µε δοκιµή εν κενώ µε ονοµαστική τάση V n και συχνότητα f. P J,stat αντιπροσωπεύει τις απώλειες κατά Joule στον χαλκό του στάτη και P Add είναι οι πρόσθετες απώλειες όταν το ρεύµα και η συχνότητα παίρνουν τις ονοµαστικές τιµές I n και f αντίστοιχα. 2 P = 3 R I (20) J, Stat Stat Εκτός αυτού ξέροµε ότι: P P Fe 0,005 P Add Add = (21) el 3 V I cosϕ el = n n (22) Τέλος η απόδοση της µηχανής εκφρασµένη σαν πηλίκον της ωφέληµης ισχύος και της αποροφούµενης ηλεκτρικής ισχύος είναι. η P P ut mecc = = (23) el P T + P J,stat P + P Fe + P Add

299 ιαστασιολόγηση του στάτη Ο στάτης µε δύο πόλους (σχήµα 6) αποτελείται από N cs =24 κανάλια. Ο αριθµός των καναλιών για κάθε πόλο και κάθε φάση είναι. N cs q = = 4 3 2p µε p ο αριθµός των ζευγών των πόλων. Η εσωτερική διάµετρος και το αξονικό µήκος του στάτη είναι Φ I = 0,088 m και L 1 = 0,11 m αντίστοιχα. Στο σχήµα φαίνεται η ανάπτυξη για την πρώτη φάση. Συνδέεται το πρώτο κανάλι µε το δέκατοτρίτο µε τον αναγκαίο αριθµό σπειρών, το ίδιο γίνεται και για τα ζεύγη 2-14, 3-15 και Οι άκρες των τεσσάρων καναλιών που ανήκουν στην ίδια φάση συνδέονται εν σειρά Σχήµα 6 Τριφασικός στάτης µε δύο πόλους

300 292 Ανάλογα κάνοµε και για τις άλλες δύο φάσεις και έτσι συµπληρώνοµε την περιέλιξη του στάτη µε φάσεις. Τώρα προχωρούµε στον προσδιορισµό των άλλων στοιχείων του στάτη. Θα χρησιµοποιήσοµε την σχέση που συνδέει την µαγνητική επαγωγή µε τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του στάτη. Αυτή δεν είναι άλλη από την µελέτη του Galileo-Ferraris στην φύση της µαγνητικής ροής στους κινητήρες µαγνητικής επαγωγής. 3 2 B q K a µ 0 π N i d 0 = (24) Συµβολίζοµε µε K a τον συντελεστή περιέλιξης και µε d την εσωτερική διάµετρο του σιδήρου του στάτη. Στην περίπτωσή µας ενδιαφέρει η µαγνητική επαγωγή στο κέντρο του στάτη και γιαυτό παίρνοµε την διάµετρο στο εσωτερικό του στάτη µας. Φυσικά η τιµή αναφοράς B 0 είναι µέγιστη (B 0 = 0,1T) στην κεντρική ζώνη και µειώνεται όταν αποµακρυνόµαστε από αυτήν. Θέτοµε τα δεδοµένα του προβλήµατος στην εξίσωση (24) και παίρνοµε τον αναγκαίο αριθµό αµπερσπειρών για να πετύχοµε την ένταση του µαγνητικού πεδίου B 0 στο κέντρο του περιεχοµένου. µ 0 =4π.10-7 [Wb/Am] µαγνητική διαπερατότητα αλουµινίου-κενού B0 = 0,1[T] q = 4 K a = 0,96 d = 0,088[m] N i = 1350 [Αµπερσπείρες] Από τον αριθµό των αµπεροσπειρών που βρήκαµε υπάρχουν πολλοί συνδυασµοί που ταιριάζουν στην περίπτωσή µας. i = 4,9[A] N = 276 spire i = 10[A] N = 135 spire (a) (b) i = 20[A] N = 68 spire i = 25[A] N = 56 spire (c) (d) Εµείς, όπως θα δούµε παρακάτω ο κινητήρας που χρησιµοποιούµε στο πείραµά µας έχει Ν=56 σπείρες και ένταση i=4,9a γιαυτό, µπορούµε να επιλέξοµε ήτε την (a) ώστε να έχοµε την ίδια ένταση αλλά πολύ περισσότερες σπείρες 276 αντί 56 ήτε την (d) οπότε έχοµε τις ίδιες σπείρες αλλά πολύ µεγαλύτερη ένταση 25 αντί 4,9Α.

301 293 Α. Επιλέγοµε την περίπτωση (a) οπότε. Υπολογίζοµε την φαινοµενική ισχύ θέτοντας V n =380 V και i=4,9a P 3V I = 3225[ VA] α = π γ Η αντίσταση του στάτη είναι. R j,stat =ρ.l/s=1, /0, =18,20Ω Οπότε P j,stat +P Fe =1412,57[W] P Add =0,005P el =7,60[W] P el =1520[W] Tώρα µπορούµε να υπολογίσοµε τον συντελεστή ισχύος. Τέλος η απόδοση του κινητήρα είναι. cosφ = η = P P ut el P P el a = 0,47 0,4 % Β. Επιλέγοµε την περίπτωση (d) οπότε. Υπολογίζοµε την φαινοµενική ισχύ θέτοντας V n =380 V και i=25a Pa = 3Vn I n = [VA] Η αντίσταση του στάτη είναι. R j,stat =ρ.l/s=1, / =0,645Ω Οπότε P j,stat +P Fe =1323[W] P Add =0,005P el =7,60[W] P el =1430[W] Tώρα µπορούµε να υπολογίσοµε τον συντελεστή ισχύος. cosφ = Τέλος η απόδοση του κινητήρα είναι. η = P P ut el P P el a = 0,087 0,46 % Βλέποµε πως και ο συντελεστής ισχύος και η απόδοση της µηχανής είναι πολύ χαµηλοί. Αυτό το γεγονός ήταν προβλεπόµενο καθότι το µεγαλύτερο µέρος της αποροφούµενης ηλεκτρικής ισχύος καταναλώνεται από τον στάτη σαν θερµότητα. Σε ένα κανονικό κινητήρα η κατανάλωση σαν θερµότητα είναι ελάχιστη.

302 294 Η διάµετρος του σύρµατος αγωγού που πρέπει να χρησιµοποιήσοµε είναι. I n SCu = δ A δ = 7 mm 2 S Cu = 0,7 [mm και S cu =3,57 = 4,0 [mm 2 ] για την δεύτερη περίπτωση 2 ] για την πρώτη περίπτωση Όσον αφορά την µόνωση του στάτη, επειδή οι θερµοκρασίες εργασίας είναι πολύ υψηλές, καθίσταται αναγκαία η όσο το δυνατόν καλύτερη µόνωση. 3. Πειραµατική συσκευή Στο πείραµα χρησιµοποιήσαµε έναν τριφασικό κινητήρα µε δύο πόλους και µε ονοµαστική ισχύ 4KW. Ο στάτης έχει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά. Φ 1 = 88mm L = 110mm N c = 24 S cu = 0,7mm 2 N f = 56 q = 4 είχνοντας µε Φ I την εσωτερική διάµετρο, L το µήκος των καναλιών µε N C τον ολικό αριθµό των καναλιών, µε S cu την διατοµή του σύρµατος περιέλιξης και µε N f τον αριθµό συρµάτων περιέλιξης ανά κανάλι. Αρχικά κατασκευάσαµε δροµέα από καθαρό αλουµίνιο µε σκοπό να κάνοµε κάποιες εκτιµήσεις όσο αναφορά στην ροπή που µεταφέρει ο δροµέας από αλουµίνιο και στις απώλειες λόγω θερµότητας (Φωτογραφία 1).

303 295 Φωτογραφία 1. ροµέας από καθαρό αλουµίνιο Στο σχήµα 7 φαίνονται τα όργανα και η διάταξη που χρησιµοποιήσαµε για να κάνοµε τα πειράµατα µε τον δροµέα από καθαρό στερεό αλουµίνιο. Σχήµα 7 Η διάταξη που χρησιµοποιήθηκε στα πειράµατα

304 296 Ο κινητήρας δοκιµών Φωτογραφία 2. Στην πρώτη σειρά πειραµάτων (Φωτογραφία 3) δεν χρησιµοποιήσαµε κανενός είδους ψύξη και παρατηρήσαµε µία µεγάλη υπερθέρµανση στον στάτη και µια µικρότερη στον δροµέα. Πιο αναλυτικά, αλλάξαµε σταδιακά την συχνότητα από 0-50 Hz δια µέσου inverter, προσπαθώντας να εκτιµήσοµε τον αριθµό στροφών που µπορεί να φθάσει ο δροµέας στη συχνότητα του δικτύου. Αρχικά χρησιµοποιήσαµε την σύνδεση τριγώνου για την τροφοδοσία του κινητήρα. Σε συχνότητα 10Hz οπότε είχαµε 8,5Α ίσο µε το ονοµαστικό φθάσαµε τις 534 rpm που είναι λίγες για µια καλή ανάδευση. Σε συχνότητα γύρο στα 13Hz οι περιελίξεις του κινητήρα τραβούσαν 15 Α, τιµή πολύ υψηλή για τον συγκεκριµένο κινητήρα, ο οποίος έχει ονοµαστικό ρεύµα 8,5 Α όταν αυτός είναι συνδεδεµένος σε τρίγωνο. Φυσικά, σε αυτήν την συχνότητα ο κινητήρας δηµιούργησε µεγάλη ποσότητα θερµότητας πολύ γρήγορα και γιαυτό τον σβήσαµε γρήγορα για να µην καεί λόγω υπερθέρµανσης.

305 297 Συχνότητα [Hz] Στροφές ανά Ένταση ρεύµατος Ένταση ρεύµατος λεπτό [rpm] γραµµής [A] Τυλίγµατος [A] ,5 0, , ,5 4, ,7 Πίνακας 1 Πειραµατικές τιµές για δροµέα αλουµινίου µε κινητήρα συνδεδεµένο σε τρίγωνο Για να µειώσοµε την δηµιουργία θερµότητας συνδέσαµε τον κινητήρα σε αστέρα οπότε πρακτικά λύσαµε το πρόβληµα της υπερβολικής δηµιουργίας θερµότητας και µπορέσαµε να αυξήσοµε το εύρος συχνοτήτων. Πράγµατι σε αυτήν την περίπτωση µπορέσαµε να φθάσοµε σε µία συχνότητα ίση µε 27 Hz για να απορροφήσει ο κινητήρας ρεύµα ίσο µε το ονοµαστικό δηλ. 8,5 Α οπότε φθάσαµε τις 1586 στροφές. Φαινοµενικά πράγµατι λύσαµε το πρόβληµα αλλά επί της ουσίας τα πράγµατα δεν είναι ακριβώς έτσι, διότι. Στην σύνδεση τριγώνου το µεν ρεύµα γρµµής δηλ. αυτό που µετράει το αµπερόµετρο όταν είναι 8,5 αµπέρ το ρεύµα της περιέλιξης είναι το ρεύµα γραµµής δια ρίζα τρία δηλ. είναι 4,9 αµπέρ, άρα το σύρµα περιέλιξης είναι υπολογισµένο για 4,9 αµπέρ ενώ το σύρµα γραµµής για 8,5 αµπέρ. Συνεπως και όταν έχοµε σύνδεση αστέρα είναι σαφές πως το ρεύµα στην περιέληξη δεν πρέπει να ξεπερνάει τα 4,9 αµπέρ. Στην περίπτωση όµως του αστέρα το ρεύµα γραµµής είναι ίδιο µε το ρεύµα της περιέλιξης και συνεπώς στην δεύτερη σειρά πειραµάτων το ρεύµα το ανεκτό δεν έιναι πλέον τα 8,5 αµπέρ αλλά τα 4,9 αµπέρ, πάντως και έτσι όπως φαίνεται επιτυγχάνοµε 925 στροφές που είναι αρκετές για την ανάδευση. Στους πίνακες 1 και 2 φαίνονται οι τιµές για τους δύο τύπους σύνδεσης. Είναι σαφές πως η ροπή είναι πολύ µικρότερη στην δεύτερη περίπτωση από την ροπή του κανονικού κινητήρα.

306 298 Συχνότητα [Hz] Στροφές ανά Ένταση ρεύµατος Ένταση ρεύµατος λεπτό [rpm] γραµµής [A] Τυλίγµατος [A] ,9 4, ,5 6, ,5 8,5 Πίνακας 2 Πειραµατικές τιµές για δροµέα αλουµινίου µε κινητήρα συνδεδεµένο σε αστέρα Φωτογραφία 3. Το σύστηµα για την πρώτη σειρά πειραµάτων µε δροµέα από καθαρό αλουµίνιο Περνώντας στο καθεαυτό πείραµα µε λιωµένο αλουµίνιο το πρώτο µεγάλο πρόβληµα αφορά την ψύξη του στάτη. Η καλή µόνωση του υγρού αλουµινίου του µποτά είναι

307 299 θεµελιώδους σηµασίας όχι µόνο για την προστασία του στάτη αλλά και για την διατήρηση του µετάλλου σε υγρή κατάσταση όσο το δυνατόν περισσότερο χρόνο ώστε η ανάδευση να µπορεί να συνεχιστεί χωρίς να στερεοποιηθεί το µέταλλο αλλιώς θα είχαµε περιορισµένους χρόνους ανάδευσης. Για να στερεοποιήσοµε τον µποτά στο εσωτερικό του στάτη κατασκευάσαµε ένα σωλήνα µε τσιµέντο ταχείας πύξεως µε µια µονωτική ταινία στο εσωτερικό του (Φωτογραφία 4). Φωτογραφία 4. Το υποστήριγµα του µποτά Τον σωλήνα αυτόν τον στερεοποιήσαµε στην βάση του κινητήρα, που τώρα είναι το καπάκι του που βρίσκεται στο κάτω µέρος καθώς γυρίσαµε τον κινητήρα κάθετα, στο οποίο καπάκι ανοίξαµε οπές στην φρέζα όσο το δυνατόν µεγαλύτερες για την καλή ψύξη του στάτη µε φρέσκο αέρα που τροφοδοτεί ανεµιστήρας που τοποθετήθηκε κάτω από τον κινητήρα (Φωτογραφία 5).

308 300 Φωτογραφία 5. Κάτω καπάκι κινητήρα Ο µποτάς αποτελείται από δύο µέρη. Από έναν εσωτερικό σωλήνα αλουµίνας Al 2 O 3 µε εσωτερική διάµετρο 38,5mm, ύψος 175mm και πάχος 3,5mm. Από το εξωτερικό µέρος, που είναι και ο καθαυτό µποτάς και κατασκευάσθηκε στο εργαστήριο από γραφίτη, µε ύψος 200mm, εσωτερική διάµετρο 46mm και πάχος τοιχώµατος 8mm. Ο εσωτερικός σωλήνας από αλουµίνα είναι πακτωµένος µέσα στον µποτά από γραφίτη µε τσιµέντο ταχείας πήξεως πάχους 15mm. (Φωτογραφία 6) και όλα µαζί φαίνονται στο σχήµα 8.

309 Φωτογραφία 6. Ο µποτάς του πειράµατος µε υγρό αλουµίνιο 301

310 302 Σχήµα 8. Σύστηµα µε υγρό αλουµίνιο Όσον αφορά την ψύξη του κινητήρα, όπως αναφέρεται παραπάνω, υιοθετήσαµε την ψύξη µε αέρα καθότι είναι πιο απλός τρόπος και προφανώς ικανός για να απάγει την θερµότητα που εκπέµπεται δια ακτινοβολίας από το λιωµένο αλουµίνιο του µποτά στον στάτη καθότι φρέσκος αέρας ρέει συνεχώς ανάµεσα στο διάκενο που υπάρχει µεταξύ του τσιµεντένιου στερεοποιηµένου σωλήνα που περιβάλλει τον µποτά και παίρνει την πρώτη κάψα και του στάτη, έτσι το σχήµα 7 γίνεται όπως στο σχήµα 9 παρακάτω.

311 303 Σχήµα 9. Η διάταξη που χρησιµοποιήθηκε στο τελικό πείραµα Όπως φαίνεται από το σχήµα 9 η σύνδεση του κινητήρα είναι σε αστέρα για τους γνωστούς λόγους που προαναφέραµε. Με τον αναστροφέα µπορούµε, αλλάζοντας την τροφοδοσία δύο φάσεων, και να αλάξοµε την φορά περιστροφής και ανάδευσης του υγρού. O ανεµιστήρας έχει διάµετρο έλικας 250mm η ισχύς που αποροφά είναι 70W στις 1300rpm και έχει ικανότητα παροχής αέρα 200m 3 /h η οποία βεβαίως ρυθµίζεται µε ποτεντζιόµετρο. Πέρα από την εσωτερική ψύξη του στάτη θέλοντας να ψύξοµε τον κινητήρα και εξωτερικά κατασκευάσαµε από ανοξείδωτη λαµαρίνα έναν κώνο όπως φαίνεται παρακάτω. Αυτός στερεώνεται πάνω στην βάση του ανεµιστήρα που φυσάει από κάτω και πάνω του κάθεται ο κινητήρας που δέχεται όλο το ρεύµα αέρα του ανεµιστήρα και στο εσωτερικό του, ανάµεσα στο διάκενο του στάτη και µποτά όπως είπαµε, και στο εξωτερικό του ανάµεσα στις αυλακώσεις του κελέφους του στάτη.

312 304 Φωτογραφία 7 - Οδηγός αέρα από τον ανεµιστήρα στον κινητήρα Για την εκτέλεση του πειράµατος ανάδευσης θέσαµε µέσα στον µποτά, από γραφίτη και αλουµίνα, 316γρ. καθαρό αλουµίνιο. Μετά το τοποθετήσαµε σε φούρνο και αφού έφθασε την θερµοκρασία των C το κρατήσαµε για 20 λεπτά. Στη συνέχεια, έχοντας ήδη θέσει σε λειτουργία τον µηχανισµό ψύξης, βγάζοµε τον µποτά από τον φούρνο και τον τοποθετούµε στην φωλιά του κινητήρα που είναι ο στεραιοποιηµένος σωλήνας τσιµέντου πάνω στο κάτω καπάκι και µέσα στον στάτη. Οι φωτογραφίες 8 και 9 δείχνουν την µηχανή κατά την λειτουργία και φαίνονται οι στρώσεις αλουµινίου µετά το σβύσηµο του κινητήρα, καθώς και αλουµίνιο που εξώκυλε λογω πολλών στροφών.

313 Φωτογραφία 8. Η µηχανή κατά την διάρκεια λειτουργίας 305

314 306 Φωτογραφία 9. Η µηχανή µετά το πέρας λειτουργίας. Το αλουµίνιο δεν στεραιοποιήθηκε ακόµα. Αυξάνοντας σιγά-σιγά την συχνότητα από 0 έως 25 Hz, παρατηρήσαµε πως η ταχύτητα αυξάνει γραµµικά, δεν προλάβαµε να φθάσοµε τα 25Hz και µέρος του αλουµινίου εξώκυλε λόγω πολλών στροφών και έτσι περιοριστήκαµε στα 16Hz που ήταν υπεραρκετά καθότι η ανάδευση ήταν πολύ καλή. Σε αυτές τις συνθήκες Το ρεύµα γραµµής που έδειχνε το αµπερόµετρο ήταν 4Α και συνεπώς κάτω από τα 4,9Α στα οποία µπορεί να λειτουργήσει ο κινητήρας χωρίς κανένα πρόβληµα και χωρίς περιορισµό χρόνου και έτσι κάναµε το πείραµά µας µε αυτήν την συχνότητα που αντιστοιχούν 840rpm. Ένα άλλο πράγµα που παρατηρήσαµε ήταν ότι η περιστροφική κίνηση του υγρού εκτεινόταν σε όλο το µήκος της ακτίνας του µε την ίδια γωνιακή ταχύτητα. Ανακεφαλαιόνοντας µπορούµε να πούµε, πως τα αποτελέσµατα ήταν άριστα, ξεπέρασαν τις προσδοκίες µας παρόλο που χρησιµοποιήσαµε µικρότερης ισχύος κινητήρα και από εδώ και πέρα σίγουρα ανοίγει νέο κεφάλαιο για τις αναδεύσεις υγρών αλουµινίων στο εργαστήριό µας. Ακολουθούν, τρισδιάστατη απεικόνηση του τροποποιηµένου κινητήρα για το πείραµα µε το υγρό αλουµίνιο, διάφορα κατασκευαστικά σχέδια και φωτογραφίες.

315 Ασύγχρονος κινητήρας για την ανάδευση υγρού αλουµινίου. 307

316 ροµέας κινητήρα από αλουµίνιο 308

317 Μποτάς από γραφίτη 309

318 Λαµαρίνα ανειξήδωτη για την κατασκευή κώνου 310

319 ιπολικός κινητήρας ανοιχτός ισχύος 5,5 PS και δίπλα του δροµέας από καθαρό αλουµίνιο µε τα ρουλεµάν του σε όρθια θέση. 311

320 Φωτογραφίες ανοιχτού κινητήρα, δροµέας από αλουµίνιο, πίνακας µεταλλικός, διακόπτης-αναστροφέας, αµπερόµετρο, ινβέρτερ τριφασικός 11KW. 312

321 Ηλεκτροκινητήρας µε δροµέα αλουµινίου, µε τον πίνακα και τον inverter. 313

322 314 Με εύκαµπτο πολύκλωνο καλώδιο ΝΥΜ 4Χ4τ.χιλ. τροφοδοτείται ο γενικός τριφασικός διακόπτης του πίνακα που φαίνεται µε κόκκινο χρώµα. Από εκεί στη συνέχεια αφού η µία φάση περάσει από το αµπερόµετρο τροφοδοτείται το inverter από το οποίο στη συνέχεια τροφοδοτείται ο διακόπτης-αναστροφέας του πίνακα και αυτός µε την σειρά του τροφοδοτεί τον ηλεκτροκινητήρα. Ο κινητήρας εδράζεται σε κωνικό συγκλίνον αγωγό που στο κάτω µέρος του φέρει ανεµιστήρα που φυσάει και ψύχει τον κινητήρα µε ένταση ρυθµιζόµενη δια µέσου ποτεντζιόµετρου. Το όλο σύστηµα κατασκευάσθηκε για να πετύχοµε την περιστροφή δροµέα από µη µαγνητικό υλικό, όπως είναι το αλουµίνιο, µε απώτερο σκοπό την ηλεκτροµαγνητική ανάδευση υγρού αλουµινίου και την επίτευξη πειραµάτων υψηλής ακριβείας χωρίς την εισχώρηση ξένων υλών που προέρχονται κυρίως από τον µηχανικό αναδευτήρα τον οποίο το υγρό αλουµίνιο προσβάλει και τρώει παρά τα διάφορα µέτρα που λαµβάνονται. Έτσι διασφαλίζεται ο πλήρης έλεγχος των υλών εντός της µήτρας αλουµινίου σε υγρά κατάσταση και σε θερµοκρασίες υψηλές γύρω στους 700 µε 1000 βαθµούς.

323 315 Ολόκληρη η διάταξη ανάδευσης υγρού αλουµινίου µε επαγωγικά ρεύµατα. -Με τον Inverter ρυθµίζοµε τις στροφές ανάδευσης του υγρού αλουµινίου που βρίσκεται µέσα στο µποτά ρυθµίζοντας την συχνότητα του inverter. -Με τον αναστροφέα αλλάζουµε την φορά ανάδευσης του υγρού αλουµινίου. -Με το αµπερόµετρο µετρούµε τα αµπέρ µίας φάσης τα οποία παρακολουθούµε εις τρόπον ώστε να µην υπερβούν τα 4,9A (σύνδεση αστέρα), για να µην καεί ο κινητήρας, κάτι που ανταποκρίνεται στα 17 Hertz και αντιστοιχεί στις 925 RPM του υγρού αλουµινίου, πράγµα το οποίο σηµαίνει πως άφοβα µπορούµε να λειτουργούµε κάτω από αυτά τα Hertz και εποµένως κάτω από τις 925 RPM. -Με τον ανεµιστήρα ψύχουµε τις περιελίξεις του στάτη µε συνεχές φρέσκο αέρα ώστε να µην καεί λόγω ειδικά της υψηλής θερµοκρασίας του υγρού αλουµινίου που περιέχει ο µποτάς καθότι από τον φούρνο τοποθετείται στον πυρίµαχο σωλήνα στην καρδιά του στάτη.

324 Μποτάς από γραφίτη µε εσωτερικό δαχτυλίδη από αλουµίνα για καλύτερη µόνωση και µη επαφής του υγρού αλουµινίου µε τον γραφίτη τον οποίο και προσβάλει 316

325 Συσκευή ηλεκτροµαγνητικής ανάδευσης όπως φαίνεται µετά το τέλος της ανάδευσης φωτογραφία από πάνω. 317

326 318 4 Παρασκευή αφρών αλουµινίου µε Ηλεκτροµαγνητική ανάδευση (ΗΜΑ). Όπως είδαµε, µία από τις πιο διαδεδοµένες µεθόδους παρασκευής κυψελοειδών µετάλλων είναι η άµεση αφροποίηση τηγµένου µετάλλου µε τη βοήθεια ενώσεων που διασπώµενες εκλύουν αέριο. Οι χηµικές αυτές ενώσεις είναι συνήθως υδρίδια µετάλλων µε πιο χαρακτηριστικό το υδρίδιο του τιτανίου TiH 2. Η µέθοδος περιλαµβάνει αρχικά την διάλυση ενός παράγοντα αύξησης του ιξώδους, συνήθως ασβεστίου ή σκόνης αλουµινίου. Στο Εργαστήριο Μεταλλογνωσίας του Α.Π.Θ. η άµεση αφροποίηση τηγµένου αλουµινίου µε τη χρήση υδρίδιο του τιτανίου TiH 2 και ασβεστίου για την αύξησης του ιξώδους έχει πραγµατοποιηθεί και γίνεται πολύ συχνά µε άριστα αποτελέσµα. Για την επιτυχία της παρασκευής κυψελοειδών µετάλλων βασικός παράγοντας είναι η σωστή ανάδευση του υγρού µετάλλου. Έως σήµερα παγκοσµίως η ανάδευση γίνεται µε µηχανικό αναδευτήρα δηλαδή µε έλικα που, παίρνοντας κίνηση από κάποιο κινητήρα, περιστρέφεται µέσα στο τήγµα και το αναδεύει, όπως φαίνεται στην σχηµατική διάταξη που ακολουθεί. Κάτι ανάλογο γινόταν και στο Εργαστήριό µας έως σήµερα. Επειδή όµως η δηµιουργία σωστής δύνης, απαραίτητη προϋπόθεση για καλά αποτελέσµατα, πολλές φορές παρουσίαζε δυσκολίες, έγινε η σκέψη της ηλεκτροµαγνητικής ανάδευσης που παρουσιάζει τα εξής πλεονεκτήµατα. Πλεονεκτήµατα ηλεκτροµαγνητικής ανάδευσης. - Πλήρης απουσία κραδασµών κατά την διαδικασία της ανάδευσης - Πλήρης απουσία θορύβων - Πλήρης και ακριβής έλεγχος των στροφών ανάδευσης - Εύκολη και άµεση αναστροφή ανάδευσης - Απουσία ξένου σώµατος από το τήγµα πέραν των προσθέτων χηµικών που θέλουµε να βάλοµε - Εύκολη δηµιουργία επιθυµητής δύνης Έτσι λοιπόν αποφασίσαµε να προχωρήσοµε σε πείραµα αφροποίησης αλουµινίου κάνοντας χρήση της ηλεκτροµαγνητικής συσκευής, που κατασκευάσαµε στο εργαστήριό µας, για την ανάδευση του υγρού αλουµινίου κατά την διαδικασία προσθήκης του υδριδίου του τιτανίου και µετά έως ότου επιτευχθεί το ποθητό αποτέλεσµα.

327 319 Ξεκινήσαµε µε αλουµίνιο 270gr µε περιεκτικότητα 1,8% ασβέστιο κατά βάρος το οποίο µε τον µποτά από γραφίτη της συσκευής ηλεκτροµαγνητικής ανάδευσης το τοποθετήσαµε στον φούρνο και ανάψαµε ρυθµίζοντας την θερµοκρασία του στους C. Στη συνέχεια ελέγξαµε την συσκευή ηλεκτροµαγνητικής ανάδευσης αν λειτουργούν όλα τα όργανα κανονικά, ρυθµίσαµε την συχνότητα µε το inverter στα 10 Hertz όπου αντιστοιχούν 500rpm εις τρόπον ώστε να έχουµε ελεγχόµενη εκκίνηση στροφών, ρυθµίσαµε τον ανεµιστήρα ψύξης της συσκευής ώστε να µην υπάρξει περίπτωση υπερθέρµανσης των περιελίξεων µε την τοποθέτηση του πυρακτωµένου µποτά µε το υγρό αλουµίνιο και αφού είδαµε πως όλα λειτουργούν κανονικά περιµέναµε έως ότου ο φούρνος φτάσει στην επιθυµητή θερµοκρασία και το αλουµίνιο λειώσει καλά και σταθεροποιηθεί θερµοκρασιακά. Όταν όλα ήταν έτοιµα βγάλαµε τον µποτά µε τσιµπίδα από τον φούρνο και τον τοποθετήσαµε µέσα στην συσκευή οπότε άρχισε αυτοµάτως η ανάδευση, στην αρχή όπως είπαµε στις 500στροφές ανά λεπτό και σιγά σιγά ανεβάσαµε τα Hertz στα 25 οπότε οι στροφές ανέβηκαν στις 1475 ανά λεπτό. Η δύνη ήταν εκπληκτική, γιαυτό τοποθετήσαµε πάνω στον µποτά την γυάλινη κατασκευή που κάναµε µαζί µε το χωνί της και αρχίσαµε να ρίχνουµε µέσα στο τήγµα το υδρίδιο του τιτανίου σε σκόνη. Κατά την διαδικασία αυτή ήµασταν µάρτυρες ενός εκπληκτικού θεάµατος. Μια φλόγα αναδυόταν µέσα από τον µποτά που στριφογύριζε µαζί µε το τήγµα χαρίζοντάς µας ανεπανάληπτες εικόνες, στην αρχή είχε χρώµα κόκκινο και ένταση µεγάλη σταδιακά όµως µε το περας της έκχυσης της σκόνης του υδριδίου του τιτανίου η φλόγα άλλαζε χρώµα γινόταν όλο και πιο γαλάζια ενώ ταυτόχρονα η έντασή της µειωνόταν, εξακολουθώντας όµως να στριφογυρίζει πάντα µε πείσµα έως το τέλος του πειράµατος οπότε και χάθηκε τελείως. Το πείραµα τελείωσε, αφαιρούµε την γυάλινη συσκευή από τον µποτά και βλέποµε το αλουµίνιο να φουσκώνει και να φουσκώνει έως ότου σταθεροποιήθηκε. Το πείραµα πέτυχε, η χρήση της ηλεκτροµαγνητικής ανάδευσης στην παρασκευή κυψελοειδών µετάλλων ήταν γεγονός που πραγµατοποιήθηκε για πρώτη φορά, γιαυτό αποφασίστηκε να γίνει κατοχύρωση αυτής της πατέντας. Παραθέτοµε φωτογραφία που πήραµε από το πείραµα (Σχήµα 10).

328 Σχήµα 10. Παρασκευή αφρού αλουµινίου µε ηλεκτροµαγνητική ανάδευση. 320