EFFECT OF PROCESS PARAMETERS ON MICROSTRUCTURE AND PROPERTIES OF SPARK PLASMA SINTERED AL-SIC NANOCOMPOSITES. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Ismaila_Aliyu_thesis.pdf Download (13MB) | Preview

Arabic Abstract

نظرا لعدم إمتلاك المعادن وسبائكها الخواص الميكانيكية الكافية لإستعمالها في تطبيقات كثيرة تم تطوير المواد المركبة ذات الأساس المعدني المدعومة بطور خزفي حيث تجمع هذه المواد بين مواصفات المعادن و مواصفات المواد الخزفية. هذه المواد المركبة تستخدم كثيرا في صناعة وسائل النقل مثل السيارات و الطائرات لما تتمتع به من خواص فيزيائية و ميكانيكية عالية. هذه الخواص يمكن تحسينها أكثر إذا كان الطور الخزفي الداعم ذا أبعاد من رتبة النانو حيث أدى هذا إلى تطوير المواد المركبة النانوية. رغم أن إنتاج ومعالجة هذه المواد المركبة النانوية لازل يواجه مجموعة من الصعوبات مثل تكتل الطور الخزفي الداعم و نمو حبيبات الطور المعدني الأساسي مما يؤثر على خواصها فإن استخدام طريقة المعالجة بالبودرة و الطحن الميكانيكي أظهر نتائج متميزة في تحضير مواد مركبات نانو متجانسة. من جهة أخرى أظهرت طرق التصنيع الغير تقليدية مثل التلبيد عن طريق شرارة البلازما قدرة عالية على التحكم بنمو الحبيبات والحد منه. ويمكن تلخيص أهداف هذا البحث في دراسة تأثير عوامل الطحن الميكانيكي و التلبيد عن طريق شرارة البلازما على البنية المجهرية و الخواص الميكانيكية للألومنيوم المدعوم بطور خزفي نانوي هو SiC. تم تحضيرمركب نانوي من الألومنيوم المدعوم ب 1, 5, 10 % وزنا من SiC عن طريق الطحن لمدة تتراوح بين 0 و 28 ساعة. وجد أن الطحن لمدة 24 ساعة أدى إلى تقليص البعد الحبيبي للألومنيوم بالإضافة إلى التوزيع المتجانس للطور الداعم. في المرحلة الأولى تم تلبيد العينات المحضرة عن طريق شرارة البلازما تحت ضغط بين 20 و 50 ميجا باسكال, و معدل تسخين بين 100 و 300 درجة مئوية لكل دقيقة. وجد أن أعلى كثافة تم تحصيلها هي عند معدل تسخين 200 درجة مئوية لكل دقيقة و ضغط50 ميجا باسكال. هذه القيم تم إبقائها ثابتة عندما تغيير درجة الحرارة ما بين 500 و 600 درجة مئوية وزمن التلبيد بين 5 و 15 دقيقة في المرحلة الثانية من التجارب. عند إستخدام 600 درجة مئوية و 10 دقائق وجد أن معدل التلبيد أزداد و الخواص الميكانيكية تحسنت. كما لوحضت بنية مجهرية مميزة على شكل إبر مما أدى إلى خواص عالية للعينات التي تم تلبيدها لمدة 10 دقائق عند ضغط قدره 50 ميجا باسكال.

English Abstract

The inadequacy of metals and alloys in providing both strength and stiffness to a structure has led to the development of metal matrix composites (MMCs) where rigid ceramic reinforcements are embedded in ductile metal or alloy matrix. MMCs combine metallic properties i.e. ductility and toughness with ceramic characteristics i.e. high strength and modulus. These composites are extensively used in automobile and aerospace applications because of their attractive physical and mechanical properties. Further improvement of the properties of MMCs was possible using nano-size reinforcement and/or matrix; this led to the development of metal matrix nanocomposites (MMNCs). However, there are challenges associated with processing nanocomposites with the desired properties. These challenges include uniform distribution/dispersion of the nano-size reinforcement and grain growth of the matrix phase. Ball milling (BM), a powder metallurgy processing technique, which involves cold welding, fracturing and rewelding of powder particles, is being used to achieve a uniform distribution of the nanoreinforcement phase. Also, spark plasma sintering (SPS), a binder less process, which does not require a pre-compaction step, has been shown to be effective none-conventional sintering method for obtaining fully dense materials with preserved nanostructure. Although, few published works reported the synthesis of Al-SiC nanocomposites using BM and SPS, the process was not fully investigated and effect of all critical sintering parameters i.e. compaction pressure, heating rate, sintering temperature, and sintering time on Al-SiC nanocomposites properties was not fully analysed. Hence, the main objective of this research work is to study the effect of BM and SPS process parameters on the microstructure and properties of Al-SiC metal matrix nanocomposites. Aluminium based nanocomposites containing 1, 5 and 10 wt% SiC were mechanically milled between 0 and 28 hours. Milling for 24 hours led to crystallite size reduction of the aluminium phase and homogeneous dispersion of the SiC nanoreinforcement which was maintained even after sintering. Spark plasma sintering experiments were carried out on the milled powders at a pressure from 20 to 50 MPa, and heating rate from 100 to 3000C/min. Maximum density and hardness were obtained at 50 MPa and 2000C/min. These values were kept constant while temperature was varied from 500 to 6000C and holding time from 5 to 15 min in the second phase of experiments where a sintering temperature of 6000C and a sintering time of 10 min. led to better densification and improved properties. A unique needle like structure that resulted in high strength was observed for composites sintered at 50 MPa and 10 min. Compression tests were carried on samples, which showed good combination between densification and properties, at compression rate of 1mm/min. Al -10 wt% SiC had the highest strength with a 200% increase above base material.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Saheb, Nouari
Committee Members:	Al-Aqeeli, Nasser and Hassan, Syed
Depositing User:	Mr. Ismaila Kayode Aliyu
Date Deposited:	03 Oct 2013 19:17
Last Modified:	01 Nov 2019 15:39
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/138997