DEVELOPMENT OF TUNGSTEN-RHENIUM BASE TOOL FOR FRICTION STIR WELDING OF STEEL. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF PhD_Thesis_Zafar_Iqbal_17-08-2016__(1).pdf Download (8MB) | Preview

Arabic Abstract

إن التطور في مجال أدوات القطع لتطبيقات درجة الحرارة العالية مثل اللحام الإحتكاكي للفولاذ والمواد ذات القوة العالية ظلت تحدياً وذلك لصعوبة تركيب وتماسك تلك المواد بالطرق التقليدية. في الدراسة الحالية تم تطوير سبيكية ذات بنية نانومترية بطريقة الخلط الميكانيكي mechanical alloying (MA) ومن ثم التلبيد بشرارة البلازما spark plasma sintering (SPS). تلك السبيكة تحتوي على 25% من معدن التنجستان والرينيوم مع تركيب متجانس من مادة W-25Re-HfC تحتوي على نسبية حجمية 5 و 10 % من حبيبات مادة HfC. الخلط الميكانيكي للمسحوق الخام والمكونة من 25% تنجستان مع الرينيوم ونصف المخلوطة لمدة 25 ساعة أنتجت خليط صلب لتركيب نانومتري مفرد بحجم بلوري 13 نانومتر تم تقوية المسحوق المخلوطة ب 5 و 10 نسبة حجمية من حبيبات الهافنيوم الكربوني HfC وتمت مواصلة عملية الطحن 15 ساعة إضافية ، نتج عن ذلك تكون مسحوق خليط مركب متجانس . الحجم البلوري في طور المصفوفة في العينات الملبدة ظلت في المدى النانومتري ولم تتخطى 100 نانومتر. ان السبائك الجزئية والسبائك الكلية W-25wt المعدة باستخدام التلبيد بشرارة البلازما في درجة حرارة 1800 ºC لمدة 10 دقائق ، تمتلك كثافة نسبية بقيمة 98.2٪ و 97.8٪ بالترتيب. بينما مركبات W-25Re-HfC تحتوي على مقدار حجم 5 إلى 10 . كربيد الهافنيوم و التي انتجت بنفس الظروف السابقه ، تملك كثافة نسبية بقيمة 96.2٪ و 96.9٪ بالترتيب. المركب المحتوي على مقدار حجم 10٪ من كربيد الهافنيوم تمتلك أعلى “ للصلادة الدقيقة ” بقيمة 495. التوصيل الحراري في السبيكة المكونة من وحدة واحدة المتكلسة في درجة حرارة 1500 ºC وجد أنها تحوز على 39 W/m.K في حين حسنت العينة المستخدمة في درجة حرارة 1800 ºC إلى 48 W/m.K. وجد أن التوصيل الحراري يتقلص مع دمج محتويات كربيد الهافنيوم وتم الإيفاد بقيمة 34 W/m.K للعينة المستخدمة لحجم 10٪ من كربيد الهافنيوم. أظهرت نتائج اختبار التآكل الانزلاقي أن مقاومة التآكل ازدادت للسبائك المكونة من وحدة واحدة مع ازدياد درجة حرارة التكلس. التكوين الخاص بالتآكل المورفولوجي لعلامات الانزلاق والحطام تدل بأن الآلية الرئيسية للتآكل كانت ذي طبيعة كاشطة. وجد أن مقاومة التآكل تتحسن بإضافة حجم 5٪ من كربيد الهافنيوم في مصفوفة W-25wt %Re. تحليل مسار حطام المركب يكشف بأن السبب الرئيسي للتآكل كان اللصقية والذي يعزى إلى وجود حطام كربيد الهافنيوم ووجود مواقع السحب. يعتمد معامل الاحتكاك (coefficient of friction)السبائك المصنعة باستخدام التلبيد بشرارة البلازما على درجة الحرارة ونوع من سبائك. أن السبائك المطورة في هذه الدراسة تم استخدامها لصناعة أداة اللحام التحريك الاحتكاكي لأغراض اختبارها في الظروف القاسية، ولقد تبين من النتائج قدرة السبائك المنتجة على مقاومة الاهتراء الناتج عن الاحتكاك.

English Abstract

The development of tool materials from tungsten-rhenium (W-Re) alloys friction stir welding (FSW) of steels and high strength materials remains a key challenge because these alloys are difficult to synthesize and consolidate by conventional means. Dense nanocrystalline W-25%Re alloy & W-25%Re-HfC composite material with nanostructured matrix and uniform distribution of the reinforcement was successfully developed by mechanical alloying and spark plasma techniques. Mechanical alloying of partially alloyed W-25wt. %Re powder for 25 h yielded a single nanostructured solid solution with a crystallite size of 13 nm. The fully alloyed powder was reinforced with 5 and 10 vol. % of HfC particles and further milled for 15 h, which led to the formation of homogenous composite powders. The homogenous distribution of HfC particles, obtained by mechanical alloying, was maintained in the consolidated samples. Crystallite size of the matrix phase in the sintered composites remained in the nanometer range and did not exceed 100 nm. Spark plasma sintering of the partially and fully alloyed monolithic W-25wt. %Re alloys, at 1800ºC for 10 minutes, resulted in relative density values of 98.2 and 97.8 %, respectively. The spark plasma sintering of W-25Re-HfC composites containing 5 and 10 vol. % HfC, at 1800ºC for 10 minutes, developed relative density values of 96.9 and 96.2 %, respectively. The composite containing 10 vol. % of HfC possessed the highest microhardness value of 495. Thermal conductivity of monolithic alloy sintered at 1500ºC was found to be 39 Wm-1.K-1, whereas it was improved to 48 Wm-1.K-1 for the sample sintered at 1800ºC. Incorporation of HfC caused thermal conductivity to decrease to 34 Wm-1.K-1 for the sample containing 10 vol% HfC. The sliding wear results of the monolithic alloy showed that wear resistance of the SPS consolidated powder increased with the increase of sintering temperature. Wear resistance was found to improve with the addition of 5vol% HfC in W-25wt%Re matrix. Wear tests revealed that the dominant wear mechanism was adhesive wear, which was attributed to the presence of HfC debris and pullout sites. The coefficient of friction values of the SPS consolidated powders were found to be dependent on temperature and type of alloy. The newly developed nanocrystalline fully alloyed W-25wt%Re disc was used as a pin tool for the exploratory friction stir spot welding (FSSW) on thin mild steel plates in order to confirm its feasibility and to evaluate its performance in harsh conditions of the process. A heat treated AISI 4140 alloy steel holder was manufactured to hold the small disc. Good quality spot welds were obtained using the experimental tool tip made from the consolidated powders. The tool has shown excellent resistance to abrasion, adhesion and diffusional wear during the severe and harsh conditions of FSW of steel.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Nasr Shuaib, AbdelRahman
Committee Co-Advisor:	Merah, Nesar
Committee Members:	Nouari, Saheb and Al-Aqeeli, Nasser and Laoui, Tahar
Depositing User:	IQBAL ZAFAR (g201004260)
Date Deposited:	31 Jan 2017 11:18
Last Modified:	30 Dec 2020 12:25
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140080