Modeling of Spark Plasma Sintering Process. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Modeling_of_Spark_Plasma_Sintering_(thesis_final_version-after_liberary_-_for_pdf_version).pdf Download (7MB) | Preview

Arabic Abstract

الاسم الكامل: محمد عبد المجيد محمد زين عبد الحميد عنوان الرسالة: تصميم برنامج لمحاكاة طريقة الشرارة والبلازما للتشكيل من البودرة التخصص: قسم الهندسة الميكانيكية تاريخ الدرجة العلمية: مايو، 2016 عملية التصليب بإستخدام التيار الكهربائي المباشر وبمساعدة الظغط، هي أحد عمليات تصليب البودرة. حيث يستخدم التيار الكهربائي لتوليد الحرارة، نتيجة لمقاومة المادة لمرور التيار الكهربائي من خلالها. يطبق الضغط علي البودرة بالتزامن مع مرور التيار الكهربائي، مما يساعد في عملية التصليب. تصليب شرارة البلازما هو فرع من عملية التصليب المذكورة أعلاه، يكون فيه التيار مباشر ومتقطع، وهي عملية تحتوي علي أكثر من فيزياء، حيث أنها تحتوي جانب حراري وجانب كهربائي وجانب ميكانيكي. تتسبب بعض العمليات الأساسية في عملية التصليب أثناء تصليب شرارة البلازما. من هذه العمليات؛ الزحف، الإنتقال الكهربائي، الشد السطحي، وإنتقال المادة بسبب الإجهادات. في هذا البحث تم إنشاء نموذج محاكاة رقمي يحتوي علي أكثر من فيزياء، بغرض محاكاة عملية تصليب شرارة البلازما. العمليات الأساسية الأربعة المذكورة أعلاه، تم إعتبارها في نموذج المحاكاة. يسمح النموذج بدراسة بعض العوامل المؤثرة في عملية تصليب شرارة البلازما، وتأثيرها في جودة المنتج. من هذه العوامل الجهد الكهربائي، الضغط، و المدة الزمنية التي تبقي فيها درجة الحرارة عند أعلي قيمة. من الخصائص التي يمكن قياس جودة المنتج من خلالها، الكثافة والإجهادات الساكنة. يسمح نموذج المحاكاة أيضا بدراسة مدي تأثير كل من العمليات الأساسية الأربعة المذكورة أعلاه في عملية التصليب وتماسك حبيبات البودرة. تم التأكد من إعتمادية نموذج المحاكاة، وذلك بمقارنة نتائج النموذج مع بعض قياسات التجارب المعملية، مثل درجة الحرارة، وتوزيع الكثافة في العينة المنتجة. في هذه الدراسة أيضا، تم إجراء بعض التجارب المعملية، لدراسة تأثير بعض عوامل عملية تصليب شرارة البلازما علي جودة المنتج. هذه التجارب تمت علي مادة مركبة من الألومنيوم وأكسيد الألومنيوم. وذلك بقياس بعض الخصائص في العينات المنتجة مثل الصلابة. أظهرت النتائج المستخرجة من نموذج المحاكاة أن الكثافة في مركز العينة أعلي بقليل من الكثافة في المناطق المجاورة للأسطح الخارجية. كما أظهرت النتائج أن عملية الزحف لها التأثير الأكبر من بين العمليات الأساسية الأربعة التي تؤدي إلي عملية التصليب المذكورة أعلاه, وأن الإنتقال الحراري مؤثر بدرجة ملحوظة. خصوصا خلال فترة إبقاء درجة الحرارة عند أعلي قيمة لها

English Abstract

Full Name : [Mohamed Abdelmageed Mohamedzein Abdelhameed] Thesis Title : [Modeling of spark plasma sintering] Major Field : [Mechanical Engineering] Date of Degree : [may, 2016] CAPAD (Current Activated Pressure Assisted Densification) is a powder consolidation technique, where electric current is used to generate heat due to material electric resistivity. Pressure is applied simultaneously with the electric current to assist the densification process. Spark Plasma Sintering (SPS) is a CAPAD process in which the current is a pulsed direct current. It is a multi-physics process as it involves electrical-thermal-mechanical actions. Some of the fundamental mechanisms which are occurring during the SPS namely; creep, electro-migration, surface tension, and diffusion under load are responsible for the densification during the process. In the current work, a multi-physics model that simulates the SPS process has been developed, considering all the four densification mechanisms mentioned above. This model allows the investigation on the effect of different process parameters such as voltage, pressure, holding time, and heating rate on the quality and properties of the product like porosity, strain, and residual stress. The model also allows investigating the contribution of each densification mechanism on the process. The computational results are validated against experimental results by comparing temperature and porosity distribution. The validated model is used to conduct a parametric study. Some experimental investigation about the process parameters was conducted by producing aluminum/alumina composite samples and varying the pressure and temperature. Some properties were measured on the samples such as the hardness to study the effect of changing the SPS parameters on the properties. Results of the model show that porosity is higher at the outer radius than the center of the sample. Creep is found to have the major effect in densification and electro-migration has considerable effect during the holding time.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Arif, Abul Fazal
Committee Members:	Hakeem, Abbas and Akhtar, Sohail
Depositing User:	MOHAMED MOHAMEDZEIN (g201310530)
Date Deposited:	08 Jan 2017 06:20
Last Modified:	01 Nov 2019 16:35
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140081