چکیده

عوامل متعددی در طول فرایند ریخته­گری و انجماد، بر ساختارانجمادی قطعات تاثیر می­گذارند که از آن جمله می­توان به نحوه و سرعت سردشدن مذاب،استفاده از مواد جوانه­زا و اعمال تلاطم، ارتعاش یا فشار بر مذاب اشاره کرد. هدف ازپژوهش حاضر، ارائه و توسعه روشی جدید برای کنترل ساختار انجمادی با استفاده از موادتغییر فاز دهنده فلزی و گرمای نهان ذوب آن­ است. در این پژوهش، ابتدا متغیرهای فرایندبا استفاده از شبیه­سازی­های کامپیوتری بهینه­یابی شده، سپس آزمایش­های تجربی جهت تعیینمیزان و چگونگی تاثیر استفاده از ماده تغییر فاز دهنده بر ساختار انجمادی آلیاژآلومینیوم Al-4.5 wt% Cu انجام شد.بدین منظور از دو نوع مبرد، یک مبرد فولادی توپر متداول و یک مبرد فولادی توخالیحاوی مقداری فلز روی خالص به عنوان ماده تغییر فازدهنده، استفاده شده، نمونه­هایی تحتشرایط انجماد جهت­دار ریخته­گری شدند. طراحی مبرد نوع دوم بر اساس تاثیرگذاریمشابه دو مبرد بر آلیاژ ریختگی Al-4.5wt%Cuتا قبل از ذوب ماده تغییر فازدهنده انجام شد، به­طوری­که بتوان تاثیر ماده تغییرفازدهنده در دو حالت جامد و مذاب را بر ساختار قطعه ریختگی را مشاهده نمود. نمودارهایدما-زمان نمونه­های ریختگی و مبردها در هر دو حالت شبیه­سازی و تجربی، تطابق خوبیاز خود نشان دادند. طول منطقه ستونی در نمونه ریخته شده با استفاده از مبرد فولادیتوپر 46 میلی­متر و در نمونه ریخته شده با استفاده از مبرد حاوی ماده تغییر فاز دهنده33 میلی­متر اندازه­گیری شد که نشان­دهنده نقش ماده تغییر فاز دهنده در تسریع پدیدهتبدیل دانه­های ستونی به هم­محور است. همچنین مشاهده­های درشت­ساختاری نشان داد کهنمونه ریخته شده با استفاده از مبرد فولادی توپر، دارای ساختار پر­شکل در منطقهستونی است، درحالی­که ساختار نمونه با مبرد حاوی ماده تغییر فاز دهنده به­صورت ستونیمعمولی است. علت این پدیده به تفاوت قدرت سرمایش دو مبرد در مرحله جوانه­زنی و تفاوتغلظت موضعی عناصر آلیاژی در نمونه­ها در حین رشد نسبت داده شد، . از طرف دیگر، مشاهدهشد که هر دو نوع مبرد، اثر یکسانی بر توزیع و اندازه دانه­های هم­محور در جلوی منطقهستونی دارند و هرچند متوسط اندازه دانه­های هم­محور در هر دو نمونه یکسان است ولی   فاصله بین بازوهای ثانویه دندریتی (اعم از هم­محورو ستونی) در طول قطعه در نمونه ریخته شده با استفاده از ماده تغییر فازدهنده کمتراز نمونه با مبرد توپر فولادی است که این پدیده به نرخ سرد شدن بالاتر در نمونه حاویماده تغییر فاز دهنده مرتبط دانسته شد. در همین راستا، در نقاط مشابه قطعات، سختینمونه ریخته شده با ماده تغییر فازدهنده از سختی نمونه ریخته شده با مبرد توپر فولادیبیشتر بود. نتایج تایید­کننده حضور فازهای میانی غنی از آهن (3 تا 16 درصد وزنیآهن) و درصد بالای آهن در زمینه در نزدیکی این فازهای میانی (تا حدود 38_/1درصد وزنی) در نمونه ریخته شده با استفاده از مبرد فولادی توپر است. این در حالیاست که در نمونه ریخته شده با استفاده از مبرد حاوی ماده تغییر فاز دهنده، میزان آهنهم در فازهای میانی غنی از مس و هم در زمینه ناچیز است. ریخت­های متنوعی از فازهایمیانی شامل ریخت حروف­چینی، سوزنی، کروی و نامنظم، با ترکیب­های شیمیایی متفاوت، درریزساختار دو نمونه مشاهده شد که ریخت غالب در ریزساختار هر دو نمونه، فاز حروف­چینیاز نوع Al₂Cu بود.همچنین مقدار فاز مخرب سوزنی­شکل در نمونه ریخته شده با مبرد حاوی ماده تغییر فازدهنده کمتر از نمونه ریخته شده با مبرد توپر فولادی و مقدار فازهای مطلوب کروی آنبیشتر بو­د. فازهای کروی از نوع فاز ?-Al₂Cuتشخیص داده شد که به نظر می­رسد در حین سردشدن قطعه از فاز جامدرسوب ­کرده است. به­علاوه، نتایج نشان داد که استفاده از مبرد نسل جدید، برد تغذیهرا افزایش داده، عیوب انقباضی کمتری در قطعه بوجود آمده و منطقه بزرگتری از قطعه عاریاز عیوب انقباضی منجمد می­شود. به­طور کلی، استفاده از مبرد نسل جدید می­تواند رخداد پدیده تبدیل ستونی به هم­محور را تسریع بخشد و بدین طریق کنترل بیشتری بر ساختارحاصل شود. به­علاوه، با به­کارگیری این نوع مبرد، می­توان از ایجاد برخی ساختارهای نامطلوب مانند ساختارپرشکل و عیوب انقباضی اجتناب کرد که هر دو می­توانند اثر مثبتی بر خواص مکانیکی وکارکرد قطعه داشته باشند.

کلمات کلیدی: مبرد نسلجدید، ماده تغییر فاز دهنده (PCM)،ریزساختار، انجماد جهت­دار، تبدیل ساختار ستونی به هم­محور (CET)، ساختار پرشکل.