ارزیابی ساختاری و عملکرد خوردگی کامپوزیت لایه ای Al/18Cu تقویت شده با MoS2 وWC در محیط دریایی

فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

مقاله 4، دوره 14، شماره 54، بهمن 1402، صفحه 47-58   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.30495/jnm.2024.33684.2048

نویسندگان

عباس کریمی¹؛ مرتضی علیزاده^{* 2}

¹دانشجوی کارشناسی ارشد رشته مهندسی مواد، گروه خوردگی و حفاظت از مواد، دانشگاه صنعتی شیراز، شیراز، ایران

²دانشیار، گروه مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی شیراز ، شیراز، ایران

تاریخ دریافت: 26 تیر 1403،  تاریخ بازنگری: 25 مرداد 1403،  تاریخ پذیرش: 28 مرداد 1403 

چکیده

چکیده
مقدمه: کامپوزیت‌های زمینه فلزی (MMC) به دلیل ویژگی‌هایی مانند مقاومت به خوردگی مناسب، مدول الاستیسیته برتر، نسبت استحکام به وزن بالا و پایداری حرارتی، در صنعت اهمیت زیادی دارند. در بین MMCها، کامپوزیت‌های زمینه فلزی هیبریدی (HMMC) با استفاده از دو یا چند تقویت‌کننده، ترکیبی از خواص مطلوب را ارائه می‌دهند.
روش: در این پژوهش برای ساخت نمونه‌های کامپوزیتی، ابتدا سطح ورق‌های آلومینیوم و مس شستشو با استون و برس‌کاری شدند. پودرهای WC و MoS₂ برای از بین بردن رطوبت در دمای ۱۲0 درجه سانتی‌گراد حرارت داده شدند. چهار ورق آلومینیوم و یک ورق مس روی هم قرار داده شده در حالی که پودرهای WC و MoS₂ روی آن‌ها پاشیده شد. سپس این ورق‌ها به صورت ساندویچی شامل چهار لایه آلومینیوم، یک لایه مس و چهار لایه WC-MoS₂  چیده شده و با دستگاه نورد ۳۰ تنی با کاهش سطح مقطع ۶۵ درصد در دمای اتاق و بدون روان‌کننده نورد داده شد. بعد از نورد اولیه، ساندویچ به سه قسمت مساوی برش داده شد و پس از تمیز کردن و آماده‌سازی سطح، مجددا به صورت ساندویچ جدید چیده و با کاهش سطح مقطع ۶۰ درصد نورد شد. این فرآیند تا هفت چرخه طبق مطالعات پیشین بر روی نمونه‌های ساخته شده اجرا شد.
یافته ­ها: در این تحقیق، کامپوزیت هیبریدی Al/Cu/WC/MoS₂ با استفاده از فرآیند اتصال نوردی تجمعی (ARB)  در هفت چرخه ساخته شد. بررسی ساختاری با استفاده از الگوی پراش پرتو ایکس  (XRD)  نشان داد که هیچ فاز جدیدی تشکیل نشده است. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) ساختار چندلایه مطلوب را تأیید کردند. فرآیند ARB منجر به توزیع مناسب فلز مس و ذرات WC-MoS₂ در زمینه آلومینیوم شد. در مرحله نهایی ARB، فلز مس به صورت جزیره‌ای در زمینه آلومینیوم توزیع شد. آزمون‌های خوردگی نشان دادند که با افزایش تعداد چرخه‌های  ARBمقاومت به خوردگی بهبود یافت. چگالی جریان خوردگی در کامپوزیت هیبریدی تولید شده با هفت چرخه، به دلیل کمترین تخلخل و توزیع همگن ذرات MoS₂  و WC، پایین‌تر از سایر چرخه‌ها بود که نشان‌دهنده بالاترین مقاومت در برابر خوردگی است.
نتیجه ­گیری: فرآیند  ARB به حفظ ساختار چندلایه مطلوب و توزیع مناسب ذرات WC-MoS₂ بین لایه‌های آلومینیوم و مس کمک می‌کند. چگالی جریان خوردگی با افزایش تعداد چرخه‌های  ARB  به دلیل توزیع یکنواخت ذرات تقویت‌کننده و تشکیل لایه پسیو توسط آلومینیوم کاهش می‌یابد.

کلیدواژه‌ها

اتصال نوردی تجمعی؛ خواص خوردگی؛ کامپوزیت؛ آلومینیوم 1050؛ کاربید تنگستن

عنوان مقاله [English]

Investigation of Structural and Corrosion properties of MoS2- WC Reinforced Al/18Cu Layered Composite in Marine Environment

نویسندگان [English]

Abbas Karimi¹؛ Morteza Alizadeh²

¹MSc student of Materials Engineering, Department of Materials Engineering, Corrosion and Materials Protection Group, Shiraz University of Technology, Shiraz, Iran

²Assistant Professor, Department of Materials Engineering, Shiraz University of Technology, Shiraz, Iran

چکیده [English]

Abstract
Introduction: Metal Matrix Composites (MMCs) are of great importance in the industry due to characteristics such as good corrosion resistance, superior elastic modulus, high strength-to-weight ratio, and thermal stability. Among MMCs, Hybrid Metal Matrix Composites (HMMCs), which use two or more reinforcements, offer a combination of desirable properties.
Methods: In this research, to fabricate composite samples, the surfaces of aluminum and copper sheets were first prepared by washing with acetone and brushing. WC and MoS₂ powders were heated at 120°C to remove moisture. Four aluminum sheets and one copper sheet were stacked, with WC and MoS₂ powders sprinkled on them. Then, these sheets were arranged in a sandwich structure consisting of four layers of aluminum, one layer of copper, and four layers of WC-MoS₂, and rolled using a 30-ton rolling mill with a 65% reduction in cross-sectional area at room temperature without any lubricant. After the initial rolling, the sandwich was cut into three equal parts, and after cleaning and surface preparation, they were re-stacked into a new sandwich and rolled with a 60% reduction in cross-sectional area. This process was repeated for seven cycles, according to previous studies on the fabricated samples.
Findings: In this study, the hybrid composite Al/Cu/WC/MoS₂ was fabricated using the Accumulative Roll Bonding (ARB) process over seven cycles. Structural analysis using X-ray diffraction (XRD) patterns indicated that no new phases were formed. Scanning Electron Microscope (SEM) images confirmed the desirable multilayer structure. The ARB process resulted in the proper distribution of copper metal and WC-MoS₂ particles within the aluminum matrix. In the final stage of ARB, the copper metal was distributed in an island-like pattern within the aluminum matrix. Corrosion tests showed that corrosion resistance improved with an increasing number of ARB cycles. The corrosion current density in the hybrid composite produced with seven cycles was lower than in other cycles due to the minimal porosity and homogeneous distribution of MoS₂ and WC particles, indicating the highest corrosion resistance. The corrosion current density in the hybrid composite produced with seven cycles was lower than in other cycles due to the least porosity and homogeneous distribution of MoS₂ and WC particles, indicating the highest corrosion resistance.

کلیدواژه‌ها [English]

Accumulative Roll Bonding, Corrosion Properties, Composite, Aluminum 1050, Tungsten Carbide

مراجع

1.            Alizadeh, M. and M.K. Dashtestaninejad, Development of Cu-matrix, Al/Mn-reinforced, multilayered composites by accumulative roll bonding (ARB). Journal of Alloys and Compounds, 2018. 732: p. 674-682.

2.            Tsuji, N., Bulk nanostructured metals and alloys produced by accumulative roll-bonding, in Nanostructured Metals and Alloys. 2011, Elsevier. p. 40-58.

3.            Tsuji, N., et al., ARB (Accumulative Roll‐Bonding) and other new techniques to produce bulk ultrafine grained materials. Advanced Engineering Materials, 2003. 5(5): p. 338-344.

4.            Alizadeh, M., Comparison of nanostructured Al/B4C composite produced by ARB and Al/B4C composite produced by RRB process. Materials Science and Engineering: A, 2010. 528(2): p. 578-582.

5.            Eizadjou, M., et al., Investigation of structure and mechanical properties of multi-layered Al/Cu composite produced by accumulative roll bonding (ARB) process. Composites Science and Technology, 2008. 68(9): p. 2003-2009.

6.            Kumar, A., et al., Fabrication methods of metal matrix composites (MMCs). Materials Today: Proceedings, 2021. 46: p. 6840-6846.

7.            Eizadjou, M., et al., Pitting corrosion susceptibility of ultrafine grains commercially pure aluminium produced by accumulative roll bonding process. Corrosion Engineering, Science and Technology, 2012. 47(1): p. 19-24.

8.            Naeini, M.F., M.H. Shariat, and M. Eizadjou, On the chloride-induced pitting of ultra fine grains 5052 aluminum alloy produced by accumulative roll bonding process. Journal of Alloys and Compounds, 2011. 509(14): p. 4696-4700.

9.            Korchef, A. and A. Kahoul, Corrosion behavior of commercial aluminum alloy processed by equal channel angular pressing. International Journal of Corrosion, 2013. 2013(1): p. 983261.

10.          Akiyama, E., et al., Effects of severe plastic deformation on the corrosion behavior of aluminum alloys. Journal of Solid State Electrochemistry, 2009. 13: p. 277-282.

11.          Jamaati, R. and M.R. Toroghinejad, Manufacturing of high-strength aluminum/alumina composite by accumulative roll bonding. Materials Science and Engineering: A, 2010. 527(16-17): p. 4146-4151.

12.          Jamaati, R., et al., Investigation of nanostructured Al/Al2O3 composite produced by accumulative roll bonding process. Materials & Design, 2012. 35: p. 37-42.

13.          Naseri, M., A. Hassani, and M. Tajally, An alternative method for manufacturing Al/B4C/SiC hybrid composite strips by cross accumulative roll bonding (CARB) process. Ceramics International, 2015. 41(10): p. 13461-13469.

14.          Shamanian, M., et al., Fabrication and characterization of Al–Al2O3–ZrC composite produced by accumulative roll bonding (ARB) process. Journal of alloys and compounds, 2015. 618: p. 19-26.

15.          Ahmadi, A., M.R. Toroghinejad, and A. Najafizadeh, Evaluation of microstructure and mechanical properties of Al/Al2O3/SiC hybrid composite fabricated by accumulative roll bonding process. Materials & Design, 2014. 53: p. 13-19.

16.          Alizadeh, M. and M. Samiei, Fabrication of nanostructured Al/Cu/Mn metallic multilayer composites by accumulative roll bonding process and investigation of their mechanical properties. Materials & Design (1980-2015), 2014. 56: p. 680-684.

17.          Rezayat, M., A. Akbarzadeh, and A. Owhadi, Production of high strength Al–Al2O3 composite by accumulative roll bonding. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2012. 43(2): p. 261-267.

18.          Karimi, M. and M.R. Toroghinejad, An alternative method for manufacturing high-strength CP Ti–SiC composites by accumulative roll bonding process. Materials & Design, 2014. 59: p. 494-501.

19.          Jamaati, R., M. Naseri, and M.R. Toroghinejad, Wear behavior of nanostructured Al/Al2O3 composite fabricated via accumulative roll bonding (ARB) process. Materials & Design, 2014. 59: p. 540-549.

20.          Liu, C., et al., Fabrication of Al/Al3Mg2 composite by vacuum annealing and accumulative roll-bonding process. Materials Science and Engineering: A, 2012. 558: p. 510-516.

21.          Reihanian, M. and M. Naseri, An analytical approach for necking and fracture of hard layer during accumulative roll bonding (ARB) of metallic multilayer. Materials & Design, 2016. 89: p. 1213-1222.

22.          Liu, C., et al., Microstructures and mechanical properties of Al/Zn composites prepared by accumulative roll bonding and heat treatment. Materials Science and Engineering: A, 2013. 580: p. 36-40.

23.          Liu, C., et al., Evaluation of mechanical properties of 1060-Al reinforced with WC particles via warm accumulative roll bonding process. Materials & Design, 2013. 43: p. 367-372.

24.          Liu, C., et al., Effect of W particles on the properties of accumulatively roll-bonded Al/W composites. Materials Science and Engineering: A, 2012. 547: p. 120-124.

25.          Jamaati, R., et al., Effect of particle size on microstructure and mechanical properties of composites produced by ARB process. Materials Science and Engineering: A, 2011. 528(4-5): p. 2143-2148.

26.          Kadkhodaee, M., et al., Evaluation of corrosion properties of Al/nanosilica nanocomposite sheets produced by accumulative roll bonding (ARB) process. Journal of Alloys and Compounds, 2013. 576: p. 66-71.

27.          Darmiani, E., et al., Corrosion investigation of Al–SiC nano-composite fabricated by accumulative roll bonding (ARB) process. Journal of Alloys and Compounds, 2013. 552: p. 31-39.

28.          Fattah-Alhosseini A, Naseri M, Alemi MH. Corrosion behavior assessment of finely dispersed and highly uniform Al/B4C/SiC hybrid composite fabricated via accumulative roll bonding process. Journal of Manufacturing Processes. 2016 Apr 1;22:120-6.

29.          Malmir N, Alizadeh M, Pashangeh S, Moghaddam AO. Structural characteristics and corrosion properties of Cu/Sn–Pb composite produced by accumulative roll bonding process. Archives of Civil and Mechanical Engineering. 2024 Jun 7;24(3):170.

30.          Esmaeil Zadeh M, Ghalandari L, Sani    R, Jafari E. Microstructural Evaluation, Mechanical Properties, and Corrosion Behavior of the Al/Cu/Brass Multilayered Composite Produced by the ARB Process. Metals and Materials International. 2024 Apr;30(4):1123-44.

31-      احمدساعتچی و همکاران,   استفاده از روشی نوین جهت بررسی خوردگی موضعی آلیاژهای آلومینیوم ،2024 7075 و 6061 در محیطهای شبه اتمسفر دریایی,مجله مواد نوین,جلد4,شماره1.