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Dec 25, 2023

Ottimizzazione Taguchi e modellazione dei parametri del processo di stir casting sull'allungamento percentuale di compositi di alluminio, pomice e carbone carbonato

Scientific Reports volume 13,

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 2915 (2023) Citare questo articolo

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I compositi a matrice di alluminio, che sono una sottoclasse dei compositi a matrice metallica, hanno caratteristiche tra cui bassa densità, elevata rigidità e resistenza, migliore resistenza all'usura, espansione termica controllata, maggiore resistenza alla fatica e migliore stabilità alle alte temperature. Le comunità scientifiche e industriali sono interessate a questi compositi perché possono essere utilizzati per produrre un'ampia varietà di componenti per applicazioni all'avanguardia. Questo studio ha osservato come la velocità di agitazione, la temperatura di lavorazione e la durata dell'agitazione del processo di stir casting influenzino l'allungamento percentuale dei compositi ibridi Al-Pomice (PP)-Particelle di carbone carbonizzato (CCP). È stato inoltre esaminato il peso ottimale di questi rinforzi in ceramica naturale utilizzando la tecnica di ottimizzazione Taguchi. Mentre si ottimizzava la proprietà di allungamento percentuale, durante la caratterizzazione del rinforzo sono stati scoperti composti duri come silice, ossido di ferro e allumina, dimostrando che PP e CCP possono essere utilizzati come rinforzo nel composito a matrice metallica. È stato dimostrato che la percentuale di allungamento del composito ibrido è maggiormente influenzata dal PP, seguita dalla temperatura di lavorazione, dalla velocità di agitazione, dal CCP e dal tempo di agitazione, utilizzando l'ottimizzazione dei parametri del processo di stir casting. È stato osservato che con il 2,5% in peso di particelle di pomice, il 2,5% in peso di particelle di carbone carbonato, una temperatura di lavorazione di 700 °C, una velocità di agitazione di 200 giri al minuto e un tempo di agitazione di 5 minuti, si è scoperto che la percentuale ottimale di allungamento era del 5,6%, ovvero 25,43% inferiore all'allungamento percentuale della lega di alluminio senza rinforzo. Lo studio di regressione ha sviluppato un modello matematico predittivo per l'allungamento percentuale (PE) in funzione dei parametri del processo di stir casting e ha offerto un elevato grado di previsione, con R-Square, R-Square (adj) e R-Square (pred ) valori rispettivamente di 91,60%, 87,41% e 79,32%.

Attualmente sono necessari materiali più resistenti, più leggeri e più convenienti per le applicazioni all’avanguardia1. Per raggiungere questi criteri, i ricercatori si stanno ora concentrando sullo sviluppo di compositi ibridi con un forte rapporto resistenza/peso2. La lega di alluminio è la lega più utilizzata per sviluppare il composito ibrido grazie al suo elevato rapporto resistenza/peso, conduttività termica, lavorabilità, fusione e proprietà di forgiatura. Ma le leghe di alluminio presentano alcuni svantaggi, come bassa rigidità, tenacità, resistenza alla fatica, un elevato coefficiente di dilatazione termica e caratteristiche tribologiche inadeguate. Tra i modi più efficaci per ottenere miglioramenti nelle proprietà delle leghe di alluminio c'è la creazione di compositi ibridi con due o più tipi di rinforzo. I compositi ibridi offrono numerosi vantaggi rispetto ai materiali monolitici, in lega e compositi, tra cui un elevato rapporto resistenza/peso, resistenza alla corrosione e all'usura superiore, resistenza e rigidità, bassa conduttività termica ed espansione termica, peso ridotto e migliori caratteristiche di impatto e flessione . costo composito complessivo inferiore3,4. I materiali ibridi sono costituiti da una matrice e due o più elementi di rinforzo5. Sono prodotti utilizzando una varietà di tecniche, tra cui metallurgia delle polveri, stir casting, stir casting in due fasi e squeeze casting6, per ottenere le proprietà meccaniche e il comportamento tribologico desiderati: elevata resistenza specifica, inclusa rigidità, densità, microdurezza, basso coefficiente di dilatazione termica, elevata resistenza termica e buona capacità di smorzamento7.

È stato dimostrato che particelle ceramiche come la pomice e le particelle di carbone carbonizzato migliorano significativamente le caratteristiche meccaniche dell'alluminio e delle sue leghe se utilizzate come rinforzo8. La durezza, il carico di snervamento e la resistenza alla trazione dell'alluminio aumentano, ma la duttilità e l'allungamento percentuale vengono ridotti dall'aggiunta di particelle come allumina, SiC, B4C, ecc.9. Rispetto ai materiali fondamentali utilizzati nella ceramica, la pomice presenta alcune qualità chimicamente comparabili10. Il restante 60-75% del materiale, composto principalmente da Al2O3 e SiO2, è composto da questi due ossidi8. Quando la sua composizione viene combinata con le dimensioni dei depositi noti, che ammontano a miliardi di tonnellate, la pomice, che può essere nella sua forma particellare (ad esempio, particelle di pomice-PP), ha il potenziale per essere utilizzata come materia prima ceramica10. A causa delle loro numerose caratteristiche benefiche, come le proprietà pozzolaniche, la dimensione minuscola delle particelle, la natura abrasiva e la mineralogia, le particelle di carbone carbonato (CCP) hanno anche il potenziale per un utilizzo significativo nel campo della ceramica11,12. Per prolungare la durata utile riducendo al contempo il peso, sono stati compiuti grandi sforzi per migliorare le caratteristiche meccaniche dei compositi costituiti da una matrice di alluminio13. Anche se le prestazioni di altre qualità meccaniche sono migliorate, lo svantaggio fondamentale dei materiali di rinforzo ceramici è la diminuzione dell'allungamento percentuale degli AMC14. La durezza e la fragilità dei compositi di alluminio possono aumentare se alla lega vengono aggiunte particelle ceramiche5. L'utilizzo di tali compositi è diventato impegnativo a causa di questa proprietà. Sono necessarie indagini sui rinforzi della lega di alluminio per valutarne le prestazioni in determinate applicazioni e per superare queste restrizioni.