Optimisation Taguchi et modélisation des paramètres du processus de coulée sous agitation sur le pourcentage d'allongement du composite d'aluminium, de pierre ponce et de charbon carbonaté

Jun 24, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 2915 (2023) Citer cet article

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Les composites à matrice d'aluminium, qui sont une sous-classe des composites à matrice métallique, présentent des caractéristiques telles qu'une faible densité, une rigidité et une résistance élevées, une meilleure résistance à l'usure, une dilatation thermique contrôlée, une plus grande résistance à la fatigue et une stabilité améliorée à haute température. Les communautés scientifiques et industrielles s'intéressent à ces composites car ils permettent de fabriquer une grande variété de composants destinés à des applications de pointe. Cette étude a permis d'observer comment la vitesse d'agitation, la température de traitement et la durée d'agitation du processus de coulée sous agitation affectaient le pourcentage d'allongement des composites hybrides Al-Pierre ponce (PP) -Particules de charbon carbonisées (CCP). Elle a également étudié le poids optimal de ces renforts en céramique naturelle grâce à la technique d'optimisation Taguchi. Tout en optimisant le pourcentage d'allongement, des composés durs tels que la silice, l'oxyde de fer et l'alumine ont été découverts lors de la caractérisation du renfort, montrant que le PP et le CCP peuvent être utilisés comme renfort dans les composites à matrice métallique. Il a été démontré que le pourcentage d'allongement du composite hybride était le plus affecté par le PP, suivi par la température de traitement, la vitesse d'agitation, le CCP et le temps d'agitation, en utilisant l'optimisation des paramètres du processus de coulée sous agitation. Il a été observé qu'avec 2,5 % en poids de particules de pierre ponce, 2,5 % en poids de particules de charbon carbonaté, une température de traitement de 700 °C, une vitesse d'agitation de 200 tr/min et un temps d'agitation de 5 minutes, le pourcentage optimal d'allongement s'est avéré être de 5,6 %, ce qui est 25,43 % inférieur au pourcentage d’allongement de l’alliage d’Al sans renforcement. L'étude de régression a développé un modèle mathématique prédictif du pourcentage d'allongement (PE) en fonction des paramètres du processus de coulée sous agitation et a offert un haut degré de prédiction, avec R-Square, R-Square (adj) et R-Square (préd ) valeurs de 91,60 %, 87,41 % et 79,32 % respectivement.

Actuellement, des matériaux plus solides, plus légers et plus abordables sont nécessaires pour les applications de pointe1. Pour répondre à ces critères, les chercheurs se concentrent désormais sur le développement de composites hybrides présentant un fort rapport résistance/poids2. L'alliage d'aluminium est l'alliage le plus largement utilisé pour développer le composite hybride en raison de son rapport résistance/poids élevé, de sa conductivité thermique, de sa maniabilité, de ses propriétés de moulage et de forgeage. Mais les alliages d'aluminium présentent certains inconvénients, tels qu'une faible rigidité, ténacité, résistance à la fatigue, un coefficient de dilatation thermique élevé et des caractéristiques tribologiques inadéquates. L'un des moyens les plus efficaces d'améliorer les propriétés des alliages d'aluminium est la création de composites hybrides avec deux ou plusieurs types de renforcement. Les composites hybrides offrent plusieurs avantages par rapport aux matériaux monolithiques, alliés et composites, notamment un rapport résistance/poids élevé, une résistance supérieure à la corrosion et à l'usure, une résistance et une rigidité supérieures, une faible conductivité thermique et une faible dilatation thermique, un faible poids et des caractéristiques améliorées en matière d'impact et de flexion. . coût composite globalement inférieur3,4. Les matériaux hybrides sont constitués d’une matrice et de deux ou plusieurs éléments de renforcement5. Ils sont fabriqués à l'aide de diverses techniques, notamment la métallurgie des poudres, le moulage sous agitation, le moulage sous agitation en deux étapes et le moulage par compression6, pour obtenir les propriétés mécaniques et le comportement tribologique souhaités : résistance spécifique élevée, notamment rigidité, densité, microdureté, faible coefficient de dilatation thermique, résistance thermique élevée et bonne capacité d'amortissement7.

Il a été démontré que les particules de céramique comme la pierre ponce et les particules de charbon carbonisé améliorent considérablement les caractéristiques mécaniques de l’aluminium et de ses alliages lorsqu’elles sont utilisées comme renfort8. La dureté, la limite d'élasticité et la résistance à la traction de l'aluminium sont augmentées, mais la ductilité et le pourcentage d'allongement sont réduits par l'ajout de particules telles que l'alumine, le SiC, le B4C, etc.9. Comparée aux matériaux fondamentaux utilisés en céramique, la pierre ponce présente des qualités chimiquement comparables10. Les 60 à 75 % restants du matériau, composés majoritairement d'Al2O3 et de SiO2, sont composés de ces deux oxydes8. Lorsque sa composition est combinée avec la taille des gisements connus, qui totalisent des milliards de tonnes, la pierre ponce, qui peut se présenter sous sa forme particulaire (c'est-à-dire les particules de pierre ponce-PP), a le potentiel d'être utilisée comme matière première céramique10. En raison de leurs nombreux attributs bénéfiques, tels que leurs propriétés pouzzolaniques, leur petite taille de particules, leur nature abrasive et leur minéralogie, les particules de charbon carbonaté (CCP) ont également le potentiel d'être utilisées de manière significative dans le domaine de la céramique11,12. Pour prolonger la durée de vie tout en réduisant le poids, de gros efforts ont été déployés pour améliorer les caractéristiques mécaniques des composites constitués d'une matrice en aluminium13. Même si les performances des autres qualités mécaniques se sont améliorées, l’inconvénient fondamental des matériaux de renforcement céramiques est la diminution du pourcentage d’allongement des AMC14. La dureté et la fragilité des composites d'aluminium peuvent augmenter si des particules de céramique sont ajoutées à l'alliage5. L'utilisation de tels composites est devenue un défi en raison de cette propriété. Des investigations sur les renforts de l'alliage d'aluminium sont nécessaires pour évaluer ses performances dans certaines applications et dépasser ces restrictions.