Optimisation de Taguchi et modélisation des paramètres du procédé de moulage par agitation sur le pourcentage d'allongement du composite d'aluminium, de pierre ponce et de charbon carbonaté

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

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Les composites à matrice aluminium, qui sont une sous-classe des composites à matrice métallique, ont 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 des températures élevées. Les communautés scientifiques et industrielles s'intéressent à ces composites car ils peuvent être utilisés pour fabriquer une grande variété de composants pour des applications de pointe. Cette étude a observé 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-Pumice (PP)-Carbonized Coal Particles (CCP). Elle s'est également penchée sur le poids optimal de ces renforts en céramique naturelle à l'aide de la technique d'optimisation de Taguchi. Tout en optimisant la propriété d'allongement en pourcentage, 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 un composite à matrice métallique. Le pourcentage d'allongement du composite hybride s'est avéré être le plus affecté par le PP, suivi de la température de traitement, de la vitesse d'agitation, du CCP et du temps d'agitation, en utilisant l'optimisation des paramètres du processus de moulage par agitation. Il a été observé à 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 une durée d'agitation de 5 min, le pourcentage optimal d'allongement s'est avéré être de 5,6 %, soit 25,43 % inférieur au pourcentage d'allongement de l'alliage d'aluminium sans renforcement. L'étude de régression a développé un modèle mathématique prédictif pour le pourcentage d'allongement (PE) en fonction des paramètres du processus de moulage par agitation et a offert un haut degré de prédiction, avec des valeurs R-Square, R-Square (adj) et R-Square (pred) 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 atteindre ces critères, les chercheurs se concentrent désormais sur le développement de composites hybrides à 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 sa coulée et de ses propriétés 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, une faible conductivité thermique et une faible dilatation thermique, un faible poids et des caractéristiques d'impact et de flexion améliorées. 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, y compris la métallurgie des poudres, le moulage par agitation, le moulage par agitation en deux étapes et le moulage sous pression6, pour obtenir les propriétés mécaniques et le comportement tribologique souhaités : résistance spécifique élevée, y compris rigidité, densité, microdureté, faible coefficient de dilatation thermique, résistance thermique élevée et bonne capacité d'amortissement7.

Les particules céramiques telles que la pierre ponce et les particules de charbon carbonisé se sont avérées améliorer considérablement les caractéristiques mécaniques de l'aluminium et de ses alliages lorsqu'ils sont utilisés 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 de base utilisés en céramique, la pierre ponce présente des qualités chimiquement comparables10. Les 60 à 75 % restants du matériau, majoritairement composés d'Al2O3 et de SiO2, sont composés de ces deux oxydes8. Lorsque sa composition est combinée à la taille des gisements connus, qui totalisent des milliards de tonnes, la pierre ponce, qui peut être sous sa forme particulaire (c'est-à-dire, particule 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 particule, leur nature abrasive et leur minéralogie, les particules de charbon carbonaté (CCP) ont également un potentiel d'utilisation important 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 renforts 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 difficile 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 pour dépasser ces contraintes.

Les techniques de moulage par agitation sont actuellement la méthode la plus simple et la plus commercialement viable de fabrication de composites à matrice métallique. Cette méthode consiste à mélanger mécaniquement les particules de renfort dans un bain de métal en fusion, puis à transférer le mélange dans un moule formé jusqu'à ce qu'il se solidifie complètement15. Le montage expérimental comprend un four à chauffage par résistance pour faire fondre le métal de base, un mécanisme d'alimentation pour les particules de céramique et un agitateur mécanique couplé à un moteur électrique pour mélanger les particules préchauffées avec la matrice liquide16. La percée intrigante la plus récente est la coulée à double agitation, ou processus de mélange en deux étapes. Dans ce processus, le matériau de la matrice est chauffé au-dessus de sa température de liquidus, puis la masse fondue est refroidie à une température comprise entre les points de liquidus et de solidus (état semi-solide). Des particules de renforcement préchauffées sont ajoutées et mélangées à ce stade. La bouillie est ensuite chauffée jusqu'à un état liquide complet et soigneusement mélangée une fois de plus. Les principaux problèmes de la méthode de coulée sous agitation sont l'agglomération des particules de renforcement, la porosité/le piégeage des gaz, la viscosité de la réaction et la ségrégation causée par la sédimentation des particules pendant la solidification et l'agglomération des particules. Pour une dispersion uniforme des particules de renforcement, le choix des paramètres du processus d'agitation présente des obstacles importants17.

L'impact des variables de processus sur la dispersion des particules de renforcement a fait l'objet de nombreuses recherches. Les variables cruciales qui ont été suivies étaient la durée d'agitation, la température de traitement et le rythme. Selon Singh et al. une vitesse d'agitation de 550 tr/min, un agitateur à angle de lame de 45° et une période d'agitation de 6 minutes sont les réglages idéaux pour disperser uniformément les particules dans les échantillons coulés18. Moses et al.19 ont constaté que la résistance à la traction du composite coulé était à son maximum lors de l'agitation à 300 tr/min pendant 15 min, à un angle de lame de 30°. Selon Prabu et al.20, une dispersion plus uniforme des particules a été observée dans les spécimens coulés à une vitesse d'agitation de 600 tr/min et une période d'agitation de 10 min. Dans le même spécimen, ils ont également noté plus de dureté. Avant de couler le composite dans la cavité du moule, une dispersion homogène des particules est souhaitée. Les phénomènes d'écoulement et de solidification entraîneraient une augmentation de l'inhomogénéité du bain coulé. La gravité et les circonstances cinétiques changeantes qui surviennent lors de la transition d'un liquide à un solide ont un impact sur la dispersion finale des particules lors de la solidification21.

Des études ont amélioré les paramètres d'entrée qui se traduisent par une réponse de sortie basée sur l'approche d'optimisation de Taguchi22. En utilisant la fonction de perte de cette approche, les mesures de performance qui s'écartent de la valeur cible souhaitée sont calculées. La valeur de cette fonction de perte est utilisée pour calculer le rapport signal sur bruit (S/N). En général, trois catégories sont utilisées pour catégoriser les performances : « plus petit, mieux c'est », « nominal, mieux c'est » et « plus haut, mieux c'est »23. L'objectif et la nouveauté de cette étude sont, pour la première fois, d'appliquer l'approche d'optimisation de Taguchi pour optimiser la composition pondérale du renfort en céramique naturelle (particules de pierre ponce et de charbon carbonaté), ainsi que l'impact des paramètres du procédé de coulée par agitation (vitesse d'agitation, température de traitement et temps d'agitation) sur un pourcentage d'allongement optimal "plus c'est élevé, mieux c'est" des composites hybrides Al-PP-CCP.

La poudre d'aluminium, la pierre ponce et le charbon ont été utilisés dans la production des composites hybrides Al-PP-CCP. Alors que le charbon provenait de la mine de charbon de Dangote à Effeche-Akpalli, dans l'État de Benue, au Nigéria, la pierre ponce était extraite localement sous terre sur des sites miniers à Biu, dans l'État de Borno, au Nigéria.

L'aluminium 6061 fait partie de la série 6xxx d'alliages d'aluminium, qui ont du magnésium et du silicium comme éléments d'alliage principaux. Il a un bon rapport résistance/poids, une conductivité thermique, une soudabilité, une maniabilité, une coulée, une usinabilité, des propriétés de forgeage et une résistance à la corrosion. Ses applications vont des composants automobiles et aérospatiaux aux emballages alimentaires et de boissons, aux produits électroniques, etc.

Pour éliminer toute humidité et saleté, la pierre ponce a été lavée et séchée dans un four à 100 ° C pendant 48 h après avoir été extraite des mines locales souterraines de l'État de Borno, au Nigéria. Les morceaux agrégés ont ensuite été transformés en poudres fines par un premier broyage avec un mortier et un pilon de laboratoire. Cette technique de fabrication est conforme aux recherches de24,25. Des particules de pierre ponce (PP) d'une taille de 90 μm ont été obtenues en tamisant davantage la poudre de pierre ponce. La figure 1a montre les particules de charbon carbonaté produites.

Renforts et composite coulé (a) pierre ponce brute et poudre (b) charbon carbonaté brut et poudre (c) composite aluminium hybride coulé.

À l'aide d'une machine de concassage, le charbon récupéré de la mine de charbon de Dangote a d'abord été brisé en petits morceaux. Les morceaux ont été placés dans un creuset en graphite et chauffés à 1100°C pendant 8 h dans un four électrique sans air. Le charbon carbonisé a été nettoyé avec de l'eau pour éliminer les impuretés et séché pour minimiser la teneur en humidité après avoir été normalisé dans le four. Le charbon carbonisé a ensuite été pulvérisé et broyé dans un mortier et un pilon de laboratoire pour transformer les gros morceaux de charbon en minuscules granules. Les études de26,27 soutiennent cette technique. Pour obtenir des particules de charbon carbonisé (CCP) d'une taille de 90 μm, le charbon carbonisé produit a subi un tamisage supplémentaire. La figure 1b montre les particules de charbon carbonaté produites.

Le composite hybride Al-PP-CCP a été créé en utilisant la méthode de coulée par agitation par fond et la métallurgie liquide. Selon 28, le PP et le CCP produits ont été chauffés dans le four pendant deux heures à 500 ° C dans le but d'oxyder et de calciner les surfaces des particules. Ensuite, pour garantir que l'alliage fond complètement, les lingots d'Al ont été chargés dans un creuset dans un four électrique et chauffés à 690 °C (30 °C au-dessus de la température de liquidus). Une écumoire à revêtement chauffé a été utilisée pour éliminer les scories qui s'étaient formées à la surface de l'aluminium fondu. Pour augmenter la mouillabilité entre les phases de matrice et de renforcement et pour éliminer les gaz du bain de fusion, 0,01 % de poudre de NaCl-KCl et 1 % en poids de magnésium (qui agit comme un tensioactif) ont été ajoutés avant l'intégration des particules chauffées selon les méthodes de29,30.

Un agitateur en acier inoxydable revêtu a été déposé dans le four pour agiter la masse fondue et former un vortex pendant que l'alliage liquide refroidissait dans le four jusqu'à un état semi-solide à une température d'environ 600 °C. À ce stade, en une minute, les particules chauffées, chacune avec une composition pondérale de 2,5 à 10 % en poids, ont été ajoutées lentement à la suspension fondue31,32. Après cela, la suspension composite a été chauffée à divers paramètres du processus de coulée sous agitation, y compris la vitesse d'agitation (SS) (200–500 tr/min), la température de traitement (PT) (700–850 °C) et le temps d'agitation (ST) (5–20 min) selon l'essai expérimental. De plus, selon la méthode d'Aynalem33, le moule a été chauffé à une température d'environ 550 °C avant que la suspension ne soit versée dans le moule. Un alliage d'Al sans renfort a également été fabriqué comme échantillon témoin pour comparer les effets du renfort. Le composite d'aluminium hybride produit est illustré à la Fig. 1c.

Les essais de cette étude ont été conçus à l'aide du réseau orthogonal (OA) de Taguchi, conformément à la recommandation de34. Pour cette enquête, cinq facteurs de traitement avec quatre niveaux de conception ont été utilisés. Le tableau 1 affiche les variables et les niveaux utilisés dans la production de composites hybrides Al-PP-CCP, tandis que le tableau 2 affiche le tableau orthogonal des essais expérimentaux L16 produits par le programme statistique Minitab.

Les morphologies des poudres d'alliage d'Al, de PP et de CCP ont été étudiées sur un microscope électronique à balayage (SEM) à ultra-vide et à haute résolution avec des rayons X à dispersion d'énergie (EDX) fonctionnant à 16, 0 kV. Les échantillons ont été disposés en utilisant un faible taux de dépôt pour pulvériser de l'or sur leurs surfaces.

À l'aide d'un spectromètre à fluorescence X Philips, modèle PW 2400, les compositions élémentaires de l'alliage Al, PP et CCP ont été étudiées. Les spectromètres à fluorescence X (XRF) ont pu identifier la fluorescence émissive de diverses substances à l'intérieur des échantillons en faisant la différence entre les rayons X d'entrée et les rayons gamma de sortie.

Les modèles structurels des poudres PP et CCP ont été déterminés en utilisant une méthode de diffraction des rayons X sur poudre (DRX) utilisant un tube de cuivre (1,5418 A) produit à une tension de 40 kV et un courant de 30 mA dans un diffractomètre Rigaku Miniflex sur une plage 2thêta de 5°–80°35.

Le pourcentage d'allongement du composite hybride Al-PP-CCP a été réalisé conformément à la norme ASTM E8M-91. En utilisant une machine d'essai informatisée (Zwick/Roell Z100) sur des spécimens avec une dimension standard de diamètre de 12,7 mm et une longueur de référence de 50,8 mm, le pourcentage d'allongement a été obtenu. Pour chaque éprouvette, le test d'allongement a été réalisé trois fois afin de s'assurer de la répétabilité et de la fiabilité des données obtenues36.

La propriété expérimentale d'allongement en pourcentage des composites hybrides Al-PP-CCP développés a été analysée à l'aide de l'optimisation de Taguchi, de l'analyse de variance (ANOVA) et de l'analyse d'interaction à l'aide des logiciels Minitab (version 16.1, Minitab Inc.) et Origin (version 2020, OriginLab). Une technique courante pour évaluer la force de la connexion entre les séquences est basée sur le rapport signal sur bruit.

Dans cette étude, des valeurs de pourcentage d'allongement élevées ont été choisies pour les propriétés globales du composite. En conséquence, au stade expérimental, des notes ont été créées à l'aide des critères de normalisation de l'optimisation de Taguchi "plus grand est meilleur"37. Le meilleur niveau de ce paramètre de processus est celui qui a le plus grand rapport S–N22. L'équation (1) décrit l'approche de prétraitement des données linéaires des critères plus grands est meilleur qui a été utilisée dans ce travail pour calculer le pourcentage d'allongement du composite à l'étude en fonction du rapport S/N de la fonction.

où n est la taille de l'échantillon et yi est le pourcentage d'allongement de la course.

La microstructure et l'EDS de l'alliage Al, du PP et du CCP sont représentés sur les figures 2a, b. Les grains primaires de la solution solide d'Al sont représentés sur la figure 2a, ainsi que les régions eutectiques interdimères Al-Si qui contiennent une variété de phases intermétalliques, y compris des précipités du composé intermétallique Mg2Si. Cette solution solide est créée à la suite d'une surfusion lors de la solidification. L'analyse EDS est représentée sur la figure 2b comme ayant des pics pour l'aluminium (Al), l'oxygène (O), le carbone (C), le fer (Fe), le silicium (Si), le calcium (Ca), le sodium (Na) et le magnésium (Mg). Ces composants ont confirmé les résultats XRF et vérifié que l'alliage utilisé était l'alliage Al 6061.

SEM et EDX de matrice et renforts : (a) SEM d'alliage d'aluminium, (b) EDX d'alliage d'aluminium, (c) SEM de PP, (d) EDX de PP, (e) SEM de CCP, (f) EDX de CCP.

La microstructure du PP a été décrite sur la figure 2c, et elle comprend des lamelles avec une structure amorphe, des phases également dispersées et des limites qui montrent que le matériau est extrusif et a une distribution uniforme des pores. Cela indique que l'un des principaux attributs du PP est sa capacité à favoriser la transmission des contraintes dans les applications composites hybrides en offrant une forte adhérence de l'interface particule-matrice avec l'aluminium. Cela améliore plusieurs qualités mécaniques38. Des pics de carbone, d'oxygène, de fer, de silicium, d'aluminium, de titane, de calcium et de potassium peuvent être observés sur la figure 2d. Ces substances sont des composants dérivés de la pierre ponce et leur présence indique l'existence de SiO2, Al2O3, K2O, Fe2O3 et MgO. Les analyses XRF et XRD concordent avec cette conclusion.

La microstructure du CCP, qui est composée d'espaces poreux angulaires et irréguliers et d'une texture rugueuse, a également été décrite sur la figure 2e. Certaines des particules du PCC sont sphériques, tandis que d'autres ressemblent à du pop-corn. En raison de ses surfaces rugueuses, cette caractéristique distinctive démontre la capacité du matériau à fournir une forte adhérence de l'interface particule-matrice avec l'aluminium, ce qui contribuera à améliorer la mouillabilité avec la matrice et, par conséquent, les qualités mécaniques du composite résultant39. L'EDS du CCP est illustré à la Fig. 2f et affiche des pics de silicium (Si), de carbone (C) et d'oxygène (O) (Si). Ces composants, qui sont les principaux composants du charbon carbonaté, du SiO2 et du graphite, ont prouvé leur présence. Les analyses XRF et XRD concordent avec cette conclusion.

En utilisant l'analyse XRF, les poudres Al, PP et CCP qui composent les composites hybrides Al-PP-CCP ont été soumises à une analyse chimique. Les résultats sont présentés dans les tableaux 3 et 4.

Le résultat présenté dans le tableau 3 a révélé que l'alliage contient une quantité importante d'aluminium (98,18 % de son poids), ce qui est cohérent avec d'autres recherches portant sur les alliages composites en aluminium40,41. De plus, l'étude XRF présentée dans le tableau 4 a indiqué que les principaux éléments du CCP étaient SiO2, Al2O3, SO3, Fe2O3, TiO2, MgO et CaO, tandis que les principaux constituants du PP étaient SiO2, Fe2O3, Al2O3, CaO, K2O et TiO. Les résultats de 38, 42 pour PP et 43 pour CCP sont cohérents avec ce résultat. De plus, l'étude XRF a révélé que la composition chimique du PP et du CCP est comparable à celle d'autres déchets agricoles utilisés actuellement dans les composites à matrice métallique, tels que la bagasse, les cendres de déchets de caroube, les cendres de balle de riz et les cendres volantes38,40,44. La silice, l'oxyde de fer et l'alumine sont parmi les matériaux les plus durs, et38 affirment qu'ils conviennent au renforcement dans une variété de matrices métalliques en raison de leur présence dans le PP et le CCP.

La figure 3 montre les résultats de la caractérisation XRD du PP et du CCP. Le résultat affiche les pics de pierre ponce distinctifs à 23° et 28° qui appartenaient au matériau zéolitique naturel dachiardite [(Ca, Na, K, Mg)4, (Si, Al)24O48,13H2O], anorthite (CaAl2Si2O8) albite (NaAlSi3O8), chlorite-serpentine. De plus, la ligne de fond a augmenté dans la plage 2thêta de 20° à 30°, indiquant l'existence d'un matériau de quartz amorphe dans le PP45. La poudre de CCP a été appariée et les résultats ont révélé l'existence de phases de quartz, de graphite, de montmorillonite, de muscovite et de chlorite.

Analyse XRD des poudres PP et CCP.

Sur la base des essais expérimentaux associés à cette étude, comme indiqué dans les tableaux 1, 5 donne le pourcentage d'allongement des composites hybrides Al-PP-CCP produits ainsi que le pourcentage d'allongement de l'alliage Al témoin. Le résultat a montré que le pourcentage d'allongement maximal de 5,6 % a été obtenu à 2,5 % en poids de PP, 2,5 % en poids de CC, une vitesse d'agitation de 200 tr/min, une température de traitement de 700 °C et une durée d'agitation de 5 min. Un pourcentage d'allongement minimum de 2,09 % a été obtenu à 10 % en poids de PP, 2,5 % en poids de CCP, une vitesse d'agitation de 500 tr/min, une température de traitement de 750 °C et une durée d'agitation de 15 min. De ce résultat, on peut déduire que le pourcentage d'allongement du composite hybride Al-PP-CCP diminue par rapport à la fonte d'aluminium qui a un pourcentage d'allongement de 7,51 %. La diminution du pourcentage d'allongement peut être associée à la présence de renforts durs et cassants dans la matrice Al ductile, entraînant une barrière à l'écoulement plastique du composite. Des études similaires par 46, 47, 48 entre autres, sont d'accord avec cette conclusion.

En utilisant la technique de conception de Taguchi, les paramètres du processus de moulage par agitation ont été ajustés en fonction du rapport S/N des essais expérimentaux présentés dans le tableau 5. Le tableau de réponse pour le rapport S/N et la moyenne, en fonction des différents facteurs et niveaux pris en considération dans cette enquête, est présenté dans le tableau 6. Le pourcentage d'allongement des composites hybrides Al-PP-CCP est influencé par chaque paramètre du processus de moulage par agitation dans ce résultat, qui classe également les facteurs en fonction du rapport S/N pour illustrer quel facteur a le plus d'impact. En conséquence, le PP a les effets les plus importants, suivi de la température de traitement, de la vitesse d'agitation, du CCP et du temps d'agitation.

L'effet du PP, du CCP, de la vitesse d'agitation, de la température de traitement et du temps d'agitation sur le pourcentage d'allongement est illustré à la figure 4. La figure 4a montre l'effet du PP sur le pourcentage d'allongement du composite à matrice métallique en aluminium renforcé. Il a été observé que le pourcentage d'allongement diminuait à mesure que la composition pondérale du PP augmentait du maximum de 2,5 à 10 % en poids. La diminution du pourcentage d'allongement peut être attribuée à la présence d'un renfort en pierre ponce plus dur et plus rigide, qui contient du quartz, de l'anorthite et de l'albite, comme le montre l'analyse XRF. Ce résultat est cohérent avec les études de Nagaral et al.49 et Anbuchezhiyan et al.50, qui ont observé que le pourcentage d'allongement des composites à matrice métallique diminue en augmentant la teneur en renfort.

Variation du pourcentage d'allongement avec ajout de renfort ; (a) poudre de pierre ponce vs pourcentage d'allongement, (b) particules de charbon carbonaté vs pourcentage d'allongement.

La figure 4b montre l'effet du CCP sur le pourcentage d'allongement du composite hybride Al-PP-CCP renforcé, et il a été observé que le pourcentage d'allongement du composite augmente de 3,38 % à 3,99 % avec une augmentation de la composition pondérale du CCP de 2,5 % en poids à 7,5 % en poids, et au-delà de ce point, la tendance s'inverse. L'augmentation de la résistance peut être attribuée à la dispersion homogène du renfort CCP dans la matrice. L'inverse du pourcentage d'allongement obtenu après 7,5 % en poids est attribué à la mauvaise mouillabilité qui augmente avec une augmentation de la composition pondérale du CCP. Ce résultat est similaire aux travaux de Muni et al.51, qui ont observé une augmentation du pourcentage d'allongement en raison de la dispersion uniforme du renfort.

La figure 5a montre l'effet de la vitesse d'agitation sur le pourcentage d'allongement du composite à matrice métallique d'aluminium renforcé. Il a été observé qu'à mesure que la vitesse d'agitation augmente, le pourcentage d'allongement diminue d'une valeur maximale de 4,275 % à une vitesse d'agitation de 200 tr/min à un minimum de 3,12 % à une vitesse d'agitation de 500 tr/min. La diminution peut être attribuée à l'augmentation de la sévérité de l'agitation de la suspension, entraînant un regroupement des particules de renforcement et favorisant le piégeage des gaz dans la suspension, ce qui provoque une porosité élevée et des soufflures. Ces résultats concordent avec certaines études connexes de 52, qui ont observé que des vitesses d'agitation plus élevées imposaient une non-uniformité considérable dans la distribution des particules en raison de la sévérité accrue de l'agitation de la suspension, entraînant un regroupement des particules et une absorption de gaz dans la suspension.

Variation du pourcentage d'allongement avec le paramètre de processus d'agitation ; (a) vitesse d'agitation par rapport au pourcentage d'allongement, (b) température de traitement par rapport au pourcentage d'allongement (c) temps d'agitation par rapport au pourcentage d'allongement.

La figure 5b montre qu'en augmentant la température de coulée, le pourcentage d'allongement a diminué de 4,327 % à 700 °C à 2,945 % à 850 °C. La diminution peut être attribuée à la distribution non uniforme du renforcement dans le coulis et à l'absorption de gaz dans la masse fondue, ce qui peut provoquer une porosité. L'agitation à une température élevée au-dessus de la valeur optimale pourrait également être la cause de la réduction, car l'agitation à une température plus élevée entraînera la formation de nouvelles phases intermétalliques nuisibles et de soufflures dans le composite fabriqué. Ce constat est cohérent avec les études menées par53, qui ont observé qu'une augmentation de la température d'agitation au-delà de l'optimum conduisait à une répartition moins homogène des particules et à la formation de phases indésirables, qui ont un effet néfaste sur le composite.

La variation du pourcentage d'allongement avec le temps d'agitation (ST) pour le composite hybride Al-PP-CCP est illustrée à la Fig. 5c. D'après le résultat, il a été observé que le pourcentage d'allongement augmentait jusqu'à une valeur optimale de 3,87 % à un temps d'agitation de 15 min, puis continuait à diminuer jusqu'à ce qu'il atteigne le temps d'agitation de 20 min. L'augmentation peut être attribuée à l'excellent mélange des renforts, qui a conduit à sa juste répartition dans la matrice. En revanche, la diminution du pourcentage d'allongement avec une augmentation du temps d'agitation peut être attribuée à une durée d'agitation plus longue, ce qui entraîne une absorption de gaz et une oxydation dans la matrice d'aluminium liquide. Ce résultat est cohérent avec les études d'Azadi et al.54 qui ont observé que l'augmentation de la durée d'agitation au-dessus de la valeur optimale augmentera sans aucun doute l'absorbabilité des gaz et l'oxydation des composites préparés, ce qui diminuera leurs propriétés mécaniques.

Pour examiner la relation entre la variable de réponse et deux variables de contrôle, des tracés de contour ont été utilisés comme indiqué à la Fig. 6.

Graphiques de contour d'interaction du pourcentage d'allongement (PE) avec des paramètres de processus à divers ajouts de renforcement : (a) PE contre CC, PP, (b) PE contre PT, PP, (c) PE contre SS, PP, (d) PE contre ST, PP, (e) PE contre SS, CC, (f) PE contre PT, CC, (g) PE contre ST, CC, (h) PE contre PT, SS, (i) PE contre ST , SS, (j) PE contre PT, ST.

Il a été observé sur la figure 6a que, tout en maintenant constants les autres paramètres du procédé, un pourcentage d'allongement maximal de 5,6 % peut être obtenu grâce à une interaction entre le PP à 2,5 % en poids et le CCP à 2,5 % en poids. La figure 6b montre qu'un pourcentage d'allongement maximal de 5,6 % peut être obtenu grâce à une interaction de PP à 2,5 % en poids et de PT à 700 °C. La figure 6c montre que l'interaction de 2,5 % en poids de PP et d'un SS de 200 tr/min donne un pourcentage d'allongement maximal de 5,6 %. Comme le montre la figure 6d, le pourcentage d'allongement maximal de 5, 6% peut être obtenu à l'interaction de 2, 5% en poids de contenu PP et d'une durée ST de 5 min. La figure 6e indique qu'à l'interaction de 2,5 % en poids de contenu CC et de 200 tr/min de SS, un pourcentage d'allongement maximal de 5,6 % peut être obtenu. La figure 6f a observé qu'un pourcentage d'allongement maximal de 5,6 % peut être obtenu à une interaction de 2,5 % en poids de CCP et d'une température de traitement de 700 °C. La figure 6g montre que le pourcentage d'allongement maximal de 5,6 % peut être obtenu avec une interaction de 2,5 % en poids de CCP et un ST de 5 min. La figure 6h montre qu'un pourcentage d'allongement supérieur de 5,6 % peut être atteint à une vitesse d'agitation de 200 tr/min et une température de traitement de 700 °C. La figure 6 (i) montre que pour obtenir un pourcentage d'allongement maximal de 5,6 %, la suspension doit être agitée à 200 tr/min pendant 5 min, en maintenant les autres paramètres constants. La figure 6j montre qu'un pourcentage d'allongement maximal de 5,6 % pourrait être obtenu à l'interaction de la température de traitement à 700 °C et du temps de chaîne de 5 min si les autres paramètres sont maintenus constants.

D'après le tableau 6 et les fig. 4 et 5, les rapports S/N moyens les plus élevés obtenus pour le pourcentage d'allongement en termes de paramètres de procédé de moulage par agitation sont PP à 2,5 % en poids, CCP à 7,5 % en poids, vitesse d'agitation à 200 tr/min, température de traitement à 700 °C et temps d'agitation à 10 min, correspondant à PP1–CC3–SS1–PT1–ST2. En utilisant les réglages optimaux du paramètre de processus de moulage par agitation (PP1 – CC3 – SS1 – PT1 – ST2), un pourcentage d'allongement optimal pour le composite d'aluminium hybride peut être prédit à l'aide de l'équation. (2) et Tableau 6.

où Tm est la moyenne globale ou le rapport S/N obtenu à partir du tableau 5, Tm = 3,6065 % ; \({(T}_{ik}{)}_{max}\) est la moyenne au niveau optimal i du facteur k , T1PP = 4,486 %, T3CC = 3,993 %, T1SS = 4,275 %, T1PT = 4,327 % et T2ST = 3,873 % en gras dans le tableau 6, et \({k}_{n}\) est le nombre de principaux facteurs de conception qui affectent la réponse, qui est égal à 5. Cela a produit le pourcentage d'allongement optimal de 6,51 %.

Pour valider les conditions optimales prédites de Taguchi obtenues ; un nouveau composite Al-PP-CCP a été coulé en utilisant les niveaux optimaux des facteurs (PP1–CC3–SS1–PT1–ST2), et des tests de confirmation d'allongement en pourcentage ont été effectués conformément à la norme ASTM sur l'échantillon produit avec trois répétitions ; les résultats sont présentés dans le tableau 7. Le pourcentage d'allongement de confirmation a donné une valeur de 7,12 %.

Une analyse de régression linéaire a été effectuée à l'aide du logiciel Minitab. Cette analyse a généré une ANOVA qui a pris en compte les facteurs et leurs interactions pour déterminer le niveau de signification de chaque paramètre de traitement. Le résultat obtenu est présenté dans le tableau 8 dans lequel au niveau significatif de 0,05, le modèle de régression, PP, SS et PT sont significatifs, et PP a le pourcentage de contribution le plus élevé au pourcentage d'allongement du composite hybride. L'analyse de régression a produit un modèle mathématique prédictif pour le pourcentage d'allongement (PE) en fonction des paramètres du processus de moulage par agitation qui a donné un niveau élevé de prédiction, avec des valeurs R-Square, R-Square (adj) et R-Square (pred) de 91,60 %, 87,41 % et 79,32 %, respectivement. Selon55,56, une valeur R-Square supérieure à 75% est jugée adéquate, impliquant un bon ajustement entre les réponses et les paramètres du procédé. Le modèle de régression est donné dans l'équation. (3).

La figure 7 compare le pourcentage d'allongement prévu et expérimental des essais expérimentaux considérés dans cette étude. À partir de la comparaison de ces graphiques dans la plage de l'intervalle de confiance (IC) de la prédiction du modèle, il montre l'acceptabilité de la prédiction optimale d'allongement en pourcentage dans l'intervalle de confiance de 95 %.

Graphique prédit par rapport à expérimental du pourcentage d'allongement du composite hybride Al-PP-CCP.

Pour cette étude, la valeur expérimentale devrait se situer dans cette plage ;

où TSpredictive est le pourcentage d'allongement total prédit ou optimal, TSexperimental est la valeur expérimentale après le test de confirmation, et tandis que CI est l'intervalle de confiance.

L'équation (4) a été utilisée pour évaluer l'intervalle de confiance.

où \({F}_{\alpha }\left(1, {F}_{e}\right)\)= F ratio requis pour α = risque ; Fe = erreur DDL ; du tableau 4.5 Fe = 10 ∴ du tableau F \({F}_{\alpha }\left(1, {F}_{e}\right)\)= \({F}_{0.05}\)(1,10) = 4.96, Ve = variance d'erreur, du tableau ANOVA 8 Ve = 1.3215 ; W = identique au nombre de réplications pour exécuter le test de confirmation = 3 ; U = nombre effectif de répétitions.

où N est le nombre total de résultats = 48 et T est le degré total de liberté des facteurs contrôlés = 5. Substituant ces valeurs dans l'Eq. (5).

\(\donc U=\) 8.

En substituant les valeurs de \({f}_{\alpha \left(1, de\right)}, {v}_{e}, U et w\), dans Eq. (4)

∴ IC = 1,733.

La valeur du pourcentage d'allongement total obtenue à partir du test de confirmation montre que la valeur expérimentale se situe dans l'intervalle de confiance du pourcentage d'allongement total, de sorte que :

Dans ce cas, PEprédictif = 6,51.

L'étude a pris en compte l'utilisation de l'approche d'optimisation de Taguchi pour optimiser la composition pondérale du renfort en céramique naturelle (particules de pierre ponce et de charbon carbonaté) ainsi que l'impact des paramètres du procédé de moulage par agitation sur le pourcentage d'allongement des composites hybrides Al-PP-CCP. Les constituants les plus durs, la silice, l'oxyde de fer et l'alumine, ont été trouvés lors de la caractérisation du renfort, ce qui indique que le PP et le CCP conviennent pour une utilisation comme renfort dans une variété de matrices métalliques, bien qu'ils diminuent la propriété d'allongement en pourcentage. En utilisant l'optimisation des paramètres du processus de moulage par agitation, il a été découvert que le PP a le plus grand impact sur le pourcentage d'allongement du composite hybride, suivi de la température de traitement, de la vitesse d'agitation, du CCP et de la durée d'agitation. En raison de la présence d'un renfort en PP plus résistant et plus rigide, il a été remarqué que le pourcentage d'allongement augmentait à mesure que la composition pondérale du PP diminuait, atteignant un maximum à 2,5 % en poids. Le meilleur pourcentage d'allongement s'est avéré être de 5,6 %, soit 25,43 % de moins que le pourcentage d'allongement de l'alliage d'aluminium sans renfort, à 2,5 % en poids de PP, 2,5 % en poids de CCP, 700 °C PT, 200 tr/min SS et 5 min de temps ST. La valeur d'allongement en pourcentage obtenue à partir du test de confirmation montre que la valeur expérimentale se situe entre la plage de l'intervalle de confiance du pourcentage d'allongement. Avec des valeurs R-Square et R-Square (adj) de 91,60 % et 87,41 %, respectivement, l'analyse de régression a établi un modèle mathématique prédictif pour le pourcentage d'allongement (PE) en fonction des paramètres du processus de moulage par agitation et a fourni un degré élevé de prédiction.

Évaluation des propriétés tribologiques et thermiques du composite hybride.

Les données brutes/traitées nécessaires pour reproduire ces résultats ne peuvent pas être partagées pour le moment car les données font également partie d'une étude en cours (thèse de doctorat).

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Je m'appelle Kogi Ibrahim

Département de génie mécanique, Faculté de génie, Université Ahmadu Bello, Zaria, Nigeria

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Bureau de la chaire professorale Shell JV, Département de génie mécanique, Université Ahmadu Bello, Zaria, Nigéria

Danjouma Saleh Yawas

Département de génie métallurgique et des matériaux, Faculté de génie aérien, Institut de technologie de l'armée de l'air, Kaduna, Nigeria

Adetayo Abdulmumin Adebisi

Département de génie métallurgique et des matériaux, Faculté de génie, Université Ahmadu Bello, Zaria, Nigéria

Adetayo Abdulmumin Adebisi

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Correspondance à Tanimu Kogi Ibrahim.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Ibrahim, TK, Yawas, DS, Dan-asabe, B. et al. Optimisation de Taguchi et modélisation des paramètres du procédé de moulage par agitation sur le pourcentage d'allongement du composite d'aluminium, de pierre ponce et de charbon carbonaté. Sci Rep 13, 2915 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29839-8

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Reçu : 14 novembre 2022

Accepté : 10 février 2023

Publié: 20 février 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-29839-8

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