استفاده از الگوریتم بهینه‌سازی در شبیه‌سازی فرایند تف‌جوشی پلاسمای جرقه‌ای نمونه کامپوزیتی Si3N4-SiO2

نویسندگان

1 1- دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی اصفهان

2 2- دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، اصفهان

3 3- دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه یزد

چکیده

در فرایند تف‌جوشی پلاسمای جرقه­ای، اعمال هم‌زمان فشار مکانیکی و بار الکتریکی روی نمونه پودری، موجب حصول نمونه‌ای با چگالی نزدیک به مقدار نظری می‌شود. در این پژوهش به شبیه‌سازی اجزای محدود کوپل الکتریکی- حرارتی- مکانیکی سیستم تف‌جوشی پلاسمای جرقه‌ای و استفاده از الگوریتم بهینه‌سازی چند هدفه برای بهینه‌سازی متغیر‌های قالب، پرداخته شده است. شبیه‌سازی صورت گرفته برای نمونه کامپوزیتی Si3N4-SiO2 با نسبت مولی 1:1 مطابقت خوبی با آزمون‌های تجربی داشت. به کمک الگوریتم ژنتیک چند هدفه، بهینه‌‌سازی ابعاد قالب به منظور حداکثر نمودن دمای مرکز نمونه و حداقل کردن "تنش فون میسز" در قالب صورت گرفت. نتایج نشان می‌دهد پس از بهینه‌سازی ابعاد قالب، دمای مرکز نمونه حدود 8 درصد افزایش و اختلاف دمای مرکز نمونه و سطح قالب در حدود 18 درصد کاهش یافت. این موضوع موجب یکنواختی بهتر در توزیع تخلخل نمونه نهایی گردید.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Use of Optimization Algorithm for Simulation of Spark Plasma Sintering Process in Si3N4-SiO2 Composite

نویسندگان [English]

  • M. Rezazadeh 1
  • A. Saatchi 1
  • R. Emadi 1
  • A. Saatchi 1
  • A. Ghasemi 2
  • M. Rezaeinia 3
1 1- Department of Materials Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan
2 2- Department of Materials Engineering, Malek-Ashtar University of Technology, Isfahan
3 3- Department of Mechanical Engineering, University of Yazd, Yazd
چکیده [English]

Simultaneous application of mechanical pressure and electrical charge on powder samples in spark plasma sintering process, has resulted in a sample with a density close to the theory. In the present study, a thermal-electrical-mechanical coupled finite element model of spark plasma sintering system using multi-objective optimization algorithm is proposed to optimize the mold variable. The simulation performed for Si3N4-SiO2 (1:1 mol) specimen has good agreement with the experimental results. Multi-objective genetic algorithms was used for optimization of mold design in order to maximize the temperature of sample core and minimize the mises stress in the mold. The results show that the optimized dimensions cause 8% increase in sample temperature and about 18% decrease in temperature difference between mold surface and sample core. This leads to better uniformity in the porosity distribution of final sample.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Spark plasma sintering
  • finite element method
  • optimization
  • Multi-objective genetic algorithm

مراجع

1. Garay, J., "Current-Activated, Pressure-Assisted Densification of Materials", Annual Review of Materials Research, Vol. 40, pp. 445-468, 2010.
2. Orru, R., Licheri, R., Locci, A. M., Cincotti, A. and Cao, G., "Consolidation/Synthesis of Materials by Electric Current Activated/Assisted Sintering", Materials Science and Engineering: R: Reports,
Vol. 63, No. 4, pp. 127-287, 2009.
3. Matsugi, K., Kuramoto, H., Hatayama, T. and Yanagisawa, O., "Temperature Distribution at Steady State under Constant Current Discharge in Spark Sintering Process of Ti and Al2O3 Powders", Journal of Materials Processing Technology, Vol. 134, No. 2, pp. 225-232, 2003.
4. Anselmi-Tamburini, U., Gennari, S., Garay, J. and Munir, Z. A., "Fundamental Investigations on the Spark Plasma Sintering/Synthesis Process: II. Modeling of Current and Temperature Distributions", Materials Science and Engineering: A, Vol. 394, No. 1, pp. 139-148, 2005.
5. Vanmeensel, K., Laptev, A., Hennicke, J., Vleugels, J. and Van der Biest, O., "Modelling of the Temperature Distribution during Field Assisted Sintering", Acta Materialia, Vol. 53, No. 16,
pp. 4379-4388, 2005.
6. Wang, Y. C., Fu, Z. Y. and Wang, W. M., "Numerical Simulation of the Temperature Field in Sintering of BN by SPS", Key Engineering Materials, Vol. 249, pp. 471-476, 2003.
7. Wang, X., Casolco, S., Xu, G. and Garay, J., "Finite Element Modeling of Electric Current-Activated Sintering: The Effect of Coupled Electrical Potential, Temperature and Stress", Acta Materialia, Vol. 55, No. 10, pp. 3611-3622, 2007.
8. Vanmeensel, K., Huang, S., Laptev, A., Vleugels, J. and Van der Biest, O., "Modeling of Field Assisted Sintering Technology (FAST) and its Application to Electro‐Conductive Systems", Advanced Processing and Manufacturing Technologies for Structural and Multifunctional Materials II: Ceramic Engineering and Science Proceedings, Vol 29, No. 9, pp. 109-122, 2008.
9. Grasso, S., Sakka, Y. and Maizza, G., "Pressure Effects on Temperature Distribution during Spark Plasma Sintering with Graphite Sample", Materials Transactions, Vol. 50, No. 8, pp. 2111-2114, 2009.
10. Chennoufi, N., Majkic, G., Chen, Y. and Salama, K., "Temperature, Current, and Heat Loss Distributions in Reduced Electrothermal Loss Spark Plasma Sintering", Metallurgical and Materials Transactions A, Vol. 40, No. 10, pp. 2401-2409, 2009.
11. Mondalek, P., Silva, L., Durand, L. and Bellet, M., "Numerical Modelling of Thermal-Electrical Phenomena in Spark Plasma Sintering", American Institute of Physics Conference Series, Vol. 1252,
pp. 697-704, 2010.
12. Munoz, S. and Anselmi-Tamburini, U., "Temperature and Stress Fields Evolution during Spark Plasma Sintering Processes", Journal of Materials Science, Vol. 45, No. 23, pp. 6528-6539, 2010.
13. Zhang, J. and Zavaliangos, A., "Discrete Finite-Element Simulation of Thermoelectric Phenomena in Spark Plasma Sintering", Journal of electronic materials, Vol. 40, No. 5, pp. 873-878, 2011.
14. Li, X., Wu, P. and Zhu, D., “Fabrication and Properties of Porous Si3N4–SiO2 Ceramics with Dense Surface and Gradient Pore Distribution”, Ceramic International, Vol. 40, No. 3, pp. 5079–5084, Apr. 2014.
مواد پیشرفته در مهندسی
دوره 35، شماره 3
آذر 1395
صفحه 29-43

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار

ارتقاء امنیت وب با وف ایرانی