بخشی از مقاله
مقدمه :
آلياژهاي آلومينيوم جزء مواد پركاربرد درصنايع هوافضا و اتومبيل مي باشند . زيرا اين آلياژها داراي خواص خوبي مانند مقاومت به خوردگي ، شكل پذيري و خواص مكانيكي خوب هستند ولي آلياژهاي آلومينيوم تجاري در دماي بالاتراز 200-300ºC بطورمحسوسي استحكامشان را از دست مي دهند و دركاربردهاي ساختماني ناپايدار و غيرقابل استفاده مي شوند كه اين دما به تركيب و ساختار آلياژ بستگي دارد . تحقيقات گسترده در مورد كاربردهاي آلياژهاي آلومينيوم بواسطه استحكام دهي بالاي آنها در دماي 600ºC توسعه پيدا كرده است .[27]
آلياژسازي مكانيكي (Mechanical Allay) MA آلياژهاي Al-Ti انتخاب خوبي براي اكثر كاربردها هستند زيرا بعلت وجود ذرات ريز Al-Ti و اكسيدها و بيدها مقاومت خوبي را در دماهاي بالاتر از 600ºC نشان مي دهد . استحكام در دماي بالا همراه با چگالي كم ، آلياژهاي Al-Ti را قابل رقابت با موادي مانند تيتانيم و آلياژهاي پايه نيكل مي كند . ولي انعطاف پذيري كم در دماي اتاق باعث شده استفاده عمومي از آنها محدود شود [28,29] ساختار نانوكريستال مي تواند تنها دليل افزايش همزمان سختي و انعطاف پذيري (ductility) باشد .
براي افزايش انعطاف پذيري (duetility) به خوبي استحكام در دماي اتاق براي آلياژ Al-Ti ما مي توانيم ار روش آلياژسازي مكانيكي براي تهيه ساختار نانوكريستال استفاده كنيم زيرا در اين روش اندازه ذرات پودر درحد نانومتر كاهش مي يابد .
مواد نانوكريستال بعنوان يكي از پربهره ترين مواد در دهه اخير مطرح شده اند به سبب اينكه آنها خواص مفيد و بالقوه اي براي كاربردهاي مختلف دارند كه وابسته به اندازه بي نهايت ريزدانه ها است [30,32] و مواد بصورت پودر زماني مي توانند يك ماده با ساختار نانوكريستال با سودهي مناسب را توليد كنند . كه سايز ذرات آنها در حد نانومتر باشد [33] .
در آزمايشات گذشته [34] پودر نانوكريستال آلياژ Al-Ti بطور موفقيت آميزي بوسيله آسياب گلوله اي واكنش دار(RBM) (Reactive ball Milling) در اتمسفر هيدروژن تركيب شده بود و يك نوع ساختار نانومتري كه شامل Al با اندازه اي درحد نانومتر و همچنين ذرات نانومتري TiH2 را به بوجود آورده بود . در ابتدا آسياب كردن ، TiH2 تشكيل شده و زمان تشكيل ساختار را 1 تا 3 ساعت كمتر كرده است [35].
1- جزئيات آزمايشات
1-1 آسياب گلوله اي واكنشي و مشخصات پودر آسياب شده .
پودر آلومينيوم خالص (99.5% , - 325mesh خلوص) و تيتانيم (99.9% , - 325mesh خلوص) با تركيب شيميايي Al-5% at Ti باهم تركيب مي شوند . RBM يك آسياب گلوله اي بزرگ با انرژي زياد است و داراي ظرفيت 7.81 تحت اتمسفر هيدروژن مي باشد شرايط آسياب كردن بوسيله اثري كه بر روي ساختار نانوكريستال آلياژ Al-Ti دارد تعيين مي شود [8] زمان آسياب كردن و سرعت آسياب كردن بترتيب 30 ساعت و 250 rpm مي باشد وزن نهايي پودر 200gr و نسبت گلوله هاي آسياب به پودر 65:1.2wt%? مي باشد عامل كنترل كننده فرآيند استريك اسيد (CH3 (CH2)16 COOH) مي باشد كه اضافه مي شود . قبل از شارژ كردن محفظه آسياب با گاز هيدروژن ، محفظه بايد بوسيله Rotary Pump خلاء بشود ( درحدود 10-3 torr ) . [36]
پودرهاي آسياب شده بعد از طي مرحله آسياب به 200 mesh مي رسند بعد از طي اين مراحل آزمايشاتي بوسيله TEM , SEM , XRD بر روي پودر انجام شد و مشاهده شد اندازه دانه ها كه بوسيله TEM اندازه گيري شده بود با داده هاي تئوري از XRD مطابقت داشت . دماي تجزيه TiH2 و تشكيل Al¬3 Ti بوسيله نمودار DSC در نرخ حرارت دهي 10-3k/s و درحضور اتمسفر آرگون محاسبه شدند . بعد از عمليات حرارتي تغييرات ريزساختار و اندازه دانه با نتايج بدست آمده از TEM , XRD اختلاف داشت . [26]
(Con soli dation Temp) دماي تركيب شدن : به دماي گفته مي شود كه در آن دما همه TiH2 تجزيه شده و Al3Ti تشكيل مي شود . [26]
2-1 اكستروژن گرم
پودرآسياب شده را در الك -200 mesh الك كرده و با اكستروژن گرم پودر را مستحكم مي كنند براي اكستروژن پودر از يك محفظه فلزي بنام can همانطور كه گفته شده استفاده شده بود . براي مستحكم كردن پودر از پرس سرد با فشاري حدود 98MPa درقوطي از جنس AL6063 و يا از جنس Cu مي توان استفاده كرد . اين نمونه به عمليات حرارتي قبل از اكستروژن گرم نياز دارد . قوطي آلومينيومي در دماي 450ºC يا 500ºC به يك ميله تبديل مي شود . البته بعداز عمليات حرارتي درهمان دما و در حدود 1 تا 2 ساعت * سرقوطي را مي توان بوسيله جوش قوس آرگون ببنديم و آن را در دماي 500ºC و بوسيله پمپ rotary بمدت 1 تا 3 ساعت مستحكم كنيم . نسبت اكستروژن 25:1 است و فشار اكستروژن 1.5GPa ، قطر قطعه اكسترود شده 15nm است . [26]
3-2 تستهاي مكانيكي
سختي و ريزسختي وتست كشش بر روي قطعه اكسترود شده انجام شد . سختي بوسيله دستگاه سختي سنج راكول (RockwellB) اندازه گيري شد . اندازه گيري Vickers Micro Hardness با نيروي 500gr و دستگاه Leitz انجام شد . نمونه براي تست كشش از روي ا ستاندارد ASTM- E8M تهيه شده و طول gage آن 20mm بود با قطر سطح قطعه 4mm كه دردستگاه2000LBS SATECDLF20 تست شده . تست كش با نرخ كرنش 4.2 x10-4s-1 در دماي اتاق و دماهاي بالاتر(500ºC , 400ºC , 300ºC) انجام شد . نتايج تست كشش اين قطعه با آلياژ Al-Ti كه بوسيله آلياژسازي مكانيكي و در اتمسفر آرگون تهيه شده بود و سپس اكستروژن گرم شده بود مقايسه مي شود .
چگالي بوسيله قانون ارشميدس اندازه گيري شد . ريزساختار قطعه اكسترود شده و نمونه اي كه تست كشش بروي آن انجام شده بود بوسيله TEM بررسي شد .
سطح شكست نمونه اي كه تست كشش بررسي انجام شده بود بوسيله SEM بررسي شد .
الكتروليت مورد استفاده براي پوشش قطعاتي كه براي آناليز TEM مورداستفاده قرارگرفت شامل 10درصد حجمي اسيدپركلريك Perchloric acid و 90درصد حجمي اتيل الكل (ethyl alcohol) است كه در دماي –25ºC استفاده شد همچنين ولتاژ مورد استفاده هم است . [26]
2- نتايج
آناليز XRD نشان مي دهد كه همه تيتانيوم ها (Ti) بعداز RBM در اتمسفر هيدروژن تبديل به TiH2 شده اند شكل 11 عكسهاي TEMپودر Al-5 at %Ti كه براي 30h دراتمسفر هيدروژن آسياب شده است را نشان مي دهد مدل سطح انتخاب شده تفرق (Selected area diffraction) (SAD) نشان مي دهد كه اين سطح شامل TiH2 , Al است كه بصورت زنجيره اي (Ring) و تصادفي در كنارهم قرار گرفته اند و ساختار ريزي از دانه هاي پلي كريستال را تشكيل مي دهند اندازه دانه هايي كه بطور مستقيم در عكسهاي TEM مشاهده شده كمتر از 20nm است . آناليز TEM نشان مي دهد كه TiH2 , Al اندازه هايي نزديك بهم دارند و داراي پراكندگي غيريكنواخت هستند . نتايج TEM نشان مي دهد كه ريزساختار پودر آسياب شده بصورت تركيبي درحد نانومتر است [36] كه شامل وزارت TiH2 , Al با اندازه اي در حد نانومتر است شكل 12 يك نمودار DSC مربوط به پودرآسياب شده است .
4 واكنش دراين نمودار مشخص است كه واكنشهاي (A , C, D) گرمازا (exothermic) و واكنشي ديگر گرماگير (endothermic) است كه رنج گسترده دمايي آن ازنقطه B شروع مي شود .
براي امتحان مبدأ هر پيك (peak) نمونه پودر را مطابق دماي هر پيك در نمودار DSC گرم كرده و بعد سرد مي كنيم و سپس بوسيله XRD بررسي مي كنيم . اولين پيك گرمازا در 330ºC (نقطه A) تثبيت ساختار غيرپايدار حرارتي را بعنوان grain bounday readering,grain boundary relaxation نتيجه مي دهد . پهناي وسيع واكنشهاي گرماگير در حدود دماي 370º c (نقطه B) شروع مي شود اين نتيجه تأثير واكنشهاي گرماگير از تجزيه TiH2 است و رنج پيوسته و وسيع از يك واكنش آرام را نشان مي دهد . پيك دوم در دماي 390cº (نقطه C) اتفاق مي افتد كه گرمازا است اين پيك خيلي كوچك بروي پيك وسيع واكنش گرماگير قرار مي گيرد و با آن هم پوشاني دارد اين پيك نتيجه آلياژسازي دوباره بين شبكه Ti , Al است كه از تجزيه شدن TiH2 بدست آمده است . واكنش آخر بعد از تجزيه TiH2 در دماي 480º C (نقطه D ) بطور مشخص درنهايت انجام مي شد .
آناليز حرارتي در اين آزمايش شبيه به آزمايش قبلي [8] كه بروي پودري با تركيب Al-10 wt/Ti كه بمدت 50 ساعت در اتمسفر RBM,H2 شده بود است بنابراين دماي واكنش براي اين آزمايش 40-50ºC كمتر از آزمايش قبلي است. و ريزساختار پودر آسياب شده در اين آزمايش ريزتر از آزمايش قبلي بود . در اين مورد آناليز حرارتي پودري با تركيب Al-10wt% Ti كه در اتمسفر آرگون آلياژسازي مكانيكي شده است نشان مي دهد كه AL3Ti بين دماي 260-320ºC تشكيل شده است [37] اما اين يك آزمايش است زيرا Al3Ti قبل از آنكه TiH2 تجزيه شود تشكيل نشده بود . تشكيل Al3Ti با تأخير تا دماي 480ºC انجام مي شود كه بعنوان دماي معمولي تركيب براي آلياژسازي مكانيكي آلياژهاي پودر Al-Ti مطرح است . تأخير در تشكيل Al3Ti مي تواند از رشد دانه هاي Al3Ti در حين عمليات حرارتي و گاززدائي قبل از اكستروژن گرم بواسطه زمان كم حرارت دهي جلوگيري كند .
شكل 13 عسكهاي TEM مربوط به پودري با تركيب Al-5 at%Ti كه در RBM بمدت 30 ساعت آسياب شده و سپس بمدت 20دقيقه در دماي 500ºC عمليات حرارتي شده است را نشان مي دهد . سطح عكس نشان دهنده مدل SAD فازهاي Al-Ti ,Al و Al2O3 را بدون TiH2 را نشان مي دهد اندازه دانه ها نيز در حدود 20nm نگه داشته مي شود . برطبق آناليز DSC دماي مناسب براي تركيب 500ºC است . [26] براي آزمايش ، 4 قطعه براي شرايط متفاوت اكستروژن آماده شده بود . شرايط اكستروژن گرم و مشخصات قطعات اكسترود شده در جدول 2 بيان شده است . فشردگي نسبي همه قطعات99% و بيشتر است . شكل 1+4 عكسهاي TEM مربوط به ريزساختار قطعه اكسترود شده را نشان مي دهد . قطعه اكسترود شده عمدتا شامل ذرات Al3,Ti,Al كه تقريبا سايزي حدود 50nm تا 100nm دارند كه وابسته به شرايط اكستروژن است و تصوير TEM آنها در شكلهاي 4(c),4(a) نشان داده شده است .
ريزساختار قطعه اكسترود شده تركيبي از Al3Ti,Al كه بصورت پودر است اندازه دانه هم در فرآيند گاز زدائي و هم در فرآيند عمليات حرارتي قبل از اكستروژن با كم كردن دما و كوتاه كردن زمان فرآيند افزايش مي يابد. [26] اندازه دانه نمونه 4 كمتر از 50nm مي باشد اين يكي از ريزترين اندازه دانه ها در آلياژهاي Al-Ti است اندازه دانه نمونه هاي آسياب شده در RBM تحت H2 كه اكستروژن گرم شده اند نسبت به قطعاتي كه به روشي آلياژسازي مكانيكي تحت Ar تهيه شده و سپس اكستروژن گرم شده (كه اندازه اي حدود 150-40nm دارند شكل 4(d)) خيلي ريزترند .
Al4c3 , Al2o3 بوسيله واكنشهاي بين C , O , AL در فرآيندي كه عامل كنترل كننده واكنش نيز حضور دارد ايجاد مي شود كه بصورت ذرات پراكنده وجود دارند . اكسيدهايي كه درشكل 4(e) مشخص است به شكل دايره اي با قطر 10nm هستند كه در داخل دانه ها مشاهده مي شود . كاربيدها همانطور كه درشكل 4(f) مشاهده مي شود به صورت استوانه اي هستند كه معمولا در مرز دانه ها قرار مي گيرد .با اينكه Al4c3 , AL2O3 بطور يكنواخت در درون شبكه پراكنده نمي باشند ولي آنها مي توانند استحكام اوليه بيشتري در مقايسه با Al3Ti ايجاد كنند زيرا آنها خيلي ريزترند .
نتايج تست سختي و ريزسختي (micro hardness) در جدول 2 بيان شده است هم سختي و هم ريزسختي با كاهش اندازه دانه افزايش مي يابد . [26] درمورد قطعه شماره 4 اندازه دانه كمتر از 50nm است كه بطور فوق العاده اي در مقايسه با ديگر نمونه ها تفاوت دارد اين قطعه در قوطي Cu (can) ساخته شده كه تأثير اين نوع قوطي (can) درخواص قطعات اكسترود شده بطور واضح مشخص نيست . به همين خاطر جزئيات قطعه شماره 4 در ادامه نيامده است در آزمايشات [38] نشان داده شده بود كه ريزسختي (micro hardness) آلياژ Al-8at% Ti كه به روش آلياژسازي مكانيكي تحت اتمسفر Ar توليد شده و سپس اكسترود شده 160Hv بوده است و همچنين آلياژي با تركيب Al-5at% Ti كه پودر آن در RBM آسياب شده و سپس اكسترود شده است 197.5-231.7Hv مي باشد و بنابراين حدود 23-45% بالاتر از قطعه اي است كه بروش آلياژسازي مكانيكي (MA) تهيه شده است و اين بدين خاطراست كه ريزساختار Al همانند AL3Ti درقطعه آسياب شده در RBM و اكسترود شده نيز درحد نانومتر است .
