بخشی از مقاله
چکیده
ترکیب بینفلزی آلومینایدنیکل بهعلت خواص مطلوبی مانند دانسیته پایین، نقطه ذوب بالا، هدایت حرارتی خوب و مقاومت عالی به اکسیداسیون و خوردگی دارای اهمیت زیادی برای پژوهشگران است. در این تحقیق ابتدا ترکیب بینفلزی نانوساختار آلومینایدنیکل به روش آلیاژسازی مکانیکی تولید گردید. به منظور بررسی فازهای ایجاد شده و مورفولوژی ذرات پودری از آنالیزXRD و SEM استفاده شد. در زمانهای اولیه آسیاکاری، ترکیب NiAl طی یک واکنش شدیدا گرمازا بعد از باز کردن درب ظرف تشکیل شد. نتایج نشان داد با افزایش زمان آسیاکاری به دلیل افزایش مقدار انرژی وارد شده به نمونههای پودری، ترکیب NiAl پیش از زمان انتخابی آسیاکاری در ظرف تشکیل میشود. سپس تاثیر فلز منیزیم بهعنوان عنصر میکروآلیاژی با مقادیر متفاوت به منظور بهبود خواص مکانیکی به ترکیب مورد بررسی قرار گرفت. یافتهها حاکی از این بود که افزایش میزان عنصر منیزیم روند تشکیل ترکیب بینفلزی نانوساختار آلومینایدنیکل را تسریع میکند. آنالیزها نشان دادند که با افزایش زمان آسیاکاری تا 80 ساعت کرنش دریافتی توسط ذرات پودر افزایش یافته است و پس از 80 ساعت روند کاهشی در میزان کرنش دریافتی توسط ذرات پودر مشاهده شد. علاوه بر این افزودن منیزیم به ساختار سبب کاهش اندازه کریستالی ذارت شد؛ بهطوریکه کوچکترین اندازه ذرات 6 - نانومتر - در حضور مقادیر 1 و 3 درصد وزنی منیزیم مشاهده شد.
واژههای کلیدی: آلیاژسازی مکانیکی، ترکیب بینفلزی، آلومینایدنیکل
-1 مقدمه
ترکیبات بینفلزی دارای خصوصیاتی نظیر سختی بالا، مقاومت به سایش مناسب، استحکام و مقاومت به اکسیداسیون و خوردگی مناسب میباشند. از این رو در بسیاری از کاربردها نظیر صنایع هوافضا، کاربردهای الکترونیکی، المنت های گرمکننده الکترونیکی، ژنراتورها و توربینها و اجزای موتورهای دیزلی، اجزای ساختمانی سیستم های تبدیل انرژی، مهندسی پزشکی، صنایع شیمیایی، مواد مغناطیسی و مواد ذخیره کننده هیدروژن مورد توجه مهندسین و محققین قرار گرفتهاند . 1- 4
یکی از فرآیندهای تولید ترکیبات بینفلزی و کامپوزیتهای زمینه بین فلزی آلیاژسازی مکانیکی است. این فرآیند به دلیل اجتناب از استحاله مذاب- جامد نسبت به سایر روشهای تولید ترکیبات بین فلزی ترجیح داده میشود. از مزایای این فرآیند میتوان به بهبود شکل پذیری و استحکام در اثر ریز شدن دانهها و شکل گیری ذرات پراکنده اشاره کرد . 5
در مواد نانوساختار بهدلیل اندازه دانههای فوق العاده ریز، کسر زیادی از اتمها در مرز دانه ها قرار گرفته و درنتیجه اینگونه مواد، ترکیبی از خواص فیزیکی، مکانیکی و مغناطیسی عالی از خود نشان میدهند. این مواد دارای استحکام بالا، سختی زیاد و سرعت نفوذ فوق العاده بالا میباشند؛ که منجر به کاهش زمان زینتر، در مورد پودرهای فشرده میشوند. این مواد بهوسیله فرآیندهایی که به صورت فاز بخار - مثلا تصعید گاز خنثی - ، فاز مایع - مثلا رسوب الکتریکی و انجماد سریع - و حالت جامد - برای مثال آلیاژسازی مکانیکی - ساخته می-شود 7،. 6
آلیاژسازی مکانیکی ارزانترین، سادهترین و دردسترس ترین ابزار برای تولید ترکیبات بینفلزی در دهه اخیر شناخته شده است. این فرآیند شامل تغییر شکل تکراری - جوش خوردن، شکستن و جوش خوردن مجدد - ذرات پودر در یک آسیاب پرانرژی است تا زمانی که ترکیب مورد نظر بهدست آید. جوش سرد و شکست دو پدیده عمده درآلیاژسازی مکانیکی هستند. فرآیند آلیاژسازی تا زمانی ادامه مییابد که نرخ جوش خوردن با شکست در تعادل باشد. از آنجا که این فرآیند در حالت جامد انجام میشود، امکان تولید آلیاژهای جدید از مخلوط
مواد اولیه با نقطه ذوب پایین و بالا را فراهم نموده است. معمولا مواد اولیه مورد استفاده در آلیاژسازی مکانیکی بایستی دارای حداقل یک جز فلزی نرم بهعنوان زمینه و یا عامل پیوند دهنده سایر اجزا با یکدیگر باشند اما بسیاری از بررسیها نشان داده است که قابلیت تشکیل محلول جامد از فلزات ترد نیز وجود دارد. همچنین با توجه به انجام کامل فرآیند درحالت جامد، محدودیت دیاگرام فازی در این روش وجود ندارد .[8]
هدف از این پژوهش تولید ترکیب بینفلزی آلومیناید نیکل نانوساختار به روش آلیاژ سازی مکانیکی و بررسی تاثیر منیزیم بر ریز ساختار و خواص مکانیکی این ترکیب است.
-2 مواد و روش تحقیق
در این تحقیق از پودر عناصر Ni، Alو Mg با خلوص بالای 90 درصد وزنی با میانگین اندازه ذرات کمتر از 10 میکرومتر، بهعنوان مواد اولیه برای عملیات آسیابکاری استفاده گردید. عملیات آسیابکاری توسط یک آسیاب سیارهای ساخت کشور ایران با ظرفی از جنس فولاد تمپر شده به حجم 250 میلیلیتر و مجهز به سیستم محافظت با گاز آرگون انجام شد. باتوجه به امکان بررسی دقیق پارامترهای موجود در این پژوهش سعی شده است با ثابت نگه داشتن پارامترهای مختلف به طور خاص به اثر مدت زمان آسیابکاری و ترکیب شیمیایی بر خواص ساختاری ترکیب تولیدی پرداخته شود.
عملیات آسیابکاری در زمانهای مختلف 8، 16، 48، 80، 128 ساعت و با سرعت 250 دور بر دقیقه انجام پذیرفت. با تغییر درصد وزنی عنصر منیزیم چهار ترکیب مختلف NiAl ، Ni49.5Al49.5Mg1 ، Ni48.5Al48.5Mg3 و Ni47.5Al47.5Mg5 مورد بررسی قرار گرفتند.
از اتانول به اندازه 3 درصد وزنی به عنوان عامل کنترل فرآیند استفاده گردید. نسبت وزنی گلوله به پودر 20 به 1 در نظر گرفته شد. برای این هدف گلولههای فولادی با دو اندازهی متفاوت درون محفظه آسیاب قرار داده شد. - زیرا با انتخاب ابعاد متفاوت، گلولهها حرکت تصادفی بیشتری دارند و انرژی بیشتری به پودر منتقل می شود. -
سپس با استفاده از دستگاه پراش اشعه ایکس - - XRD نمونههای پودری تحت بررسی قرار گرفتند و از آن ها الگوی XRD تهیه شد.
همچنین با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - از مورفولوژی ذرات پودر تصویر تهیه گردید.
-3 نتایج و بحث
واکنش میان مخلوط پودری بلافاصله پس از هر بار باز شدن درب ظرف آسیاب در زمانهای مختلف به سه صورت مشاهده شد، جدول شمارهی1 نحوه تشکیل آلومیناید نیکل را در زمانهای مختلف آسیابکاری و مقادیر مختلف منیزیم نشان میدهد.
جدول شمارهی-1 نحوهی تشکیل آلومیناید نیکل با تغییر زمان آسیابکاری و مقدار منیزیم
همانطور که در جدول شمارهی 1 پیداست، بعد از 8 ساعت آسیابکاری نمونهی بدون منیزیم و دارای 1 و 3 درصد وزنی منیزیم بلافاصله پس از باز شدن درب ظرف هیچگونه واکنش احتراقی نداشتند در صورتیکه در همان شرایط در نمونهی پودری حاوی 5 درصد وزنی منیزیم واکنش همراه با شعله دیده شد.
بعد از 48 ساعت آسیابکاری هر سه نمونهی حاوی منیزیم پس از باز شدن درب ظرف واکنش احتراقی ناگهانی یا انفجاری داشتند و مقداری از پودرهای موجود در ظرف با سرعت به بیرون پاشیده شد.
بعد از 128 ساعت آسیابکاری پس از باز شدن درب ظرف در هیچیک از نمونهها هیچگونه شعله و انفجاری رؤیت نشد.
$O و 1L در حین عملیات آسیابکاری بهتدریج در شبکهی کریستالی یکدیگر نفوذ کرده و از آنجا که هر دو عنصر شبکه کریستالی مشابهی دارند - ساختار مکعبی با وجوه مرکز دار - در هم حل میشوند
ولی این حل شدن بیشتر از حد تعادلی است در نتیجه محلول فوق اشباعی از این دو عنصر در حالت جامد تشکیل میشود که دارای انرژی مکانیکی ذخیره شده زیادی است و بنابراین ناپایدار بوده و اگر شرایط مساعدی فراهم شود با دریافت انرژی فعال سازی به ترکیب بینفلزی آلومیناید نیکل که دارای سطح انرژی کمتری است تبدیل میگردد و انرژی ذخیره شده به صورت گرما آزاد میشود.
زمان 8 ساعت آسیابکاری برای نمونهی بدون منیزیم و دارای 1 و 3 درصد وزنی منیزیم در حدی نبوده که $O و 1L در یکدیگر به مقدار زیاد نفوذ کنند، بنابراین پس از باز شدن درب ظرف هیچگونه واکنش احتراقی دیده نشد. اما در زمان مشابه در ترکیب حاوی 5 درصد وزنی منیزیم واکنش همراه با شعله دیده شد زیرا منیزیم با حل شدن در شبکه نیکل، حل شدن آلومینیوم در نیکل را تسریع میکند که بهسبب ناپایداری پس از باز شدن درب ظرف و با اکسید شدن لایه سطحی ذرات و حرارت ناشی از آن از سد انرژی لازم برای تشکیل آلومیناید نیکل گذر کرده و به عبارتی واکنش تشکیل این ترکیب را تسریع میکند و از آنجا که این واکنش گرمازا است انرژی آزاد شده به صورت شعله دیده میشود.
با افزایش زمان آسیابکاری تا 48 ساعت پودرهای $O و1L تحت انرژی مکانیکی بیشتری قرار میگیرند و به مقدار بیشتری در هم نفوذ میکنند در نتیجه انرژی ذخیره شدهی بسیار زیادتری نسبت به نمونههای 8 ساعت آسیابکاری شده دارند؛ پس بهشدت ناپایدار هستند و پس از باز شدن درب ظرف آزمایش به محض ورود هوا به پودرها، مقداری از سطح ذرات اکسید شده و گرمای حاصل از این اکسیداسیون انرژی فعالسازی تشکیل آلومیناید نیکل را فراهم میکند و همچنین گاز موجود در بین ذرات پودر بهسرعت منبسط شده و باعث میشود پودر ها بهشدت به بیرون پاشیده شوند.
پس از 128 ساعت آسیابکاری، پودر های $O و 1L زمان کافی برای فرآیند تشکیل آلومیناید نیکل را داشتند و تا قبل از این ساعت ترکیب 1L$O تشکیل شده و بعد از آن مورد آسیابکاری قرار گرفته است بههمین علت پس از باز شدن درب ظرف هیچ واکنش احتراقی مشاهده نشد.
در شکل شمارهی1، الگوی پراش اشعه ایکس مربوط به نمونه با ترکیب Ni49.5Al49.5Mg1 در مدت زمانهای متفاوت آسیابکاری
