بخشی از مقاله
چکیده
انتخاب عامل کنترلکنندهی فرآیند مناسب و اضافه کردن آن به میزان مناسب، میتواند به انجام آسیاکاری مکانیکی فلزات نرم کمک کند - جلوگیری از چسبندگی و آگلومره شدن پودر - . در این پژوهش تولوئن به میزان 2 و اسید استئاریک به میزان 2 و 1% وزنی به پودر اولیهی مس و تانتالم اضافه شدند و سپس آسیاکاری روی آنها انجام شد. با توجه به تصاویر SEM تهیهشده از پودرها، پودر نانوکریستالی مس- تانتالم، با افزودن %2 وزنی اسید استئاریک کمترین اندازه ذرات پودر را دارد. نتایج حاصل از الگوی XRD و تصاویر TEM اندازه کریستالیتهای بین 13/6 تا 41/2 nm را برای همهی نمونهها نشان داد که این حاکی از نانوکریستالی بودن همهی نمونههای تولیدشده است. با توجه به الگوی XRD، تصاویر TEM و الگوی پراش ناحیهی انتخابی، درمجموع افزودن %1 وزنی اسید استئاریک ساختار همگنتر و ریزدانهتری را نسبت به دیگر ساختارها میدهد.
کلمات کلیدی: عامل کنترلکنندهی فرآیند، آسیاکاری مکانیکی، پودر نانوکریستالی مس- تانتالم
-1 مقدمه
آلیاژهای نانوکریستالی مس- تانتالم متعلق به دستهای از مواد امتزاجناپذیر با مقاومت بالا و پتانسیل قابلتوجهی جهت کاربردهای دمای بالا هستند. عناصر این سیستم در حالت خالص دارای ساختارهای متفاوت و عدم حلالیت متقابل در حالت جامد هستند. مس دارای ساختار FCC و تانتالم دارای ساختار BCC است. درجه حرارت ذوب مس و تانتالم نیز بسیار متفاوت و عبارتاند از: 1356 برای مس و 3290K برای تانتالم. این آلیاژها در مقایسه با بسیاری از آلیاژهای نانوکریستالی دیگر بهشدت نسبت به درشتدانه شدن با افزایش دما مقاوم هستند. آلیاژهای نانوکریستالی مس- تانتالم با توجه به استحکام و سختی بالای تانتالم، دارای خواص مکانیکی بالا، و درعینحال با توجه به داشتن ماتریس مسی دارای رسانندگی مناسبی نیز هستند.
آسیاکاری مکانیکی با مخلوط کردن پودرهایی که با نسبتهای صحیح در محفظهی آسیا شارژ شدهاند آغاز میشود. این مخلوط سپس به مدت لازم، تا رسیدن به شرایط پایدار آسیاکاری میشود. شرایط پایدار زمانی است که اندازه دانه در کمترین ابعاد، و ترکیب تا حد ممکن همگن شده باشد. مشاهدهشدهکه تقریباً با هر مادهای در این فرآیند میتوان دانههای در ابعاد نانو به دست آورد به شرطی که به مدتزمان مناسب فرآیند آسیاکاری انجام شود، اندازه دانهها با افزایش زمان آسیاکاری کاهش مییابند تا آنجایی که به یک اندازهی کمینه برسند که به نظر میرسد با دمای ذوب رابطهی معکوس داشته باشد؛ البته پس از زمان بهینه، رشد دانه اتفاق خواهد افتاد .
متغیرهای مختلفی بر آسیاکاری اثر میگذارند، که از آنها میتوان به عوامل کنترلکنندهی فرآیند1 اشاره کرد. عوامل فعال سطحی آلی، عوامل کنترلکنندهی فرآیند یا PCA نامیده میشوند که برای ایجاد تعادل بین جوش سرد و شکست و افزایش بازده فرآیند، به مواد موردنظر اضافه میشوند. PCAها با ایجاد پوشش روی سطح پودرها آنها را کنترل کرده و مانع از چسبیدن آنها به محفظه، گلولهها یا یکدیگر میشوند. در حین فرآیند آسیاکاری مکانیکی PCAها به لایههای پودر نفوذ کرده و در آن پخش میشوند .
در فرایند آسیاکاری بسته به ترکیب ماده مورداستفاده از عوامل کنترلکنندهی فرآیند متفاوتی استفاده میشود، بهعنوانمثال در کاری که انجام دادند از تولوئن - C6H5-CH3 - بهعنوان عامل کنترلکنندهی فرآیند برای آسیاکاری آلیاژ نانوکریستالی Cu-Cr استفاده شد. مشاهده شد که آلیاژسازی مکانیکی در حضور تولوئن بهتر انجام میگیرد.تحقیقات روی آسیاکاری مکانیکی پودرهای مس و تانتالم نشان داد که انجام آسیاکاری در حضور تولوئن باعث ایجاد ساختار بسیار ریزدانه در پودرهای نانوکامپوزیتی Cu-Ta میشود. اسید استئاریک - CH3 - CH2 - 16COOH - نیز از عوامل کنترلکنندهی فرآیند کاربردی درزمینهی آسیاکاری مکانیکی است، برای مثال در کاری که روی آلیاژسازی مکانیکی Ti-Mg انجام دادند از اسید استئاریک بهعنوان عامل کنترلکنندهی فرآیند استفاده کردند. نتایج این تحقیق نشان میدهد که با افزودن % 2 وزنی اسید استئاریک به نمونهها 40% استحکام پودر آسیا شده افزایش مییابد. بااینحال از طرف دیگر سینتیک فرآیند آلیاژی شدن با کاهش همراه بوده است. در ضمن دیده شد که با افزایش میزان اسید استئاریک رفتار یکسانی دیده نمیشود، بدین معنا که افزایش تا 4% وزنی اسید استئاریک کاهش اندازه پودر را به دنبال دارد ولی با افزایش میزان اسید استئاریک به مقدار 6% وزنی اندازهی پودرها بهشدت افزایش مییابد. بنابراین افزایش میزان اسید استئاریک به هر میزانی، در فرآیند کاهش اندازه ذرات پودر مؤثر نخواهد بود و ممکن است در مقادیر مختلف عامل کنترلکننده رفتار متفاوتی دیده شود. نتایج مشابهی توسط با استفاده از اسید استئاریک و پلیاتیلن گلیکول گزارش شده است. تحقیق دیگری اثر اسید استئاریک را بر رفتار مس تولیدشده از طریق واکنش مکانوشیمیایی بررسی کردند. در این پژوهش مس نانوکریستالی از طریق کاهش Cu2O به Cu با استفاده از کربن تولید شد. افزودن اسید استئاریک به پودرها در این پژوهش از سویی باعث کاهش سینتیک واکنش شیمیایی مورد نظر، و از سوی دیگر باعث کاهش اندازه کریستالیتها و اندازهی ذرات پودر شد. نیز اثرات اتانول بهعنوان عامل کنترلکنندهی فرآیند را در آسیاکاری نمونهی پایه مسی مورد بررسی قراردادند. نتایج این مطالعه نشان داد که وجود اتانول در سطح پودرها از جوش سرد و آگلومراسیون پودرها جلوگیری میکرد. همچنین در راستای تولید آلیاژهای نانوساختار Ni-Cu با آسیای گلولهای سیارهای، از اتانول بهعنوان عامل کنترلکنندهی فرآیند استفاده کردند که نتیجهی آن به دست آوردن آلیاژ نانوساختار همگن از نیکل و مس بود.
-2 مواد و روش انجام آزمایش
پودر مس الکترولیز شده با خلوص بالای %99 و اندازهی کمتر از 45 µm به همراه پودر تانتالم با شرایط ذکرشده در جدول 1 در محفظهی آسیای گلولهای- سیارهای از جنس فولاد سختکاری شده جهت انجام آسیاکاری به مدت 48 ساعت در شرایط اتمسفر آرگون شارژ شدند. ازآنجاکه به دلیل چسبندگی بسیار بالای نمونههای مس- تانتالم به محفظهی آسیا و گلولهها بدون اضافه کردن عامل کنترلکنندهی فرآیند، امکان آسیاکاری آن نبود، بنابراین نمونههای مس- تانتالم فقط با داشتن عامل کنترلکنندهی فرآیند آسیاکاری شدند. نسبت وزنی گلوله به پودر 10:1و سرعت چرخش 600 دور بر دقیقه، و گلولههای ساینده از جنس فولاد 100Cr-6 با قطر 10 میلیمتر بودند. در این آزمایش از تولوئن و اسید استئاریک بهعنوان عوامل کنترلکنندهی فرآیند برای آسیاکاری نمونههای Cu-1 at. % Ta استفاده شدند که هدف از استفاده از این مواد جلوگیری از چسبیدن پودرها به محفظه و گلولهها، و نیز جلوگیری از آگلومره شدن پودرها و کاهش اندازهی پودرها و ساختار داخلی آنها بود.
جدول -1 جزئیات مربوط به عوامل کنترلکنندهی فرآیند و ترکیب نمونههای آسیاکاری شده به مدت 48 ساعت
درصد عامل کنترلکنندهی فرآیند - % - Wt. ترکیب نمونه
برای مشخصهیابی هر نمونه و تعیین فازها و اندازه کریستالیتها و عناصر موجود، پس از انجام آسیاکاری و تهیهی پودرها، ابتدا الگوی پراش اشعهی ایکس - XRD - 1 از هر نمونه با طول موج - 1 - = 0.15406 بهوسیلهی دستگاه Philips-PW1800 و با محدودهی زاویهای 2θ = 30 − 99° تهیه شد، سپس الگوهای تهیه شده با استفاده از نرمافزار X'pert Highscore مورد تحلیل فازی و عنصری قرار گرفت. محاسبهی اندازه کریستالیتها نیز با استفاده از روشهای شرر و ویلیامسون- هال صورت گرفت.
در رابطهی - 1 - که مربوط به روش شرر است میزان پهن شوندگی نمودار، θ زاویهی پراش، طول موج، اندازهی متوسط کریستالیتها و K عددی ثابت است که برای پهنشدگی در نیمهی ارتفاع - FWHM - 2 میزان آن 0/9 و برای پهنشدگی انتگرالی3، محاسبهشده از تابع Pseudo-Voigt، میزان آن یک است
درروش ویلیامسون- هال با استفاده از رابطهی - 2 - ، و از طریق به دست آوردن عرض از مبدأ نمودار βCos - θ - برحسب Sin - θ - ، میانگین اندازه کریستالیتها محاسبه میشود.
جهت تعیین اندازه ذرات پودر و مورفولوژی پودرها، تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - 4 با استفاده از دستگاه Philips XL 30 با فیلمان LaB6، از نمونههای آسیاکاری شده تهیه شد. بررسی اندازه کریستالیتهای نمونه و میزان پراکندگی آنها، به ترتیب از روی تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری - TEM - 5 و الگوی پراش ناحیهی انتخابی6، که با استفاده از دستگاه
