بخشی از مقاله
چکیده
فرآیند نورد نقش بسیار مهمی را در بین روشهای تولید فلزات دارد. فلز تانتالوم به دلیل خواص منحصربهفردی چون دمای نقطه ذوب بسیار بالا 3017 - درجه سانتیگراد - ، مقاومت به خوردگی عالی و چکشخواری فوقالعاده زیاد کاربردهای بسیار وسیعی را در صنایع مختلف همچون صنایع نظامی، هوافضا و پزشکی به خود اختصاص داده است. در این تحقیق پس از مشخصه یابی اولیه از قطعه تانتالوم ریختهگری شده و آنیل کردن آن بهمنظور رشد دانهها، عملیات نورد سرد با کاهش سطح مقطع 10 و 90 درصدی انجام شد و تحت ارزیابیهای مکانیکی و میکرو ساختاری قرار گرفت. مشاهده شد که به دلیل نرم بودن و خاصیت چکشخواری بسیار بالای تانتالوم، کار مکانیکی میکرو ساختار نمونه تانتالومی را بهشدت تحت تأثیر قرارداد، بهطوریکه دانههای موجود در ساختار با افزایش شدت نورد و رسیدن به 90 درصد کاهش سطح مقطع، جهتگیری کرده و درنهایت در جهت کار مکانیکی اعمالشده به شکل الیاف و باندهای تغییر فرم ظاهر شدند.
کلمات کلیدی: تانتالوم، فرآیند نورد، خواص مکانیکی، میکرو ساختار، چکشخواری
مقدمه
تانتالوم فلزی بارنگ سفید نقرهای به دلیل خواص منحصربهفردی چون دمای ذوب و ضریب شکست بسیار بالا، مقاومت به خوردگی عالی، استحکام مناسب، ظرفیت حجمی بالا و زیست سازگار بودن آن با بدن انسان، کاربردهای بسیار وسیعی را در صنایع نظامی، هوافضا، الکترونیک و پزشکی به خود اختصاص داده است. تانتالوم یکی از پرکاربردترین فلزات دیرگداز میباشد که از کاربرد آن میتوان به ساخت خازن، تجهیزات پزشکی، تولید قطعات موتور جت و عدسی دوربین اشاره کرد.[1] تانتالوم دارای دمای ذوب 3017 درجه سانتیگراد میباشد و تنها نقطه ذوب تنگستن و رنیم از این عنصر بیشتر است. لذا تانتالوم این قابلیت را دارد که استحکامش را در دماهای بالا حفظ کند، به همین دلیل میتوان تانتالوم و آلیاژهای مبتنی بر آن را در کاربردهای دمابالا بهعنوان قطعات کوره و روکشهای فلزی داخل محفظه احتراق در هواپیما و فضاپیما استفاده کرد.[2] این استحکام دمابالای تانتالوم موجب شده است که این فلز جزء مهمی در سوپر آلیاژها تلقی شود به طوری که سوپر آلیاژهای تجاریمعمولاً حاوی 3 تا 12 درصد تانتالوم میباشند.[3]ضمناً تانتالوم به دلیل آنکه در طی آنیل شدن تحت انتقالات فازی قرار نمیگیرد برای آزمایشهای پایهای در مورد تغییر فرم، بازیابی و تبلور مجدد فلزات BCC در گستره وسیع دمایی مناسب میباشد.[4]
در بسیاری از کاربردهای نوین، فلزها و آلیاژها بایستی دارای استحکام بالا و انعطافپذیری مطلوب باشند. درگذشته روش اصلی برای دستیابی به این هدف، افزودن عناصر آلیاژی به ترکیب فلزات خالص و آلیاژها در طی مرحله ذوب بود که اغلب منجر به پیچیدهتر شدن روشهای تولید مانند ذوب، آلیاژسازی، شکلدهی و عملیات حرارتی میشد و هزینههای آن را نیز افزایش میداد. ولی روشهای تولید جدید ترکیبی از روشهای شکلدهی و عملیات حرارتی بهمنظور حصول ریزساختار مطلوب، افزایش استحکام، حفظ خواص چکشخواری و کاهش هزینههای تولید میباشد که تحت عنوان عملیات ترمومکانیکی نامیده میشود.[5]
تاکنون کارهای پژوهشی اندکی در مورد عملیات مکانیکی بر روی تانتالوم خالص انجامشده است. کلارک و همکاران[6] در سال 1991، میکرو ساختار و بافت تانتالوم خالص تحت فرآیندهای مکانیکی را موردبررسی قراردادند. رابه و همکاران[7] نیز در سال 1994 به بررسی بافت و میکرو ساختار نمونههای تانتالوم نورد و آنیل شده پرداختند. در ادامه، ریچاردز و همکاران[8] در سال 2003 پس از آنیل کردن دو نمونه تانتالوم خالص و آلیاژ Ta-2/5w، به مطالعه خواص مکانیکی نمونههای آنیل شده پرداختند. درنهایت در سال 2012 آدیتیا و همکاران[9] به بررسی اثر جهت نورد بر روی میکرو ساختار و خواص مکانیکی تانتالوم پرداختند. در این پژوهش تأثیر فرآیند نورد سرد با کاهش سطح مقطع کم 10 - درصد نورد - و زیاد 90 - درصد نورد - بر روی خواص مکانیکی و میکرو ساختاری تانتالوم موردمطالعه قرار گرفت.
در این تحقیق پس از مشخصه یابی اولیه از قطعه تانتالوم ریختهگری شده و آنیل کردن آن بهمنظور رشد دانهها، عملیات نورد سرد با کاهش سطح مقطع 10 و 90 درصدی انجام شد و تحت ارزیابیهای مکانیکی و میکرو ساختاری قرار گرفت.
مواد و روش تحقیق
قطعه تانتالوم ریختهگری شده باضخامت 2/3 میلیمتر بهمنظور انجام پژوهش از منابع خارجی تهیه شد. این قطعه با استفاده از تکنولوژی ذوب و ریختهگری با پرتو الکترونی تولیدشده بود و ترکیب شیمیایی آن مطابق با جدول 1 میباشد. بهمنظور اطمینان از عدم وجود ترک سطحی در نمونه تانتالوم ریختهگری شده، آزمون غیر مخرب بازرسی با مایع نافذ انجام شد.
مراحل پژوهش، مطابق با روند نمای موجود در شکل 1 میباشد. بهمنظور ارزیابی مکانیکی قطعه تانتالوم اولیه، آزمونهای کشش و سختی بر روی آن انجام شد. جهت انجام آزمون کشش بر اساس استاندارد ASTM E8 از دستگاه کشش سنتام مدل STM400 با ظرفیت 40 تن استفاده شد .[10] در این آزمون، تست بر روی نمونهای با طول سنجه 30 میلیمتر و با سرعت 4 mm/min انجام شد. در آزمون سختی نیز دستگاه سختی سنج مدل M4U-250 ساخت شرکت Emco Test مورداستفاده قرار گرفت. برای اندازهگیری سختی نمونهها از روش آزمون ویکرز با بار 10 کیلوگرم استفاده شد و بهمنظور کاهش خطا، از سهنقطه نمونه، سختی سنجی انجام گرفت و میانگین این سه عدد گزارش شد.
دمای عملیات آنیل تانتالوم بر اساس مقادیر گزارششده، در بازه 900 الی 1300 درجه سانتیگراد قرار دارد7]و.[9 عملیات آنیل در دمای 1100 درجه سانتیگراد انجام شد و رفتار مکانیکی میکرو ساختاری نمونه مورد ارزیابی قرار گرفت. این نمونهها به مدت 180دقیقه، در دمای 1100 درجه سانتیگراد و در اتمسفر گاز محافظ آرگون قرارگرفته ونهایتاً در کوره سرد شدند.
در موارد معمول که تغییر شکل در دماهای محیط صورت میگیرد، تقرباًی تمام انرژی ذخیرهشده ناشی از تجمع نابجاییهاست و تفاوت اساسی بین حالت تغییر شکل یافته و آنیل شده در مقدار و آرایش نابجایی هاست. افزایش چگالی نابجاییها ناشی از به دام افتادن پیوسته نابجاییهای متحرک تازه تولیدشده بهوسیله نابجاییهای قبلی و ترکیب آنها بهصورت مشخصههای مختلف ریزساختاری، از ویژگیهای حالت تغییر شکل یافته محسوب میشود. یکی از سادهترین این مشخصهها شکل دانه است. در حین تغییر شکل، دانههای فلز شکلشان را به نحوی تغییر میدهند که مطابق با تغییر شکل ماکروسکوپی فلز است .[11] بهمنظور بررسی مجدد ساختار میکروسکوپی پس از اعمال کار مکانیکی، تانتالوم آنیل شده با کاهش 10 درصدی و سپس 90
