بخشی از مقاله
چکیده:
در این ژوهش، یک نانوکامپوزیتی پایه آلومینیمی تقویت شده با 10 درصد وزنی یک آلیاژ فلزی پیچیده از جنس Al3Mg2 ساخته شد. بدین منظور، ترکیب پودرهای اولیه شامل پودر خالص Al و پودر در یک آسیای گبوبه ای به مدت زمان های مختلف 0 - ، 2، 5، 7، 10، 15 و 20 ساعت - تحت آسیاکاری مکانیکی پر انرژی قرار گرفت. ترکیب فازی، اندازه کریستالیت و کرنش شبکه ای پودرهای نانوکامپوزیتی آسیا شده توسط آنالیز پراش اشعه ایکس - XRD - بررسی شد .
تعیین فاز و مورفولوژی پودرهای آسیا شده به کمک میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی - FESEM - و میکروسکوپ الکترونی عبوری - TEM - مجهز به طیف سنجی پراش انرژی - EDS - انجام شد. نتایج نشان داد که با افازیش زمان آسیاکاری، اندازه کریستالیت پودرهای نانوکامپوزیتی کاهش و مرنش شبکه ای ذخیره شده شدیداً افزایش می یابد. همچنین، مطابق با نتایج حاصل از TEM، یک توزیع یکنواخت از ذرات Al3Mg2 در زمینه Al بعد از 15 ساعت آسیاکاری به دست می آید. از طرفی دیگر، کلوخه ای شدن پودرهای نانوکامپوزیتی به طور قابل توجهی بعد از آسیاکاری کاهش می یابد.
.1 مقدمه
امروزه، برای بهبود خواص فلزات که قادر به تأمین نیازهای کاربردهای خاص نیستند، مواد کامپوزیتی ابداع شده اند. از طرفی، کارآیی نانوکامپوزیت های زمینه فلزی، در ایجاد تعادل بین خواص مکانیکی مواد نانو و میکروساختار مانند سختی، مدول یانگ، استحکام تسلیم، استحکام کششی بیشینه - UTS - و داکتیلیتی، به دلیل افزودن نانوذرات تقویت کننده به داخل زمینه، بهتر است .
یکی از انواع مواد جدید ابداع شده که می تواند به عنوان عامل تقویت کننده در کامپوزیت های زمینه فلزی - MMCs - استفاده شود، آلیاژهای فلزی پیچیده - CMAs - می باشند. این آلیاژها ترکیبات بین فلزی با سلول های واحد بسیار بزرگ دارای بیش از هزاران اتم در سلول واحد خود هستند .[2] در عمل، CMA ها خواص جالب متعددی برای استفاده به عنوان تقویت کننده دارند که از جمله مهمترین آنها می توان به نسبت استحکام به وزن بالا، مقاومت خوب در برابر اکسیداسیون و استحکام در دمای بالا اشاره کرد .
روش متالورژی پودر می تواند کامپوزیت های زمینه فلزی را در مقادیر مختلف از تقویت کننده، بدون هیچگونه مشکلی مانند جدایش یا سایر عیوب ریخته گری تولید نماید .[3] یکی از روش های متالورژی پودر آسیاکاری/آلیاژسازی مکانیکی - MM/MA - است. فرآیند MM/MA با استفاده از تکنیک آسیاکاری گلوله ای، توجه زیادی را به خود، به عنوان یک ابزار قدرتمند برای تولید مواد پیشرفته مختلفی مانند مواد تعادلی، غیرتعادلی - آمورف، شبه کریستال و نانوکریستال - و مواد کامپوزیتی جذب کرده است .
در این پژوهش، پودر نانوکامپوزیت زمینه آلومینیمی تقویت شده با ذرات ترکیب بین فلزی CMA از نوع Al3Mg2 با موفقیت توسط آسیاکاری مکانیکی ساخته شد. در همین راستا، اثر زمان آسیاکاری بر روی توزیع ذرات تقویت کننده در زمینه نیز بررسی شد.
.2 روش آزمایش
از پودر آلومینیم با خلوص بالا و نانوذرات Al3Mg2 به عنوان مواد اولیه تولید کامپوزیت استفاده شدند. مورفولوژی پودرهای Al و Al3Mg2 اولیه به ترتیب در شکل های 1 و 2 نشان داده شده است. همانطور که دیده می شود، پودر Al اولیه دارای مورفولوژی نامنظم با متوسط اندازه 63 میکرومتر است - شکل . - 1 همچنین، متوسط اندازه نانوذرات Al3Mg2 بین 20 تا 70 نانومتر است - شکل . - 2 برای تولید نانوکامپوزیت Al-Al3Mg2، 10 درصد وزنی نانوذرات Al3Mg2 با پودر Al ترکیب و تا 20 ساعت آسیاکاری شد.
برای حداقل کردن جوش سرد بیش از اندازه پودرهای آلومینیم، در تمام آزمایش ها، از 2 درصد وزنی اسید استئاریک به عنوان عامل کنترل کننده فرآیند - PCA - استفاده شد. فرآیند آسیاکاری با استفاده از یک آسیای سایشی در سرعت چرخش 400 rpm و نسبت گلوله به پودر 12:1 انجام شد. برای جلوگیری از اکسیداسیون مواد، قبل از شروع آسیاکاری، محفظه آسیا از هوا تخلیه و با گاز آرگونتقریباً خالص پر شد. مقدار آلودگی آهن پودرها حین آسیاکاری مکانیکی با استفاده از طیف سنجی جرمی پلاسمای جفت شده القایی - ICP - اندازه گیری شد.
تحول ساختاری پودرهای آسیاشده، توسط پراش اشعه ایکس - XRD, Philips XʼPert - با استفاده از لامپ مسی - 0.15406 - در ولتاژ 40 kV و گام 0,02 بررسی شد. اندازه کریستالیت - D - و کرنش شبکه ای - - نمونه ها با توجه به پهن شدگی پیک های XRD به کمک روش شرر محاسبه شد که طول موج اشعه لامپ مسی و برابر 1,54059 ، B عرض کامل پیک در نصف شدت بیشینه بر حسب رادیان و زاویه پراش است.
بررسی توزیع اندازه ذره - PSD - توسط دستگاه آنالیز اندازه ذره به کمک لیزر - CILAS 1064 Liquid - برای تعیین خودکار D10، D50، D90 و قطر متوسط ذرات انجام شد. برای این آزمایش حداقل سه نمونه استفاده شد.
برای بررسی مورفولوژی و اندازه ذره پودرهای آسیا شده بعد از زمان های مختلف آسیاکاری، از میکروسکوپ الکترونی عبوری - TEM - و میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی - FESEM - مجهز به طیف سنجی پراش انرژی - EDS - استفاده شد.
شکل .1 تصویر FESEM پودر آلومینیم اولیه
شکل .2 تصویر TEM از پودر Al3Mg2 اولیه
.3 نتایج و بحث
3؛.1 آنالیز FESEM
همان طور که در مرجع [9] اشاره شده است، فرآیند اصلی که حین آسیاکاری مکانیکی صورت می گیرد عبارت است از فرآیند جوش سرد، شکست و جوش سرد مداوم پودرها. بنابراین انتظار می رود که مورفولوژی پودرهای اولیه در حین برخورد گلوله ها تغییر کند. قابل یادآوری است که اثرات برخوردها روی پودرهای آسیا شده به نوع اجزای سازنده بستگی دارد.
بررسی انجام شده نشان می دهد که پودرهای فلز نرم، در اولین برخورد گلوله-پودر-گلوله جوش سرد می خورند و به لحاظ مکانیکی شدیداً تغییر شکل پیدا می کنند و این امر باعث ورقه ای شدن و کارسخت شدن آنها می شود. آنها وقتی در تماس نزدیک با هم قرار می گیرند ساختار لایه ای تشکیل می دهند که شامل همه اجزای سازنده اولیه هستند .
ادامه آسیاکاری مکانیکی منجر به جوش و تغییر شکل ذرات ورقه ای شکل شده و یک ریزساختار ریز شده تشکیل می شود. به دلیل سختی پایین پودرهای اولیه، فضای بین لایه ای ذرات به هم چسبیده در ادامه آسیاکاری مکانیکی سریعاً کاهش پیدا می کند. افزایش زمان آسیاکاری مکانیکی باعث افزایش سختی شده و این امر منجر به شکستن پودرهای به هم چسبیده و تبدیل آنها به ذرات کوچکتر می شود.
در مرحله بعدی، جوش خوردن، فرآیند غالب می شود و این باعث تشکیل ذرات هم محور می شود. سپس مکانیزم های جوش و شکست به تعادل می رسند. مرحله پایانی به عنوان حالت پایا شناخته می شود که در این مرحله ریزشدن ریزساختار می تواند ادامه داشته باشد ولی اندازه ذره و توزیع اندازه قریباًت ثابت می ماند. نتایج به دست آمده از آسیاکاری پودرهای آلومینیم و Al3Mg2 به خوبی با این توضیحات سازگاری دارد.
بررسی های ریزساختاری ذرات پودر توسط FESEM در هنگام آسیاکاری در زمان های مختلف می تواند بسیار مفید باشد. بعد از زمان های کوتاه آسیاکاری مکانیکی، به عنوان مثال 2 ساعت و 5 ساعت، ذرات به صورت ورقه ای تغییر شکل می یابند
