بخشی از مقاله
چکیده
آلیاژهای Nb-Zr به دلیل داشتن میزان مدول الاستیک کمتر از آلیاژهای تیتانیوم و همچنین زیست سازگاری بهتر از آنها یکی از گزینهها برای جایگزینی آلیاژهای تیتانیوم در زمینه پزشکی هستند اما استحکام و مقاومت به سایش کمتری دارند. در این تحقیق آلیاژ Nb-1Zr توسط فرایند ذوب مجدد تحت خلأ با قوس الکتریکی - VAR - تولید شده و سپس توسط فرایند فورج گرم مورد شکلدهی و عملیات حرارتی آنیل قرار گرفت. نتایج نشان داد که انجام فورج در اتمسفر هوا باعث نفوذ اکسیژن به داخل ساختار شده و عملیات حرارتی آنیل باعث تولید اکسیدهای غنی از زیرکونیوم میشود. تولید این رسوبات باعث کاهش چقرمگی آلیاژ شده و در عوض مقدار سختی و استحکام این آلیاژ را به مقدار زیادی افزایش می دهد.
مقدمه
از ابتدای شروع پروژه های راکتور فضایی در سال 1960 تا 1990، آلیاژهای پایه نایوبیوم با هدف استفاده در داخل راکتور های هسته ای فضایی مورد توجه قرار گرفتند. تعداد زیادی از آلیاژهای پایه نایوبیوم شناساییشده بودند همچنین به طور خلاصه خواص آنها تا سال 1960 بررسی شده بود اما به دلیل نامناسب بودن خواصی مانند داکتیلیته، جوش پذیری و سازگاری شیمیایی، اغلب این آلیاژها برای استفاده در صنعت راکتورهای هستهای فضایی مردود شدند .[1]
در این میان آلیاژ ساده دوتایی Nb-1Zr به طور فزایندهای مورد توجه قرار گرفت. وجود قابلیتهایی چون محدوده دمای کاری بسیار بالا، سازگاری شیمیایی مناسب با فلزات قلیایی و پایداری در محیطهای رادیو اکتیو، جوش پذیری و شکل پذیری مناسب و در دسترس بودن از دلایلی بود که دانشمندان را به استفاده این آلیاژ در صنعت راکتورهای هستهای فضایی سوق میداد .[1] با انجام تحقیقات گسترده مشخص شد که افزودن 1 درصد زیرکونیوم به فلز نایوبیوم به صورت بسیار قابل توجهی باعث بهبود استحکام خزشی آلیاژ میشود.
بنابراین آلیاژ Nb-1Zr به عنوان جایگزین بسیار قدرتمندی برای نایوبیوم خالص معرفی گشت. علاوه بر این آلیاژ دارای سطح مقطع کمی برای جذب انرژی هسته ای هستند که مورد توجه صنعت هسته ای نیز قرار گرفته است. با پیشرفت تکنولوژی آلیاژهای دیگر پایه نایوبیوم مانند آلیاژ C103، به دلیل بالا بودن استحکام در برخی از صنایع جایگزین آلیاژ Nb-1Zr گشت اما با این حال این آلیاژ دارای خصوصیات بارزی است که باعث بقای استفاده از این آلیاژ شده است. ارزانتر بودن این آلیاژها نسبت به آلیاژهای با استحکام بالاتر از مزایای این آلیاژ هست.
همچنین این آلیاژ میتواند در نواحی با دمای بالا که دارای بار کمی هستند استفاده شوند. به دلیل چقرمگی عالی و شکلپذیری بالا این آلیاژها به صورت محصولات کارشده با تنوع زیاد در بازار موجود هستند.[5-2.] اخراًی آلیاژهای Nb-Zr به دلیل داشتن مقاومت به خوردگی بالا، زیست سازگاری عالی با بدن و مدول یانگ کمتر نسبت به آلیاژهای Ti-6Al-4V در زمینه آلیاژهای پزشکی کاشتنی مورد توجه قرارگرفته اند.
با این حال این آلیاژها دارای استحکام کمتری نسبت به آلیاژهای پایه تیتانیومی هستند که استفاده از این آلیاژها را در صنایع کاشتنی محدود میکنند .[6] به طبع اگر بتوان استحکام آلیاژهای Nb-Zr را بالا برد میتوان این آلیاژها را به عنوان رقیب قدرتمندی برای آلیاژهای پایه تیتانیوم معرفی کرد. در صنایع کاشتنی فاکتور کلیدی دیگر میزان مقاومت به سایش آلیاژهای مورد استفاده است. که در زمینه مقاومت به سایش نیز آلیاژهای Nb-Zr کمی ضعیفتر از آلیاژهای پایه تیتانیوم هستند.[7]
پورسکٌ و همکاران [8] در تحقیقات خود برای بالا بردن میزان استحکام آلیاژ Nb-2.5Zr از روش ECAP برای تولید دانه های بسیار ریز و در نتیجه افزایش استحکام آلیاژ استفاده کرده اند. در این تحقیق گزارش شده است که ریز کردن اندازه دانه ها علاوه بر بالا بردن استحکام آلیاژ باعث افزایش مقاومت به سایش این آلیاژ شده است که دلیل آن تولید رسوبات اکسید زیرکونیوم معرفی شده است .[8] لئوناردٍ و همکاران [9] در تحقیقاتی به بررسی تولید رسوبات اکسید زیرکونیوم در مرز دانههای آلیاژ Nb-1Zr پس از قرار گیری در دمای بالا و تشعشعهای هستهای پرداختهاند و اثر تولید آنها را بر افزایش استحکام آلیاژ بررسی کردهاند .[9] بنابراین هدف از این تحقیق تولید رسوبات اکسیدی و بررسی تأثیر آنها بر خواص مکانیکی آلیاژ Nb-1Zr می باشد.
مواد و روش تحقیق
میلگرد نایوبیوم و سیم زیرکونیوم با خلوص 99/9 درصد به عنوان مواد اولیه بهکاربرده شدند. ساخت الکترود از مواد اولیه برای ذوب در بوتهی 3 کیلوگرمی برای حصول شمش حدود 2 کیلوگرمی با قطر 5 و ارتفاع 12 سانتیمتر طراحی و انجام گردید. سیم های زیرکونیوم با رعایت نسبت طراحی شارژ، بر روی میلگرد مرکزی نیوبیومی پیچانده شده و برای اتصال بهتر در هر چند سانتیمتر از سوراخهای تعبیه شده در میلگرد نیوبیومی مطابق شکل عبور داده شد جدول 1-1 نشان دهنده محاسبات طراحی الکترود ذوب برای کوره VAR است.
پس از دو بار ذوب شمش، در دمای 1400 درجه سانتیگراد در خلأ به مدت 4 ساعت مورد عملیات همگن سازی قرار گرفت. سپس توسط پتک در دمای 1000 درجه سانتیگراد تحت عملیات فورج قرار گرفت و 60 درصد کاهش سطح به شمش اعمال شد . شمش فورج شده تحت عملیات حرارتی آنیل در دمای 1150 درجه سانتیگراد در اتمسفر آرگون به مدت دو ساعت قرار گرفت و سپس در کوره خنک شد. بررسی های ریز ساختاری نمونه های تولید شده توسط آزمون میکروسکوپ الکترونی روبشی، آزمون EDS انجام گرفت. برای بررسی خواص مکانیکی از آزمون کشش و سختی سنجی استفاده شد.
