بخشی از مقاله
چکیده
کامپوزیتهای زمینه فلزی - MMCs - تقویت شده با ذرات سرامیکی، به دلیل خواص مکانیکی منحصر به فردشان، کاربرد فراوانی در صنایع خودروسازی و هوافضا دارند . به منظور بهبود پراکندگی ذرات سرامیکی، از فرآیند سنتز در محل برای ساخت این کامپوزیت استفاده شده است. همچنین این فرآیند ساده و مقرون به صرفه است و پیچیدگیهای دیگر روشهای مرسوم را ندارد. در این پژوهش، کامپوزیت زمینه آلومینیومی با تقویت کنندههای TiC، TiB2 و Al2O3 به روش سنتز دما بالای خودگستر با فعالسازی مکانیکی - MASHS - از واکنش پودرهای اولیه Al ، TiO2 و B4C تهیه و اثر دما بر فرآیند تولید بررسی شد. همچنین برای کاهش تخلخلهای پیوسته، نمونهها با مذاب آلومینیوم فلزخورانی شدهاند.
با توجه به نتایج، بالا رفتن دما به پیشروی واکنشها و بهبود ساختار نمونهها کمک کرده و در نهایت واکنشها در دمای 1200œC تکمیل شده و کامپوزیت دارای میکروساختار همگن با توزیع یکنواخت ذرات سرامیکی حاصل شده، و در نتیجه آن سختی تا 326 ویکرز و دانسیته تا g/cm3 2/82 بهبود یافته است. همچنین با وجود اینکه تنها پودر TiO2 در مواد اولیه دارای ابعاد نانومتری بوده است، کامپوزیت تولید شده نانو ساختار میباشد. از آنالیزهای پراش اشعه ایکس - XRD - ، میکروسکوپ الکترونی روبشی انتشار میدانی - FESEM - و تصویربرداری میکروسکوپ نوری برای مشخصهیابی متالورژیکی نمونههای تولیدی استفاده شده، و سختی سنجی ویکرز و تعیین چگالی برای ارزیابی خواص مکانیکی و فیزیکی کامپوزیتهای سنتز شده انجام شده است.
مقدمه
در کامپوزیتهای سرامیکی گاهی اختلاف ضریب انبساط حرارتی بین زمینه و تقویتکننده یا فازهای سرامیکی مختلف موجود در کامپوزیت و عدم تطابق انقباض مانع پخت یکنواخت ماتریس شده و منجر به ایجاد تنش در کامپوزیت میشود که میتواند منجر به ترک شود. علاوه بر این، آگلومراسیون ذرات سرامیکی داخل ماتریس باعث کاهش مقاومت مکانیکی و چقرمگی در کامپوزیت میشوند. بنابراین میتوان گفت، خواص مکانیکی کامپوزیتهای سرامیکی یا پوششهای کامپوزیت سرامیکی تا حد زیادی به روش سنتز بستگی دارد. ازاینرو، به منظور افزایش پراکندگی ذرات سرامیکی از روش سنتز احتراقی خودپیشرونده برای سنتز سرامیکها و کامپوزیتهای سرامیکی از طریق واکنشهای گرمازای خودگستر با انرژی کافی استفاده میشود.1]و[2
به طور کلی سنتز احتراقی برای تولید مواد سرامیکی دیرگداز شامل نیتریدها، بوریدها، کاربیدها و کامپوزیتهای آنها، کاتالیستها، آلیاژها، نانو مواد و ترکیبات بین فلزی استفاده میشود. در سنتز احتراقی خودپیشرونده - SHS - اگر واکنش بین دو یا چند مادهی اولیه به صورت گرمازا انجام شود و بتوان گرمای حاصل از واکنش را در خود مواد اولیه مصرف کرد و از هدر رفتن آن به محیط جلوگیری کرد، این گرما میتواند انرژی اولیهای برای ادامهی واکنش در مواد اولیه و ایجاد محصول باشد.
اگر این تسلسل ادامه پیدا کند، مواد اولیه در اثر شوک حرارتی و موج احتراق اولیه شروع به واکنش کرده و گرمای حاصل صرف انجام واکنش در لایهی مجاور خود شده و در نهایت کل قطعه به محصول نهایی مورد نظر تبدیل میشود.[3] بر اساس معیار مرزانف دمای آدیاباتیک به عنوان معیاری برای تعیین اینکه واکنش سنتز احتراقی در یک سیستم خاص قابل انجام هست یا نه، در نظر گرفته می شد. در این معیار باید Tad 1800œK باشد.[4] از مزایای این روش می توان به صرفه جویی در زمان و انرژی و خلوص بالای محصولات اشاره کرد.[5] البته سنتز احتراقی معایبی نیز دارد که میتوان متخلخل بودن محصولات واکنش به دلیل دمای بالا و عدم توانایی کنترل ریزساختار به دلیل سرعت بالای واکنش را نام برد.[3]
برای تولید کامپوزیت زمینه آلومینیومی با ذرات TiB2-TiC-Al2O3 از واکنش سنتز درمحل میتوان استفاده کرد. بر طبق مستندات اندازه ذرات واکنشدهندهها، استوکیومتری و تراکم مخلوط پودر از مهمترین عوامل مؤثر بر واکنش 1SHS هستند. متوسط اندازه ذرات پودر واکنشدهنده بر وسعت و سرعت انجام واکنش SHS به اندازه درجه حرارت انجام واکنش تاثیر مستقیم دارد.6]و[7 در این پژوهش از تلفیق روش SHS با فعال سازی مکانیکی 2MASHS، و واکنشهای جامد مایع برای سنتز نانوکامپوزیتها استفاده شده است، استفاده از ترکیب TiO2 ، B4C وAl در واکنش SHS و تولید این کامپوزیت توسط گروههای تحقیقاتی مختلفی به صورت حجم بالک و یا به عنوان پوشش برروی زیرلایههای مختلف صورت گرفته و موارد گوناگونی مثل روشهای حرارتدهی مختلف، اثر عوامل گوناگون بر دانسیتهی محصولات، رفتار احتراق و ریز ساختار کامپوزیت مورد مطالعه و بررسی قرار گرفتهاند.
در این تحقیق، فاز تقویت کننده کامپوزیت Al2O3-TiC-TiB2 به روش سنتز احتراقی با فعال سازی مکانیکی و زمینه آلومینیومی به کمک فلز خورانی قطعه پرس شده در آلومینیوم مذاب تولید شده و هدف بدست آوردن دمای سینتر مناسب برای ترکیب بکار رفته و بررسی اثراتی که حضور این تقویت کنندههای سرامیکی بر خواص آلومینیوم و کامپوزیت زمینه آلومینیومی دارند، میباشد. فرایند آسیا کاری برای افزایش واکنشپذیری پودر خام انجام میشود. آسیا کاری منجر به کاهش اندازه بلورکها و تجمع عیوب در ذرات پودر شده که باعث ایجاد یک انرژی اضافی در سیستم واکنشگرها به شکل انرژی فصل مشترک و انرژی کرنشی میشود. این روش به طور مؤثر باعث کاهش سد انرژی اکتیواسیون سیستم واکنش میشود.[8]
آلومینا از پرکاربردترین سرامیکهایی است که به عنوان فاز تقویتکننده در مواردی که نیاز به دانسیته پایین، سختی بالا، پایداری شیمیایی و پایداری حرارتی در دماهای بالا باشد، مورد استفاده قرار میگیرد.[9] کاربید تیتانیوم - TiC - به دلیل مقاومت به شوکهای حرارتی، مقاومت به خوردگی، پایداری شیمیایی بالا، قابلیت حلالیت در سایر کاربیدها و این خصوصیت که دچار استحالهی فازی نمی شود، یکی دیگر از فازهای ثانویه پر کاربرد در کامپوزیتها، میباشد.10]و[11 این کاربید در مقایسه با اکثر کاربیدهای فلزی دیگر دارای سختی بالاتری میباشد. کاربیدتیتانیوم بعد از SiC و Al2O3 مناسبترین و بهترین فاز تقویت کننده می-باشد.[10]
همچنین تیتانیمدیبورید - TiB2 - دارای ویژگیهایی چون نقطه ذوب بالا، سختی بالا، نسبت استحکام به چگالی بالا، مقاومت در برابر شوک حرارتی خوب، ثبات حرارتی بالا میباشد. کاربردهای این ماده در تسهیلات نظامی مقاوم به ضربه، ابزارهای برش و پوششهای مقاوم به سایش است.[12] بنابراین میتوان انتظار داشت که کامپوزیت این ترکیبات، علاوه بر دارا بودن این خواص، ویژگیهای ممتاز مکانیکی را نیز داشته باشد. محاسبات ترمودینامیکی تغییر انرژی آزاد استاندارد گیبسGo 1 که در محدوده دمایی 200 تا2000œK برای واکنشهای محتمل در سیستم Al-Ti-B-C-O انجام شده، نشان میدهد که در واکنش کلی - 1 - ، Go مقدار منفی بزرگی را در کل محدوده دمایی 200 تا 2000°K دارد، پس از امکان انجام واکنشهای سیستم Al-TiO2-B4C به عنوان یک فرآیند گرمازا، اطمینان حاصل میشود.[6]
