بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش، ساخت و تاثیر زمان آسیابکاری بر تحولات فازی آلیاژ آنتروپی بالای Fe1.5CoNiCr0.5 به روش آلیاژسازی مکانیکی، مورد مطالعه قرار گرفته است. پودرهای فلزی با نسبتهای اتمی مختلف - Fe1.5CoNiCr0.5 - مخلوط شده و در دستگاه آسیاب سیارهای با سرعت 300 دور بر دقیقه به مدت 50 ساعت، تحت آسیابکاری قرار گرفتند. تحولات فازی و ساختارهای کریستالی آلیاژها توسط پراش پرتو ایکس - XRD - و ترکیب شیمیایی آنها توسط آنالیز تفکیک انرژی پرتو ایکس - EDX - بررسی شد.
مشخص شد که محلولهای جامد BCC و FCC پس از 30 ساعت آسیابکاری تشکیل شدهاند. بر اساس الگوهای پراش پرتو ایکس پس از 50 ساعت آسیابکاری محلول جامد FCC غالب شده است. بهطور کلی با افزایش زمان آسیابکاری اندازه دانهها کوچکتر و کرنش داخلی افزایش یافت. با بررسی پارامترهای ترمودینامیکی مانند دمای ذوب، تفاوت انداره اتمی، تفاوت الکترونگاتیویته، غلظت الکترونهای ظرفیتی، تغییرات آنتالپی انحلال و تغییرات آنتروپی انحلال و مطابقت نتایج حاصل از محاسبات با معیارهای تشکیل آلیاژهای آنتروپی بالا، تشکیل آلیاژ آنتروپی بالایFe1.5CoNiCr0.5 با ساختار FCC و BCC تایید شد.
مقدمه
آلیاژهای آنتروپی بالا - HEAs - بهعنوان آلیاژهای محلول جامد شامل حداقل 4 عنصر اصلی با نسبت اتمیهای مساوی معرفی شدهاند که بهطور معمول درصد اتمی هر جزء تشکیلدهنده بین 5 تا 35 درصد میباشد. آنتروپی بالای این آلیاژها منجر به تشکیل محلولهای جامد ساده بهجای ریزساختارهای پیچیده میشود .[1] عمدتا نوع ریزساختار و خواص آلیاژهای آنتروپی بالا به نوع و میزان عناصر تشکیلدهنده بستگی دارد، به طوری که در صورت انتخاب دقیق عناصر و ترکیبات، محلولهای جامد BCC یا FCC تشکیل خواهند شد. مشخص شده است که HEAs با ساختار BCC استحکام بالا و انعطافپذیری پایینی دارند، در حالیکه HEAs با ساختار FCC از استحکام پایین و انعطافپذیری بسیار بالایی برخوردار هستند.
HEAs با ترکیب دو ساختار - FCC+BCC - خواص مکانیکی مطلوب، استحکام بالا و انعطافپذیری خوبی را از خود نشان دادهاند. بهعلت ترکیبات و ریزساختار منحصر بفرد، پایداری فازی، خواص مکانیکی و فیزیکی قابل کنترل از جمله استحکام و سختی در دمای بالا ]ٍ[، مقاومت به سایش بالا، مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون خوب، خواص مغناطیسی و الکتریکی مطلوب ]َ[، میتوان این آلیاژها را در بسیاری از کاربردها مانند قطعات پمپهای برقی زیرزمینی در سیستم چاه نفت، اتصالات دستگاه کشش، بهعنوان لایههای انتقالی بین دو نوع آلیاژ، ساخت مخازن تحت فشار و در صنایع اتومبیلسازی و حملونقل بهکار برد. روشهای تولید آلیاژهای آنتروپی بالا به چهار دسته کلی تولید از حالت مذاب، تولید از حالت گاز، تولید الکتروشیمیایی و تولید از حالت جامد تقسیم میشوند.
آلیاژسازی مکانیکی از مهمترین روشهای تولید از حالت جامد است .[4] بهعلت قابلیتهای منحصر بفرد روش آلیاژسازی مکانیکی از جمله همگنسازی بهتر، عدم نیاز به دمای بالا، جلوگیری از آلودگی و هزینه نسبتا پایین، این روش جایگزین مناسبی برای سایر روشها بودهاست. در سالهای اخیر بسیاری از محققین بر HEAs تمرکز نموده و تحت روشهای مختلف، آلیاژهایی با خواص مطلوب بدست آوردند. به عنوان مثال چانگ و همکاران [5] مقاومت به سایش چسبان بسیار عالی سیستم آلیاژی Al0.2Co1.5CrFeNi1.5Ti را ارائه کردند. سنکف و همکاران [6] آلیاژهای مقاوم به حرارت NbMoTaW و VNbMoTaW ریختگی را تولید و استحکام تسلیم زیاد آنها را در دمای بالا گزارش نمودند.
همچنین تاثیر آنیل بر خواص و ساختار آلیاژ ریختگی CoCrFeNiTi0.5 مشخص کرد به طور کلی سختی نمونهها بعد از آنیل دچار تغییر نمیشوند که پایداری زیاد میکروساختار و عدم نرم شدن با افزایش دما را نشان میدهد .[7] پراوین و همکاران [8] با بررسی خواص مکانیکی آلیاژ AlCoCrFe BCC نشان دادند که سختی حدود 1050 ویکرز برای این آلیاژ در دمای اتاق بدست آمده است. بهعلاوه بسیاری از آلیاژها مخصوصا آنهایی که شامل عناصر Cu، Ti، Cr، Ni یا Co هستند، مقاومت به خوردگی خوبی مشابه به فولادهای زنگ نزن و آنهایی که شامل عناصر Cr و Al هستند، مقاومت به اکسیداسیون عالی تا دمای 1100 درجه سانتیگراد از خود نشان دادهاند .[1]
بحث و نتایج
-1 آلیاژسازی مکانیکی و سنتز
بر اساس نتایج تحقیقات انجام شده در HEAs حاوی فلز Cr، مشخص شده است که فازهای محلول جامد BCC در کنار فاز FCC نمایان شده ]ُ[ و از آنجایی که بر اساس فاکتورهای انحلال از جمله آنتالپی اختلاط، اختلاف الکترونگاتیویته و اندازه اتمی، عناصر Fe، Ni، Co و Cr قابلیت انحلال خوبی در هم دارند، با ترکیب شیمیایی Fe1.5CoNiCr0.5 انتخاب شدهاند. با اینحال بررسی، ساخت و مشخصهیابی این آلیاژ آنتروپی بالای تولید شده توسط روش آلیاژسازی مکانیکی با توجه به کمتر دیده شدن مطالعاتی در زمینه تولید این نوع آلیاژ، میتواند به بسیاری از چالشهای موجود در این زمینه پاسخ دهد. هدف از این پژوهش، تولید آلیاژ Fe1.5CoNiCr0.5 توسط روش آلیاژسازی مکانیکی و بررسی ساختار و فاز است. بهعلاوه جنبهی ترمودینامیکی تشکیل فاز با محاسبه معیارهای تشکیل فاز محلول جامد بررسی و با نتایج تجربی بدست آمده مقایسه شده است.
مواد و روش تحقیق
در این پژوهش پودرهای فلزی Ni، Cr، Co و Fe با در خلوص بالای 99/5 درصد و اندازه ذرات کمتر از 45 میکرون بهعنوان مواد اولیه، مورد استفاده قرار گرفتند. پودرهای فلزی با نسبتهای اتمی مختلف - ترکیب شیمیایی - Fe1.5CoNiCr0.5 مخلوط شده و در دستگاه آسیاب سیارهای قرار گرفته و با سرعت 300 دور بر دقیقه به مدت 50 ساعت، آسیاب شدند. کاپ و گلولهها - با قطر 20 میلیمتر - از جنس فولاد زنگنزن بوده و نسبت وزنی گلوله به پودر 10:1 انتخاب شد بُب. به منظور جلوگیری از جوش سرد و همچنین اکسیداسیون مواد، اسید استئاریک بهعنوان عامل کنترل فرآیند مورد استفاده قرار گرفت.
برای اطمینان از تشکیل محلول جامد، بررسی تغییرات ریزساختار، کرنش داخلی و اندازه دانه، نمونههای پودری در ساعات مختلف آسیابکاری خارج شدند. تحولات فازی و ساختار پودرهای آسیاب شده با استفاده از تفرق اشعه ایکس - مدل Philips - XPERT-MPD با اشعه ×°A - Cu Kαٌٍُِ - = مشخصهیابی شد. نتایج توسط نرمافزار Xpert high score plus آنالیز شدند. همچنین ترکیبات شیمیایی آنها توسط آنالیز تفکیک انرژی پرتو ایکس - مدل SERON بررسی شد.
شکل 1 الگوهای XRD پودرهای آلیاژ آنتروپی بالا Fe1.5CoNiCr0.5 آماده شده طی زمانهای مختلف آسیابکاری را نشان میدهد. پودر اولیه شامل الگوهای پراش تمامی عناصر آلیاژ میباشد. کاهش شدید شدت پراش بعد از 10 ساعت آسیابکاری مشاهده شد. همانطور که مشاهده میشود برخی از پیکهای بعد از 30 ساعت به سختی قابل رویت هستند که عدم حضور پیکها نشاندهندهی آغاز تشکیل محلول جامد است.
