بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش ساخت آلیاژ آنتروپی بالا و نانوساختار با نسبت اتمی برابر CoCrFeMoTi به روش آلیاژسازی مکانیکی مورد بررسی قرار گرفتهاست. پودرهای عناصر کبالت، کروم، آهن، مولیبدن و تیتانیوم با خلوص بالا به مدت 100 ساعت با سرعت 300 دور بر دقیقه در آسیاب سیارهای گلولهای آسیاب شد. آلیاژها با آنالیز پراش پرتو ایکس - XRD - مشخصهیابی و ترکیب شیمیایی آنها توسط آنالیز تفکیک انرژی پرتو ایکس - EDX - بررسی گردید.
فازهای محلول جامد فوق اشباع با ساختار کریستالی BCC پس از 40 ساعت آسیابکاری تشکیل شد. با افزایش زمان آسیابکاری دانههای ریز، کرنش داخلی بالا و محلول جامد همگن بدست آمد. همچنین متغیرهای ترمودینامیکی شامل دمای ذوب، تغییرات آنتالپی انحلال، تغییرات آنتروپی انحلال، تفاوت اندازه اتمی، تفاوت الکترونگاتیویته و غلظت الکترونهای ظرفیتی محاسبه گردیدند. نتایج این محاسبات با معیارهای تشکیل آلیاژهای آنتروپی بالا تطابق دارد و تشکیل آلیاژ آنتروپی بالا با ساختار محلول جامد BCC را تایید میکند.
مقدمه
با افزایش تعداد عناصر آلیاژی، ترکیبات بینفلزی و ساختارهای پیچیده به علت حلالیت محدود حالت جامد در آلیاژ تشکیل شده و موجب دشوار شدن تهیه، افزایش استحکام، ترد شدن و پیچیدگی تجزیه و تحلیل آلیاژ میشوند [.1-3 ]اما اخیراً این الگو با توسعه آلیاژ آنتروپی بالا توسط یه و همکاران نقض شدهاست .[4-5] آلیاژهای آنتروپی بالا به دستهای از مواد اطلاق میشود که ترکیبی از حداقل پنج و حداکثر سیزده عنصر مختلف با درصد اتمی مساوی و یا تقریبا مساوی 35-5 - درصد - است 3]و 6و .[7 به طور معمول از عناصر آلیاژی مانند Cu، Al و Ni با ساختار FCC، عناصر Fe، Cr، Mo و V با ساختار BCC و عناصر Co و Ti با ساختار HCP میتوان در ترکیب شیمیایی آلیاژهای آنتروپی بالا استفاده نمود .
[8] هسته اصلی آلیاژ آنتروپی بالا، رسیدن به حداکثر مقدار آنتروپی وضعیتی در ترکیب با نسبتهای اتمی برابر طبق فرضیه بولتزمن آنتروپی اختلاط است .[9] این مقدار آنتروپی موجب تشکیل محلولهای جامد با ساختار کریستالی ساده BCC و یا FCC ، رسوبات با اندازه نانو و حتی فازهای آمورف و جلوگیری از تشکیل ترکیبات بینفلزی میشود. آلیاژهای آنتروپی بالا به عنوان آلیاژ محلول جامد با استحکام بالا، پایداری حرارتی خوب و ظرفیت کارسختی بالا، شناخته شدهاند.
[4] اثر استحکامدهی بسیار بالای محلول جامد، موجب کاربردهای صنعتی این آلیاژهای با سختی بالا در ابزارها، قالبها و قطعات دمای بالا که نیاز به استحکام بالا، مقاومت به سایش و اکسیداسیون است، شدهاست .[10] در گذشته آلیاژهای آنتروپی بالا به طور گسترده از روش ریختهگری تولید میشدند. ریختهگری با کیفیت پایین و جدایش ترکیبی، سبب افت خواص مکانیکی در کاربردهای مهندسی آلیاژها شده و تنها میتواند نمونههایی با شکل و اندازه محدود تهیه کند. درنتیجه کاربرد آلیاژهای آنتروپی بالا را محدود میکند. بنابراین توجه محققین به سوی تولید حالت جامد با خواص بهتر سوق داده شد. آلیاژسازی مکانیکی یک روش تولید از حالت جامد جهت سنتز مواد پیشرفته، تشکیل نانوکریستال و افزایش خواص و کاربردهای آلیاژهای آنتروپی بالا است 4]و.[9
مواد و روش تحقیق
پودرهای فلزی Co، Cr، Fe، Mo و Ti با خلوص بالای %99/5 و اندازه ذره 45≤ میکرون به عنوان مواد اولیه استفاده شد. پودرهای عناصر با نسبت مولی برابر در یک آسیاب گلولهای - Fritsch P7 - پر شده با گاز آرگون با گلولههای فولادی به قطر 2 سانتیمتر با نسبت وزنی گلوله به پودر 10:1 قرار داده شد. به منظور جلوگیری از آگلومره شدن، از اسید استئاریک به عنوان عامل کنترلکننده فرایند استفاده گردید. آسیابکاری به مدت 100 ساعت با سرعت 300 دور بر دقیقه انجام گرفت.
به منظور بررسی رفتار آلیاژی حین آسیابکاری، نمونههای پودری بهترتیب پس از 0، 5، 10، 15، 20، 30، 40، 60، 80 و 100 ساعت آنالیز شدند. آنالیز فازی پودرهای آسیاب شده توسط پراش پرتو ایکس - Philips XPERT-MPD - با تابش پرتو 1 /542 Å - Cu K∝ - λ = انجام گردید. با استفاده از رابطه شرر، به ترتیب اندازه دانه و کرنش شبکه محاسبه شد. آنالیز ترکیب شیمیایی آلیاژ آنتروپی بالا نیز به کمک آشکارساز - SERON AIS2300C - EDX متصل به دستگاه SEM انجام گرفت.
بحث و نتایج
-1 ساخت آلیاژ آنتروپی بالا CoCrFeMoTi
شکل 1 الگوهای XRD نمونه پودری آلیاژ آنتروپی بالا CoCrFeMoTi را به صورت تابعی از زمان تا 100 ساعت آسیابکاری مکانیکی نشان میدهد. الگوهای پراش همه عناصر خالص در زمان صفر ساعت مشاهده شد. در مراحل اولیه آلیاژسازی مکانیکی کاهش قابل ملاحظه شدت در همه پیکها نشاندهنده آغاز انحلال است. همچنین پس از 5 ساعت آسیابکاری برخی از پیکهای عنصر کبالت به علت نقطه ذوب پایین این عنصر و در نتیجه حل شدن سریع آن نسبت به بقیه عناصر موجود در آلیاژ آنتروپی بالا حذف شد.
با افزایش زمان آسیابکاری همه پیکها مشابه با پیکهای 5 ساعت آسیابکاری و همراه با کاهش ناگهانی شدت و پهن شدن پیکها همراه است. به طور کلی ناپدید شدن پیکها میتواند ناشی از: - 1 ریز شدن ذرات و دانه به همراه افزایش کرنش شبکه، - 2 توزیع اتمی متفاوت متناسب با عدد اتمی، - 3 آمورف شدن و - 4 تشکیل محلول جامد باشد. اما با توجه به حضور پیکهای باقیمانده با شدت زیاد، میتوان از دلایل 2 و 3 چشمپوشی کرد و علت حذف شدن پیکها را ریز شدن دانه، کرنش شبکه و تشکیل محلول جامد دانست .[1]
با توجه به الگوی پراش در 40 ساعت آسیابکاری، پیکهای نزدیک به یکدیگر در زوایای 44، 65 و 82 بر یکدیگر منطبق شد و پیکهای همه عناصر خالص به غیر از کروم و مولیبدن که دارای نقطه ذوب بالایی نسبت به بقیه عناصر سیستم هستند حذف شدند .[11] در نتیجه همه عناصر آلیاژی سیستم در پیکهای این دو عنصر حل و پیکهای مربوط به فازهای فوق اشباع BCC از نوع مولیبدن و کروم پدیدار شدند. تشکیل محلول جامد فوق اشباع در این آلیاژ به علت انرژی ذخیره شده در مرزدانهها، آنتروپی بالای اختلاط و افزایش انحلال در حالت جامد میباشد .[12] با توجه به الگوی پراش نمونه پودری تا زمان 100 ساعت آسیاب شده، هیچگونه پیک جدیدی مبنی بر تشکیل ترکیب بینفلزی مشاهده نمیشود.
دلیل این امر وجود مقدار قابل توجهی انرژی ذخیره شده در مرزدانههای آلیاژ نانوکریستالی است که موجب افزایش انحلال در حالت جامد میشود .[13] افزایش زمان آسیابکاری تا 100 ساعت که با افزایش شدت و پهنای پیک همراه است، نشاندهنده ریزدانه شدن، افزایش کرنش شبکه، کامل شدن انحلال و بدست آمدن محلول جامد همگن است. درواقع تشکیل ساختار نانوکریستالی و کرنش شبکه بالا، فاکتورهای اصلی پهن شدن پیکها میباشند و افزایش کرنش شبکه ناشی از عواملی مانند اندازه اتمی متفاوت اجزاء، افزایش مرزدانه و دانسیته نابجاییهای تشکیل شده حین تغییر شکل پلاستیک شدید است .[4]
