پاورپوینت تفجوشی؛ تولید قطعه نانوساختار از ماده اولیه پودری

بخشی از پاورپوینت

اسلاید 1 :

تفجوشي؛ تولید قطعه نانوساختار از ماده اولیه پودری

اسلاید 2 :

روشهای سنتز نانوساختارها
روشهای حرارتی
اول

اسلاید 3 :

مقدمه
تفجوشی یا سینتر یکی از روشهای شکلدهی مواد فلزی و سرامیکی است .

ابتدا ماده اولیه به صورت پودر را پرس کرده و در کوره میگذارند.
در دماهای بالای کوره، نفوذ اتمی تشدید شده و اتمهای ذرات مجاور در یکدیگر نفوذ کرده و ذرات را به هم میچسبانند. در نتیجه قطعه حجیم با استحکام مناسب از ذرات پودر بدست میآید.جهت ايجاد پيوند بين ذرات پودري، تهيه يك نمونه يكپارچه و رساندن دانسيته آنها به بالاترين ميزان خود و بهبود خواص مكانيكي و فيزيكي، انجام عمليات تفجوشي در دما و زمان بهينه از اهميت فوق العادهاي برخوردار است.
نيروي محركه براي تفجوشي و نفوذ جهت پركردن خلل وفرج موجود در ساختار، كاهش انرژي سطحي است.
ايجاد پيوند بين ذرات پودري، تغيير ابعاد قطعه در اثر انقباض هاي ناشي از كاهش اندازه و تعداد حفرات، آزاد شدن تنشهاي داخلي، تغيير فاز (مانند تفجوشی حالت مایع) و همچنين انجام واكنشهاي شيميايي وقايعي است كه در حين تفجوشي رخ خواهد داد.

اسلاید 4 :

مقدمه
بطور كلي تفجوشي را مي توان به دو صورت انجام داد:

تفجوشي در حالت جامد
در اين حالت هيچ تغيير حالتي در ساختار اتفاق نمي افتد، بلكه تنها در اثر پديده نفوذ ذرات به يكديگر ميچسبند.

تفجوشي در حضور فاز مايع
در سيستم هايي كه از دو يا چند فاز تشكيل شده اند، اگر يكي از فازها به شكلي انتخاب شود كه در حين تفجوشي ذوب شود ، و فاز ديگر جامد باقي بماند، تفجوشي در حضور يك فاز مايع انجام خواهد شد. در اين حالت فاز جامد توسط فاز مايع بطور كامل احاطه شده و شرايط مناسبي را جهت چگالش فراهم مي آورد.

اسلاید 5 :

تف جوشی
a) تفجوشی حالت مایع b) تفجوشی حالت جامد

اسلاید 6 :

فاكتورهاي مؤثر در تفجوشي فاز جامد
دما
 عامل اصلي انجام فرآيند تفجوشي دماست، بالا رفتن دما موجب تسريع فرآيندهاي نفوذي مي گردد. اما از طرف ديگر هزينه توليد را نيز بالاتر خواهد برد.
 ميزان فشردگي نمونه خام و همچنين مقدار و نحوه توزيع حفرات، در انتخاب بهترين دماي تفجوشي تأثير بسزايي دارد.

زمان
 زمان تفجوشي در ساختار نهايي تأثير شديدي دارد.
 كوتاه كردن زمان تفجوشي در يك حد بهينه علاوه بر پايين آوردن هزينه هاي توليد، از رشد دانه جلوگيري مي كند و مانع از جدا شدن حفرات از مرزدانه ها مي شود.

اسلاید 7 :

فاكتورهاي مؤثر در تفجوشي فاز جامد
دانسيته خام
 هرچه دانسيته خام قطعات اوليه بالاتر باشد، تفجوشي نيز در دما و زمان كمتري منجر به ايجاد قطعاتي با بهترين دانسيته نهايي مي گردد.
روش توليد در رسيدن به يك دانسيته خام بالا بسيار مؤثر است.

همگني ساختار خام اوليه
هرچه حفرات موجود در سيستم و همچنين افزودنيهايي كه به عنوان كمك سينتر به سيستم افزوده مي شوند، بصورت يكنواخت تر در ساختار پراكنده شوند، نتايج بهتري حاصل خواهد شد.
 حضور اگلومره ها مي تواند يكنواختي سيستم را به شدت تحت تأثير قرار داده و موجب بجا ماندن حفرات درشت در ساختار گردد.

اسلاید 8 :

فاكتورهاي مؤثر در تفجوشي فاز جامد
اتمسفر تفجوشي
 اتمسفر تفجوشي را از دو جنبه فشار و تركيب مي توان مورد بررسي قرار داد. انتخاب مناسب اتمسفر كوره علاوه بر اينكه از انجام واكنشهاي شيميايي نامطلوب جلوگيري مي كند و در بعضي موارد موجب خروج بعضي ناخالصيها از سيستم مي شود، مي تواند از لحاظ فشاري نيز فرآيند تبخير و چگالش را درحين تفجوشي تحت تأثيرمثبت قرار داده و موجب بهبود خواص قطعه نهايي گردد.
 اتمسفرهاي شامل گازهاي غير قابل حل نظير نيتروژن (يا هوا)، آرگون و يا هليوم مي تواند با ايجاد فشار داخلي در حفرات و بالا بردن فشار دروني، از نيروي محركه انقباض آن كاسته، موجب عدم توانايي در رسيدن به دانسيته هاي بالا شود.

ناخالصي
 درصد مناسب ناخالصي جهت جلوگيري از رشد دانه و همچنين جدايش حفرات از مرزدانه ها مي تواند سودمند باشد.
بسياري از ناخالصي ها از درشت شدن حفرات نيز در مرحله آخر جلوگيري مي نمايند.

اسلاید 9 :

فاكتورهاي مؤثر در تفجوشي فاز جامد
نحوه انجام تفجوشي
از نظر اعمال يا عدم اعمال نيرو به يك قطعه جهت توليد قطعاتي با دانسيته بالا، مي توان روش هاي تفجوشي را به دو نوع تقسيم نمود :

1- تفجوشي بدون فشار : در اين روش كه بسيار ارزان قيمت نيز مي باشد، هيچگونه فشار مكانيكي در حين تفجوشي به نمونه اعمال نمي شود. در اين حالت نيروي محركه جهت كاهش حفرات تنها همان كاهش انرژي سطحي است.

2- تفجوشي تحت فشار: در اين حالت در حين تفجوشي به نمونه فشاري اعمال مي شود، تا فشار اعمالي نيز بعنوان نيرو محركه، فرآيند چگالش را بهبود بخشد.

امروزه روشهاي غير مرسومي نظيرتفجوشي به كمك امواج مايكروويو و تفجوشي به كمك جرقه پلاسمايي نيز وارد عرصه تفجوشي شده اند.

اسلاید 10 :

نیروی محرکه تف جوشی
همانند بسیاری از فرآیند های برگشت ناپذیر، تف جوشی نیز با کاهش انرژی آزاد سیستم همراه است.

منابعی که باعث کاهش انرژی آزاد می شود را غالباً نیروی محرکه فرایند تف جوشی می نامند.

سه نوع متفاوت از نیروهای محرکه موجود عبارتند از:
تقعر سطحی
فشار اعمالی
واکنش شیمیایی

اسلاید 11 :

نیروی محرکه تف جوشی تقعر سطحی
در غیاب نیروهای محرکه دیگر، تقعر سطحی ذرات به عنوان نیروی محرکه تف جوشی شناخته می شود.
برای درک بهتر مطلب یک مول از ماده را که شامل ذرات کروی به شعاع a می باشد، در نظر می گیریم. تعداد ذرات عبارتند از :

در اینجا ρ دانسیته ذرات، M وزن مولکولی و Vm حجم مولی می باشد. مساحت سطحی سیستمی از ذرات عبارتند از :

اگر γsv انرژی مخصوص سطحی ذرات بر واحد سطح باشد، بنابراین انرژی آزاد سطحی ذرات عبارتند از:

Es نشان دهنده میزان کاهش انرزی آزاد سطحی سیستم، هنگامی که یک جسم با دانسیته تئوری از یک مول از ذرات تشکیل می شود و نیروی محرکه ای برای تف جوشی خواهد بود. البته این محاسبات با عدم در نظر گرفتن انرژی مربوط به مرزدانه انجام شده است و در مواد چندبلور مرزدانه نیز باید در نظر گرفته شود.

اسلاید 12 :

نیروی محرکه تف جوشی فشار اعمالی
در غیاب واکنش های شیمیایی، فشار خارجی اعمالی عموماً بزرگترین سهم را در نیروی محرکه تف جوشی، هنگامی که نمونه در دمای لازم برای تف جوشی است، فراهم می کند.

تقعر سطحی را نیز در این مورد می توان به عنوان نیروی محرکه حساب کرد ولی در بسیاری موارد مقدار آن بسیار کم است.

برای یک مول از ذرات، کار انجام شده روی سیستم با رابطه زیر تقریب زده می شود.

در این رابطه Pa فشار اعمالی و Vm حجم مولی می باشد.
W نیز به عنوان نیروی محرکه برای چگالش به دلیل اعمال نیروی خارجی مطرح می باشد.

اسلاید 13 :

نیروی محرکه تف جوشیواکنش شیمیایی
واکنش شیمیایی نیز می تواند به عنوان نیروی محرکه فرآیند تف جوشی به حساب آید، اگر بتواند به چگالش پودر کمک کند.

تغییرات انرژی آزاد هنگام انجام واکنش شیمیایی عبارتند از:

در واکنش بالا R ثابت گازها ( 8.314 JK-1mol-1 )، T دمای مطلق و Keq ثابت تعادلی واکنش می باشد.
این کاهش در انرزی آزاد به مراتب بزرگتر از حالت اعمال فشار می باشد.

در عمل واکنش شیمیایی به ندرت در فرآیند چگالش پودر سرامیک های مدرن مورد استفاده قرار می گیرد و این به دلیل عدم کنترل ساختاری سرامیک ها، هنگامی که واکنش شیمیایی همراه تف جوشی اتفاق می افتد، می باشد.

اسلاید 14 :

نیروی محرکه تف جوشی
شماتیکی از نیروهای محرکه فرآیند تف جوشی

اسلاید 15 :

چگالش در دماي بالا و با اعمال فشار
متراكم سازي پودرهاي سراميكي به روش هاي مختلف و سپس تف جوشي آنها بدون اعمال فشار حين حرارت دهي، از جمله متداولترين روشهاي شكل دهي و چگالش سراميك ها محسوب مي شوند.

در مواردي به منظور بهبود خصوصيات مكانيكي قطعات توليد شده و يا دستيابي به ريز ساختارهاي خاص، مثلاً ساختارهای نانومتري، لازم است از اعمال فشار حين فرآيند تف جوشي، به منظور تسهيل نمودن مكانيزم هاي چگالش، كاهش دما و يا زمان اين فرآيند استفاده نمود.

فرآيندهايي كه در آنها تف جوشي قطعات درحضور فشار خارجي صورت مي گيرد، عمدتاً به سه دسته مستقل تقسيم مي شوند كه عبارتند از :

فشردن گرم (Hot Pressing یا HP)؛
فشردن هم جانبه در دماي بالا (Hot Isostatic Pressing یا HIP)؛
فشردن خارج از قالب و در دماي بالا (Sinter Forging یا SF).

اسلاید 16 :

فشردن گرم (Hot Pressing یا HP)
در فرآيند فشردن گرم HP، فشار بصورت تك محوري بر مجموعه ذرات پودري كه قبلاً به روشي شكل دهي شده يا در حال شكل دهي هستند، حين تف جوشي اعمال مي گردد.

با انجام اين عمليات، دماي تف جوشي قطعات سراميكي حداقل 200-100 درجه سانتي گراد كاهش يافته و دسترسي به دانسيته هايي كاملاً نزديك به دانسيته تئوري در زمان كوتاه ميسر مي گردد.

با این روش قطعاتي توليد مي گردند كه به مراتب داراي خصوصيات مكانيكي و فيزيكي (گذردهي نور و هدايت الكتريكي) برتري بوده و بخصوص براي قطعات سراميكي درصد اطمينان به عملكرد قطعه و تواناييهاي آن شديداً افزايش مي يابد.

اين فرآيند مانند اكثر فرآيندهاي صنعتي داراي معايبي نيز مي باشد كه از آن جمله مي توان به هزينه بالاي آن و محدوديت در اشكال قابل كاربرد در اين فرآيند اشاره نمود.

اسلاید 17 :

فشردن گرم (Hot Pressing یا HP)
دستگاهي كه با استفاده از آن عمليات فشردن در دماي بالا انجام مي پذيرد، بطور كلي شامل يك پرس اصلي و كوره اي مي باشد كه بازوهاي پرس و قالب را احاطه كرده و بطور كامل عايق بندي و از محيط اطراف ايزوله شده است.

اسلاید 18 :

فشردن هم جانبه در دماي بالا (Hot Isostatic Pressing یا HIP)
در فرآیند فشردن هم جانبه در دماي بالا، نمونه خام را که از قبل تحت عملیات فشرده سازی سرد، و یا حتی تحت عملیات تفجوشی اولیه بدون حضور فشار، قرار گرفته است، محکم درون یک ظرف شیشهای یا فلزی و در حضور خلا قرار داده و سپس این ظرف را وارد محفظه فشار همه جانبه کرده تا تحت فشار برابر از هر سوی قرار گیرد.

در حین اعمال فشار، نمونه نیز باید در دمای
مناسب قرار گرفته تا همزمان با اعمال فشار،
نمونه تحت فرآیند تفجوشی نیز قرار گیرد.

اسلاید 19 :

فشردن خارج از قالب و در دماي بالا (Sinter Forging یا SF)
سینتر فورج یا فورج گرم مانند فرآیند فشردن گرم است با این تفاوت که نمونه خام درون هیچ قالبی قرار ندارد.

مطابق انتظار باید نمونه قبلاً تحت عملیات فشرده سازی سرد و یا حتی تحت تفجوشی اولیه قرار گرفته و دارای استحکام خام مناسبی باشد تا در حین انجام فرایند، شکل خود را حفظ کند.

در این روش کرنش های بزرگتری نسبت به پروسه فشردن گرم به نمونه وارد میشود و بنابراین جهت ایجاد ساختارهای جهت دار روش بسیار مناسبی می باشد.

اسلاید 20 :

نتیجهگیری

تفجوشی یا سینتر یکی از مهمترین روشهای شکلدهی مواد فلزی و سرامیکی میباشد.
بطور كلي تفجوشي را مي توان به دو دسته تفجوشي در حالت جامد و تفجوشي در حضور فاز مايع تقسیمبندی کرد.
مهمترین پارامترهای موثر بر روی تفجوشی شامل دما، زمان، اتمسفر، حضور فشار و . میباشند.
نیروی محرکه تف جوشی شامل تقعر سطحی، فشار اعمالی و واکنش شیمیایی میباشند.
به منظور بهبود خصوصيات مكانيكي قطعات توليد شده و يا دستيابي به ريز ساختارهاي خاص، مثلاً ساختارهای نانومتري، لازم است از اعمال فشار حين فرآيند تف جوشي استفاده نمود. این فرآیندها شامل از فشردن گرم؛ فشردن هم جانبه در دماي بالا؛ و فشردن خارج از قالب و در دماي بالا است.