توليد كامپوزيت پايه آلومينيوم با روش آسيابكاري مكانيكي
و مطالعه خواص آن

مريم عباسي1، سيد عبدالكريم سجادي2 و مازيار آزادبه3
كارشناس ارشد، دانشكده علم مواد و مهندسي متالورژي، دانشگاه صنعتي سهند
دانشيار، گروه مهندسي متالورژي و مواد، دانشگاه فردوسي مشهد
استاديار، دانشكده علم مواد و مهندسي متالورژي، دانشگاه صنعتي سهند
maryamabbasi86@gmail.com

چكيده
توزيع يكنواخت ذرات تقويتكننده در زمينه از مهمترين پارامترهاي مورد توجه در توليد كامپوزيت ها است. يكي از راهكارها براي رسيدن بهاين منظور استفاده از روش آسيابكاري مكانيكي در متالورژي پودر است. در نتيجـه بـهدسـت آوردن شـرايط آسـيابكاري بهينـه از اهميـت بهسزايي برخوردار است. در اين پژوهش سعي شدهاست تا شرايط بهينـه آسـيابكاري ذرات تقويـتكننـدهNi3Al و پـودر آلومينيـوم جهـتساخت كامپوزيتAl/5vol.%Ni3Al مورد بررسي قرار گيرد . از طرفي براي بررسي تأثير نـوع ذرات تقويـتكننـده بـر خـواص كامپوزيـتزمينه آلومينيوم از دو نوع تقويتكننده اكسيدي و بين فلزي استفاده شدهاست. در نهايت از آن جاييكه آسـيابكاري مكـانيكي باعـث تغييـرمورفولوژي و خواص پودرها ميشود، تغيير در خواص كامپوزيتهاي ت وليد شده نيـز انتظـار مـي رود. مـشاهده مـيشـود انجـام آسـيابكاريمكانيكي در شرايط بهينه، باعث كاهش چگالي و افزايش سختي و اسـتحكام نهـايي مـيشـود و همچنـين ذرات تقويـت كننـده اكـسيدي درمقايسه با ذرات بين فلزي باعث افزايش سختي كمتر ولي افزايش استحكام و داكتيليتي چشم گيري ميشوند.

واژه هاي كليدي:
كامپوزيت، آسيابكاري مكانيكي، ذرات تقويتكننده، خواص فيزيكي و مكانيكي.

1- مقدمه
در ساخت كامپوزيتهاي زمينه فلـزي گـستره وسـيعي از فلـزات وآلياژها مانند آلياژهاي آلومينيوم، آلياژهاي مـس، چـدن، فـولاد،آلياژهاي منيزيم، سـوپرآلياژهاي پايـه نيكـل، آلياژهـاي تيتـانيوم، آلياژهـاي روي و… كـاربرد دارنـد. اسـتحكام و سـختي و سـاير خواص مكانيكي آلومينيوم نسبت بهفلزاتي چـون آهـن، نيكـل و تيتانيوم ضعيف تـر مـي باشـد . لـذا از آلومينيـوم صـرفاً بـه صـورت آلياژي يا به عنوان زمينه كامپوزيت و يا تركيبي از اين دو استفاده ميشود تا از خواص مكانيكي بهتري برخوردار باشـد. بـر همـين اس اس كامپوزيته اي زمينـه فل زي(MMCs) و ب هخ صوص كامپوزيتهاي زمينه آلومينيوم (AMC)طي دو دهه گذشته بـسيار مورد توجه قرار گرفتهاست [1 و 2].
اولين نياز يـك كامپوزيـت بـراي نـشان دادن كـارايي بـالاي آن،توزيع يكنواخت فاز تقويتكننـده اسـت. آگلـومره شـدن ذراتتقويتكننده باعث افت خواص مكانيكي مي شود. آسيابكاري بـاانرژي بالا روشي است كه توزيـع ذرات بـسيار همگنـي را ايجـادمي كند و به همين دليل در سال هاي اخير براي توليد كامپوزيتهاي پايه فلزي گسترش يافتهاست. آسيابكاري مكـانيكي (MA) يـكفرآيند پودر حالـت جامـد اسـت كـه شـامل تكـرار تغييـر فـرم وشك ست و دوب اره ج وش خ وردن ذرات پ ودر در آس يا بكاري مكانيكي پرانرژي است. MA در ابتدا براي توليـد سـوپرآلياژهايپايه نيكل و آهن تقويت شده با توزيع اكـسيد بـراي كاربردهـايف ضايي گ سترش ياف ت ول ي در ح ال حاض ر توان ايي س اخت محدوده وسيعي از فازهاي آلياژي متعادل و غيرمتعادل از عناصـرمخلوط شده يا پودرهاي پيشآلياژي شده را دارا مي باشد [3].
بـا اضـافه كـردن پودرهـاي سـراميكي بـه آلومينيـوم و انجـام آسـيابكاري، ذرات سـراميكي در مقيـاس نـانومتري در زمينـه آلومينيوم پخش مي شوند كه باعث كاهش اندازه دانـه هـا و قفـل شدن نابجـايي هـا در زمينـه آلومينيـوم مـي شـوند . لـذا اسـتحكام ، سختي، خواص دماي بـالا و سـاير خـواص مكـانيكي آلومينيـوم بهبود مي يابد. اين كامپوزيتها در صنايع هوافضا، صنايع نظـامي و خودروسازي كاربرد فراواني دارند [4، 5 و 6].
افزودن تركيبا ت بين فلزي به آلومينيوم نيز بهعلت سختي و قابليـتسازگاري بالاي آن ها مفيد است. از طرفي، مقاومت بهخـوردگيو رفتار سايشي نيز بهبود مي يابد كـه تمـام ايـن پديـده هـا مربـوط بــهفــصل مــشترك زمينــه و تقويــتكننــده اســت . از خــانواده بين فلزي ها (تركيبات آهن، آلومينيـوم و نيكـل)، Ni3Al يكـي ازانواع شناختهشده است [7] كه توليد آن بهروش متـالورژي پـودرمنجر به ساخت موادي با استحكام زيـاد و قابليـت اطمينـان بـالاي توليد مي شود.
بر اساس مطالعات تئوري چـون مكـانيزم اسـتحكامبخـشي ذراتتقويتكننده نانومتري و ميكرومتري متفاوت و مجزا از يكـديگرم يباش د، ح دس زده م ي ش ود در اث ر ح ضور ه مزم ان ذرات اكسيدي نانومتري و بينفلزي ميكرومتري بهترين خواص حاصـلشود. از آن جاييكـه تـاكنون ايـن موضـوع مـورد ارزيـابي قـرارنگرفتهاست، به منظور بررسـي صـحت ايـن ادعـا نيمـي از درصـدحجمي ذرات تقويتكننده ك امپوزيت مورد نظر با ذرات اكـسيد آلوميني وم ن انومتري ج ايگزين ش ده و ت أثير آن ب ر ريزس اختار كامپوزيت مورد بررسي قرار ميگيرد. براي بررسـي تـأثير ذراتتقويتكننده بينفلزي و همچنين حضور همزمان ذرات اكسيديو بــينفلــزي، كامپوزيتهــايي بــا تركيــب Al/5 vol.%Ni3Al و
.انتخاب شدند Al/5 vol.% (Ni3Al + Al2O3)

2- روش تحقيق
در اين تحقيق براي توليد پودر كامپوزيت Al/5 vol.% Ni3Al و (3Al/5 vol.% (Ni3Al+Al2O از آلومينيوم با خلوص بيش از 99 درصد و اندازه دانـه كمتـر ازµm 160 سـاخت شـركتMerck آلمان و ذرات تقويتكننده اكسيد آلومينيوم با ابعـادnm 43-27 و با خلوص 5/99% ساخت شركت Texas آمريكـا اسـتفاده شـد. پ ودر Ni3Al ني ز ب هروش آلياژسـازي مك انيكي از آسـيابكاري پودرهايNi وAl به مدت 15 ساعت با اسـتفاده از يـك آسـيابماهواره اي پرانرژي تهيه گرديد [8]. براي توليد پـودر كامپوزيـتAl/5 vol.%Ni3Al، 5 درصد حجمي ذرات تقويت كننده Ni3Al و 95 درصد پودر آلومينيوم در شرايط مختلف مخلوطسازي، 12 ساعت و 18 ساعت آسيابكاري، با سـرعتهـاي 200 و 300 دوربر دقيقه و نسبت گلولـه بـهپـودر 6:1 و 15:1 آسـيابكاري شـدند.
همچنين شرايط مخلوطسازي كم انرژي بـهعنـوان صـفر سـاعتآس ـيابكاري منظ ـور گردي ـد . آس يابكاري در مح يط آرگ ون و بهوسيله گلوله هاي فولاد زنگ نـزن انجـام شـد. همچنـين جهـتبررسي ت أثير نوع تقويتكننده بينفلـزي يـا اكـسيدي بـر خـواصآلومينيوم، 5/2 درصد حجميNi3Al و 5/2 درصد حجمـي نـانواكسيد آلوميني وم به همراه 95 درصد حجمي آلومينيوم آسيابكاريشدند. براي بررسي تأثير تقويت كننده ها بر آلومينيوم، نمونه هـايياز آلوميني وم خالص نيـز تحـت شـرايط كـاملاً مـشابه توليـد شـد.
سپس مخلوط پودر آلومينيـوم و ذرات تقويـت كننـده بـا دسـتگاهپرس تك محوري تحت فشارMPa 800 فـشرده شـد. بـه منظـوربررسي تأ ثير نوع تقويـت كننـده بـر خـواص فيزيكـي و مكـانيكيكامپوزيت، نمونه هاي خام در دمـاي 620 درجـه سـانتيگـراد دركوره مدلSA با خـلا تقريبـيTorr 4-10×5 بـهمـدت 30 دقيقـهتفجوشــ ي شــ دند. آنــ اليز XRD بــ هوســ يله ديفراكتــ ومتر Bruker:Advance-D8 و ب ا ت ابش اش عه (Cu(kα ب راي بررس ي اندازه دانه و پارامتر شبكه و عيوب ايجاد شده در اثـر آلياژسـازي در زم انه اي متف اوت انج ام پ ذيرفت. روش ويليام سون- ه ال جهت محاسبه پارامترهاي ذكر شده مـورد اسـتفاده قـرار گرفـت.
براي بررسيهاي ريزساختاري از ميكروسكوپ الكتروني روبشي
(مدل (LEO 440 I استفاده شد.
جهت بررسي تغييرات چگالي، چگالي خام و نهايي نمونه ها به دو روش هن دسي و غوطهوري در آب بـر حـسب قـانون ارشـميدسمحاسبه گرديـد. بـراي ممانعـت از نفـوذ آب داخـل حفـره هـا درهنگام غوطه وري، ابتدا بايستي سطح نمونـههـا توسـط يـك لايـهبسيار نازك روغن آغشته شـود، سـپس چگـالي طبـق رابطـه (1) محاسبه شود.
ρ = M1/(M2-M3)
1:M جرم نمونه وزن شده در هوا
2:M جرم نمونه آغشته بهروغن وزن شده در هوا
3:M جرم نمونه غوطهور در آب ρ: چگالي نمونه
در محاسبا ت چگالي نسبي، چگالي تئوري نمونه هاي كـامپوزيتياز رابطه (2) محاسبه مي شـود كـهxi درصـد فـاز i در نمونـه وρi چگالي فازi است.
ρ = Σρ i × xiسختي نمونه ها به وسيله سختي سنجي ويكرز بـا بـار 30 كيلـوگرمنيرو از ميانگين 9 اندازه گيري بـراي هـر نمونـه بـهوسـيله دسـتگاهماكرو سختيسنجي (مدل DVRB) تعيين گرديد.
آزمون هاي فشار بـهوسـيله دسـتگاه تـست فـشار و كـشش (مـدلZwick/z250) طبق استاندارد ASTM E9 با نسبت ارتفاع بهقطـر نمونهها 5/1 انجام شد. سرعت كرنش 1-s4-10 و آزمـون تـا افـتناگه اني ت نش ك ه مرحل ه شك ست در نظ ر گرفت ه ش ده، ادام ه مي يابد. براي كاهش اصطكاك در سـطوح بـين فـك دسـتگاه ونمونه از روانساز گريس استفاده مي شود.
3- نتايج و مباحث
3-1- توليد پودر تقويتكننده Ni3Al همانطوركه در بخش قبل اشاره شد ذرات تقويت كنندهNi3Al باروش آسيابكاري مكانيكي توليـد شـد. از آن جـاييكـه انتخـابصحيح مدت زمان فرآيند آلياژسازي جهت دستيابي بهپودري بـابهترين مورفولوژي و خواص از اهميت ويژه اي برخوردار اسـت، مشخصات ساختاري پودر Ni3Al آسيابكاري شده در زمـانهـاي1 تا 55 ساعت در تحقيقات پيشين نويسنده مـورد بررسـي كامـلقرار گرفت [8]. بنا بر نتايج بهدست آمده پودرNi3Al توليد شدهبا زمـان آسـيابكاري 15 سـاعت داراي ريزسـاختار ي بـا كمتـريناندازه دانه و كمترين كرنش درون شبكهاي مـي باشـد [8]. شـكل(1) الگوي پراش پرتو ايكس (XRD) آلوميني وم و نيكـل را پـساز آسيابكاري در زمانهاي آلياژسـازي صـفر و 15 سـاعت نـشانمـ ي دهـ د. طبـ ق محاسـ بات انجـ ام شـ ده بـ ر اسـ اس روش ويليامسون – هال [9]، انـدازه دانـه و ميـزان كـرنش پـودرNi3Al توليد شـده بـا 15 سـاعت آسـيابكاري بـهترتيـب 81/4 نـانومتر و
005/0% مي باشد.
3-2- پودر كامپوزيتي Al/5vol.% Ni3Al جه ت مخل وطس ازي ذرات تقوي ت كنن ده Ni3Al و پودره اي آلوميني وم، فرآين د آس يابكاري مك انيكي م ورد اس تفاده ق رار گرفــت. متغيرهــاي اصــلي در فر آينــد آســيابكاري پودرهــايآلومينيوم و ذرات تقويتكننده شامل زمان آسـيابكاري، سـرعتآسيابكاري و نسبت گلوله بهپودر در فرآيند اسـت كـه تـأثير هـرك دام از اي ن متغيره ا ب هص ورت جداگان ه م ورد بررس ي ق رار گرفتهاست.
شــكل (2) الگــوي پــراش پرتــو ايكــس مربــوط بــه پودرهــاي كامپوزيتي مخلوط شده و آسيابكاري شده در زمانهاي 12 و 18 ساعت را نشان مـي دهـد . همانطوركـه مـشاهده مـي شـود در ايـنفرآيند تغيير تركيب شيميايي اتفاق نميافتد. محاسبه اندازه دانه و كرنشهاي درون شبكهاي با اسـتفاده از روش ويليامـسون – هـالنشان مي دهد كه با افزايش زمان آسيابكاري اندازه دانه هاي Alو Ni3Al ك اهش م ي ياب د و ك رنش ه اي درون ش بكه اي اف زايش

شكل (2): نمودار پراش پرتو ايكس پودر كامپوزيتي Al/5 vol. % Ni3Al تهيه شده بهروش آسيابكاري، در زمان هاي متفاوت.

جزئي را نشان مي دهد.
ذرات تقويتكننده بهخوبي در پودر آلومينيوم توزيع نشدهاسـت .
بهطوريكه ديده مي شود ذرات تقويتكننده به صورت آگلـومرهبا اندازه بزرگ در حدود 50 ميكـرون بـهصـورت غيـرهمگن در ب ين ذرات پ ودر آلوميني وم ق رار گرفت ه ان د. در ح الي ك ه ب اآسيابكاري اين پودرهـا، در اثـر برخـورد گلولـههـاي آسـياب بـاذرات پودر آلومينيوم و تقويـتكننـده، توزيـع يكنواخـت ذراتتقويتكننده در زمينه ايجاد ميشود. پودرهـاي آلومينيـوم چـوننرم هستند دچار تغيير فرم پلاستيك مـيشـوند و ضـخامت ذراتپولكي كاهش مـييابـد ولـي ذرات تقويـتكننـدهNi3Al چـوننسبت بهآلومينيوم تردتر هستند در اثر آسيابكاري مي شكنند.
جهت بررسي تأثير سرعت آسـيابكاري، از زمـان آسـيابكاري 18 ساعت و نسبت گلوله بهپودر 6:1 استفاده شدهاست تا تفـاوت درنتايج به دست آمده محسوس و قابل مقايسه و بررسي باشد. نتـايج بهدست آمده در شكل (4) نشان داده شدهاست. مشاهده ميشـود
3509772-3538610

شكل (1): الگوي پراش پرتو ايكس مخلوط پودرهاي آلومينيوم و نيكل در در سرعتrpm 200 اندازه ورقههـاي پـودر آلومينيـوم بـهنـسبت
زمانهاي متفاوت آلياژسازي بهمنظور توليد ذرات تقويتكننده Ni3Al. درشت است و فرآيند جوش سرد بـين ذرات كامـل نـشده اسـت.
323011847670

ب هط وريك ه ذرات پ ودر ب هص ورت مج زا از هم ديگر ق رار گرفت هان د. اي ن باع ث م ي ش ود ت ا ذرات تقوي ت كنن ده توزي ع يكنواختي نداشته باشند. در نتيجه فرآيند مخلوطسازي به صورت مطلوب صورت نمي گيرد. با افزايش سرعت آسياب چون انـرژيوارد شده بهسيستم در واحد زمان بهصـورت محـسوسي افـزايشمييابد، خرد شدن ذرات پودر و جوش سرد بـين آنهـا بـه شـدت افـزايش مـييا بـد. در سـرعت آسـيابكاري rpm 300، پودرهـايپولكي ريز آلومينيوم و ذرات تقويتكننده كه در بين اين ورقهها ق رار گرفت هان د ذرات پ ودر ك امپوزيتي را ت شكيل م يدهن د.
مورفولوژي پودرهاي حاصل ريزتر و همگنتر مـيشـود و ذرات
بررسي مورفولوژي پودرها (شـكل 3) نـشان مـي دهـد در شـرايط مخل وط ك ردن پ ودر آلوميني وم و پ ودر تقوي ت كنن ده Ni3Al، تقويتكننده به صورت كاملاً يكنواخت در زمينه توزيع ميشوند. بهبيان ديگر در سرعت rpm300 ساختار پودري بـا توزيـع ذرات تقوي ت كنن ده يكنواخ ت حاص ل م ي ش ود و ني ازي ب هس رعت آسيابكاري بالاتر وجود ندارد. از طرفي انتظار مي رود كه افزايشسـرعت آسـيابكاري بيـشتر از rpm 300 منجـر بـهواكـنش ذرات

شكل (3): مورفولـوژي پـودر كامپوزيـتAl/5 vol. % Ni3Al ، (الـف ): پـودرمخلوط شده، (ب): 12 ساعت آسيابكاري شده و (ج): 18 ساعت آسـيابكاري ش ده در روش آس يابكاري س رعت rpm300 و ن سبت گلول ه ب هپ ودر 15:1 بودهاست.

تقويتكننده و زمينه شود كه خواص كامپوزيت را تغيير خواهـدداد.
همانطوركه اشاره شـد نـسبت گلولـه بـهپـودر نيـز يكـي ديگـر ازمتغيرهاي م ؤثر روي خواص پودر حاصله است. مشاهده مي شـودكه در سرعت آسيابكاري 300 دور بر دقيقه بهمـدت 18 سـاعت،آسيابكاري با نسبت گلوله بـهپـودر بيـشتر باعـث اعمـال ضـربات

شـ كل (4): تـ صوير ميكروسـ كوپ الكترونـ ي روبـ شي پـ ودر كـ امپوزيتي Al/5 vol. % Ni3Al توليد شده با سـرعت هـاي متفـاوت، (الـف ): rpm 200 و
.300 rpm :(ب)

بيشتر توسط گلولهها به پودر در واحد زمان مي شـود . همانطوركـهدر شكل (5) مـشاهده مـيشـود ضـربات بيـشتر در نـسبت گلولـه بهپودر بالاتر باعث افزايش شكست پودرهـا شـدهاسـت و انـدازهپودرهــا را ريزتــر كــردهاســت. مورفولــوژي پودرهــا همچنــان بهصورت پولكي است.
3-3- پودر كامپوزيتي (3Al/5 vol. %(Ni3Al + Al2O بهمنظور بررسي تأثير نوع و اندازه ذرات تقويتكننده بـر فرآينـدآسيابكاري و توليد كامپوزيـت آلومينيـوم و مقايـسه آن بـا ذراتتقويـت كنن ده ب ين فل زي از پ ودر اك سيد آلومينيـ وم ب ا ان دازه nm 43-27 استفاده شدهاست. در شكل (6) پـراش پرتـو ايكـسپـودر كـامپوزيتي (3Al/5 vol. % (Ni3Al + Al2O آسـيابكاريشده تحت شرايط بهينه (12 ساعت آسيابكاري با سـرعت 300 و نسبت گلوله بهپودر 15:1) نشان داده شدهاست. ديده ميشود كـه

شـ كل (5): تـ صوير ميكروسـ كوپ الكترونـ ي روبـ شي پـ ودر كـ امپوزيتي Al/5 vol. % Ni3Al تهيه شده بـه روش آسـي ابكاري بـا نـسبت گلولـه بـهپـودرمتفاوت در بزرگنماييهاي مختلف، (الف): 6:1 و (ب): 15:1.

چون ذرات اكسيد آلومينيوم استفاده شده نانومتري بوده اند شدت پيكهاي مربوط بهآن كم است. حضور ذرات اكسيد آلومينيـوم همچنين باعث كاهش شدت پيـكهـاي آلومينيـوم و پهـن شـدنآنها شده است و انـدازه دانـه آلومينيـوم را از 68 بـه 51 نـانومتر وميزان كرنش هاي شبكه را از 145/0 به 13/0% كاهش دادهاسـت .
مورفولوژي پودرهاي آسيابكاري شده نشان مي دهـد در صـورتحضور هم زمان ذرات تقويت كننده سراميكي و بينفلزي، فر آيند آسيابكاري با سرعت بيـشتري انجـام مـي پـذيرد. در مـدت زمـانيكــسان آســيابكاري (12 ســاعت)، در پودرهــاي حــاوي ذراتتقويت كننده اكسيد آلوميني وم و آلومينايد نيكل توالي فرآيندهاي جوش و شكست سريعتر صورت ميگيرد كه باعث ريزتر و هـممحورتر شدن ذرات پودر آلومينيوم در مقايسه با پودرهاي حاويذرات تقويتكننده بين فلزي مي شود (شكل 7).

شـــ كل (6): پـــ راش پرتـــ و ايكـــ س مخلـــ وط پـــ ودر كـــ امپوزيتي (3Al/5 vol. % (Ni3Al+Al2O تهيه شده بهروش آسيابكاري، مدت 12 ساعت با سرعت 300 و نسبت گلوله بهپودر 15:1.

در حين آسيابكاري و آلياژسازي مكانيكي هنگامي كه تغيير فـرمبهحد بحراني برسد جوش سرد اتفاق مي افتد. در اثر وجود ذراتتقويت كننده سراميكي كـه نـسبت بـهذرات بـينفلـزي از سـختيبيشتري برخوردارند، در حين جوش خوردن تغييـر فـرم موضـعيپودر زمينة اطراف ذرات تقويتكننده افزايش مييابد كه فرآيند ج وش خ وردن ذرات را بهب ود م ي بخ شد. از طرف ي تغيي ر ف رم موضعي شديد و به دنبال آن سخت شدن بيشتر، منجر بهتسهيل درفرآينــد شكــست مــي شــود. بــههمــين علــت در حــضور ذراتتقويت كنندة سخت، فرآيند آلياژسازي مكانيكي بهزمان كمتـري نياز دارد . دليل ديگري كـه مـيتـوان بـراي كوتـاه شـدن فرآينـدآلياژسازي در حضور ذرات تقويتكننده سراميكي بيان كرد اين است كه ذرات ترد تقويتكننده در فرآيند به عنـوان گلولـههـايآسياب كوچك عمل ميكنند كه انرژي سيستم را بهبود ميدهد و در نتيجه زمان لازم براي رسيدن بهحالت پايدار كاهش مي يابد.
3-4- خواص فيزيكي و مكانيكي كامپوزيتها
پودرهـــــ اي كـــــ امپوزيتي Al/Ni3Al و (3Al/(Ni3Al+Al2O آسيابكاري شده تحت شرايط بهينه، با فـشار MPa 800 فـشرده ودر دمــاي 620 درجــه ســانتي گــراد تفجوشــي شــدند . تــصاوير

3373420-3761481

شكل (7): تصوير ميكروسـكوپ الكترونـي روبـشي پودرهـاي كـامپوزيتي دربزرگنمـ ايي هـ اي مختلـ ف، (الـ ف): كامپوزيـ ت Al/5 vol. %(Ni3Al) و
.Al/5 vol. % (Ni3Al+Al2O3) :(ب)

ميكروسـ كوپي ايـ ن كامپوزيـ ت هـ ا در شـ كل (8) نـ شان داده شدهاست. مشاهده مي شـود كـه هـر دو كامپوزيـت داراي توزيـعخوبي از ذرات تقويت كننده در زمينه مي باشند.
نتايج آزمايش هاي تعيين خواص فيزيكي و مكانيكي نمونه ها نيـزدر جدول (1) آورده شـده اسـت. همانطوركـه مـشاهده مـي شـود افزودن ذرات تقويتكننده باعـث كـاهش چگـالي نـسبي خـام ونهايي و از طرفي افزايش چشمگير در سختي و استحكام فـشارينمونه ها شدهاست. از آن جاييكه افزودن ذرات تقويـتكننـده وانج ام عملي ات آس يابكاري باع ث تغيي ر مورفول وژي پودره ا و خ صوصيات آنه ا م ي ش ود ب الطبع تغيي ر در خ واص فيزيك ي و مكانيكي آنها نيز قابل پيشبيني است.

شكل (8): تصوير ميكروسكوپ نوري، (الف): كامپوزيت Al/5 vol.%Ni3Al و (ب): كامپوزيــت (3Al/5 vol.%(Ni3Al+Al2O تفجوشــي شــده در دمــاي
.620°C

آسيابكاري مكانيكي باعث ريز شدن پودرها و كـار سـختي آنهـامي شود در نتيجه فرآيند فشردن سرد بهراحتي انجام نميگـردد وچگالي خام و بالطبع چگالي نهايي افت ميكند. از طرفي عوامـلذك ر ش ده ب ههم راه ريزدان ه شـدن ريزس اختار در اث ر فرآين د آسيابكاري موجب افزايش سختي و استحكام فشاري مـي شـوند . كارس ختي پودره ا و توزي ع يكنواخ ت ذرات تقوي ت كنن ده در زمينه در شرايط آسيابكاري [10] باعث مـي شـود كـه نمونـههـايحاوي ذرات تقويت كنندهNi3Al كه آسيابكاري شـدهانـد دارايسختي بسيار بالايي معادل HV 95 هستند.
مشاهده ميشود استحكام نهايي آلومينيوم خالص در ايـن شـرايطســ اخت، در حــ دود MPa 140 اســ ت. بــ ا افــ زودن ذرات تقويتكننـدهNi3Al بـه آلومينيـوم، اسـتحكام فـشاري نهـايي آن
افزايش مي يابد. بيان شده است كه در كامپوزيتها تـنش اعمـالي

جدول (1): خواص فيزيكي و مكانيكي آلومينيوم خالص و كامپوزيتهاي پايه آلومينيوم.
246888-133469

نوع ماده خواص (3چگالي (g/cmخام (3چگالي (g/cm نهايي 30)سختي( HV فشاري )استحكام (MPa داكتيليتي(%) (J)تافنس

13/2 12/5 140 43 2/56 2/58 Pure Al
9/72 6/3 166 95 2/65 2/65 Al/5vol.%Ni3Al
31/81 7/8 432 87 2/58 2/50 Al/5vol.%(Ni3Al + Al2O3)

بهنمونه بين زمينه و ذرات تقويت كننده تفكيك ميشـود و سـهمزيادي از آن بهوسيله ذرات تقويت كننده تحمل مي شود [11]. در
نتيجه در كامپوزيتAl/5vol.%Ni3Al به علت ري ز شدن سـاختارزمين ه و ذرات تقوي تكننـده و توزي ع ك املاً يكنواخ ت ذرات تقويت كننده در زمينه، استحكام افزايش يافتهاست.
با تغيير ذرات تقويتكننده به اكسيد آلوميني وم نانومتري، افـزايششديدي در استحكام ايجاد مي شود. فعاليت مكانيزم هاي متفـاوت استحكامبخشي بـهصـورت همزمـان در حـين اعمـال نيـرو باعـثايجـاد بـالاترين اسـتحكام برابـر MPa 432 در كامپوزيـت داراي ذرات تقويتكنندة نانومتري اكـسيدي و ميكرومتـري بـين فلـزيمي شود. در اين حالت ذرات بين فلزي وظيفه تحمل بـار را دارنـدو ذرات نانومتري اكسيد آلومينيوم، مكانيزمهاي اسـتحكام بخـشيبهوسيله نابجايي ها را فعال مي كنند.
از طرفي، كار سـختي بـهوجـود آمـده در پودرهـا باعـث كـاهشداكتيليتي ميشود. در هنگـام اسـتفاده از ذرات تقويـت كننـده بـاابعاد نانومتري، بخاطر ريز بودن ذرات، فاصـله بـين آن هـا خيلـيكم اسـت و مـانع رشـد تـركهـا مـي شـود و از اتـصال حفـرات بهيكديگر جلوگيري مي كند در نتيجه داكتيليتي افزايش مييابد.
از آن جاييكه چقرمگي پارامتري است كه هم بهاستحكام و هـمبهداكتيليتي ماده بستگي دارد در حالت كلي مشاهده مي شود كـهچقرمگي كامپوزيتها در مقايسه با آلومينيوم خالص بيشتر است. فرآيند آسيابكاري چقرمگي كامپوزيتها را كـاهش مـي دهـد و
همچنين كامپوزيت (3Al/5vol.%(Ni3Al+Al2O بهعلت حـضورذرات نانومتري اكسيد آلومينيوم داراي چقرمگي بيـشتري نـسبت بهكامپوزيت Al/5 vol.% Ni3Alاست.

4- نتيجهگيري
انجام اين تحقيق بهنتايج زير منجر شد:
1- در شرايط آزمايش شده مي توان گفـت آسـيابكاري بـهمـدت
12 ســاعت موجــب توزيــع بهينــه ذراتNi3Al در بــين ذرات آلومينيوم مي شود.
زمان طولانيتر آسـيابكاري (18 سـاعت ) موجـب كارسـختيبيشتر و افزايش احتمال اكسيداسيون پودرها در اثر سـطح تمـاسبي شتر پودره اي ريزت ر و آل ودگي ناشـي از دي واره محفظ ه وگلوله هـا مـي شـود. از طرفـي در زمـان زيـاد آسـيابكاري، امكـانواكنش ذرات تقويتكننده با آلومينيوم وجود دارد.
در فر آيند آسيابكاري سرعت بالا موجب جوش سـرد بهتـر ونسبت گلوله بهپودر بالا موجب شكست بيشتر مي شـود . در نتيجـهب ا انتخ اب ح د ب الايي پارامتره اي م ذكور تع ادل مناس بي ب ين شكست و جوش سرد بهوجود مي آيد.
ضربات بيشتر در نسبت گلوله بـهپـودر بـالاتر باعـث افـزايششكست پودرها شدهاست و اندازه پودرهـا را ريزتـر كـرده اسـت.
اف زودن ذرات اك سيد آلوميني وم ب ا ان دازه ن انومتري باع ث كاهش شدت پيك هاي آلومينيوم و پهن شدن آنها شدهاست.
مورفول وژي پودره اي آس يابكاري ش ده ن شان م يده د در صــورت حــضور هــم زمــان ذرات تقويــتكننــده ســراميكي وبين فلزي، فر آيند آسيابكاري با سرعت بيشتري انجـام مـيپـذيرد . در اي ن پودره ا ت والي فرآين دهاي ج وش و شك ست س ريع ت ر صورت ميگيرد كه باعث ريزتر و هم محورتر شدن ذرات پـودرآلوميني وم در مقاي سه ب ا پودره اي ح اوي ذرات تقوي تكنن ده بين فلزي مي شود.
افزودن ذرات تقويت كننده باعث كاهش چگالي نسبي خام ونهايي و از طرفي افزايش چشمگير در سختي و استحكام فـشارينمونه ها شدهاست.
نـ وع ذرات تقويـ ت كننـ ده در خـ واص كامپوزيـ ت زمينـ ه آلومينيوم بسيار مؤثر اسـت. بيـشترين سـختي در كامپوزيـت بـا 5 درص د ذرات تقوي تكنن ده Ni3Al مع ادل HV3095 اس ت و بيـــشترين اســـتحكام فـــشاري و تـــافنس در كامپوزيـــت هـــاي
.بهدست آمدهاست Al/5vol.%(Ni3Al + Al2O3)

5- مراجع
Z. Razavi Hesabi, A. Simchi and SM. Seyed Reihani, “Structural Evolution During Mechanical Milling of
Nanometric and Micrometric Al2O3 Reinforced Al Matrix Composites”, Materials Science and Engineering: A, Vol. 428, pp. 159-168, 2006.

T. G. Durai, D. Karabi and D. Siddhartha, “Synthesis and Characterization of Al Matrix Composites Reinforced by in Situ Alumina Particulates”, Materials Science and Engineering A, Vol. 445-446, pp. 100-105, 2007.

P. Yu, L. C. Zhang, W. Y. Zhang, J. Das, K. B. Kim and J. Eckert, “Interfacial Reaction During the Fabrication of Ni60Nb40 Metallic Glass Particles-Reinforced Al Based MMCs”, Materials Science and Engineering A, Vol. 444, pp. 206–213, 2007.

H. Jixiong, “Processing, Microstructure Evolution and Properties of Nanoscale Aluminum Alloys”, Thesis in the Department of Chemical and Materials Engineering of the University of Cincinnati, pp. 1-219, 2005.

Zh. Yang, L. He, J. Chen, H. Cong and H. Ye,
“Microstructure and Thermal Stability of an Ultrafine Al/Al2O3 Composite”, Shenyang National Laboratory for Materials Science, 2002.

M. Zdujic, “Mechanochemical Treatment of Inorganic Solids: Solid-Solid Fine Dispersions”, Surfactant Sci. Ser., Vol. 130, pp. 435-461, 2006.

J. M. Torralba, F. Velasco, C. E. Costa, I. Vergara and D. Caceres, “Mechanical Behaviour of the Interphase Between Matrix and Reinforcement of Al 2014 Matrix Composites Reinforced with (Ni3Al)p”, Composites: Part A, Vol. 33, pp. 427-434, 2002.

م. عباســي، م. آزادبــه، س. ع. ســجادي، “بررســي پارامترهــايآسياكاري بر توليد پودر نـانو سـاختار Ni3Al بـه روش آلياژسـازيمكانيكي”، دومين همايش مشترك متالورژي و ريختگري ايـران، دانشگاه آزاد كرج، آبان 1387.

I. Lucks, P. Lamparter and E. J. Mittemeijer, “An Evaluation of Methods of Diffraction-Line Broadening Analysis Applied to Ball-Milled Molybdenum”, Journal of Applied Crystallography, Vol. 37 (2), pp. 300-311, 2004.

J. B. Fogagnolo, F. Velasco, M. H. Robert and J. M. Torralba, “Effect of Mechanical Alloying on the Morphology, Microstructure and Properties of Aluminium Matrix Composite Powders”, Materials Science and Engineering A, Vol. 342, pp. 131-143, 2003.

Z. Razavi Hesabi, H. R. Hafizpour and A. Simchi, “An
Investigation on the Compressibility of Aluminum/NanoAlumina Composite Powder Prepared by Blending and Mechanical Milling”, Materials Science and Engineering A, Vol. 454–455, pp. 89-98, 2007.



قیمت: تومان


پاسخ دهید