اثر مقدار آلومينيوم مصرفي بر توليد كامپوزيت زمينه آلومينيوم تقويت شده با ذرات 3TiN+Al2O به روش آلياژسازي مكانيكي

مهران گودرزي1*، علي سعيدي2 و علي شفيعي3
كارشناس ارشد، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد نجفآباد، دانشكده مهندسي مواد، اصفهان، ايران
استاد، دانشگاه صنعتي اصفهان، دانشكده مهندسي مواد، اصفهان، ايران
دانشيار، دانشگاه صنعتي اصفهان، دانشكده مهندسي مواد، اصفهان، ايران
*[email protected]
(تاريخ دريافت: 28/09/1389، تاريخ پذيرش: 03/12/1389)

چكيده
كامپوزيتهاي زمينه آلومينيوم به علت نسبت استحكام به وزن زياد كاربردهاي وسيعي در صنايعي نظير هوافضا، اتومبيل، الكترونيك و غيره پيدا نمودهاند. در سالهاي اخير، تحقيقات زيادي در زمينه استفاده از فرآيند آلياژسازي مكانيكي براي سنتز مواد پيشرفته صورت گرفته است. در اين تحقيق، كامپوزيت زمينه آلومينيوم با ذرات تقويتكننده Al2O3-TiN به روش آلياژسازي مكانيكي توليد گرديد. از پودر اكسيد تيتانيم و آلومينيوم به عنوان مواد اوليه استفاده شد و آسيابكاري در آتمسفر نيتروژن با فشار 5 آتمسفر انجام شد. نتايج نشان داد در اولين مرحله از فرآيند سنتز، اكسيد تيتانيم به وسيله آلومينيوم احياء ميشود و در ادامهي فرآيند، تيتانيم توليدي با آلومينيوم باقيمانده و يا نيتروژن واكنش انجام ميدهد. در صورتي كه نسبت مولي آلومينيوم به اكسيد تيتانيم برابر 4/1 باشد، محصول سنتز پس از 10 ساعت آسيابكاري، اكسيد آلومينيوم و آلومينايدهاي تيتانيم ميباشد و هيچ مقدار نيتريد تيتانيم توليد نميشود. با كاهش مقدار آلومينيوم مصرفي و رسيدن به نسبت مولي آلومينيوم به اكسيد تيتانيم برابر 2/1 و 3/1، پس از 10 ساعت آسيابكاري، پيكهاي نيتريد تيتانيم در نتايج XRD نمايان ميشود.

واژه هاي كليدي:
كامپوزيتهاي زمينه آلومينيومي، كامپوزيت نيتريد تيتانيم-آلومينا، نيتريد تيتانيم، آلياژسازي مكانيكي.

1- مقدمه
كامپوزيتهاي زمينه فلزي يكي از مواد شناخته شده مهندسي است كه روز به روز كاربردهاي وسيعتري در صنايع پيدا ميكنند. زمينه فلزي ميتواند شامل انواع فلزات نظير آلومينيوم، آهن، كبالت، نيكل و يا آلياژهاي آنها باشد. فازهاي سخت نيز ميتوانند شامل انواع كاربيدها، بوريدها، نيتريدها، اكسيدها، سيليسيدها، كربونيتريدها و غيره باشند [1]. كامپوزيتهاي زمينه آلومينيومي از سال 1920 مورد مطالعه وسيع قرار گرفتند و به خاطر دانسيته كم، تافنس و مقاومت به خوردگي بالا در شرايط محيط، افزايش استحكام، كار در دماهاي بالاتر، بهبود مقاومت به سايش، مدول الاستيك بالاتر، ضريب انبساط حرارتي كنترل شده و بهبود خواص خستگي خيلي مطلوب ميباشند. اشكال عمده آلومينيوم، مقاومت به سايش كم است. براي حل اين مسئلهو همچنين براي افزايش استحكام و كارايي اين مواد مهندسي وتوليد كامپوزيت ميتوان از تقويتكنندههاي سراميكي نظيرنيتريد تيتانيم و اكسيد آلومينيوم استفاده نمود. در حال حاضركامپوزيتهاي زمينه آلومينيومي در وسايل ورزشي، صنايع الكترونيك، صنايع تسليحاتي و اتومبيل استفاده ميشوند [5- 2].
در حالت كلي، كامپوزيتها ميتوانند از روشهاي متنوعي توليد شوند كه روش آلياژسازي مكانيكي، داراي اهميت بيشتري ميباشد. آلياژسازي مكانيكي يك فرآيند توليد در حالت جامد براي ايجاد مواد هموژن و يك روش ساده و مفيد براي تركيب فازهاي تعادلي و فازهاي غير تعادلي از مواد تجاري است. يكي از بزرگترين مزاياي آلياژسازي مكانيكي، سنتز و به دست آوردن مواد نويني است كه در حالت عادي مثل ذوب و ريختگري، قابل تركيب و آميزش نيستند. مزاياي ديگر آلياژسازي مكانيكي عبارت است از: ايجاد پراكندگي ريز از ذرات فاز ثانويه، ايجاد دانههاي با اندازه نانومتر، تشكيل فازهاي كريستالي و نيمه كريستالي، ايجاد فازهاي آمورف، نامنظم كردن بين فلزيهاي منظم، امكان آلياژسازي عناصري كه آلياژكردن آنها مشكل است و امكان انجام واكنشهاي شيميايي در دماي پايين
.[6 -11]
امروزه از انجام واكنشهاي شيميايي در داخل آسياب (فرآيند مكانوشيميايي) براي توليد درجاي بسياري از كامپوزيتها استفاده ميشود. در تحقيق حاضر نيز هدف استفاده ازAl و 2TiO به جاي استفاده از تيتانيم خالص كه گران قيمت ميباشد
(جزء نوآوريهاي اين تحقيق محسوب ميشود)، توليد نيتريد تيتانيم در زمينه آلومينيوم به كمك فرآيند مكانوشيميايي بوده است.

مواد و روش تحقيق
مواد اوليه مورد استفاده در اين تحقيق، پودرهاي اكسيد تيتانيم و آلومينيوم (تجاري) با خلوص بالاتر از 95 درصد و دانهبندي زير 200 ميكرومتر براي پودر آلومينيوم و دانهبندي زير 300 نانومتر براي پودر اكسيد تيتانيم ميباشند. با توجه به نسبتهاي مولي براي توليد كامپوزيت مورد نظر، 12 مخلوط پودري در شرايط مختلف طبق جدول (1) تهيه و آسيابكاري شد. در تمام موارد از آسياب سيارهاي مدل FP2 با 600 دور در دقيقه و تحت آتمسفر نيتروژن استفاده شد. آناليز فازي نمونهها توسط ديفراكتومتر اشعه X فيليپس مدل XPERT-MPD صورت گرفت. ولتاژ مورد استفاده در دستگاه 30 كيلو ولت و جريان اعمالي 30 ميلي آمپر بود. در كليه آزمايشها از اشعه ايكس تك موج CuKα با طول موج 5405/1 آنگستروم استفاده شد. نرخ روبش 05/0، اندازه گام روبش 05/0 درجه و محدوده روبش صفر تا 100 درجه انتخاب شد. براي شناسايي فازها از
نرمافزارXpert HighScore ، استفاده شد. بررسي ساختاري محصولات نيز به وسيله ميكروسكوپ الكتروني روبشي
.انجام گرفت AIS-2100 مدل Seron Technology

نتايج و بحث
نتايج فازشناسي نمونهها در جدول (1) خلاصه شده است. آناليز فازي نمونه 80 دقيقه آسياب شده در شكل (1) نشان داده شده است. اين شكل در واقع الگوي اشعه X را براي مواد اوليه نشان ميدهد. نمونههاي ديگري با شرايط بيان شده در جدول (1) تهيه و در زمانهاي 10، 20، 40 و 80 ساعت آسياب گرديدند. به عنوان نمونه، الگوي پراش پرتو X مربوط به نمونههاي 2 و 7 (10 و 40 ساعت آسيابكاري) در شكلهاي (2) و (3) آورده شده است. همانطور كه در اين شكلها ملاحظه ميشود، در هيچ يك از نمونهها نيتريد تيتانيم تشكيل نشده است. در اين 4 نمونه آسياب شده، فازهاي آلومينايد تيتانيم و آلومينا به همراه اكسيد تيتانيم واكنش نكرده، حضور دارند. تشكيل فاز آلومينايد تيتانيم ناشي از اين امر ميباشد كه مقدار اندكي از اكسيد تيتانيم به وسيله آلومينيوم احياء شده و بلافاصله با آلومينيوم اضافي در محيط واكنش داده و آلومينايد تيتانيم را تشكيل داده است.
حضور اكسيد تيتانيم در محصولات سنتز شده نيز بيانگر اين مطلب است كه مقدار آلومينيوم براي احياء اكسيد تيتانيم كافي نبوده است. پس از 10 ساعت آسيابكاري، فاز آلومينايد ايجاد شده غني از تيتانيم بوده و داراي ساختار هگزاگونال ميباشد و مقدار آلومينايد تيتانيم سنتز شده اندك بوده و پيك آن نيز از
جدول (1): شرايط آسياب و فازهاي توليدي.
فازهاي موجود در محصول مشخصات ديگر فشار نيتروژن نسبت مولي Al به
TiO2 نسبت گلوله بهپودر زمان آسياب نمونه
Al و TiO2 _ 5 آتمسفر 1/4 20 80 دقيقه 1
Al و TiO2
Ti3.3Al
Al2O3 _ 5 آتمسفر 1/4 20 10 ساعت 2
Al و TiO2
Al2O3
Ti4N3-x
TiO2 _ 5 آتمسفر 1/3 20 10 ساعت 3
Al3Ti
Al2O3
Al2O3 _ 5 آتمسفر 1/4 20 20 ساعت 4

Ti4N3-x
TiN
Al2O3 _ 5 آتمسفر 1/3 20 20 ساعت 5

Ti4N3-x
TiN
TiO2 _ 5 آتمسفر 1/2 20 20 ساعت 6
Al2O3 Ti9Al23 _ 5 آتمسفر 1/4 20 40 ساعت 7
Al3Ti
Al2O3 _ 5 آتمسفر 1/4 40 40 ساعت 8
Al2O3 _ 5 آتمسفر 1/4 20 80 ساعت 9
TiO2
Ti4N3-x
Al2O3
Ti9Al23 آنيل شده در
آتمسفر آرگون بهمدت 1 ساعت دردماي 1100 درجهسانتيگراد 5 آتمسفر 1/4 40 80 ساعت 10
Al2O3 _ 5 آتمسفر 1/4 40 80 ساعت 11
TiO2
Ti4N3-x
Al2O3
Ti9Al23 آنيل شده در
آتمسفر آرگون بهمدت 1 ساعت دردماي 1100 درجهسانتيگراد 5 آتمسفر 1/4 40 80 ساعت 12
شدت پاييني برخوردار است. علاوه بر تغيير شكل پلاستيكي شديد پودرهاي اوليه طي آسيابكاري، مشخص شد كه با افزايش زمان آسيابكاري از 20 به 80 ساعت، فاز آلومينايد از آلومينيوم غني ميشود. غني شدن فاز آلومينايد از آلومينيوم،
نشانگر اين مطلب است كه مقدار بيشتري از آلومينيوم در محيطبا تيتانيم واكنش داده و مقدار آلومينيوم باقيمانده در محيطاندك ميباشد. با مقايسه الگوي XRD نمونههاي 2، 7 و10ملاحظه شد كه با افزايش زمان آسيابكاري تا 80 ساعت، مقدارآلومينايد تيتانيم افزايش يافته و شدت پيكهاي آن به ماكزيمم مقدار خود ميرسند. نكته قابل ذكر ديگر در شكلهاي (2) تا (4)، پهنتر شدن پيكها با افزايش زمان آسيابكاري بوده كه بيانگر ريزتر شدن دانهها ميباشد. به طور كلي، ميزان پهن شدن پيكها از پارامترهاي مهمي ميباشد كه در بررسي نمونههاي آسياب شده، از كاربرد فراواني برخوردار است و با كاهش اندازه دانهها بر اثر آسيابكاري، كرنش شبكه در نمونههاي پودر افزايش يافته و رابطه معكوسي با اندازه دانهها دارد. بنابراين ميتوان نتيجه گرفت با افزايش زمان آسيابكاري، كرنش شبكهاي در نمونههاي آسيابكاري شده، افزايش يافته است
در نمونه شماره 10، پيك هاي آن به دليل آمورف شدن قابل
تشخيص نميباشد. ايجاد فاز آمورف، همراه با افزايش بسيار زياد شكل (2): الگوي XRD نمونه شماره 2 (10 ساعت آسيابكاري).

نابجاييها است. ميدانهاي كرنشي اين نابجاييها باعث مختل كردن نظم با برد طولاني گرديده كه در نتيجه آن، باعث افزايش انرژي داخلي پودر و آمورف شدن فازها ميشود. محققين تشكيل فاز آمورف در حين آلياژسازي مكانيكي را از طريق ديفوزيون عناصر در فصل مشترك لايهها گزارش كردهاند.
همچنين قبل از تشكيل فاز آمورف، آلياژسازي مكانيكي به
78486-1435163

مدت زمان كافي ميبايست انجام شود تا يك نانوساختار لايهاي شكل (3): الگوي XRD نمونه شماره 7 (40 ساعت آسيابكاري).
74676213741

حاوي چگالي بالايي از نابجاييها به وجود آيد. چنين ساختاري باعث تسهيل فرآيند نفوذ در درجه حرارتهاي پايين ميشود [13]. به همين علت اين نمونه در دماي 1100 درجه سانتيگراد به مدت 1 ساعت در آتمسفر آرگون آنيل گرديد كه الگوي XRD آن در شكل (5) نشان داده شده است. همانطور كه در اين شكل م شاهده ميشود، مقدار اندكي از آلومينايدهاي تيتانيم در آتمسفر آرگون به نيتريد تيتانيم تجزيه شده و عملاً
آلومينايدهاي تيتانيم پايدار ميباشند. شكل (4): الگوي XRD نمونه شماره 10 (80 ساعت آسيابكاري).
[12].

شكل (1): الگوي XRD نمونه شماره 1 (80 دقيقه آسيابكاري).

XRD شكل (5): الگوي نمونه شماره 10 (80 ساعت آسيابكاري و آنيل در دماي 1100 درجه سانتيگراد).

تصاوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي نمونههاي شماره 4 و 9 پس از آسيابكاري در زمانهاي صفر، 20 و 80 ساعت در شكل (6) آورده شده است. با توجه به اين شكل، تغيير مورفولوژي پودرها در حين آسيابكاري قابل تشخيص ميباشد.
ΔΔGGff = -146440 – 12.047 T (j) 298 = -150030.006 (j) آسيابكاري ميباشد. علاوه بر اين، پس از 20 ساعت

شكلهاي (6- الف و ب) به ترتيب مورفولوژي پودرهاي آلومينيوم و اكسيد تيتانيم را نشان ميدهد. از آنجا كه در مراحل اوليه آسيابكاري، ذرات نرم هستند، تمايل آنها به تغيير فرم پلاستيك و جوش خوردن بيشتر بوده و ذرات پهن و به هم جوش خورده، ساختار لايه لايهاي را به وجود ميآورند. در اين مرحله محدوده وسيعي از اندازه ذرات ايجاد ميگردد (شكل6- ج). با ادامه تغيير شكل، چگالي نابجاييها در ذرات افزايش مييابد و باعث شكست آنها ميشود؛ البته فرآيند جوش سرد نيز در تمام اين مراحل اتفاق ميافتد. به علت برخورد مداوم گلولهها، ذرات به صورت پيوسته و يكنواخت ريز ميشوند. در نتيجه فواصل بين لايهها كاهش يافته و تعداد لايهها در ذره افزايش مييابد. افزايش تعداد لايهها در هر ذره و ريزتر شدن ذرات، باعث بهبود سينتيك واكنش ميشود و شرايط را براي انجام واكنش فراهم ميسازد. با ادامه فرآيند آلياژسازي مكانيكي، اندازه ذرات ريزتر ميشوند و همچنين توزيع اندازه ذرات يكنواختتر ميگردد (شكل 6- د) [14]. با توجه به شكل (6- ج)، اندازه ذرات پس از 20 ساعت آسيابكاري زير 500 نانومتر تخمين زده شد كه حاكي از كاهش اندازه ذرات پس از

الف
ب
ج
د

الف

ب

ج

د

شكل (6): تصاوير ميكروسكوپ الكترونـي روبشـي نمونـه هـاي شـماره 4 و 9 پس از آسيابكاري در زمانهاي مختلف، الف) نمونه اوليه پـودر آلومينيـوم، ب) نمونه اوليه پودر اكسيد تيتانيم، ج) نمونه شماره 4 كه به مدت 20 سـاعتآسياب شده، د) نمونه شماره 9 كه به مدت 80 ساعت آسياب شده.

آسيابكاري، توزيع يكنواختي از ذرات كامپوزيت و هم محور بودن ذرات حاصل ميشود. طبق شكل (6- د)، اندازه ذرات پس از 80 ساعت آسيابكاري نيز زير 300 نانومتر ارزيابي شد كه بيانگر ريزتر شدن اندازه ذرات با افزايش زمان آسياب ميباشد.
تشكيل آلومينايدهاي تيتانيم قبل از توليد نيتريد تيتانيم ميتواند به دليل ملاحظات ترموديناميكي باشد. براي بررسي اين موضوع، كليه واكنشهاي ممكن به شرح زير از نظر تغيير انرژي آزاد مورد بررسي قرار گرفت (رابطههاي 1 تا 3).
TiO2 (S) + 4⁄3 Al(S)  ⅔ Al2O3 (S) + Ti (S) (1)
ΔHf 298 = -173.13 (kj)
ΔGf = -173130 + 23.72 T (j) ΔGf 298 = -166062.78 (j)
Ti (S) + ½ N2(g)  TiN(S)
ΔHf 298 = -337 (kj)
ΔGf = -337858 + 96.305 T (j) ΔGf 298 = -309159.11 (j)
(2)
3Al(S) + Ti(S)  Al3Ti (S) (3)
ΔHf 298 = -146.44 (kj)
با مقايسه تغييرات انرژي آزاد تشكيل آلومينايد تيتانيم و نيتريدتيتانيم به اين نتيجه رسيده شد كه انرژي آزاد تشكيل نيتريدتيتانيم (159/309 – كيلوژول) تقريباً دو برابر انرژي آزاد تشكيلآلومينايد تيتانيم (030/159 – كيلوژول) ميباشد و به همين علتتشكيل نيتريد تيتانيم ارجحيت داشته و با فرضيه ارائه شده متناقض ميباشد. بنابراين فرضيه ديگري مورد مطالعه قرار گرفت.
طبق فرضيه دوم، به دليل نرم بودن ذرات آلومينيوم و دانهبندي ريز آن، ذرات اكسيد تيتانيم و تيتانيم احياء شده به وسيله ذرات آلومينيوم پوشش داده شده و از تماس آن با نيتروژن ممانعت ميشود و لذا چنانچه آلومينيوم به اندازه كافي در محيط باشد، ترجيحاً تركيب تيتانيم با آلومينيوم و تشكيل آلومينايدهاي تيتانيم اتفاق ميافتد. بنابراين براي توليد نيتريد تيتانيم بايد مقدار آلومينيوم در محيط كاهش يابد. براي دستيابي به اين هدف بايد از مقدار آلومينيوم استكيومتري و يا كمتر از استكيومتري استفاده شود. براي اثبات صحت و يا نادرستي اين فرضيه، 3 نمونه (نمونههاي 3، 5 و6) طبق جدول (1) حاوي مخلوط پودرهاي اكسيد تيتانيم و آلومينيوم با نسبت مولي آلومينيوم به اكسيد تيتانيم برابر 2/1 و 3/1 تهيه و در زمانهاي 10 و 20 ساعت تحت آتمسفر نيتروژن با فشار 5 آتمسفر آسياب گرديدند. الگوي پراش اشعه X اين نمونهها به ترتيب در شكلهاي (7) تا (9) آورده شده است. با شناسايي فازهاي موجود در محصولات، مشخص شد كه نيتريد تيتانيم از مواد واكنشدهنده سنتز شده است. نيتريد تيتانيم حاصل (TiN و Ti4N3-x) به ترتيب داراي ساختار مكعبي با وجوه مركزدار و رومبوهدرال ميباشد. نكته حائز اهميت اين است كه ديگر آلومينايدهاي تيتانيم تشكيل نگرديده است كه بيانگر صحت فرضيه ارائه شده ميباشد. به جز نيتريد تيتانيم، اكسيد آلومينيوم نيز در محصول، تشكيل شده است.
نيتريد تيتانيم استكيومتري (TiN) داراي شبكه كريستالي FCC ميباشد. در ساختار مكعبي، پارامتر شبكه از رابطه (4) محاسبه ميشود:

شكل (7): الگوي XRD نمونه شماره 3 (10 ساعت آسيابكاري).

XRD شكل (8): الگوي نمونه شماره 5 (20 ساعت آسيابكاري).

شكل (9): الگوي XRD نمونه شماره 6 (20 ساعت آسيابكاري).

278892-98498

(4) 2a =λ h22sin+ kθ2 +l در اين رابطه a پارامتر شبكه، λ طول موج اشعه ايكس، (hkl) انديسهاي ميلر صفحات كريستالي و θ زاويه تفرق ميباشد. با استفاده از رابطه (4) پارامتر شبكه نيتريد تيتانيم سنتز شده، تعيين شد كه به طور خلاصه در جدول (2) آورده شده است. نكته حائز اهميت اين است كه پارامتر شبكه نيتريد تيتانيم در هر دو نمونه 20 ساعت آسيابكاري شده از مقدار استكيومتري آن كه 4242/0 نانومتر است، كمتر ميباشد كه حاكي از غير استكيومتري بودن نيتريد تيتانيم توليد شده ميباشد.
ميباشد. با توجه به نتايج XRD، مكانيزم توليد كامپوزيت ممكن نيست.
Al-(Al2O3-TiN) توسط آسيابكاري را ميتوان به مراحل زير به منظور بررسي تأثير عمليات آنيل بر روي محصولات سنتز تقسيم نمود: شده داراي نسبت مولي آلومينيوم به اكسيد تيتانيم برابر 4/1
نيتريد تيتانيم يك تركيب بيننشين است يعني اتمهاي نيتروژن در فضاهاي خالي بين اتمهاي تيتانيم جاي ميگيرند. اصولاً نيتريدهاي بيننشين از جمله نيتريد تيتانيم، تركيبات غير استكيومتري هستند؛ يعني مطمئناً همهي فضاهاي بيننشين توسط اتمهاي نيتروژن پر نميشوند. به طور كلي، هر چه پارامتر شبكه كوچكتر باشد، نشاندهنده كمتر بودن مقدار نيتروژن در نيتريد تشكيل يافته ميباشد [15]. طبق محاسبات انجام گرفته (جدول 2)، مشاهده شد كه پارامتر شبكه در نمونه شماره 5 نسبت به نمونه شماره 6، بزرگتر ميباشد. پس ميتوان نتيجه گرفت كه مقدار نيتروژن در نيتريد تشكيل يافته از آلومينيوم استكيومتري (نسبت مولي آلومينيوم به اكسيد تيتانيم برابر 3/1) بالاتر از مقدار نيتروژن در نيتريد تشكيل يافته از آلومينيوم كمتر از استكيومتري (نسبت مولي آلومينيوم به اكسيد تيتانيم برابر 2/1)
جدول (2): تعيين پارامتر شبكه نيتريد تيتانيم.
نمونه صفحات پراشدهنده زواياي پراش
( 2θ ) پارامتر شبكه (نانومتر) متوسط پارامترشبكه (نانومتر)
نيتريد تيتانيم سنتز شده از نمونه شماره 5 (111)
(200) 37/036
43/229 0/4201
0/4182 0/4191
نيتريد تيتانيم سنتز شده از نمونه شماره 6 (111)
(200) 37/229
42/956 0/4173
0/4208 0/4190
در اولين مرحله از فرآيند، اكسيد تيتانيم به وسيله آلومينيوم
احياء شده كه حاصل اين واكنش، همراه با آزاد شدن kj 13/173 گرما به ازاي توليد 1 مول Ti ميباشد (رابطه 1).
در مرحله دوم، در صورت استفاده از نسبت مولي آلومينيوم به اكسيد تيتانيم برابر 2/1 و 3/1، تيتانيم توليدي در مرحله قبل با آتمسفر نيتروژن واكنش داده و نيتريد تيتانيم همراه با آزاد شدن kj 337 گرما توليد ميشود (رابطه 2).
همانطور كه در شكلهاي (2) تا (4) مشخص ميباشد، اگر نسبت مولي آلومينيوم به اكسيد تيتانيم برابر 4/1 باشد، تيتانيم توليدي از فرآيند احياء با آلومينيوم باقيمانده واكنش داده و آلومينايدهاي تيتانيم توليد ميشود (رابطه 3). اگر چه با توجه به تغيير انرژي آزاد در واكنشهاي (2) و (3)، واكنشTi با 2N داراي نيروي محركه بيشتري است لكن نتايج نشان ميدهد در صورت موجود بودن Al اضافي در محيط، تيتانيم ترجيحاً با Al واكنش ميدهد و آلومينايد توليد ميكند. بنابراين ميتوان نتيجهگيري نمود كه توليد درجاي كامپوزيت
(3Al-(TiN , Al2O توسط آلياژسازي مكانيكي در يك مرحله (مقدار آلومينيوم بيش از استكيومتري)، نمونههاي شماره 9 و 11،در دماي 1100 درجه سانتيگراد به مدت 1 ساعت در آتمسفرآرگون آنيل گرديدند. آناليز فازي اين دو نمونه در شكلهاي(5) و (10) مشاهده ميشود. اولاً ملاحظه ميشود در اثر آنيلپيكهاي تيز و شاخصتري ايجاد شده كه نشاندهنده حذف كرنش شبكه، درشت شدن و كريستاله شدن دانهها ميباشد. دوماً مقدار اندكي از آلومينايدهاي تيتانيم در آتمسفر آرگون به نيتريد تيتانيم تجزيه شده (طبق رابطه 5) و عملاً آلومينايدهاي تيتانيم پايدار ميباشند. همانطور كه در رابطه (5) مشاهده ميشود، تجزيه آلومينايدهاي تيتانيم با آزاد شدن گرما نيز همراه ميباشد.
Al3Ti(S) + ½ N2 (g)  3Al(S) + TiN(S) (5)
ΔHf 298 = -191.418 (kj)
ΔΔGGff = -191418 + 108.352 T (j) 298 = -159129.104 (j)
به منظور مطالعه تأثير نسبت گلوله به پودر بر روي محصولات سنتز شده داراي نسبت مولي آلومينيوم به اكسيد تيتانيم برابر 4/1 (مقدار آلومينيوم بيش از استكيومتري) نيز نمونه شماره 8 تهيه شد و پس از گرفتن الگوي پراش اشعه Xآن كه در شكل (11) نشان داده شده است، با الگوي پراش اشعه Xنمونه شماره 7 مقايسه گرديد. با مقايسه اين دو الگو، مشخص شد كه در نمونه با نسبت گلوله به پودر بالاتر (نمونه شماره 8)، تمام مواد اوليه واكنش داده و به محصول تبديل شده است. در حالي كه در نمونه با نسبت گلوله به پودر پايينتر (نمونه شماره 7)، مواد اوليه در جريان واكنش به طور كامل مصرف نشدهاند و در محصول حضور دارند. براي ارزيابي بيشتر، نمونه شماره 11 تهيه شد و با نمونه شماره 9 مقايسه گرديد. نكته حائز اهميت در هر دو نمونه، آمورف شدن برخي پيكها بوده كه قابل شناسايي نيستند. با انجام عمليات آنيل و كريستاله شدن فازها، مشخص گرديد كه اين دو نمونه داراي پيكها و محصول يكساني ميباشند. بنابراين نتيجهگيري شد كه نسبت گلوله به پودر در زمانهاي آسياب پايين، در انجام واكنش مؤثر بوده، در حالي كه در زمانهاي آسياب طولاني، انجام واكنش مستقل از نسبت گلوله به پودر ميباشد.

شكل (10): الگوي XRD نمونه شماره 12 (80 ساعت آسيابكاري و آنيل در دماي 1100 درجه سانتيگراد).

شكل (11): الگوي XRD نمونه شماره 8 (40 ساعت آسيابكاري).

4- نتيجهگيري
خلاصه نتايج به دست آمده از اين تحقيق شامل موارد زير ميباشد:
– در اثر آسيابكاري مخلوط TiO2-Al با نسبت مولي آلومينيوم به اكسيد تيتانيم برابر 2/1 و 3/1 در آتمسفر نيتروژن به
مدت حداقل 10 ساعت، اكسيد تيتانيم احياء شده و
3TiN + Al2O توليد ميشود.
– اگر نسبت مولي آلومينيوم به اكسيد تيتانيم برابر 4/1 باشد، در حين آسياب، تيتانيم توليدي از فرآيند احياء با آلومينيوم باقيمانده در محيط واكنش داده و آلومينايدهاي تيتانيم تشكيل ميشوند.
– آلومينايدهاي تيتانيم در آتمسفر آرگون به ميزان بسيار كم تجزيه ميشود ولي عملاً آلومينايدهاي تيتانيم پايدار ميباشند. 4 – نسبت گلوله به پودر در زمانهاي آسياب پايين، در انجام واكنش مؤثر بوده، در حالي كه در زمانهاي آسياب طولاني، انجام واكنش مستقل از نسبت گلوله به پودر ميباشد.

5- مراجع
ن. چاولا، ك. چاولا، م. مرآتيان و م. جلالي، “كامپوزيتهاي زمينه فلزي، انتشارات جهاد دانشگاهي واحد صنعتي اصفهان”، 1383.

Topcu, H. O. Gulsoy, N. Kadioglu and A. N. Gulluoglu, “Processing and Mechanical Properties of B4C Reinforced
Al Matrix Composites”, Journal of Alloys and Compounds, No. 482, pp. 516-521, 2009.
M. Rahimian, N. parvin and N. ehsani, “Investigation of Particle Size and Amount of Alumina on Microstructure and Mechanical Properties of Al Matrix Composite Made by Powder Metallurgy”, Material Science and Engineering, No. A 527, pp. 1031-1038, 2010.
K. M. Shorowordi, T. Laoui, A. S. M. A. Haseeb, J. P. Celis and L. Froyen, “Microstructure and Interface Characteristics of B4C, SiC and Al2O3 Reinforced Al
Matrix Composites: a Comparative Study”, Journal of Materials Processing Technology, No. 142, pp. 738-743, 2003.
J. Kusai, F. Nagase, A. Tanaka, K. Kubo and T. Yokote,
“Aluminium Matrix Composite Powder”, United States Patent, No. 926892, 1995.

M. Sherif and El. Eskandarany, “Mechanical Alloying for
Fabrication of Advanced Engineering Materials”, Noyes Publications, William Andrew Publishing Norwich-New York-U.S.A, 2001.

S. M. Zebarjad and S. A. Sajjadi, “Microstructure Evaluation of Al-Al2O3 Composite Produced by
Mechanical Alloying Method”, Materials and Design, No.
27, pp. 684-688, 2006.

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, No. A342, pp. 131-143, 2003.
C. Suryanarayana, “Mechanical Alloying and Milling”, Progress in Materials Science, No. 46, pp. 1-184, 2001.

E. M. Ruiz-Navas, J. B. Fogagnolo, F. Velasco, J. M. RuizPrieto and L. Froyen, “One Step Production of Aluminium
Matrix Composite Powders by Mechanical Alloying”, Composites: Part A, No. 37, pp. 2114-2120, 2006.

D. Gu, Z. Wang, Y. Shen, Q. Li and Y. Li, “In-Situ TiC Particle Reinforced Ti-Al Matrix Composites: Powder Preparation by Mechanical Alloying and Selective Laser
Melting behavior”, Applied Surface Science, No. 255, pp. 9230-9240, 2009.

ع. حاجعليلو، ع. سعيدي و م. عباسي، “توليد كاربيد تيتانيوم و نانوكامپوزيت 3TiC-Al2O با استفاده از روتيل به روش سنتز احتراقي و آلياژسازي مكانيكي”، فصلنامه علمي پژوهشي مهندسي مواد مجلسي، سال چهارم، شماره اول، بهار 1389.

ك. جوادي، “توليد كامپوزيتFe-ZrC از زيركونيا به روش سنتز احتراقي”، دانشكده مهندسي مواد، دانشگاه آزاد اسلامي واحد نجفآباد، تابستان 1389.

م. يعقوبي، ع. سعيدي و ر. ابراهيمي، “توليد پودر كامپوزيتي
FeCo-TiC به روش آلياژسازي مكانيكي”، چهارمين همايش مشترك انجمن مهندسين متالورژي و جامعه علمي ريختهگري ايران، دانشگاه علم و صنعت ايران، آبان 1389.

O. Pierson, “Handbook Of Refractory Carbides and
Nitrides”, Noyes Publications Westwood, New Jersey, U.S, 1996.



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید