اثر فعال سازي مكانيكي بر تف جوشي و خواص مكانيكي كامپوزيت
Fe-50Ni-TiC

محمد حسن شيراني1* ، علي سعيدي2 ، مسعود كثيري3و اميررضا شيراني4
دانشجوي كارشناسي ارشد، دانشگاه آزاد اسلامي واحد نجف آباد، اصفهان، ايران
استاد، دانشگاه صنعتي اصفهان، ايران
استاديار، دانشگاه آزاد اسلامي واحد نجف آباد، اصفهان، ايران
دانشجوي كارشناسي ارشد، دانشگاه آزاد اسلامي واحد كرج، ايران
*mohamadshiran@gmail.com
(تاريخ دريافت: 10/03/1390، تاريخ پذيرش:11/07/1390)

چكيده
اين تحقيق به بررسـي فرآينـد، ريـز سـاختار و رفتـار تـف جوشـي كامپوزيـتTiC در زمينـهNiFe ، شـامل 5،10،20 و 30 درصـد وزنـيTiC ، مي پردازد. از فرآيند هاي آلياژسازي مكانيكي و متالورژي پودر براي ساخت كامپوزيت استفاده شده است. ارزيابي پـودر هـاي آسـياب كـاريشده و نمونه هاي تف جوشي شده با استفاده از ميكروسكوپ الكتروني روبشي و پراش اشعه ايكس انجام شد. مطالعات ريزساختاري نشـان دادكه ذرات TiC به طور يكنواختي در زمينه NiFe توزيع شده اند. همچنين سختي كامپوزيت با افزايش مقدار TiC افزايش يافت.

واژه هاي كليدي:
سوپر آلياژ NiFe- آلياژسازي مكانيكي- متالورژي پودر- ريز ساختار

1 – مقدمه
نياز روز افزون به كاربرد مواد در صنعت به خصوص هوا فضا و اتومبيل سازي منجر به توسعه مواد كامپوزيتي شده است. از اين ميان ميتوان به كامپوزيتهاي زمينه فلزي اشاره كرد كه از يك تقويت كننده سراميكي سخت در يك زمينه آلياژي يا فلزي نرم تشكيل شده است. كامپوزيت هاي زمينه فلزي تركيبي از خواص فلزي (داكتيليته/تافنس) با ويژگي سراميكي(استحكام و مدول بالا) ميباشد كه منجر به استحكام بالاتر در برش و فشار و قابليت عملكرد در دماهاي بالا مي شود. خواص فيزيكي و مكانيكي قابل توجه نظير مدول ويژه بالا، نسبت استحكام به وزن بالا، مقاومت خستگي بالا، پايداري حرارتي بالا و مقاومت به سايش بالا را مي توان در كامپوزيتهاي زمينه فلزي يافت[1]. علاوه بر اين در كامپوزيت هاي زمينه فلزي تقويت شده با ذرات، خواص مكانيكي به طور قابل ملاحظه اي تحت تاثير مقدار حالت توزيع تقويت كننده و همچنين طبيعت فصل مشترك بين تقويت كننده و زمينه ميباشد. به عبارت ديگر، توزيع يكنواخت از ذرات تقويت كننده به همراه يك ساختار ريز دانه باعث بهبود و استحكام مكانيكي خواهد شد. لذا يكي از روش هاي معمول در ساخت پودرهاي كامپوزيت زمينه فلزي، آلياژ سازي مكانيكي مي باشد. در اين روش يك توزيع قابل قبولي از ذرات تقويت كننده در زمينه فلزي و بدون جدايش، كه معمولاً در كامپوزيت هاي ريخته گري شده وجود دارد، به دست مي آيد[2 -3 -5 ].
كاربيد تيتانيم (TiC) با سختي بالا و پايداري حرارتي بالا يك تقويت كننده مناسب در كامپوزيت هاي پايه آهن ميباشد. اين كامپوزيت ها به طور عمده بوسيله روش متالورژي پودر كه شامل اضافه كردن پودر TiC به پودر آهن ميباشد ساخته مي شوند. سوپر آلياژهاي پايه آهن- نيكل تقويت شده با كاربيد تيتانيم در حال حاضر در كاربردهاي دما بالا كه خوردگي و سايش دليل اصلي شكست مواد ميباشد، مورد استفاده قرار مي گيرند[6]. ساخت كامپوزيت هاي پايه آهن و نيكل تقويت شده با ذرات TiC و بررسي خواص آن به روش هاي گوناگون مانند تف جوشي مستقيم با ليزر (DMLS) [7]، مايكروويو[8]، اسپري پلاسماي تشديد شده[9]، سنتز احتراقي (SHS) [10]، روكش دهي با ليزر[11]، تف جوشي پلاسماي جرقه اي[12]، روش درجا[14-13] و متالورژي پودر[15-17] توسط چندين محقق گزارش شده است. ولي با اين حال تحقيقات كمي راجع به ساخت اين كامپوزيت ها به روش آلياژ سازي مكانيكي و متالورژي پودر موجود ميباشد.
در تحقيق حاضر با استفاده از روش آلياژسازي مكانيكي، پودر هاي آهن، نيكل و كاربيد تيتانيم به منظور بررسي روند
تشكل محلول جامد Ni-50Wt% Fe، در زمان هاي مختلف تحت فرآيند آسياب كاري قرار گرفته و سپس نمونه هاي آسياب كاري شده در زمانهاي مختلف، تحت عمليات تف جوشي در دماي C0 1200 و نگهداري در اين دما به مدت 40 دقيقه قرار گرفتند. همچنين اثر اضافه كردن ذرات TiC به ميزان 5، 10، 20 و 30 درصد وزني بر روي سختي، دانسيته و ريزساختار نمونه هاي تف جوشي شده مورد بررسي قرار گرفت.

2- روش تحقيق
مواد اوليه مورد استفاده در اين تحقيق شامل پودر نيكل (ميانگين اندازه ذرات µm 100، خلوص 5/99%، كمپاني LSM)، پودر آهن (ميانگين اندازه ذرات µm 150،خلوص 2/99% ،كمپاني Hoganass) پودر TiC (ميانگين اندازه ذرات µm200<، خلوص 8/99 %، كمپاني Alfa Aesar ) مي باشد. شكل و اندازه ذرات در شكل(1) نشان داده شده است. ابتدا مخلوط پودري NiFe-TiC براي مدت زمانهاي 1، 3، 5، 7، 10، 15 و 25 ساعت با استفاده ازآسياب گلوله اي سياره اي پر انرژي با سرعت 600 دور در دقيقه (rpm600)، در محفظه هايي از جنس فولاد سخت پر كروم با گلوله هايي از جنس فولاد بلبرينگ با قطر mm20 آسياب كاري شدند. براي جلو گيري از اكسيداسيون، محفظه ها تحت اتمسفر گاز آرگون قرار داده شد. نسبت وزني گلوله به
پودر ( BPR ) 20:1 انتخاب شد. در مرحله بعد پودر TiC به ميزان5، 20 و 30 درصد وزني به مخلوط پودري NiFe اضافه گرديد و به مدت زمان 10 ساعت با شرايط يكسان تحت عمليات آسياب كاري قرار گرفت. سپس پودرهاي آسياب كاري شده به كمك پرس سرد دوطرفه با فشار MPa 600 فشرده سازي شد و نمونه هاي استوانه اي شكل به قطر mm 6 و ارتفاع mm 5/3 تهيه گرديد. براي عمليات تف جوشي، نمونه ها در داخل كوره لوله اي قرار داده شده وحرارت دادن با نرخ C/min0 10، تحت اتمسفر هيدروژن، تا دماي C0 1200 انجام شد. آناليز فازي با استفاده از پراش اشعه ايكس (XRD) و استفاده از دستگاه ديفركتومتري فيليپس مدل PW1800 و به كارگيري اشعه CuKα، صورت گرفت. دانسيته نمونه هاي زينتر شده با استفاده از روش ارشميدوس تعيين گرديد. آزمون ميكروسختي ويكرز بر روي پودر هاي خام و نمونه هاي تف جوشي شده كه به مدت 10 ساعت آسياب كاري شده بودند با استفاده از دستگاه ERNS7 Leitz GMBH WETZLAR ، تحت بار اعمالي gr 50، انجام شد. 3- نتايج و بحث
الگوي پراش اشعه ايكس براي مخلوط پودري Fe-Ni-10%Wt TiC بعد از زمان هاي مختلـف آسـياب كـاري در شـكل 2، نشـانداده شده است. همان طور كه مشاهده ميشـود بـا افـزايش زمـانآسياب كاري، تمـام خطـوط پـراش پهـن شـده و از شـدت آنهـاكاسته ميشود كه نشان دهنـده كـاهش پيوسـته در انـدازه دانـه ووارد شدن كرنش به شبكه ميباشد.

شكل(1): شكل و اندازه ذرات مواد اوليه (a نيكل (b ،(Ni) آهن (Fe)و (c
كاربيد تيتانيم (TiC)

59 Fe-50Ni-TiC اثر فعال سازي مكانيكي بر تف جوشي و خواص مكانيكي كامپوزيت

خطوط پراش نشان داده شده دريك ساعت مربوط به فلز آهن با شبكه مكعبي مركز دار(BCC ) و فلز نيكل با شبكه مكعبي با سطوح مركز دار(FCC ) ميباشد. با افزايش زمان آسياب كاري تا پنج ساعت، هم پيك هاي آهن و هم پيك هاي نيكل مشاهده ميشود ولي جابجايي در موقعيت پيكها مشاهده نمي شود و تنها از شدت آنها كاسته شده و پهن تر ميشوند. پس از هفت ساعت آسياب كاري پيك هاي مربوط به صفحات (110)/(200) كه مربوط به آهن آلفا(α) با شبكه BCC بوده حذف شده و تنها پيك هاي مربوط به شبكه FCC مشاهده ميشود كه به سمت زواياي كمتر تغيير موقعيت پيدا كرده اند. اين نشان دهنده تشكيل محلول جامد آهن در نيكل ميباشد. به عبارت ديگر، حذف پيك هاي مربوط به آهن و تغيير موقعيت پيكهاي مربوط به نيكل، حاكي از اين مطلب است كه اتم هاي آهن به داخل شبكه نيكل نفوذ كرده و با توجه به اين كه شعاع اتمي آهن (nm 126/0) بزرگتر از شعاع اتمي نيكل (nm 124/0) ميباشد باعث انبساط شبكه و تشكيل محلول جامد γ(Fe,Ni)، FCC، ميشود. محلول جامد تشكيل شده تاينايت (taenite) نام دارد. با افزايش زمان آسياب كاري تا 25 ساعت، خطوط پراش پهن تر شده ولي تغيير محسوسي در موقعيت پيكها مشاهده نمي شود كه نشان دهنده ريز شدن دانه ها به طور قابل ملاحظه اي ميباشد. همچنين لازم به توضيح است كه ميكرو تنشها در كريستال ها از منابعي نظير جاي خالي ها، عيوب، صفحات برشي، انبساط حرارتي و انقباضات ميآيند. پودرهايي كه تحت عمليات آنيل قرار نگرفته باشند داراي تنش هاي پس ماند بيشتر و پهن شدگي بيشتر در خطوط پراش هستند[18]. لازم به ذكر است كه تشكيل محلول جامد γ(Fe,Ni)، FCC، با نام taenite براي مخلوط پودري 50Fe50Ni به دست آمده با روش آلياژسازي مكانيكي نيز بعد از 24 ساعت زمان آسياب كاري[19]، بعد از 50 ساعت زمان آسياب كاري [20] و بعد از دو ساعت زمان آسياب كاري [21]، توسط محققين مختلف گزارش شده است.

شكل(2): الگوي پراش اشعه ايكس براي مخلوط پودري Ni-Fe-10%Wt TiC بعد از زمان هاي مختلف آسياب كاري

اثر مقدار TiC بر روي دانسيته نسبي، پس از تفجوشي در دمايC0 1200 و نگهداري در اين دما به مدت 40 دقيقه، براي نمونههايي كه براي مدت 10 ساعت آلياژسازي مكانيكي شده، در شكل3 نشان داده شده است. منظور از دانسيته نسبي نسبت دانسيته واقعي به دانسيته تئوري ميباشد. دانسيته تئوري با استفاده از قانون مخلوط ها [22] به دست آمد كه در رابطه(1) آمده است.
ρ=ρ1V1 +ρ2V2 +………ρnVn (1)

در جاييكه ρ دانسيته تئوري، ρn دانسيته هر يك از اجزاء كامپوزيت و Vn كسر حجمي هر يك از اجزاء كامپوزيت مي باشد. دانسيته واقعي با استفاده از روش ارشميدوس[23] حاصل شد. به اين صورت كه ابتدا نمونه ها به صورت خشك و در هوا وزن شد((Wa، سپس نمونهها در آب تقطير شده غوطه ور شد و مجدداً وزن غوطهوري را به دست آورده((Ww و دانسيته واقعي با استفاده از رابطه (3) به دست آمد.
ρa =Wa /(Wa −Ww)×ρw (3)

در جايي كه ρa دانسيته واقعي، Wa جرم نمونه ها در هوا، Ww جرم نمونه غوطه ور شده در آب تقطير شده و ρw دانسيته آب تقطير شده ميباشد. شكل3، نشان ميدهد كه با افزايش مقدار TiC دانسيته كاهش مييابد. دليل اين امر ميتواند به اين خاطر باشد كه با افزايش مقدار TiC پرس كردن نمونه ها مشكل تر شده كه به خاطر سختي بالاتر TiC ميباشد. لذا در اين كامپوزيت ها، با افزايش مقدار TiC قابليت پرس شدن پايين آمده و منجر به پايين آمدن دانسيته نسبي ميشود. دليل ديگر براي اين پديده به خاطر اثر بازدارنده ذرات TiC روي مكانيزم تف جوشي ميباشد. از آنجايي كه نقطه ذوب TiC برابر
C0 3067 ميباشد. لذا تمايل كمتري براي ايجاد پيوند با Ni-Fe داشته كه منجر به يك شبكه ضعيف ميشود. همان طور كه ملاحظه ميشود مقادير دانسيته تقريباً بين 70 تا 80 درصد دانسيته تئوري ميباشد. دليل ديگر كاهش دانسيته مي تواند آگلو مره شدن ذرات باشد. به عبارات ديگر، بعد منفي آگلومراسيون باعث بوجود آمدن حفرات دو گانه يا دومدي (دو قلهاي) ميشود. به اين معني كه شامل حفرات بزرگ در بين آگلومرهها و حفرات كوچك در داخل آنها ميباشد. حذف حفرات بزرگ در هنگام تف جوشي نيازمند دما و زمان تف جوشي بالاتري ميباشد. همچنين، آگلومراسيون باعث يك اثر بازدارنده از انباشت ذرات و جريان ذرات در هنگام پرس سرد ميشود. همچنين دليل ديگر براي كاهش دانسيته با افزايش TiC اين است كه دانسيته ذرات TiC از Fe و Ni كمتر است. نتايج مشابهي توسط محققين[24]، براي رفتار تف جوشي پودرهاي NiFe نانو كريستال گزارش شده است.

شكل(3): اثر ميزانTiC بر روي دانسيته نسبي براي نمونه هاي آلياژسازي
مكانيكي شده به مدت 10 ساعت و تف جوشي در دماي C12000 و مدت زمان 40 دقيقه

شكل4- ريزساختار نمونه ها را پس از تف جوشي در دماي C12000 و مدت زمان 40 دقيقه، پس از 10 ساعت آلياژسازي مكانيكي نشان ميدهد. شكل(4 الف، 4ب و 4ج) به ترتيب حاوي 5، 20 و 30 درصد وزني TiC ميباشد. مناطق خاكستري رنگ نشان دهندة ذرات TiC ميباشند. همان طور كه مشاهده ميشود توزيع ذرات TiC در زمينه NiFe تقريباً حالت يكنواخت داشته و براي رسيدن به توزيع يكنواخت تر TiC در زمينه NiFe نياز به زمانهاي بيشتر آلياژسازي مكانيكي ميباشد.

0C:
شكل(4) ريزساختار نمونه ها را پس از تف جوشي در دماي 1200 و مدت زمان 40 دقيقه، پس از 10 ساعت آلياژسازي مكانيكي

61 Fe-50Ni-TiC اثر فعال سازي مكانيكي بر تف جوشي و خواص مكانيكي كامپوزيت
آزمون ميكروسختي ويكرز با بار اعمالي gr50 برروي نمونه هاي حاوي 0، 5، 10، 20 و 30 درصد وزني TiC كه در مدت زمان 10 ساعت آلياژسازي مكانيكي شده و سپس تحت عمليات تف جوشي در دماي C0 1200 و مدت زمان 40 دقيقه قرار گرفته، انجام شد و نتايج آن در شكل5 نشان داده شده است.
همان طور كه ديده ميشود با افزايش مقدار TiC سختي نيز افزايش پيدا ميكند. مقدار سختي براي NiFe برابر7 +− 130 ويكرز حاصل شد كه با اضافه كردن TiC تا ميزان 30 درصد وزني اين مقدار به11 +− 540 ويكرز ، افزايش پيدا كرد. دليل افزايش سختي، وجود ذرات سخت TiC در زمينه سوپر آلياژ NiFe ميباشد. از طرفي وجود ذرات TiC باعث ايجاد تغيير فرم شديد و ريز شدن دانه ها ميشود. لذا با افزايش مقدر TiC سختي نيز افزايش پيدا ميكند[25].

شكل(5): اثر ميزانTiC بر روي ميكروسختي براي نمونه هاي
آلياژسازي مكانيكي شده به مدت 10 ساعت و تف جوشي در دماي C0 1200 ومدت زمان 40 دقيقه

4- نتيجه گيري
پودر فلزات آهن، نيكل و ذراتكاربيد تيتانيم توسط آسيابكاري آلياژ شده و سسپس به روش متالورژي پودر (پرس سرد/تف جوشي) تحت عمليات مستحكم سازي قرار گرفت. اثر ميزان TiC بر حسب درصد وزني، برروي فرآيند مستحكم سازي مورد مطالعه و بررسي قرار گرفت و نتايج زير حاصل گرديد:
– مخلوط Ni-50Fe پس از حداقل هفت ساعت آسياب كاري مكانيكي در آسياب پر انرژي كاملاً در يكديگر حل شده و محلول جامد با شبكه FCC ايجاد ميكند.
– با افزايش درصد TiC در نمونه هاي زينتر شده دانسيته كاهش مييابد.
– وجود ذرات TiC در زمينه باعث افزايش سختي ميگردد كه اين روند با افزايش مقدار TiC، افزايش مييابد.

5- مراجع
Na-Ra Park, Dong-Mok Lee, In-Yong Ko, JinKookYoon,In-JinShon,”Rapid consolidation of nanocrystalline Al2O3 reinforced Ni–Fe composite from mechanically alloyed powders by high frequency induction heated sintering”, Ceramics International, Vol.
35, pp. 3147–3151, 2009.

C. Suryanarayana, ” Mechanical alloying and milling”, Progress in Materials Science, Vol. 46, pp. 1-184, 2001.

H. Shokrollahi, “The magnetic and structural properties of the most important alloys of iron produced by mechanical alloying”, Materials & Design, Vol. 30, pp.
3374–3387, 2009.

L. Yongsheng, J. Zhang, Y. Liming, J. Guangqiang, J. Chao, C. Shixun,” Magnetic and frequency properties for nanocrystalline Fe–Ni alloys prepared by high-energy milling method”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol. 285, pp. 138–144, 2005.

D.L. Zhang,” Processing of advanced materials using high-energy mechanical milling”, Progress in Materials Science, Vol. 49, pp. 537–560, 2004.

Nuri Durlu, ” Titanium Carbide Based Composites for High Temperature Applications”, Journal of the European Ceramic Society, Vol.19, pp. 2415-2419, 1999.

A. G°a°ard, P. Krakhmalev, J. Bergstr¨om,”
Microstructural characterization and wear behavior of (Fe,Ni)–TiC MMC prepared by DMLS”, Journal of Alloys and Compounds, Vol. 421, pp. 166–171, 2006.

M. Razavi, M. S. Yaghmaee, M. Reza Rahimipour, S. and Razavi Tousi, ” The effect of production method on properties of Fe–TiC composite”, International Journal of Mineral Processing, Vol. 94, pp.97-100, 2010.

Jinglei Zhu, Jihua Huang , Haitao Wang, Shouquan Zhang, Hua Zhang, Xingke Zhao, ” Microstructure and properties of TiC–Fe36Ni cermet coatings by reactive plasma spraying using sucrose as carbonaceous precursor”, Applied Surface Science, Vol.254, pp.6687– 6692, 2008.

A. Azadmehr, E. Taheri-Nassaj, ” An in situ (W,Ti)C–Ni composite fabricated by SHS method”, Journal of NonCrystalline Solids, Vol. 354, pp. 3225–3234, 2008.

Sen Yang, Na Chen, Wenjin Liu, Minlin Zhong, Zhanjie Wang, Hiroyuki Kokaw, “Fabrication of nickel composite coatings reinforced with TiC particles by laser cladding”, Surface and Coatings Technology, Vol. 183, pp. 254– 260, 2004.
Binghong Li, Ying Liu , Hui Cao, Lin He, Jun Li, ” Rapid fabrication of in situ TiC particulates reinforced Fe-based composites by spark plasma sintering”, Materials Letters, Vol. 63, pp. 2010–2012, 2009.

Yisan WangU, Xinyuan Zhang, Fengchun Li, Guangting Zeng”, Study on an Fe-TiC surface composite produced in situ”, Materials and Design, Vol. 20, pp. 233-236, 1999.

Wang Jing, Wang Yisan,” In-situ production of Fe–TiC composite”, Materials Letters, Vol. 61, pp. 4393–4395, 2007.

X.H. Wang, Z.D. Zou, S.Y. Qu, S.L. Song, ” Microstructure and wear properties of Fe-based hardfacing coating reinforced by TiC particles”, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 168, pp. 89–94, 2005.

F. Akhtar, S. Guo, J. Askari, J. Tim, “Sintering behavior, microstructure and properties of Tic-FeCr hard alloy”, Journal of University of Science and Technology Beijing, Vol.14, pp. 89-93, 2007.

P. Persson, A. E.W. Jarfors, S. Savage,” Self-propagating high-temperature synthesis and liquid-phase sintering of TiC/Fe composites”, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 127, pp. 131–139, 2002.

B.D. Cullity, Elements Of X Ray Diffraction, AddisonWesley Publishing Company, Inc., 1956

A. Guittoum, A. Layadi, A. Bourzami, H. Tafat, N. Souami, S. Boutarfaia, D. Lacour, ” X-ray diffraction, microstructure, Mo¨ ssbauer and magnetization studies of nanostructured Fe50-Ni50 alloy prepared by mechanical alloying”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol. 320, pp. 1385–1392, 2008.

E. Jartych, J.K. Zurawicz, D. Oleszak, M. P˛ekala,”magnetic properties and structure of nanocrystalline Fe-Al and Fe-Ni alloys”, NanoStructured Materials, Vol.12, pp. 927-933, 1999.

A. Djekoun, B. Bouzabata, A. Otmani, J.M. Greneche, “X-ray diffraction and Mössbauer studies of nanocrystalline Fe–Ni alloys prepared by mechanical alloying”, Catalysis Today, Vol. 89, pp. 319-323, 2004.

N. Chawla, “Metal matrix composte”, Springer. First edition USA, 2006.

H.Y. Wang, Q.C. Jiang, Y. Wang, B.X. Maa, F. Zhao, “Fabrication of TiB2 particulate reinforced magnesium matrix composites by powder metallurgy”, Materials Letters, Vol. 58, pp.3509–3513,2004.

P. KNORR, J.G. NAM, and J.S. LEE,” Sintering behavior of nanocrystalline g -Ni-Fe powders”, Etallurgical and Materials Transactions A, Vol. 31, pp. 503-510, 1998.

M. Rahimian, N. Parvin, Naser Ehsani, “Investigation of particle size and amount of alumina on microstructure and mechanical properties of Al matrix composite made by powder metallurgy”, Materials Science and Engineering
A, Vol.527, pp.1031–1038, 2010

.



قیمت: تومان


پاسخ دهید