دانلود مقاله ترکیب بین فلزی Ni3Al و مواد مرکب بین فلزی با فرمت ورد ودر19 صفحه قابل ویرایش
قسمتی از متن مقاله
پیشگفتار
آلومیناید نیکل موسوم به Ni3Al ازجمله مواد پیشرفته‌ای است که از خواص مهندسی منحصر به فردی نظیر وزن مخصوص پایین، مقاومت سایشی زیاد، استحکام گرم بالا و ضریب اصطکاک کم، هدایت حرارتی بالا و مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون مناسب در دمای بالا برخوردارند. همچنین این مواد اغلب نقطه ذوب بالاتری نسبت به سوپرآلیاژها دارند و به دلیل داشتن پیوند‌های فلزی، چقرمگی بیشتری نسبت به سرامیک‌ها بروز می‌دهند. ازاین رو در سال‌های اخیر برروی روش‌های تولید، خواص و کاربردهای این‌گونه ترکیبات بین‌فلزی تحقیقات وسیعی انجام گرفته است. نتایج این تحقیقات نشان می‌دهد که آلومیناید‌های نیکل برای ساخت قطعات مهندسی، پوشش‌دادن اجزاء و نیز به عنوان ذرات تقویت‌کننده در مواد مرکب برای کاربرد در صنایع هوا‌فضا و خودرو مواد بسیار مناسبی می‌باشند. آلیاژهای بی‌شماری که بر پایه Ni3Al گسترش یافته بر پهنه وسیعی از کاربردها از قبیل پوشش حرارتی محفظه‌های احتراق و پره‌های توربین‌های گازی صنعتی، لوله‌های کوره و لوله‌های توزیع سوخت برای تولید فولاد، لوازم عملیات حرارتی، قالب‌های ریخته گری و بخش‌های مقاوم به خوردگی برای صنایع شیمیایی بکار رفته‌اند، و این به علت پیوند‌های قوی بین آلومینیوم و نیکل است که در دمای بالا پایدار می‌ماند و خواص عالی حاصل شده مانند نقطه ذوب بالا، دانسیته کم، استحکام زیاد و همچنین مقاومت به اکسیداسیون و خوردگی که با سوپرآلیاژها و مشکلات پروسه تولید از اشکالات اصلی آلومیناید نیکل است.
از نظر علمی این آلومیناید یکسری خواص مکانیکی نامتعارفی را ازخود ارائه می‌نماید، که کاملاً با رفتار آلیاژهای محلول جامد متعارف (یعنی آلیاژهای نامنظم) متفاوت می‌باشد. نامتعارف بودن رفتار سیلانی در این آلومیناید همانا افزایش استحکام تسلیم، بجای کاهش آن با افزایش دما
می‌باشد. Ni3Al بصورت تک بلور، انعطاف‌پذیر است اما آلیاژ خالص و چندبلوری آن در دمای محیط، به‌واسطه بروز شکست مرزدانه ای بسیار ترد می باشد. البته مرزدانه این آلومیناید تمیز و عاری از هرگونه آلودگی نیز می‌باشد و به‌واسطه همین دو پدیده، به‌طور کلی Ni3Al را ذاتاً ترد در نظر می‌گیرند.
فصل اول
1. معرفی ترکیب بین فلزی
1-1. مقدمه
ترکیب‌های بین فلزی[1]عنوانی مختصر و کوتاه برای ترکیب‌ها و فازهای بین فلزی است. طبق یک تعریف ساده این مواد، ترکیب‌هایی از فلزات هستند که ساختارهای بلوری آنها با فلزات تشکیل دهنده‌شان متفاوت است که نتیجتاً فازهای بین فلزی و آلیاژهای منظم را شامل می‌شوند. یکی از کاربردهای مهم این مواد استفاده آنها در سیستم‌های دما بالا مانند موتور هواپیماهای جت و توربین‌های گازیست که در آنها مقاومت در برابر خوردگی، اکسایش و استحکام باید حفظ شود. برای این منظور از سوپر آلیاژها استفاده می‌شود و در این میان آلیاژهای پایه نیکل بیشترین کاربرد را دارند [1].
آلومیناید نیکل (cP4) با فرمول Ni3Al از دهه 1950 بطور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است. از نقطه نظر فنی Ni3Al موسوم به فاز ، مهم ترین مولفه ساختاری موجود در ابر آلیاژهای پایه نیکلی تجاری است که بطور گسترده ای بعنوان مواد ساختاری در دماهای بالا بکار گرفته می شود. فاز ، عامل اصلی دراستحکام دما بالا و مقاومت به خزش در ابرآلیاژها می باشد. آلیاژهای Ni3Al عموما مقاوم به اکسایش در هوا بوده که این مقاومت نتیجه قابلیت آنها در تشکیل پوسته های اکسید سطحی چسبنده است که فلز پایه را از خوردگی های شدید محافظت می نمایند.
Ni3Al اولین ترکیب بین فلزی است که به ازاء افزودن آلومینیوم به نیکل تشکیل می شود. این آلومیناید تا زیر دمای پریتکتیک ˚C1395 دارای ساختار بلوری منظم (cP4) L12 (شکل a1) می باشد. واحد شبکه آن حاوی چهار اتم است، که سه اتم نیکل مراکز سطوح را اشغال نموده و یک اتم آلومینیوم نیز در رئوس شبکه بلوری قرار گرفته اند. ساختار بلوری L12 دارای چیدمانی از سه دسته صفحات متراکم اتمی است که تسلسل چیدمان آنها به صورت ABC (شکل b1) می باشد. منطقه فازی Ni3Al، در دیاگرام نیکل-آلومینیوم، گستره ای حدود 3 درصد اتمی را در اطراف ترکیب موازنه ای خود اشغال نموده است. در این حالت در هردو طرف پرنیکل و پر آلومینیوم تر از فاز Ni3Al اتم های عنصر غنی تر از حالت موازنه ای، جایگزین اتم های عنصر دیگر می شوند [2].
شکل1-1 ساختار بلوری منظم Ni3Al (a) ساختار بلوری L12 و (b) سه صفحه متراکم و متوالی (111) که دوایر بزرگ، متوسط و کوچک به ترتیب نماینده اتم های موجود در صفحات فوقانی، میانی و تحتانی هستند [2].
شکل 1-2 نمودار دوتایی نیکل - آلومینیوم را نشان می‌دهد. بر اساس این نمودار نیکل با آلومینیم تشکیل ترکیبات پایدار NiAl و Ni3Al و ترکیبات ناپایدار AlNi، AlNi3، Al3Ni2،Al3Ni را می‌دهد. در اینجا به طور اختصار، ترکیبات پایدار این نمودار بررسی می‌شود]1[.
شکل1-2 نمودار فاز دوتاییNi-Al[1]
پیشرفت در آلیاژی که یک ترکیب بین فلزی پایه آن باشد برای کاربردهای ساختاری تحت عنوان یک زمینه تحقیقاتی درطی 25 سال گذشته مورد بررسی قرار گرفته است. بیشتر تلاشهای تحقیقاتی برای کاربرد های ساختاری نگرانی برای آلیاژهای حاوی ذرات پایه Ni3Al، Fe3Al، FeAl، Ti3Al، TiAl و MoSio2 است [2].
خواص عمده آلیاژ
Ni3Al شناخته شده‌ترین ترکیب بین فلزی است و بیشترین مطالعه به روی آن انجام شده است زیرا مدّت زیادی به عنوان فاز استحکام بخش در ابر آلیاژها مورد استفاده بوده و به خاطر نرم بودنش، می‌تواند بر مشکلات مربوط به شکل پذیری غلبه کند. یعنی می‌تواند از طریق کم آلیاژ کردن با بور، نرم گردد. این بدان معنی است که این آلیاژ را می‌توان بدون دشواری‌های عمده آزمایشگاهی، آزمایش و تولید کرد. از این رو است که در گذشته این ماده برای مطالعه بر روی رفتار بین فلزات انتخاب می‌شود [3].
آلومیناید نیکل معروف به با ساختار مکعبی L12 (نوع Cu3Au ) متبلور می‌شود که از نظم یافتن ساختار fcc حاصل می‌شود. انحراف از ترکیب استوکیومتری در درجه اول از طریق عیوب ضد مکان در ساختار سازگار می‌شود. چگالی Ni3Al،cm3 /7.5 g است و بنابراین تنها کمی پایین‌تر از چگالی ابر رساناهاست (جدول1-1) که البته با این وجود هم مورد توجه قرار می‌گیرد.
ثابت کشسانی به طور تجربی و نظری توسط محققان مختلف بررسی شده‌اند. ضریب یانگ Ni3Al چند بلوره ریختگی در دمای اتاق حدوداً همان مقدار ضریب یانگ Ni خالص ولی با وابستگی کمتر است. بهعبارت دیگر کمی کوچک‌تر از ضریب یانگ ابر رساناهاست. داده‌های مربوط به انبساط حرارتی، هدایت حرارتی، اثر سیبک و مقاومت الکتریکی ارائه شده‌اند]4[.
جدول1-1 ویژگی برخی ابرآلیاژها]15[
ویژگی | پایه Ti | پایه Ti3Al | پایه TiAl | ابرآلیاژها |
ساختار | A3/A2 | D˳19/A2/B2 | L1˳/D˳19 | A1/L12 |
چگالی (g/cm3) | 4.5 | 4.1-4.7 | 3.7-3.9 | 7.9-9.1 |
ضریب یانگ در دمای اتاق (GN/m2) | 115-95 | 145-100 | 180-160 | 220-195 |
استحکام تسلیم در دمای اتاق(MN/m2) | 1150-380 | 990-700 | 650-400 | 1310-250 |
استحکام کششی در دمای اتاق(MN/m2) | 1200-480 | 1140-800 | 800-450 | 1620-620 |
حد دمایی ناشی از خزش (C˚) | 600 | 760 | 1000 | 1090 |
حد دمایی ناشی از اکسایش(C˚) | 600 | 650 | 900 | 1090 |
کرنش کششی شکست در دمای اتاق (%) | 10-25 | 26-2 | 4-1 | 50-3 |
کرنش کششی شکست در دمای زیاد(%) | 50-12 | 20-10 | 60-10 | 125-8 |
چقرمگی شکست KIc در دمای اتاق(MN/m1.5) | زیاد | 42-13 | 20-10 | 25 |
کاربردهای ساختاری
آشکار شدن پدیده نرم‌کنندگی بور در Ni3Al نقطه آغاز نوآوری های موفقیت آمیز مواد بر پایهNi3Al بود و به دسته‌ای از آلیاژهای کاملاً نزدیک به Ni3Al برای کاربردهای در دمای بالا منجر شد. این آلیاژها که به نام آلومینایدها نیکلیا آلومیناید‌های پیشرفته معروفند، عموماً حاوی بور با مقادیر کمتر از ppm 500 و آلومینیم به مقدار کمتر از ترکیب استوکیومتری به منظور حصول نرمی در دمای اتاق، بعلاوۀHf، Zr، Ta و Mo تا 5 درصد اتمی برای بهبود استحکام در دماهای بالا، کروم تا 10 درصد اتمی برای افزایش نرمی در دمای میانه (400 و 900˚C ) هستند. با در نظر گرفتن این ویژگی احتمالاً می‌توان گفت که آلیاژهایNi3Al شبیه ابرآلیاژهای بسیار نزدیک به آنها هستند و طیف ابر آلیاژ را توسعه می‌دهند. البته آنها نمی‌توانند با ابر آلیاژهای هوا فضای پیشرفته که در موتورهای هواپیما استفاده می‌شوند، برابری کنند و بنابراین جایگزینی آلیاژهایNi3Al به جای ابر آلیاژها در این کاربردها بعید به نظر می‌رسد. با این وجود آلیاژهایNi3Al برای کاربردهای با حساسیت کمتر مانند توربین‌های بخار، آبی و گازی، قطعات خودرو، بست‌های هواپیما، ابزار و قالب‌های دائمی (جاهایی که ترکیب مناسبی از استحکام و مقاومت به خستگی، سایش و اکسایش لازم می‌شوند) امیدوار کننده است.روش‌های ساخت و فرآورش پیشرفت کرده‌اند، بدین معنی که آلیاژهایNi3Al را می‌توان با ذوب القائی در هوا با کیفیت قابل قبول و از طرق ذوب القائی در خلاء، ذوب مجدد با قوس در خلاء و ذوب مجدد برقی با سرباره برای کیفیت‌های بهتر، ذوب کرد. آلیاژها را می‌توان با کار سرد شکل داد و اطلاعات راجع به خواص آنها در دسترس هستند. بیشتر آلیاژها را می‌توان با کیفیت خوبی جوشکاری کرد (با دقت کافی) و برش با چرخ‌های ساینده با سرعت بالا انجام می‌شود. علاوه بر متالورژی شمش، روش‌های متالورژی پودر به طور موفقیت آمیزی برای تولید آلیاژهای3NiAl به کار رفته‌اند.
معلوم شده است که SiC، B4C و TiB2 به شدّتبا آلیاژهایNi3Alواکنش می‌دهند، در حالی که واکنش بسیار کمی با Al2O3 و TiC در Ni3Al مشاهده شده است. همچنین باید توجه کرد که آلیاژهایNi3Al نه تنها برای ماده نگهدارنده، بلکه به عنوان فاز تقویت کننده (مثلاً در آلومینیم برای تشکیل مادۀ مرکب زمینه فلزی) استفاده می‌شوند [5].
دیدگاه خود را ثبت کنید