بررسی مکانیزم تشکیل نانوکامپوزیت al/al3v-al2o3 و ارزیابی خواص آن

امروزه کامپوزیت های زمینه آلومینیومی به دلیل برخورداری از ویژگی هایی نظیر نسبت استحکام به وزن بالا و خواص سایشی نسبتا مناسب در مقایسه با آلیاژهای آلومینیوم از جنبه های مختلف فیزیکی و مکانیکی مورد توجه بوده اند. با این حال یکی از عمده ترین مشکلات در زمینه کامپوزیت ها و آلیاژهای متداول آلومینیوم عدم کاربرد این مواد در محدوده های بالای دمایی به دلیل از بین رفتن خواص است. استفاده از عناصر آلیاژی نظیر وانادیوم و اضافه کردن ذرات تقویت کننده و ایجاد زمینه نانومتری از جمله راهکارها برای افزایش استحکام آلومینیوم در دمای بالا است. هدف از انجام این پژوهش، تولید نانوکامپوزیتهای زمینه آلومینیوم دوتایی al-(al3v-al2o3) با استفاده از روش آسیاب کاری و پرس گرم است. به منظور مقایسه خواص کامپوزیت مذکور، تولید کامپوزیت حاوی یک تقویت کننده یعنی al-al3v نیز مورد توجه قرار گرفت. بدین منظور در مرحله اول، جهت سنتز ترکیب میانی تک فاز al3v مخلوط پودری al75v25 تحت عملیات آلیاژسازی مکانیکی قرار گرفت. هم چنین به منظور اصلاح ساختاری این ترکیب و تشکیل ساختار شبه پایدار l12 از میکرو و ماکروآلیاژسازی این آلومیناید به ترتیب توسط تیتانیوم و زیرکونیوم در ترکیب های al75vxti25-x (x=0-25) و al5zrv2 استفاده شد. در مرحله دوم، سنتز فازهای تقویت کننده al3v-al2o3 از طریق انجام واکنش مکانوشیمیایی بین آلومینیوم و v2o5 در حین آسیاب کاری صورت پذیرفت. به منظور تعیین مکانیزم واکنش مکانوشیمیایی از آنالیز حرارتی بهره جسته شد. در ادامه فازهای تقویت کننده با درصدهای وزنی مختلف به زمینه آلومینیومی افزوده شده و مخلوط پودری تحت عملیات آسیاب کاری قرار گرفت. تغییرات فازی و مطالعات ریزساختاری بوسیله آزمون های پراش پرتوایکس(xrd)، میکروسکوپ الکترونی روبشی(sem) به همراه طیف سنج توزیع انرژی پرتو ایکس(eds) و میکروسکوپ الکترونی عبوری(tem) انجام گرفت. نتایج حاصل از آسیاب کاری مخلوط پودری آلومیناید وانادیوم و نوع میکروآلیاژ شده توسط تیتانیوم حاکی از تشکیل ساختار پایدار do22 پس از 40 ساعت آلیاژسازی در تمامی گستره های وزنی تیتانیوم بود. از سوی دیگر ملاحظه شد که ماکروآلیاژسازی توسط زیرکونیوم منجر به سنتز ساختار شبه پایدار l12 در این ترکیب می شود و نتایج حاصل از آنالیز حرارتی، پایداری حرارتی آن را تا دمای 550 درجه سانتی گراد نشان داد. نتایج حاصل از انجام احیاء آلومینوترمی اکسید وانادیوم حاکی از آن بود که این واکنش به صورت احتراقی خود پیشرونده پس از 30 دقیقه آسیاب کاری رخ می دهد. آنالیز حرارتی در مورد مخلوط های پودری آسیاب نشده و فعال سازی شده در 15 دقیقه نشان داد که واکنش احیاء به صورت چند مرحله ای و با تشکیل اکسیدهای میانی نظیر vo وv2o3 همراه است. ضمنا فعال سازی منجر به انتقال پیک های گرمازا به سمت دماهای پایین تر و کاهش تعداد اکسیدهای میانی گردید. نهایتا آسیاب کاری پس از 20 ساعت باعث تشکیل فازهای al3v و al2o3 با اندازه ذرات 20-10 نانومتر شد. ملاحظه گردید که با استفاده از فرایند پرس گرم در دمای 500 درجه سانتی گراد ومحدوده فشار mpa 300-250 می توان قطعات نانوکامپوزیت با چگالی 96% تهیه نمود. با استفاده از آزمون های فشار دمای بالا و سختی سنجی رفتار مکانیکی نانوکامپوزیت های تولید شده مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج حاصل از آزمون فشار در دمای بالا در محدوده دمای 500-300 درجه سانتی گراد نشان دهنده حفظ استحکام نانوکامپوزیت های تولیدی در محدوده mpa 350-170بود. حضور نانوذرات آلومینا و آلومیناید وانادیوم به عنوان عوامل اصلی حفظ استحکام در این محدوده دمایی تشخیص داده شد. نتایج شکست نگاری در مورد نمونه دوتایی نیز حاکی از تغییر مکانیزم شکست از ترد به نرم در محدوده دمای 400-300 درجه سانتی گراد بود. خواص سایشی دمای محیط نانوکامپوزیت های دو تایی در درصدهای وزنی 5،10 و 15 درصد وزنی فازهای تقویت کننده به همراه نانوکامپوزیت حاوی 10 درصد وزنی تقویت کننده تک فاز al3v نیز بررسی شد. نتایج نشان داد که تشکیل لایه مخلوط شده مکانیکی(mml) منجر به کاهش نرخ سایش در نمونه های دوتایی شده به نحوی که در نمونه حاوی 15 درصد وزنی به کمترین مقدار خود یعنی در حدود mg/m 4-10×12 می رسد. در نانوکامپوزیت al-al3v نیز مکانیزم سایش اکسیداسیون تشخیص داده شد و عدم تشکیل لایه مخلوط شده مکانیکی منجر به نرخ سایش زیاد در این نمونه شد.