توسعه نانوکامپوزیتهای مس- زیرکونیوم- آلومینیوم آمورف با استفاده از فرایندآلیاژسازی مکانیکی

مواد آمورف دسته ای از مواد جامد با آرایش اتمی مشابه مذاب و دارای نظم اتمی دامنه کوتاه هستند. ویژگیهایی از جمله استحکام و سختی بالا، مقاومت به خوردگی عالی، تلفات انرژی مغناطیسی ناچیز، هدایت الکتریکی و قابلیت شکل پذیری خوب منجر به توسعه و کاربرد آنها در صنایع مختلف از جمله هوافضا، خودروسازی، صنایع مغناطیسی و وسایل ورزشی شده است. در این بین سیستم های آلیاژی آمورف پایه مس بدلیل کاربردهای صنعتی مختلف در سالهای اخیر رو به توسعه می باشد که در این میان سیستم آلیاژی cu-zr-al بدلیل استحکام بالا، توانایی تشکیل شیشه بالا، دمای ذوب پایین و ارزان بودن جزء یکی از سیستم-های پرکاربرد آلیاژهای آمورف پایه مس است. علیرغم ویژگیهای بسیار مطلوب، آلیاژهای آمورف بعلت وجود باندهای برشی ناشی از عدم وجود نابجایی، دارای پلاستیسیته و تافنس ضعیف در دمای اتاق هستند که منجر به محدودیتهایی در کاربردهای این مواد شده است. بنابراین جهت رفع این محدودیت، نانوکامپوزیت های حاوی نانوذرات پراکنده شده در زمینه آمورف توسعه یافته-اند که با بهبود تشکیل باندهای برشی و عدم انتشار ناگهانی آنها به بهبود قابل توجه پلاستیسیته و تافنس منجر خواهد شد. بمنظور تولید این نانوکامپوزیت ها و ایجاد فازهای تقویت کننده در زمینه از دو روش درجا(in situ) و غیردرجا(ex situ) استفاده می شود. با این وجود استفاده از روش درجا بعلت ایجاد پیوستگی مناسب با زمینه و پراکندگی و توزیع مناسب تقویت کننده از توجه بیشتری برخوردار است. در بین روشهای مختلف تولید استفاده از روش آلیاژسازی مکانیکی بعلت تجهیزات آسان، دمای کاری پایین و سهولت تولید بیشترین استفاده را داشته است. بنابراین در این پژوهش سعی بر آن است تا با استفاده از روش آلیاژسازی مکانیکی به تولید نانوکامپوزیت زمینه آمورف cu-zr-al حاوی تقویت کننده al2o3 بصورت درجا دست یافت. در مرحله اول، مخلوط پودری مس و زیرکونیوم به منظور تولید آلیاژ آمورف cu60zr40 تحت عملیات آلیاژسازی مکانیکی قرار گرفت که حاکی از تشکیل ترکیبات بین فلزی بعد از 50 ساعت آسیابکاری و عدم تشکیل ساختار آمورف بود. همچنین به منظور بررسی تاثیر انرژی آسیاب بر تشکیل ساختار آمورف cu50zr43al7 مخلوط پودرهای مس، زیرکونیوم و آلومینیوم تحت عملیات آسیابکاری مکانیکی در سه آسیاب گلوله ای کم انرژی، آسیاب اسپکس و آسیاب گلوله ای پرانرژی قرار گرفت. پودرهای حاصله با استفاده از آنالیز پراش پرتو ایکس ((xrd مورد ارزیابی قرار گرفتند که نتایج حاکی از عدم تشکیل ساختار آمورف در این سیستم ها بود. همچنین با افزایش انرژی آسیاب در آسیاب اسپکس نسبت به آسیاب سیاره ای کم انرژی منجر به تشکیل محلول جامد در زمانهای کوتاهتر آسیابکاری می گردد. افزایش بیشتر انرژی در آسیاب گلوله ای پرانرژی منجر به تشکیل ترکیبات بین فلزی بعد از 100 ساعت آسیابکاری داشت. بررسی های آنالیز ترمودینامیکی با استفاده از مدل نیمه تجربی مدیما بر روی سیستم سه تایی cu-zr-alنشان داد که نیروی محرکه ترمودینامیکی قوی برای تشکیل ساختار آمورف در آلیاژ cu50zr43al7 وجود دارد که با عدم تشکیل ساختار آمورف در تناقض است. بررسی-های کمی زیرکونیوم با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی sem)) مجهز به طیف نگار تفکیک انرژی (eds) حاکی از حضور ناخالصی های متعدد در پودر زیرکونیوم داشت که می توانند با تغییر شرایط ترمودینامیکی و سینتیکی منجر به جوانه زنی و رشد فازهای کریستالی شده و بنابراین از تشکیل فاز آمورف جلوگیری کنند. بنابراین در مرحله بعد به منظور حذف اثر ناخالصیها بر عدم تشکیل ساختار آمورف مخلوط پودر مس، آلومینیوم و قطعات ورق زیرکونیوم (با خلوص بالاتر) به منظور تولید آلیاژهای آمورف cu60zr40 و cu50zr43al7 تحت عملیات آلیاژسازی مکانیکی قرار گرفتند. بررسی الگوی پراش پرتو ایکس ((xrd پودرها نشان داد که در هر دو سیستم بعد از 40 ساعت آسیابکاری، ساختار آمورف همراه با اکسید زیرکونیوم بدست می آید. همچنین نتایج نشان داد که با تغییر نوع اتمسفر مورد استفاده و خلوص آن باز هم اکسید زیرکونیوم در محصول تولیدی وجود دارد. در مرحله بعد به منظور حذف تاثیر ناخالصی های مواد اولیه و اتمسفر آسیابکاری بر عدم تشکیل ساختار کاملاً آمورف، مخلوط زیرکونیوم، آلومینیوم و مس با ترکیب cu60zr40 و cu50zr43al7 تحت عملیات ذوب القایی تحت اتمسفر گاز آرگون قرار گرفت. آسیابکاری محصول ذوب القایی به مدت 10 ساعت منجر به تشکیل آلیاژ آمورف cu60zr40 با سختی 731 ویکرز و ضریب کشسانی mpa58 و آلیاژ cu50zr43al7 با سختی 802 ویکرز و ضریب کشسانی mpa83 شد. همچنین آسیابکاری محصول ذوب القایی cu60zr40 همراه با پودرهای اکسید مس، مس و آلومینیوم به مدت 10 ساعت منجر به تشکیل نانوکامپوزیت cu62zr32al4/10%vol al2o3 با اندازه ذرات تقویت کننده al2o3 حدود 25 نانومتر گردید که باعث افزایش سختی به 837 ویکرز و ازدیاد ضریب کشسانی به gpa95 شد.