فرآوری کامپوزیت نانوساختار nial/al2o3 به روش سنتز احتراقی و بررسی رفتار حرارتی آن حین سنتز و پوششدهی آن بر زیرلایه چدنی

چکیده در این پژوهش، سنتز کامپوزیت نانوساختار nial-al2o3 با رویکرد شناخت مکانیزم تشکیل درجای این کامپوزیت از پودر مواد اولیه ni، nio و al با فرآیند سنتز احتراقی صورت گرفت. از آنجا که مکانیزم رخداد واکنش ها در این سیستم با سیستم های بررسی شده دوگان? ni-al و nio-al تفاوت دارد بررسی مکانیزم واکنش ها در فرآوری این کامپوزیت اهمیت می یابد. در این راستا اهداف زیر در سیستم مذکور دنبال شدند: بررسی مکانیزم واکنش ها در حین سنتز احتراقی ناشی از کار مکانیکی، بررسی تأثیر فعال سازی مکانیکی بر مکانیزم واکنش ها در حین گرم کردن، بررسی تأثیر نرخ گرمایش بر مکانیزم واکنش ها در حین گرم کردن، بررسی تأثیر تمایل به انجام واکنش در مخلوط پودریِ مورد استفاده برای پوشش دهی بر ریزساختار و خواص مکانیکی پوشش. مرحله اول این تحقیق به منظورِ بررسیِ مکانیزم واکنش ها با استفاده از فرآیند آسیاکاری مکانیکی انجام شد. از این فرآیند به منظور فعال سازی مکانیکی پودرها در زمان های کوتاه تر از زمان شروع احتراقِ واکنش و نیز به منظور دستیابی به محصولات واکنش از طریق رخداد واکنش سنتز مکانیکی احتراقی با ادامه آسیاکاری تا زمان های بالاتر بهره گرفته شد. بازه زمانی100-110 دقیقه آسیاکاری به عنوان زمان شروع احتراق واکنش ارزیابی شد. پس از 10 ساعت آسیاکاری مکانیکی ، تنها دو فاز محصول nial و al2o3 در نمونه پودری موجود در محفظه آسیاکاری دیده شدند. با افزایش زمان آسیاکاری تا 60 ساعت، ریزساختار به سمت توزیع یکنواخت ترِ فاز al2o3 در زمینه nial در ذرات پودر پیش رفت، اندازه کریستالیت فازهای محصول در تمام زمان های آسیاکاری در مقیاس نانومتری قرار داشت و پس از 60 ساعت آسیاکاری به حدود 8 نانومتر برای هر دو فاز محصول رسید. مرحله دوم این پژوهش با هدف بررسی فرآیند سنتز احتراقی با گرم کردن مخلوط پودری مواد اولیه انجام شد. در این قسمت با کمک نتایج به دست آمده از dta، xrd و sem-eds، تأثیر فعال سازی مکانیکی و نیز تأثیر سرعت افزایش دما (20 و °c/min40) بر رخداد واکنش ها در فرآیند سنتز احتراقی در گرمایش از 20 تا °c1300 مورد بررسی قرارگرفت. در نرخ گرمایش °c/min40، فعال سازی مکانیکی مخلوط پودری به مدت یک ساعت باعث کاهش دمای شروع احتراق از °c 870 (در حضور فاز مذاب آلومینیم) به °c 590 (در حالت جامد) گردید. همچنین، کاهش نرخ گرمایش به °c/min20 منجر به کاهش بیشتر دمای احتراق به °c 570 شد. در حالی که دمای پیک گرمازای مربوط به تشکیل نیکل آلومینایدها در حضور مذاب یوتکتیک al3ni و al ثابت ماند. در نهایت، مکانیزمی برای رخداد واکنش ها برای سنتز احتراقی پودرهای فعال سازی مکانیکی شده به مدت یک ساعت با نرخ گرمایش °c/min 40 پیشنهاد شد. با گرم کردن پودر مذکور، واکنش گرمازای بین مواد اولیه در فاز جامد در دمای °c590 رخ داد. پس از این رویداد، فاز آلومینا از احیای اکسید نیکل با آلومینیم حاصل شد و فازهای نیکل آلومینایدی از واکنش بین آلومینیم و نیکل اولیه و نیکل حاصل از احیا ایجاد شدند. با ادامه گرمایش، استحاله یوتکتیک بین al3ni و al انجام و موجب ایجاد فاز مایع در سیستم گردید. با حضور فاز مذاب و تسریع واکنش های گرمازای تشکیل فازهای نیکل آلومینایدی، این واکنش ها به صورت ناگهانی با واسطه مذاب رخ دادند. آلومینیم در این مرحله کاملاً مصرف شد و فازهای بین فلزی به مقدار بیشتری تشکیل شدند. با افزایش دما، هسته نیکل اولیه به تدریج با پیشرفت نفوذ کوچک تر شده و کل سیستم فازهای نیکل آلومینایدی به سمت ترکیب تعادلی یعنی تشکیل nial پیش رفت. در مرحله سوم ، پوشش دهی کامپوزیت nial-al2o3 روی زیرلایه چدن خاکستری با نام تجاری simo51 با روش تف جوشی جرقه پلاسمایی انجام شد. پودر مورد استفاده، پودر فعال سازی مکانیکی شده (یک ساعت آسیاکاری شده) و نیز پودر واکنش داده (10 ساعت آسیاکاری شده) بود. پوشش های حاصله متراکم بودند و در فصل مشترک آن ها با زیرلایه یک لایه پیوندی همگن تشکیل شده بود. در نمونه حاصل از پودر یک ساعت آسیاکاری شده سنتز کامپوزیت nial-al2o3 و پوشش دهی آن در یک مرحله انجام شد. پوشش حاصل از پودر کامپوزیتی و واکنش داد? 10 ساعت آسیاکاری شده دارای ریزساختار بسیار همگن تر با لایه پیوندی حدود یک میکرون بود و سختی ویکرز حدود hv1 650 و سختی خراش برابر mpa 11000 را نشان داد. این مقادیر برای نمونه پوشش حاصل از پودر فعال سازی مکانیکی شده به ترتیب حدود hv1 500 و mpa 7000 با ضخامت لایه پیوندی حدود پنج میکرون بود. سنتز کامپوزیت نانوساختار nial-al2o3 با روش سنتز احتراقی ناشی از کار مکانیکی، سنتز احتراقی و سنتز جرقه پلاسما به عنوان پوشش صورت گرفت و مکانیزم رخداد واکنش ها در سیستم سه گان? ni-nio-al بررسی شد.