PDA

مشاهده نسخه کامل : شرح روش آلیاژسازی مکانیکی (یکی از روش های ساخت نانوکامپوزیت ها)



davoodcasting
2011-Oct-08, 11:30
روش آلیاژسازی مکانیکی و روش انجماد سریع دو فرایندی هستند که شباهت های زیادی به یکدیگر دارند. روش انجماد سریع که در ابتدا به عنوان یک پروژه دانشگاهی در سال 1960 مطرح شد و بعد با بکاربردن آن به منظور تولید ورق های فرومغناطیسی آمورفی که در ورقه های هسته های ترانسفور ماتور استفاده داشت کاربرد صنعتی پیدا کرد. محدودیت های اندازه و شکل این روش باعث ابداع روش ویژه ریخته گری به نام MELT SPINNING شد. در مقابل روش آلیاژ سازی مکانیکی که در اوایل سال 1966 به منظور تولید سوپر آلیاژ های پایه نیکل و آهن با توزیع فاز سرامیکی در آن به منظور کاربرد در صنایع هوافضا توسعه یافت. از همان ابتدا به عنوان روشی صنعتی مطرح بود. یکی از دلایل بهبود روش آلیاژسازی مکانیکی امکان تولید کامپوزیت های زمینه فلزی با توزیع یکنواخت فازهای سرامیکی در آن که از طريق روش هاي ديگر امکان پذیر نبود.
روش آلیاژسازی مکانیکی یک فرایند پودری است که اجازه تولید مواد همگن را به ما می دهد. این تکنیک در نتیجه تحقیقات بسیاری است که در زمینه تولید سوپر آلیاژ های پایه نیکل انجام شده. این فرایند در اوایل سال 1966 به منظور تولید سوپر آلیاژ های پایه نیکل و آهن با توزیع فاز سرامیکی توسط بنجامين و همكارانش در آزمايشگاه شركت بين المللي نيكل توسعه يافت.
در اویل سال 1960 INCO يك روشي را برای تولید آلیاژ Al/C از طریق تزریق ذرات C پوشش داده شده با نیکل به داخل مذاب Al توسعه پیدا کرد. که این روش برای تولید آلیاژ های پایه Ni با ذرات اکسیدی پوشش داده شده با نیکل نیز صورت گرفت و هدف از استفاده پوشش نیکل به تاخیر انداختن تر شوندگی ذرات توسط آلیاژ بود. اما این روش ها نتایج مطلوبی را به همراه نداشتن در نتیجه نوبت به فرایند آسیاب گلوله ای رسید. که در ابتدا برای پوشش دادن فاز های سخت مثل اکسید تنگستن با فاز نرم مورد استفاده قرار می گرفت. این امر واضح است که وقتی ذرات فلزی تحت تغییر فرم زیاد قرار می گیرند می شکنند. اگر از یک ماده شیمیایی مناسب به منظور جلوگیری از جوش سرد استفاده گردد می توان ذرات ریزتری تولید نمود. در ابتدا از این روش برای تولید آلیاژ های تقویت شده با ذرات اکسیدی استفاده می شد. روش آلیاژسازی مکانیکی بطور معمول روش آسیاب گلوله ای با انرژی بالا در شرایط خشک است. مثلا در سال 1981 با استفاده از روش سمباده زنی مکانیکی یک فاز آمورف از ترکیب بین فلزی Y-Co تولید گردید. همچنین مشخص شد که مخلوط پودرها می توانند بصورت مکانیکی فعال شوند به منظور انجام واکنش های شیمیایی یعنی واکنش های مکانیکی شیمیایی می توانند در دمای اتاق و یا حداقل در دمای پایین تر از دمای مورد نیاز انجام گیرند. بعد از تحقیقات زیادی که در این زمینه صورت گرفت متوجه شدند که روش آلیاژ سازی مکانیکی یک روش ساده و در عین حال یک روش موثر است که به همین دلیل از این روش برای تولید فلزات، سرامیک ها، پلیمرها، کامپوزیتها و نانو کامپوزیتها استفاده نمودند.

ویژگی های تکنیک آلیاژسازی مکانیکی
1 توزیع مناسب ذرات فاز ثانویه ( معمولا اکسیدها)
2 اصلاح اندازه دانه به سمت محدود نانو
3 تولید فازهای بلوری و شبه بلوری جدید
4 توسعه فازهای آمورف
5 امکان تولید آلیاژ هایی که به روش های دیگر نمی توان تولید نمود
6 انجام واکنش های شیمیایی در دماهای پایین

روش آلیاژسازی مکانیکی به این صورت است که در ابتدا ذرات فاز زمینه و فاز تقویت کننده باهم مخلوط می شوند و سپس به مدت زمان زیادی تا وقتیکه به حالت نیمه پایدار برسد آسیاب می گردند بعد از آسیاب شدند مخلوط حاصله متراکم می گردد و سپس تحت عملیات حرارتی قرار می گیرد تا به ریز ساختار و خواص مورد نظر برسد. در این روش سایز پودر های مورد استفاده اندازه بحرانی ندارند تنها باید از اندازه گلوله های آسیاب (که معمولا فولادی هستند) کوچکتر باشند. پودرهای استفاده شده می توانند فلزات خالص، آلیاژهای و فازهای دیرگداز باشند.
کاهی اوقات نیز پودرها در واسطه مایع آسیاب می گردند. همچنین روش آسیاب کردن تر بهتر از روش آسیاب کردن در شرایط خشک می باشد و با این روش می توان ذرات ریز تری تولید نمود به دلیل اینکه ملکول های حلال به سطح ذرات تولید شده می چسبند و که این امر باعث می شود انرژی سطحی ذرات کاهش یابد و در نتیجه تمایل به کلوخه ای شدن ذرات کمتر گردد. همچنین نتایج آزمایشات انجام شده نشان داده است که نرخ آمورفی شدن ساختار بیشتر از روش خشک است. یکی از معایب این روش این است که میزان آلودگی نسبت به حالت خشک بیشتر می گردد و به همین دلیل بیشتر فرایند های آسیاب کردن مکانیکی در شرایط خشک صورت می گیرد. انواع مختلفی از آسیاب های انرزی بالا موجود است که تفاوت آنها در گنجایش، کارایی و تجهیزات اضافی آنها مثل سرد کننده، گرم کننده و غیره می باشد. که به اختصار توضیح داده خواهد شد.
انواع آسياب ها:
1- آسیاب لرزشی SPEX
2- آسیاب گلوله ای سیاره ای
3- آسیاب سایشی
بعضی از پارامتر های مهم که در فرایند آلیاژسازی مکانیکی ترکیب و مشخصات نهایی پودر تاثیر می گذارند عبارتند از:
1- نوع آسیاب
2- محفظه آسیاب
3- سرعت آسیاب
4- زمان آسیاب
5- نوع، سایز و توزیع اندازه گلوله ها
6- نسبت وزنی گلوله ها به پودر
7- اتمسفر آسیاب
8- عنصر کنترل کننده فرایند
9- دمای آسیاب
10- مقدار پر کردن مجفظه
هیچ کدام از متغییر های فوق بصورت کامل مستقل نیستند به عنوان مثال زمان مناسب آسیاب بستگی به نوع آسیاب، سایز گلوله ها، دمای آسیاب، نسبت وزن گلوله ها به پودر و غیره دارد. اگر جنس محفظه با جنس پودر متفاوت باشد میزان آلودگی بیشتر خواهد بود. و همچنین افزایش دما میزان آلودگی پودر را هم افزایش می دهد. سایز و دانسیته گلوله های آسیاب بر راندمان آسیاب کردن تاثیر زیادی می گذارد بطور کلی هرچه اندازه گلوله ها بزرگتر باشد و دانسیته آنها بیشتر باشد تاثیر بهتری بر راندمان آسیاب کردن می گذارد چون باعث ایجاد نیروی ضربه ای بیشتری خواهد شد. .

شرایط آسیاب کاری:
بطور کلی می توان شرایط آسیاب کاری را به دو حالت کلی تقسیم نمود:
1- شرایط نرم:
اندازه کوچک گلوله ها، انرژی کم، و نسبت وزنی گلوله به پودر پایین
2- شرایط سخت:
اندازه بزرگ گلوله ها، انرژی زیاد، نسبت وزنی گلوله به پودر زیاد

ابزار ساینده:
فولاد سخت شده، فولاد ابزار فولاد تمپر شده، WC-Co و فولاد کروم دار سخت شده موادی هستند که بیشترین استفاده را به عنوان ابزار ساینده دارند. دانسیته آنها باید به اندازه ای باشد که بتوانند نیروی ضربه ای لازم را بر ذرات پودر اعمال نمایند. همچنین اندازه ی آنها بر روی بازدهی فرایند نیز تاثیر می گذارد. بطور کلی می توان گفت که هر چه اندازه گلوله بزرگتر باشد به دلیل اینکه نیروی بیشتری را به پودر اعمال می کنند مفید هستند. البته میزان زیاد اعمال انرژی به ذرات پودر برای شکل گیری فاز های نیمه پایدار مانند فاز آمورف مضر است و مثلا گزارش شده است که در مورد مخلوط پودر Ti-Al وقتیکه با گلوله هایی با اندازه ی 5 تا mm8 آسیاب کاری انجام می شود فاز آمورف شکل گرفت وهنگامیکه از گلوله هایی با اندازه mm12 استفاده شده دیگر فاز آمورف تشکیل نشد. نتایج تحقیقات انجام شده نشان می دهد که گلوله های کوچکتر سایش بیشتری را ایجاد خواهد کرد که این امر باعث بهبود در شکل گیری فازهای آمورف می گردد.
با توجه به نتایج تحقیقا انجام گرفته انتظار می رود که با استفاده از گلوله ها با اندازه های مختلف انرژی حاصل از بر خورد بیشتر بوده و میزان جوش سرد و پوشش ذرات پودر بر روی سطح گلوله ها نیز کم مي شود. اگر چه دلیل خاصی برای این پدیده وجود ندارد اما این امر احتمالا به دلیل این است که گلوله ها با اندازه های مختلف نیروی برشی را تولید می کند که همین نیرو کمک به جدا شدن ذرات پودر از سطح گلوله ها می کند.
نوع آسیاب:
آسیاب های مختلفی وجود دارند که از نظر ظرفیت، سرعت آسیاب کردن و قابلیت کنترل عملیات متفاوت هستند و با توجه به نوع پودر، مقدار پودر و کیفیت مورد نظر آسیاب مناسب انتخاب می گردد. در جدول زیر ظرفیت آسیاب های مختلف ارائه شده است.
آسیاب ظرفیت
مخلوط کننده در حدود 2 تا g20
سیاره ای در حدود 4 تاg 250
سایشی 0.5 تا Kg100
UNI-Ball در حدود 4 تا 2000

مقدار پرکردن محفظه:
به دلیل اینکه فرایند آلیاژ سازی ذرات پودر به دلیل نیروی ضربه ای اعمال شده به آنها انجام می شود بنابراین باید فضای لازم در داخل محفظه برای حرکت آزادانه ذرات پودر و گلوله ها وجود داشته باشد.اما اگر مقدار گلوله ها و ذرات پودر خیلی کم باشد بنابراین میزان تولید نیز پایین است و اگر مقدار آنها زیاد باشد به دلیل عدم وجود فضای کافی، پودر و گلوله ها نمی توانند به راحتی حرکت کنند در نتیجه انرژی لازم را پیدا نکرده و بازدهی فرایند بازهم پایین است با توجه به تحقیقات صورت گرفته بطور کلی حالت ایده آل این است که حدود 50% از فضای محفظه خالی باشد.
اتمسفر آسیاب:
اتمسفر آسیاب تاثیر زیادی بر آلودگی پودرها می گذارد. آسیاب کردن هم می تواند در محیط خلع انجام گردد و هم می تواند در محیط پر شده با گازهای خنثی مانند آرگون یا هلیم. که گاز آرگون با خلوص بالا بیشتر استفاده می گردد گازهای خنثی با جلوگیری از واکنش ذرات پودر با دیگر مواد مانند اکسیژن و نیتروژن موجود در هوا مانع از آلودگی پودر خواهد شد . البته از اتمسفر های مختلفی برای هدف های متفاوتی استفاده می گردد. مثلا نیتروژن یا آمونیا برای تولید مواد نیتریدی مورد استفاده قرار می گیرد. یا از اتمسفر هیدروژنی برای تولید مواد هیدروژن دار استفاده می شود. بنابراین می توان گفت نوع اتمسفر استفاده شده بر طبیعت و فاز نهایی پودر نیز تاثیر می گذارد.
زمان آسیاب کاری:
زمان آسیاب کردن معمولا طوری انتخاب می شود که یک حالت پایداری بین فرایند شکست و جوش سرد رخ دهد. زمان مورد نیاز بستگی به پارامترهای مختلفی نوع آسیاب، سایز گلوله ها، دمای آسیاب، نسبت وزن گلوله ها به پودر و غیره دارد. اگر پودر بیشتر از زمان مورد نیاز آسیاب گردد میزان آلودگی و تشکیل فازهای ناخواسته بیشتر خواهد شد.
عنصر کنترل کننده فرایند (PCA):
در آسیاب کردن نمونه ها بین ذرات جوش سرد اتفاق می افتد مخصوصا اگر ذرات چکش خوار باشند. بهترین حالت آلیاژسازی وقتی اتفاق می افتد که یک تعادل بین جوش سرد و شکست ذرات برقرار گردد. به همین منظور عنصر کنترل کننده فرایند به مخلوط پودر افزوده می شود تا از جوش سرد ذرات جلوگیری گردد. عنصر کنترل کننده می تواند جامد، مایع و گاز باشد. عنصر کنترل کننده بر سطح ذرات چسبیده و کشش سطحی را کاهش داده و باعث کاهش جوش سرد بین ذرات می گردد که این امر گلوخه ای شدن ذرات را هم کاهش می دهد.
استفاده از مقدار زیاد PCA با عث کاهش اندازه نهایی پودر می شود که مقدار کاهش در اندازه بستگی به نوع پودر دارد. انتخاب PCA بستگی به نوع پودر و خلوص مورد نظر بعد از آسیاب کاری دارد. می توان گفت اگر بعد از آسیاب کاری بازدهی پودر و یا به عبارتی کیفیت پودر از هر نظر ( اندازه، آلودگی و شکل) مناسب باشد نشان دهند آن است که مقدار و انتخاب PCA به درستی انجام شده است. اما بطور کلی مقدار PCA به سه عامل بستگی دارد:
1- مشخصه جوش سرد ذرات پودر
2- پایداری شیمیایی و حرارتی PCA
3- میزان پودر و واسطه آسیاب کاری استفاده شده
اگر نسبت وزن PCA به وزن پودر کمتر از مقدار بحرانی کمتر باشد اندازه ذرات پودر تمایل به افزایش دارند یا میزان فرايند جوش سرد بیشتر شده است.
نسبت وزنی گلوله ها به پودر:
نسیت وزنی گلوله ها به پودر یکی از متغیرهای مهم در این فرایند می باشد. این نسبت معمولا متغییر است و در تحقیقاتی که انجام شده است این نسبت از 1/1 تا 1/220 متغیر بوده است. اما بطور کلی نسبت وزنی گلوله به پودر 1/10 بیشتر از تمام نسبت های وزنی دیگر مورد استفاده قرار می گیرد. وقتیکه ظرفیت آسیاب افزایش می یابد ميزان نسبت گلوله به پودر نيز افزايش مي يابد مثلا در آسیاب های سایشی این نسبت تا 1/50 یا 1/100 نیز افزایش می یابد. هرچه این نسبت بیشتر باشد زمان آسیاب کردن کمتری مورد نیاز است. در نسبت های زیاد وزنی به دلیل اینکه تعداد زیادی گلوله وجود دارد و در نتیجه برخوردهای زیادی اتفاق می افتد بنابراین انرژی زیادی به پودر منتقل می گردد که این امر باعث می شود آلیاژسازی در زمان کمتری اجام شود. البته نسبت زیاد پودر می تواند باعث تولید گرمای بیشتر و درنتیجه تغییر ساختار پودر گردد
دما فرایند آسیاب کاری:
دما آسیاب کاری یکی دیگر از عواملی است که در ترکیب نهایی پودر تاثیر می گذارد. همچنین بر اساس تحقیقات صورت گرفته مشاهده شد که که در دماهای پایین تر اندازه دانه های ریز تر و همچنین انحلال جامد کمتر می باشد. مثلا با افزایش دما ممکن است ساختار آمورف به ساختار کریستالی تغییر فرم دهد. بصورت کلی فاز های نیمه پایدار تحت شرایط نرم ( نسبت وزنی کم، سرعت کم و غیره) و ساختار پایدار تحت شرایط سخت شکل می گیرد.
البته اگر بتوان آسیاب نمودن پودرها را در دمای پایینی تری انجام داد می توان مقداری از جوش سرد جلوگیری نمود. اگر مقدار عنصر کنترل کننده زیاد باشد اندازه ذرات ریز می شود..
سرعت آسیاب:
سرعت آسیاب یک حد بحرانی دارد و دلیل آن این است که وقتی سرعت آسیاب از یک حدی افزایش می یابد اولا که گلوله ها به دیواره محفظه کوبیده شده و انرژی لازم برای برخورد با پودر را نخواهند داشت بنابراين ماكزيمم سرعت بايد آنقدر باشد كه گلوله ها تا ارتفاع ماكزيمم بالا رفته و با پايين افتادن ماكزيمم انرژي برخوردي را ايجاد كنند و همچنین افزایش سرعت باعث افزایش دما در آسیاب می گردد که این امر باعث می شود شرایط مناسب برای نفوذ بر قرار گردد یعنی فرایند یکنواخت شدن راحتر صورت مي گیرد و همچنین معایب آن هم این است که باعث تجزیه ترکیب محلول جامد فوق اشباع می گردد و در ضمن تمایل یه گلوخه ای شدن ذرات را هم افزایش می دهد.
مکانیزم آسیاب کاری:
در حین آسیاب کاری پر انرژی ذرات پودر مرتبا می شکنند و جوش می خورند هنگامیکه دو گلوله به هم برخورد می کنند مقداری پودر بین آنها گیر می کنند. که این امر در شکل زیر نشان داده شده است.
12233

در اثر نیروی ضربه ای که به ذرات پودر وارد شد باعث شکسته شدن آنها و در نتیجه ایجاد سطوح جدیدی شد که این سطوح جدید می توانند باعث جوش خوردن ذرات به هم و در نتیجه باعث افزایش اندازه ذرات گردد. در مراحل اولیه آسیاب کاری ( اگر سیستم فلز- فلز و یا فلز-سرامیک باشد) ذرات نرم هستند و در نتیجه تمایل به جوش خوردن آنها بسیار زیاد است مشاهده شده است که اندازه ذرات ایجاد شده در حدود سه برابر مقدار اولیه آنها بوده است. با ادامه تغییر فرم ذرات کارسخت شده و شروع به شکسته شدن می کند که اگر نیروی قوی گلوخه ای کننده وجود نداشته باشد می توان ذرات بسیار ریز تولید نمود. بعد از مدتی حالت پایدار ایجاد می شود که در این صورت بین فرایند شکست و فرایند جوش بین ذره ای یک تعادلی بوجود می آید. در حین آسیاب کاری این امر کاملا مشخص است که به دلیل وجود تغییر فرم زیاد میزان عیوب کریستالی مانند نابجایی ها، جاهای خالی، نقص انباشتگی و افزایش مرزدانه افزایش خواهد یافت. که این افزایش عیوب باعث افزایش نفوذ عناصر خواهد شد.
مراحل آسیاب کاری:
حالت کلی آسیاب پودرها در سه مرحله اتفاق خواهد افتاد. در مرحله اول تمام پودرها با مقداری شکسته شدن می لغزند و تغییر فرم پلاستیک در آنها رخ می دهد و در این مرحله شکل ظاهری آنها نقش مهمی را ایفا می کنند. در واقع خاصیت لغزندگی پودر های کروی بیشتر از پودر غیر کروی می باشد. در مرحله دوم مقداری تغییر فرم الاستیک و پلاستیک و همچنین جوش سرد بین پودر اتفاق می افتد. در مرحله آخر یک تعادلی بین جوش سرد و فرایند شکست بر قرار می باشد که باعث می شود شکل ذرات از حالت کروی به حالت هم محور در آیند .در این حالت می توان گفت که حالت پایدار اتفاق افتاده که اگر زمان آسیاب را بیشتر افزایش دهیم تاثیر زیادی بر ذرات نخواهد گذاشت این مراحل بصورت شماتیک نشان داده شده است.
12234

از موارد ذکر شده مشخص است که در حین آسیاب کردن تغییر فرم زیادی بر ذرات اعمال خواهد شد.
مکانیزم سیستم های چکش خوار- ترد ( فلز- فاز سرامیکی):
در مراحل اولیه آسیاب کاری ذرات پودر چکش خوار در اثر برخورد گلوله های آسیاب با آنها بصورت مسطح در خواهند آمد در صورتیکه ذرات اکسیدی خورد می گردند که این امر در شکل زیر نشان داده شده است.
12235
ذرات خورد شده تمایل دارند به گیر انداختن ذرات چکش خوار دارند که این ذرات در فضای بین لایه ای هستند. ذرات چکش خوار سخت تر شده و در هم می پیچند. با ادامه آسیاب کاری لایه ها بیشتر اصلاح می شوند به این معنی که فضای بین لایه ای کاهش می یابد و توزیع ذرات تقویت کننده بهتر می گردد(درصورتیکه فاز تقویت کننده حل نشدنی باشد). تمام این مراحل در شکل زیر نشان داده شده است.
12236
اگر فاز ترد حل شدنی باشد این روش باعث آلیاژسازی می گردد مثلا سیستم Zr به همراه ذرات NiZr3 مثال خوبی برای این امر است. برای اینکه آلیاژسازی اتفاق بی افتد فاز تقویت کننده باید دارای پایداری حالت جامد زیادی باشد.
افزایش دما در حین آسیاب کاری:
اگر دمای تولید شده در حین فرایند افزایش یابد باعث می گردد که فرایند نفوذ اتم ها بیشتر شود که این امر باعث فرایند بازیابی یا تبلور مجدد می گردد، به عبارت دیگر اگر دمای تولید شده در فرایند زیاد نباشد باعث می گردد که ساختار آمورف و یا نانو ساختار شکل گیرد. دما فرایند آسیاب کاری به دو دلیل می تواند افزایش یابد،
1- انرزی سینتیک گلوله ها
2- احتمالا به دلیل رخ دادن فرایند گرمازا در حین آسیاب کاری است.
بیشترین افزایش دما در حین آسیاب کاری از سایش و همچنین برخورد گلوله ها با پودر بوجود می آید. از تحقیقات انجام شده مشاهده می گردد که بیشترین افزایش دما در مقیاس ماکروسکوپی در حدود ˚C 250 و بطور متوسط در حدود 100- ˚C 120 می باشد که این امر نشان می دهد که اگر دما را بصورت موضعی اندازه گیری کنیم حتی می تواند از نقطه ذوب ماده نیز بیشتر باشد. اندازه گیری دمای موضعی به دلیل طبیعت دینیامیکی فرایند کار بسیار دشواری است اما می توان این دما را با روش های مناسبی که توسط محققین برجسته مطرح گشته است تخمین زد. البته گاهی اوقات افزایش دما بوسیله مشاهدات میکروساختار و یا تغییر ساختار کریستالی در حین آسیاب کاری تخمین زده می گردد. یعنی بصورت غیر مستقیم نتیجه گرفتن. مثلا در مورد در مورد آلیاژ Ga-Sb مشاهده شده که در حین آسیاب کاری فاز ارترومبیک Sb2O3شکل گرفته که به این دلیل تخمین زده شد که دمای موضعی باید حداقل به ˚C 540 رسیده باشد در جدول زیر چند نمونه از دماهای اندازه گیری شده و تخمین زده شده ارائه شده است.


12237

Reference:
1-C. Suryanarayana,” Mechanical alloying and milling’’, Progress in Materials Science 46 (2001) 1±184

2- C. Suryanarayana , E. Ivanovb, V.V. Boldyrev,’’ The science and technology of mechanical alloying’’, Materials Science and Engineering A304–306 (2001) 151–158

metalorj
2012-Oct-24, 19:29
سلام
مطلب عالـــــــــــــــــی بود و داغ داغ
خیلی مفید بود .y:10