تاثیر روش تولید نانوکامپوزیت آلومینا/دی‌بوراید تیتانیم بر رفتار تف‌جوشی و خواص قطعه تولید شده

محورهای موضوعی : فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

امین ربیعی‌زاده ¹ (مربی گروه مواد، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد شیراز، گروه مهندسی مواد، شیراز، ایران.)
ابوالقاسم عطایی ² (استاد دانشکده مهندسی متالورژی و مواد، پردیس دانشکدههای فنی دانشگاه تهران، تهران، ایران)
علی‌محمد هادیان ³ (دانشیار دانشکده مهندسی متالورژی و مواد، پردیس دانشکدههای فنی دانشگاه تهران، تهران، ایران)

تاریخ دریافت : 1394/09/26 تاریخ پذیرش : 1394/09/26 تاریخ انتشار : 1392/01/01

کلید واژه: نانوکامپوزیت, سل- ژل, آلومینا, پرس گرم, دی‌بوراید تیتانیم, مکانوشیمیایی,

چکیده مقاله :

تف‌جوشی کامپوزیت Al2O3-TiB2 بمنظور تولید قطعه‌ای با چگالی و استحکام بالا به دلیل پیوند‌های مستحکم کووالانسی و ضریب نفوذ پایین اجزا با مشکلاتی همراه است. انتظار می‌رود تولید کامپوزیت به صورت ذرات ریزی که به صورت همگن در زمینه توزیع شده باشد، می‌تواند مشکل تف‌جوشی این ماده را مرتفع سازد. در این پژوهش تف‌جوشی نانوکامپوزیت Al2O3-TiB2 که با دو روش مکانوشیمیایی و سل- ژل/مکانوشیمیایی تولید شده مورد بررسی قرار می‌گیرد. هم‌چنین، تاثیر شرایط تولید بر رفتار تف‌جوشی، چگالی، ریزساختار، سختی و چقرمگی شکست مورد بررسی قرار می‌گیرد. در روش مکانوشیمیایی اکسید‌های بور و تیتانیم در طی فرآیند آسیاکاری احیا شده و نانوکامپوزیت Al2O3-TiB2 بدست آمد. در فرآیند سل- ژل/مکانوشیمیایی، ژل بدست آمده از آلکوکسید تیتانیم و اکسید بور طی فرآیند آسیاکاری در حضور آلومینیم منجر به تولید نانوکامپوزیت Al2O3-TiB2 شد. بررسی‌های میکروسکپ الکترونی عبوری نشان داد که ریزساختار نانوکامپوزیت بدست آمده از دو روش متفاوت می‌باشد. تصاویر میکروسکپ الکترونی روبشی مقدار تخلخل و اندازه دانه‌ها پس از فرآیند تف‌جوشی را نشان می‌دهد. برای نمونه تولید شده به روش سل- ژل/مکانوشیمیایی مقادیر چگالی، سختی و چقرمگی شکست پس از تف‌جوشی در دمای 1500 درجه سانتی‌گراد به ترتیب 97%، GPa 3/15 و MPa.m1/2 1/10 می‌باشد درحالی‌که برای نمونه تولید شده به روش مکانوشیمیایی مقادیر بالا 99%، GPa 20 و MPa.m1/2 4/11 است. نانوساختار بودن ذرات Al2O3-TiB2، غیربلوری بودن ساختار ذرات و تشکیل فاز مایع Al18B4O33 در حین فرآیند چگالش از عواملی می‌باشند که منجر به تسهیل فرآیند تف‌جوشی می‌شود.  

منابع و مأخذ:

1- R. A. Cutler, “Engineering properties ofborides”, Engineering MaterialsHandbook, Vol. 4, Ceramics and Glasses,

ASM international, The MaterialsInformation Society, New York, 1991.

2- M. F. Ashby, “Materials selection inmechanical design”, 3rd ed., ButterworthHeinemann,London, 2005.

3- S. R, Levine, E. J. Opila, M. C. Halbig,J. D. Kiser, M. Singh and J. A. Salem,“Evaluation of ultra-high temperatureceramics foraeropropulsion use”, Journalof the European Ceramic Society, Vol. 22,pp. 2757-2767, 2002.

4- M. Singh and H. Wiedemeier,“Chemical interactions in diboridereinforcedoxide-matrix composites”,Journal of the American Ceramic Society,Vol. 74, pp. 724-727, 1991.

5- F. Monteverde, “Progress in thefabrication of ultra-high-temperatureceramics: “in situ” synthesis,microstructure and properties of a reactivehot-pressed HfB2–SiC composite”,Composites Science and Technology, Vol.65, pp. 1869-1879, 2005.

6- M.N. Rahaman, “Ceramic Processing”,CRC/Taylor & Francis, New York, 2007.

7- K.V. Logan, “Elastic-plastic behavior ofhot pressed composite titaniumdiboride/alumina powders produced using

self-propagation high temperaturesynthesis”, ph. D. thesis, The GeorgiaInstitute of Technology: Materials Science

and Engineering, Georgia, 1992.

8- W. Stadlbauer, W. Kladnig and G.Gritzner, “Al2O3-TiB2 CompositeCeramics”, Journal of Materials Science,Vol. 8, pp. 1217-1220, 1989.

9- A. R. Keller and M. Zhou, “Effect ofmicrostructure on dynamic failureresistance of titanium diboride/alumina

ceramics”, Journal of the AmericanCeramic Society, Vol. 86, pp. 449-457,

2003.

10- J. W. Adams, G. A. Gilde, M. Burkinsand L. P. Franks, “Microstructuredevelopment of aluminum oxide/titanium

diboride composites for penetrationresistance”, Ceramic Transactions, Vol.134, pp. 629-634, 2002.

11- A. Rabiezadeh, A. Ataie and A. M.Hadian, “Mechano-chemical synthesis ofTiB2-Al2O3 nano-composite by reaction

between TiO2, B2O3 and Al”, AdvancedMaterials Research, Vol. 488-489, pp.955-959, 2012.

12- W. Stadlbauer, W. Kladnig and G.Gritzner, “Al2O3-TiB2 CompositeCeramics”, Journal of Materials Science,Vol. 8, pp. 1217-1220, 1989.

13- M. A. Meyers, “Combustionsynthesis/densification of an Al2O3-TiB2composite”, Materials Science and

Engineering A, Vol. 311, pp. 83-99, 2001.

14- W. Deqing, “Effects of additives oncombustion synthesis of Al2O3-TiB2ceramic composite”, Journal of theEuropean Ceramic Society, Vol. 29, pp.1485-1492, 2009.

15- E. M. Sharif, F. Karimzadeh and M. H.Enayati, “Synthesis of titanium diboridereinforced alumina matrix nanocompositeby mechanochemical reaction of Al-TiO2-B2O3”, Journal of Alloys and Compounds,Vol. 502, pp. 508-512, 2010.

16- E. M. Sharif, F. Karimzadeh, M. H.Enayati, “Preparation of Al2O3-TiB2

nanocomposite powder by mechanochemiclreaction between Al, B2O3 and Ti”, Advanced Powder Technology, Vol. 22, pp. 526-531,2011.

17- L. Guoxi, Y. Dongming and Z. Jinyong,“Microstructure and mechanical properties ofTiB2-Al2O3 composites”, Journal of WuhanUniversity of Technology, Vol. 26, pp. 696-699, 2011.

18- T. Sato, Y. Sasaki and I. Saeki, “Influenceof processing condition of Ti, Al and B2O3mixed powders on the preparation of Al2O3-40.5 mass% TiB2 sintered compact by HIP”,Journal of the Ceramic Society of Japan, Vol.119, pp. 502-506, 2011.

19- R. T. Mousavian, S. Sharafi, M. R. Roshanand M. H. Shariat, “Effect of mechanicalactivation of reagents’ mixture on the hightemperaturesynthesis of Al2O3-TiB2 compositepowder”, Journal of Thermal Analysis andCalorimetry, Vol. 104, pp. 1063-1070, 2011.

20- R. T. Mousavian, S. Sharafi and M. H.Shariat, “Preparation of nano-structural Al2O3-TiB2 in-situ composite using mechanicallyactivated combustion synthesis followed byintensive milling”, Iranian Journal of MaterialsScience & Engineering, Vol. 8, pp. 1-9, 2011.

21- A. Rabiezadeh, A. M. Hadian and A.Ataie, “Preparation of alumina/titaniumdiboride nano-composite powder by millingassisted sol-gel method”, International Journalof Refractory Metals and Hard Materials, Vol.31, pp. 121-124, 2012.

22- A. Rabiezadeh, A. Ataie and A. M.Hadian, “Sintering of Al2O3-TiB2 nanocomposite

derived from milling assisted solglmethod”, International Journal ofRefractory Metals and Hard Materials, Vol. 33,

pp. 58-64, 2012.

23- ح. ر. عزت پور، م. ح. سبزوار، ج. وحدتی خاکی و ح.حمیدی، "تولید در جای نانوکامپوزیت Cu-Cr)-Al2O3) بهروش مکانوشیمیایی"، مجلهی مواد نوین، سال 1، شماره 1، ص.1389 پاییز ،48-39

24- I. Kimura, N. Hotta, Y. Hiraoka, N. Saitoand Y. Yokota, “Sintering and characterizationof Al2O3-TiB2 composites”, Journal of theEuropean Ceramic Society, Vol. 5, pp. 23-27,1989.

25- L. J. Kecskes, A. Niiler, T. Kottke, K. V.Logan and G. R. Villalobos, “Dynamicconsolidation of combustion-synthesizedalumina-titanium diboride compositeceramics”, Journal of the American CeramicSociety, Vol. 79, pp. 2687-2695, 1996.

26- ASTM B 328-96 (Reapproved 2003) –Standard test method for “Density, oil content,and interconnected porosity of sintered metalstructural parts and oil-impregnated bearings”,2003.

27- ASTM C 1327-08 – Standard test methodfor “Vickers indentation hardness of advancesceramics”, 2008.

28- G. R. Anstis, P. Chantikul, B. R. Lawn andD. B. Marshall, “A critical evaluation ofindentation techniques for measuring fracturetoughness: I, direct crack measurements”,Journal of the American Ceramic Society, Vol.64, pp. 533538, 1981.

29- M. P. Hunt, “Pressureless densification ofSHS produced alumina - titanium diborideceramic matrix composite”, M.Sc. Thesis,Virginia Polythechnic Institute and StateUniversity, Virginia, 2009.

30- S. H. Kenawy, “Synthesis andcharacterization of aluminum borate ceramicwhiskers”, International Journal of AppliedCeramic Technology, Vol. 8, pp. 783-792,2011.

31- I. E. Gönenli and A. C. Tas, “Chemicalpreparation of aluminum borate whiskers”,Powder Diffraction, Vol. 15, pp. 104-107,2000.

32- I. Carazeanu, V. Ciupina, G. Prodan and C.Guguta, “Chemical synthesis of Al18B4O33 formetal matrix composites”, 12th RomanianInternational Conference on Chemistry andChemical Engineering, Bucharest, 2001.

33- L. P. Franks, “Colloidal processing oftitanium diboride/alumina (TiB2/Al2O3)”,M.Sc. Thesis, Michigan State University,Michigan, 2001.

34- P. Li, W. Zhou, J. Zhu, F. Luo and D. Zhu,“Influence of TiB2 content and powder size onthe dielectric property of TiB2/Al2O3composites”, Scripta Materialia, Vol. 60, pp.760-763, 2009.

35- V. I. Vershinnikov, S. S. Mamyan and G.Georgiev, “Regularities of the synthesis of theTiB2-Al2O3 composite ceramic powder and thematerial based on it”, Journal of EngineeringPhysics and Thermophysics, Vol. 65, pp.1030-1033, 1993.

36- D. Jianxin, C. Tongkun and L. Lili, “Selflubricatingbehaviors of Al2O3/TiB2 ceramictools in dry high-speed machining of hardened steel”, Journal of the European CeramicSociety, Vol. 25, pp. 1073-1079, 2005.

37- D. Jianxin and A. Xing, “Wear resistanceof Al2O3/TiB2 ceramic cutting tools in slidingwear tests and in machining processes”,Journal of Materials Processing Technology,Vol. 72, pp. 249-255, 1997.

38- S. H. Kang, D. J. Kim, E. S. Kang and S.S. Baek, “Pressureless sintering and propertiesof titanium diboride ceramics containingchromium and iron”, Journal of the AmericanCeramic Society, Vol. 84, pp. 893-895, 2001.

39- M. Einarsrud, E. Hagen, G. Pettersen andT. Grande, “Pressureless sintering of titaniumdiboride with nickel, nickel boride, and ironadditives”, Journal of the American CeramicSociety, Vol. 80, pp. 3013-3020, 1997.

40- J. I. Goldstein, C. E. Lyman, D. E.Newbury, E. Lifshin, P. Echlin, L. Sawyer, D.C. Joy and J. R. Michael, “Scanning electronmicroscopy and x-ray microanalysis”, 3rdedition, Kluwer Academic/Plenum Publishers,

New York, 2003.