بررسی اثر افزودن فاز تقویت کننده کاربید تیتانیم و بوراید تیتانیوم بر خواص مکانیکی و تریبولوژی کامپوزیت NiAl-TiC-TiB2 تولید شده به روش سنتز احتراقی

محورهای موضوعی : فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

فاطمه سلیمانی ¹ , ماندانا عادلی ² , منصور سلطانیه ³ , حسن ثقفیان ⁴

1 - دانش‌آموخته کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران
2 - استادیار، دانشکده مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران
3 - استاد، دانشکده مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران
4 - دانشیار، دانشکده مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

تاریخ دریافت : 1400/04/06 تاریخ پذیرش : 1400/07/24 تاریخ انتشار : 1400/06/01

کلید واژه: سنتز احتراقی, خواص تریبولوژی, سنتز خودپیشرونده دما بالا, کامپوزیت زمینه بین فلزی,

چکیده مقاله :

چکیده مقدمه: در این تحقیق کامپوزیت با زمینه ترکیب بین­فلزی NiAl-TiC-TiB₂ با مقادیر مختلف فاز تقویت کننده سرامیکی TiC+TiB₂ به صورت درجا و با استفاده از روش سنتز احتراقی خود­پیش­رونده (SHS) تحت فشار از مخلوط پودری فشرده نیکل، آلومینیوم، تیتانیم و کاربید بور (B₄C) تولید و خواص مکانیکی و سایشی آن بررسی شد. روش­: با استفاده از گرمایش سریع القایی، سنتز نمونه­ها انجام شده و از الگوهای پراش اشعه ایکس (XRD) و تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) همراه با آنالیز ﻃﯿﻒ ﺳﻨﺠﯽ ﭘﺮاﮐﻨﺪﮔﯽ اﻧﺮژی ﭘﺮﺗﻮ اﯾﮑﺲ (EDS) در تشخیص فازهای تشکیل شده و مورفولوژی آن­ها در کامپوزیت­ها استفاده شد و آزمایش­های میکروسختی­سنجی و پین روی دیسک جهت ارزیابی خواص انجام گردید. یافته­ها: بررسی­های میکروسکوپی نشان داد که ذرات سرامیکی TiC-TiB₂ بصورت یکنواخت در زمینه­ای همگن از NiAl توزیع شده است. با افزایش درصد TiC-TiB₂، میزان تخلخل کامپوزیت حاصله به دلیل بهبود سینتیک تشکیل فازهای سرامیکی محصول و شدت بالای واکنش افزایش یافت و از 24 درصد حجمی برای نمونه بدون عامل تقویت کننده به 39 درصد برای نمونه دارای 15 درصد فاز سرامیکی رسید. ارزیابی خواص تریبولوژی و میکروسختی کامپوزیت تولید شده نشان می­دهد که حضور توزیع مناسبی از ذرات تقویت­کننده در زمینه NiAl علیرغم اثر مخرب بوجود آمدن تخلخل­های ساختاری با بالارفتن درصد فازهای سرامیکی، باعث بهبود خواص مکانیکی و تریبولوژیکی می­گردد. حضور فازهای TiC-TiB₂ در زمینه باعث افت قابل توجه در میزان کاهش وزن در آزمون پین روی دیسک شده، همچنین میزان سختی از 497 ویکرز برای نمونه NiAl بدون ذرات سرامیکی، به 1015 ویکرز برای نمونه حاوی 15 درصد ذرات تقویت کننده افزایش یافت. نتیجه­گیری: سنتز احتراقی می­تواند به عنوان روشی سریع و با مصرف کم انرژی برای تولید کامپوزیت­های زمینه فلزی و بین­فلزی با توزیع مناسبی ذرات تقویت­کننده مورد استفاده قرار گیرد.  

چکیده انگلیسی:

Abstract Introduction: In this research, NiAl-TiC-TiB₂ composites with different contents of TiC-TiB₂ were produced via the self-propagating high-temperature synthesis (SHS) process using the exothermic reactions in compressed mixtures of Ni, Al, Ti, and B₄C. Methods: The synthesis of composites was performed using induction assisted heating, and the formation of phases and the morphology of reinforcing particles were studied by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) techniques, respectively. Findings: Results indicate that the TiC-TiB₂ ceramic phases were successfully synthesized and dispersed throughout a NiAl matrix. By increasing the TiC-TiB₂ content, the porosity in the structure gets a rising trend due to the enhancement of reaction kinetics and intensity of the reaction, and reaches from 24 Vol.% in the sample without reinforcement phases to 39% in the sample with 15% of ceramic reinforcements. Evaluation of mechanical and tribological properties of the fabricated ceramic samples shows that -  although the addition of TiC-TiB₂ increases the volume fraction of voids which cause destructive effects - a desirable distribution of ceramic particles within the NiAl matrix leads to improved properties for the composite. The distribution of TiC-TiB₂ particles throughout the matrix results in a remarkable decrease in sample weight loss in the pin-on-disk wear test. Also, the microhardness mean values increase from 497 HV for the unreinforced NiAl sample to values up to 1015 HV for the composite sample containing 15% of reinforcing particles.  

منابع و مأخذ:

1.        Liu  C, Recent advances in ordered intermetallics, Materials Chemistry and Physics 1995, 42(2), 77-86.

2.        Bochenek K, Basista M., Advances in processing of NiAl intermetallic alloys and composites for high temperature aerospace applications, Progress in Aerospace Sciences 2015, 79, 136-146.

3.        Morsi K., Reaction synthesis processing of Ni–Al intermetallic materials, Materials Science and Engineering: A 2001,  299, 1-15.

4.        Bharadwaj SR, Chandrasekharaiah MS, Thermodynamic data of intermetallic compounds, Bhabha Research Centre, Bombay 1984.

5.        Feng H, Moore J, In situ combustion synthesis of dense ceramic and ceramic-metal interpenetrating phase composites, Metallurgical and Materials Transactions B 1995, 26, 265-273.

6.        Wang Y, Wang Z, Yang Y, Chen W, The effects of ceria on the mechanical properties and thermal shock resistance of thermal sprayed NiAl intermetallic coatings, Intermetallics 2008, 16, 682-688.

7.        Fan Q, Chai H, Jin Z, Mechanism of combustion synthesis of TiC–Fe cermet, Journal of Materials Science 1999, 34, 115-122.

8.        Aruna ST, Mukasyan AS, Combustion synthesis and nanomaterials, Current Opinion in Solid State and Materials Science 2008, 12, 44-50.

9.        Morsi K, Combustion synthesis and the electric field: A review, International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis, 2017, 26, 199–209.

10.    Venkatesh T, Dunand D, Reactive infiltration processing and secondary compressive creep of NiAl and NiAl-W composites, Metallurgical and Materials Transactions A, 2000, 31, 781-792.

11.   . Guo J, Xing Z, Investigation of NiAl–TiB2 in situ composites, Journal of Materials Research 1997, 12, 1083-1090.

12.    Yeh C, Ke C, Chen YC, In situ formation of TiB₂/TiC and TiB₂/TiN reinforced NiAl by self-propagating combustion synthesis, Vacuum 2018, 151, 185-188.

13.    Ye D, Hu J, Handbook of Practicality Inorganic Thermodynamics, Metallurgical Industry Press, Beijing, 2002.

14.    Karimi A, Baharvandi HR, Abdizadeh H, Investigation on the effects of the amount and source of carbon on synthesis of Ti₂AlC nanostructure by self-propagating high temperature synthesis method, Journal of New Materials, 8(1), 57-68, 2017. (in Persian).

15.    Aminikia B, Firouzi S, Investigating the effect of milling time on the final microstructure of nanocrystalline TiB₂-TiC powder fabricated by MACS method, Journal of New Materials, 5(1), 15-25, 2014. (in Persian).

16.    Cui HZ, Ma L, CaO LL, Teng FL, Cui N, Effect of NiAl content on phases and microstructures of TiC-TiB₂-NiAl composites fabricated by reaction synthesis, Trans. Nonferrous Met. Soc. China  2014, 24, 346-353.