SUPERVISOR
Mehdi Salehi,Hossein Edris
مهدی صالحی (استاد راهنما) حسین ادریس (استاد راهنما)
STUDENT
Mansour Toorani Farani
منصور طورانی فرانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
The Effect of Energy System Impact in Mechanical Alloying (MA) on the Formation Mechanism of Nanostructure Intermetallic Ni-Ti Alloys and Characterization of Its Plasma Spray Coatings
Intermetallic compounds have certain properties that distinguish them from other intermetallic compounds. These properties include shape memory, compatibility with body environment, super elasticity property, high toughness, appropriate tribology behavior and high corrosion resistance. Given their properties, Ni-Ti intermetallic compounds are extensively used in the medical industry, aerospace industry and surface engineering. Ni-Ti system has 3 intermetallic compounds including Ni3Ti, NiTi NiTi2. NiTi intermetallic compound has received sufficient attention in different studies but the other two compounds seem to be partially neglected in previous research. Several methods such as metallurgy powder, SHS, mechanical alloying and explosive shock are used to produce Ni-Ti intermetallic compound. Mechanical alloying has recently been introduced as one of the latest methods for producing Ni-Ti alloys in powder form and as an alternative to conventional melting and casting techniques and SHS. One advantage of this method is the production of nanostructure materials. Despite some limitation, because of low production cost and simple process, mechanical alloying (MA) is one of the best methods for making and production intermetallic compounds. Firstly, this study investigated production of nanostructure Ni75Ti25 powder through mechanical alloying using two kinds of high-energy planetary ball mill and attritor under argon atmosphere. Microstructure investigations were made by X-ray diffraction (XRD), Scanning Electron Microscope (SEM), thermal analysis and microhardness surveys. The results showed that alloying Ni75Ti25 powder mixture leads to the formation of solid solution and some Ni3Ti phase. The mechanism for the formation of this compound begins by the formation of layered structure of raw materials and titanium atoms in nickel dissolution. Continuing process of supersaturated solid solution Ni3Ti structure is provided. After heat treatment higher order Ni3Tiand greater presence of this compound will be observed. Super lattice peaks in structure of powder do not occur in any parts of the mechanical alloying and heat treatment process. Initial development of Nickel-Titanium compounds has been caused due to their shape memory property, super elastic behavior, energy absorption capability and biocompatibility. But research in the last two decades has indicated that these compounds resist abrasion, erosion, corrosion, cavitation and erosion corrosion resistant as well. As such, this study also investigated the coating of a powder mixture Ni75Ti25. Atmospheric plasma spraying (APS) method was used to create intermetallic coatings of nickel - titanium on carbon steel. The given powder was grinded for 2 hours prior to spraying. Spray process was used to perform 4 different currents (Amp). The results indicated that Ni3Ti, NiTi2 intermetallic phases, Nickel and small amounts of titanium oxide were found in all coatings. With higher current, fewer intermetallic compound formations were made leading to different properties in coatings. Moreover, the coating created with high current was denser than other coatings and having better adhesion in substrate. It was also found that harder coating had lower resistance against vickers intrusive and cracked sooner. Therefore, they have lower fracture toughness. Keywords: Ni-Ti intermetallic compounds, Mechanical alloying, Nanostructure Materials, APS
ترکیبات بینفلزی نیکل-تیتانیم دارای خواص فوق العادهای هستند که آنها را حتی از سایر ترکیبات بینفلزی متمایز میکند. سیستم نیکل-تیتانیم دارای سه ترکیب بینفلزی NiTi، NiTi 2 ، و Ni 3 Ti است. از این میان، بر روی ترکیب بینفلزی NiTi به اندازه کافی تحقیقات صورت گرفته است ولی دو ترکیب دیگر تا حدودی مورد غفلت واقع شدهاند. در این پژوهش، نخست، ساخت پودر نانوساختار Ni75Ti25 به روش آلیاژسازی مکانیکی با استفاده از دو نوع آسیاب پر انرژی گلولهای سیارهای و آسیاب اتریتور تحت اتمسفر آرگون بررسی گردید. مطالعات ریزساختاری به وسیله آزمونهای پراش پرتو ایکس (XRD)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، آنالیز حرارتی و ریزسختی سنجی ارزیابی شد. نتایج نشان داد که آلیاژسازی مخلوط پودر Ni75Ti25 منجر به تشکیل محلول جامد و مقداری فاز Ni 3 Ti میگردد. مکانیزم تشکیل این ترکیب با شکلگیری ساختار لایهای از مواد اولیه و انحلال اتمهای تیتانیم در نیکل آغاز میشود. با ادامه فرایند، محلول جامد فوق اشباع و ساختار Ni 3 Ti ایجاد میگردد. عملیات حرارتی محصول، باعث افزایش نظم شبکه Ni 3 Ti و حضور بیشتر این ترکیب میشود. همچنین در هیچ یک از مراحل آلیاژسازی مکانیکی و عملیات حرارتی، پیکهای ابر شبکه در ساختار پودر ظاهر نمیشوند. توسعه اولیه ترکیبات نیکل-تیتانیم به خاطر داشتن خاصیت حافظهداری، رفتار سوپرالاستیک، قابلیت جذب انرژی و زیستسازگاری آنها بوده است. اما در دو دهه اخیر مشخص گردیده که ترکیبات فوق در برابر سایش، فرسایش، خوردگی، کاویتاسیون و همچنین خوردگی فرسایشی نیز مقاومند. بنابراین در ادامه این پژوهش به بررسی پوشش ایجاد شده از مخلوط پودری Ni75Ti25 پرداخته شد. از روش پاشش پلاسمایی اتمسفری (APS) برای اعمال پوششهای بین فلزی نیکل–تیتانیم بر روی فولاد ساده کربنی استفاده گردید. پودر مورداستفاده قبل از پاشش، به مدت 2 ساعت با آسیاب اتریتور آسیابکاری شد. جهت انجام فرایند پاشش از 4 آمپراژ متفاوت استفاده گردید. نتایج مشخصهیابی پوششها نشان داد که فازهای بین فلزی Ni 3 Ti و NiTi 2 ، نیکل و مقادیر اندکی از اکسید تیتانیم در تمامی پوششها حضور دارند. با افزایش جریان از میزان تشکیل ترکیبات بینفلزی کاسته شد که خود منجر به ایجاد خواص متفاوت در پوششها شد. به علاوه اینکه پوشش ایجاد شده با آمپراژهای بالا، از بقیه پوششها متراکمتر بوده و در نتیجه چسبندگی بهتری به زیرلایه داشتند. در ضمن نشان داده شد که پوششهای سختتر، در برابر فرو رونده ویکرز مقاومت کمتری داشته و زودتر ترک میخورند. در نتیجه از تافنس شکست پایینتری برخوردار هستند. کلمات کلیدی : ترکیبات بینفلزی نیکل-تیتانیم، آلیاژسازی مکانیکی، مواد نانوساختار، پاشش پلاسمایی اتمسفری