Skip to main content
SUPERVISOR
Mohammad Hassan Abbasi,Fatallah Karimzadeh
محمدحسن عباسی (استاد راهنما) فتح اله کریم زاده (استاد راهنما)
 
STUDENT
Fattaneh Salemi
فتانه سالمی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392

TITLE

Fabrication and characterization of nanostructured CuNiCoZnAl high entropy alloy by mechanical alloying
In this study, nanostructured CuNiCoZnAl high entropy alloy was synthesized by mechanical alloying. X-ray diffraction and transmission electron microscopy results showed that this quinary alloy has a FCC single phase solid solution and crystallite size about 15 nm. Energy dispersive spectroscopy results also confirmed the absence of impurities and verified the chemical composition of the alloy. Moreover, the alloy morphology was evaluated using scanning electron microscopy. Results of calculation of parameters such as melting point, mixing enthalpy change, mixing entropy change, atomic size difference, electronegativity difference and valence electron concentration of the alloy were in good agreement with the criteria for phase stability of high entropy alloys, and formation of high entropy alloy consisting of FCC solid solution could be predicted. Thermodynamic analysis of Cu-Ni-Co-Zn-Al alloy system using extended Miedema model confirmed the experimental results and predicted the solid solution as the first phase that formed. Thermal analysis of alloy using differential scanning calorimetry technique revealed that the solid solution phase was the stable phase from room temperature (~25°C) up to the melting point (~1150°C). In spite of phase transformations during this temperature range, intermetallic compounds and amorphous phase were not formed. The effect of mechanical alloying conditions and energy calculations showed that by increasing the velocity of ball milling and using the balls with different radii (instead of the balls with similar radii) energy transferred during ball milling would increase up to 1.7 times and provides the condition for CuNiCoZnAl alloy formation. Consolidation of the alloy powder was performed by cold press (in the case without a binder, and the sample containing sodium metasilicate) and spark plasma sintering. Investigation showed that cold press caused poor sintering and high porosity in the samples; therefore it could not be a suitable method for consolidation of the CuNiCoZnAl alloy powder, while spark plasma sintering led to the proper compression and low porosity. Also the nanostructure of bulk sample could be preserved by spark plasma sintering. Therefore CuNiCoZnAl alloy obtained from spark plasma sintering was selected for evaluation of mechanical behavior. Investigation of mechanical behavior using nanoindentation, indicated hardness value of 659.350±18 HV and elastic moduli of 186.240±17 GPa respectively. Also Vickers microhardness of the alloy was 598.69±31 HV. The evaluation of wear behavior of the alloy using pin-on-disk wear test indicated that the dominant wear mechanism of CuNiCoZnAl alloy wa adhesive wear. The sample weight loss at 700 m showed that wear rate decreased quickly at the begining with high wear rate and then became stable indicating a steady state wear. Constant friction coefficient without volatility indicated a uniform wear behavior of the alloy. Keywords: High entropy alloy, CuNiCoZnAl, Nanostructure, Mechanical alloying.
در این پژوهش، آلیاژ آنتروپی بالا و نانوساختار CuNiCoZnAl به روش آلیاژسازی مکانیکی ساخته شد. نتایج آزمون های پراش پرتو ایکس و میکروسکوپ الکترونی عبوری نشان داد که این آلیاژ محلول جامد پنج تایی، دارای ساختارتک فاز FCC با اندازه دانه حدود nm15 است. نتایج طیف سنجی تفکیک انرژی پرتو ایکس نیز عدم وجود ناخالصی و صحت ترکیب شیمیایی آلیاژ را تایید کرد. همچنین مورفولوژی آلیاژ با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی بررسی گردید. نتایج محاسبه متغیرهایی مانند دمای ذوب، تغییرات آنتالپی انحلال، تغییرات آنتروپی انحلال، تفاوت اندازه اتمی، اختلاف الکترونگاتیویته و غلظت الکترون های ظرفیتی برای این آلیاژ، با معیارهای موجود برای پایداری فاز در آلیاژهای آنتروپی بالا تطابق کامل داشت و تشکیل آلیاژ آنتروپی بالا با ساختار محلول جامد FCC را پیش بینی نمود. بررسی ترمودینامیکی سیستم CuNiCoZnAl توسط مدل نیمه تجربی مدیما نیز نتایج حاصل از آزمایش ها را تایید کرد و فاز محلول جامد را به عنوان اولین فاز تشکیل شونده در این آلیاژ معرفی نمود. بررسی رفتار حرارتی این آلیاژ با استفاده از آنالیز حرارتی گرماسنجی افتراقی نشان داد که از دمای محیط تا نقطه ذوب (تقریباً °C1150)، هیچ گونه ترکیب بین فلزی تشکیل نمی شود و با وجود تغییرات فازی، همواره فاز محلول جامد در سیستم پایدار است. همچنین بررسی تاثیر شرایط متفاوت آلیاژسازی مکانیکی و محاسبات انرژی مشخص کرد که با افزایش سرعت آسیاب و استفاده از گلوله های دارای اندازه های متفاوت (به جای گلوله های هم اندازه)، انرژی منتقل شده به ذرات پودر 7/1 برابر می شود و شرایط برای تشکیل آلیاژ CuNiCoZnAl مهیا می گردد. فشرده سازی پودر آلیاژ با روش پرس سرد (در حالت بدون بایندر و حالت حاوی بایندر سدیم متاسیلیکات) و روش تف جوشی پلاسمایی جرقه ای انجام شد. بررسی ها نشان داد که روش پرس سرد به دلیل عدم تف جوشی مناسب، تخلخل بالا و عدم فشردگی مطلوب، روش مناسبی برای فشرده سازی پودر آلیاژ CuNiCoZnAl نیست، اما روش تفجوشی پلاسمایی جرقه ای به دلیل اعمال هم زمان فشار و افزایش درجه حرارت باعث ایجاد فشردگی مناسب و تخلخل کم می شود. همچنین در روش تف جوشی پلاسمایی جرقه ای، ساختار نانو در نمونه بالک حفظ می گردد. بنابراین نمونه آلیاژ CuNiCoZnAl حاصل از روش تف جوشی پلاسمایی جرقه ای به عنوان نمونه مناسب جهت ارزیابی خواص انتخاب شد. بررسی رفتار مکانیکی آلیاژ با استفاده از آزمون نانوفروروندگی، سختی HV18±350/659 و مدول الاستیک GPa17±240/186 را نشان داد. همچنین با استفاده از آزمون ریزسختی سنجی ویکرز، مقدار سختی HV31±69/598 برای آلیاژ به دست آمد. نتایج بررسی رفتار سایشی با استفاده از آزمون پین روی دیسک مشخص نمود که مکانیزم غالب در سایش آلیاژ CuNiCoZnAl، سایش چسبان است. تغییرات کاهش وزن در مسافت m700 نشان داد که پس از طی یک مسافت اولیه با نرخ سایش زیاد، نرخ سایش کاهش می یابد و سپس به یک مقدار ثابت می رسد که نشان دهنده رسیدن سایش به یک مرحله پایدار است. ثابت بودن ضریب اصطکاک و عدم نوسانات شدید آن نیز نشان دهنده رفتار سایشی یکنواخت آلیاژ است. کلمات کلیدی: آلیاژ آنتروپی بالا، CuNiCoZnAl، نانوساختار، آلیاژسازی مکانیکی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی