Skip to main content
SUPERVISOR
Masoud Panepour,Mehdi Ahmadian
مسعود پنجه پور (استاد راهنما) مهدی احمدیان (استاد راهنما)
 
STUDENT
Leila Kiani
لیلا کیانی

FACULTY - DEPARTMENT

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

TITLE

To study¬ the mechanism of combustion synthesis of Titanium aluminide intermetallic compounds by molecular dynamics simulation
Combustion synthesis reaction due to the release of high energy and short processing time, is an effective and economic method to produce Ti-Al intermetallic compounds. It is worth mentioning that due to the very high rate of this process, direct experimental observations in determining the reaction mechanism are very difficult since there is a need for high precision and high resolution tools. For this reason, the molecular dynamics simulation method (MD) had been employed as a suitable replacement for the study of the atomic behavior of the system and explosive combustion synthesis reaction mechanism in the present work. In this way investigates the effect of stoichiometry Ti/Al ratio on thermal explosion and adiabatic temperature by the use of molecular dynamics code (LAMMPS) and the EAM potential. After the simulation, to compare the results with experimental results, some specimens of Al and Ti powders were prepared with stoichiometric ratio similar simulation conditions and then TE process were performed on specimens. In continuation, X-ray diffraction (XRD) analysis and photo techniques during synthesis were used for phase identification and determination the reaction time. The results suggested that the products formed during the TE, the reaction completion time and also the final adiabatic temperature were influenced by the Ti/Al stoichiometry ratio. In fact, the reaction mechanism has been in such a manner that the phases with lower Al contents were initially formed and then as the reaction progressed, the percentage of Al content increased in the formed compound. Accordingly, the first phase formed at the interface of the atoms was TiAl 3 . Additionally, the composition of the final product was equivalent to the initial stoichiometry ratio. In general, results were shown that the rate of the formation of the product and the reaction progress depend on two factors of the diffusion coefficient of atoms and the concentration difference. The final adiabatic temperature for the above-mentioned compounds was equal to 1765, 1810, 1890, 1880 and 1525 K with an increase in Ti/Al ratio. In laboratory study also indicated that the rate of reaction decreased by increasing the Ti/Al ratio and the formed phases in specimens were moved from the compounds with higher Al percentage toward the compounds with lower Al percentage. Therfore the results of the simulation and experimental methods confirm each other. In other words, the results wree shown that the formation of the product layers and their combination is from the compounds with higher Al percentage toward the compounds with lower Al percentage and diffusion is the most important controller factor in reaction. Keywords: Intermetallic compounds, Titanium aluminides, Explosion combustion synthesis prosses, Molecular dynamics simulation
فرایند سنتز احتراقی به دلیل آزاد سازی انرژی بالا و کوتاهی زمان فرایند، روشی موثر و اقتصادی در تولید ترکیبات بین فلزی Ti-Al می باشد. لازم به ذکر است که به دلیل سرعت بسیار بالای این فرایند، مشاهدات تجربی مستقیم در تعیین مکانیزم واکنش بسیار مشکل بوده و نیاز به ابزار با دقت و وضوح بالا دارد. از این رو در تحقیق حاضر، روش شبیه سازی دینامیک مولکولی به عنوان جایگزینی مناسب، برای بررسی رفتار اتمی سیستم و مکانیزم انجام واکنش سنتز احتراقی انفجاری مورد استفاده قرار گرفته است. در این روش با استفاده از کد LAMMPS و به کارگیری پتانسیل EAM، اثر استوکیومتری کوپل‌های نفوذی Ti-Al بر مکانیزم واکنش سنتز احتراقی انفجاری و دمای آدیاباتیک مورد بررسی قرار گرفته است. پس از انجام مراحل شبیه سازی جهت مقایسه نتایج حاصله با نتایج تجربی، نمونه هایی با نسبت استوکیومتری مشابه شرایط شبیه سازی از پودرهای Al وTi تهیه شده و سپس تحت فرایند سنتز احتراقی انفجاری قرار گرفتند. در ادامه به منظور بررسی فازی نمونه ها و تعیین زمان انجام واکنش، آزمون پراش پرتو ایکس (XRD) و روش فیلم برداری در حین سنتز مورد استفاده قرار گرفته است. نتایج به دست آمده حاکی از آن است که محصولات تشکیل شده در حین واکنش سنتز احتراقی انفجاری، زمان شروع و پایان واکنش و نیز دمای آدیاباتیک نهایی به نسبت استوکیومتری Ti/Al در نمونه ی اولیه بستگی دارد. اما صرف نظر از نسبت استوکیومتری، ترتیب تشکیل فازها مطابق با نمودار فازی Ti-Al و از سمت ترکیبات با درصد Al بالاتر می باشد. در واقع واکنش سنتز احتراقی انفجاری در نمونه های کوپل نفوذی با یک مرحله ی نفوذ اتم های Ti در Al و تشکیل محلول فوق اشباع در ابتدای واکنش شروع شده است. پس از آن با ادامه یافتن نفوذ اتم ها و رسیدن به ترکیب مناسب، لایه محصول اولیه به صورت 3 TiAl تشکیل گردیده است. در مرحله ی پایانی نیز لایه محصول رشد یافته و شرایط برای تبدیل به ترکیبات جدید به وجود آمده است. در تمامی نمونه ها لایه محصول نهایی دارای ترکیبی معادل با نسبت استوکیومتری نمونه ی اولیه بوده است. به طور کلی، سرعت تشکیل لایه محصول اولیه و پیشروی واکنش، به دو عامل ضریب نفوذ اتم ها و نیز اختلاف غلظت بستگی دارد. دمای آدیاباتیک نهایی نیز در نمونه های مختلف به ترتیب با افزایش نسبت Ti/Al، برابر با 1765، 1810، 1890، 1880 وK 1525بوده است. در بررسی آزمایشگاهی نیز مشخص شد که سرعت انجام واکنش با افزایش نسبت Ti/Al، کاهش یافته و فازهای تشکیل شده در نمونه ها از ترکیباتی با Al بیشتر به سمت ترکیباتی با درصد Al کمتر پیش رفته است. لذا نتایج حاصل از روش شبیه سازی وروش تجربی در تایید یکدیگر می باشد. در مجموع نتایج به دست آمده نشان می دهد که ترتیب تشکیل لایه های محصول و ترکیب آنها از سمت ترکیبات با درصد Al بالاتر به سمت ترکیبات با درصد Al پایین تر می باشد و نفوذ مهمترین عامل کنترل کننده واکنش است. کلمات کلیدی ترکیبات بین فلزی، آلومینایدهای تیتانیم، فرایند سنتز احتراقی انفجاری، شبیه سازی دینامیک مولکولی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی