Skip to main content
SUPERVISOR
Mohammad Hassan Abbasi,Fatallah Karimzadeh
محمدحسن عباسي (استاد راهنما) فتح اله کريم زاده (استاد راهنما)
 
STUDENT
Fattaneh Salemi
فتانه سالمي

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.
چکيده در اين پژوهش، آلياژ آنتروپي بالا و نانوساختار CuNiCoZnAl به روش آلياژسازي مکانيکي ساخته شد. نتايج آزمون هاي پراش پرتو ايکس و ميکروسکوپ الکتروني عبوري نشان داد که اين آلياژ محلول جامد پنج تايي، داراي ساختارتک فاز FCC با اندازه دانه حدود nm15 است. نتايج طيف سنجي تفکيک انرژي پرتو ايکس نيز عدم وجود ناخالصي و صحت ترکيب شيميايي آلياژ را تاييد کرد. همچنين مورفولوژي آلياژ با استفاده از ميکروسکوپ الکتروني روبشي بررسي گرديد. نتايج محاسبه متغيرهايي مانند دماي ذوب، تغييرات آنتالپي انحلال، تغييرات آنتروپي انحلال، تفاوت اندازه اتمي، اختلاف الکترونگاتيويته و غلظت الکترون هاي ظرفيتي براي اين آلياژ، با معيارهاي موجود براي پايداري فاز در آلياژهاي آنتروپي بالا تطابق کامل داشت و تشکيل آلياژ آنتروپي بالا با ساختار محلول جامد FCC را پيش بيني نمود. بررسي ترموديناميکي سيستم CuNiCoZnAl توسط مدل نيمه تجربي مديما نيز نتايج حاصل از آزمايش ها را تاييد کرد و فاز محلول جامد را به عنوان اولين فاز تشکيل شونده در اين آلياژ معرفي نمود. بررسي رفتار حرارتي اين آلياژ با استفاده از آناليز حرارتي گرماسنجي افتراقي نشان داد که از دماي محيط تا نقطه ذوب (تقريباً °C1150)، هيچ گونه ترکيب بين فلزي تشکيل نمي شود و با وجود تغييرات فازي، همواره فاز محلول جامد در سيستم پايدار است. همچنين بررسي تاثير شرايط متفاوت آلياژسازي مکانيکي و محاسبات انرژي مشخص کرد که با افزايش سرعت آسياب و استفاده از گلوله هاي داراي اندازه هاي متفاوت (به جاي گلوله هاي هم اندازه)، انرژي منتقل شده به ذرات پودر 7/1 برابر مي شود و شرايط براي تشکيل آلياژ CuNiCoZnAl مهيا مي گردد. فشرده سازي پودر آلياژ با روش پرس سرد (در حالت بدون بايندر و حالت حاوي بايندر سديم متاسيليکات) و روش تف جوشي پلاسمايي جرقه اي انجام شد. بررسي ها نشان داد که روش پرس سرد به دليل عدم تف جوشي مناسب، تخلخل بالا و عدم فشردگي مطلوب، روش مناسبي براي فشرده سازي پودر آلياژ CuNiCoZnAl نيست، اما روش تفجوشي پلاسمايي جرقه اي به دليل اعمال هم زمان فشار و افزايش درجه حرارت باعث ايجاد فشردگي مناسب و تخلخل کم مي شود. همچنين در روش تف جوشي پلاسمايي جرقه اي، ساختار نانو در نمونه بالک حفظ مي گردد. بنابراين نمونه آلياژ CuNiCoZnAl حاصل از روش تف جوشي پلاسمايي جرقه اي به عنوان نمونه مناسب جهت ارزيابي خواص انتخاب شد. بررسي رفتار مکانيکي آلياژ با استفاده از آزمون نانوفروروندگي، سختي HV18±350/659 و مدول الاستيک GPa17±240/186 را نشان داد. همچنين با استفاده از آزمون ريزسختي سنجي ويکرز، مقدار سختي HV31±69/598 براي آلياژ به دست آمد. نتايج بررسي رفتار سايشي با استفاده از آزمون پين روي ديسک مشخص نمود که مکانيزم غالب در سايش آلياژ CuNiCoZnAl، سايش چسبان است. تغييرات کاهش وزن در مسافت m700 نشان داد که پس از طي يک مسافت اوليه با نرخ سايش زياد، نرخ سايش کاهش مي يابد و سپس به يک مقدار ثابت مي رسد که نشان دهنده رسيدن سايش به يک مرحله پايدار است. ثابت بودن ضريب اصطکاک و عدم نوسانات شديد آن نيز نشان دهنده رفتار سايشي يکنواخت آلياژ است. کلمات کليدي: آلياژ آنتروپي بالا، CuNiCoZnAl، نانوساختار، آلياژسازي مکانيکي

ارتقاء امنیت وب با وف بومی