SUPERVISOR
Masoud Panepour,Morteza Shamanian esfahani
مسعود پنجه پور (استاد راهنما) مرتضي شمعانيان اصفهاني (استاد راهنما)
STUDENT
Mohammad Taheri dolatabadi
محمد طاهري دولت آبادي
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Investigation of Formation of MoSi2 Intermetallic Compound and MoSi2-ZrO2 Composite by Mechanical Alloying and Combustion Synthesis Processes
MoSi 2 intermetallic compound due to high melting point, good electrical and thermal conductivity and high temperature (1000 ?C) oxidation resistance is one of the most important silicide intermetallic compounds. However, the fracture toughness of MoSi 2 is low and to improve it, ZrO 2 particles are used. The objective of this study is the investigation of production of MoSi 2 intermetallic compound and MoSi 2 -ZrO 2 composite by mechanical alloying and combustion synthesis. In order to production of MoSi 2 -ZrO 2 composite, the ZrO 2 particles were added by ex-situ and in-situ methods. The mechanical alloying under same conditions was performed on the four powder mixtures including Mo-Si, Zr-MoO 3 , Mo-Si-ZrO 2 , and Mo-Si-Zr-MoO 3 .The combustion synthesis in the mode of SHS and explosive was performed on three compacted powder mixtures including Zr-MoO 3 , Mo-Si-ZrO 2 , and Mo-Si-Zr-MoO 3 . Phase analysis and microstructural investigation were carried out by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), and energy dispersive spectroscopy (EDS). Combustion front velocity and temperature profiles in the combustion synthesized samples in mode of SHS was investigated by thermocouple type S and recording with camera. The phase analysis indicated that MoO 3 was reduced by Zr after 6 h, with mechanism of SHS. The formation of MoSi 2 was initiated after about 20 h mechanical alloying in the Mo-Si and Mo-Si-ZrO 2 powder mixtures and after about 10 h mechanical alloying in the Mo-Si-Zr-MoO 3 powder mixture. The produced MoSi 2 was including both ? and ? phases. In the Mo-Si and Mo-Si-ZrO 2 powder mixtures after 60 h mechanical alloying, low amount of Mo existed, yet and dominant phase was ?-MoSi 2 . The formation of MoSi 2 -ZrO 2 composite in the Mo-Si-Zr-MoO 3 powder mixture was completed after about 60 h and dominant phase was ?- MoSi 2 . On the other hand, studies concerning the formation mechanism of MoSi 2 in this process showed that the dominant mechanism is a mechanical collision reaction. The phase and microstructural observations on the products of combustion synthesis process showed that the dominant phase is ?-MoSi 2 . The molybdenum and silicon-rich phases were also found in the samples. These phases showed that the reaction is not equilibrium and not fully performed. The results of thermal analysis DTA on mixed Mo-Si indicated that the formation mechanism of MoSi 2 was the Si melting and then formation of MoSi 2 by SHS. The differential thermal analysis of Zr-MoO 3 powder mixture illustrated that the reduction of MoO 3 was completed until 800 °C by Zr. So, add this mixture to the mixed Mo-Si (as sample of Mo-Si-Zr-MoO 3 ), not only in the combustion synthesis process, leading to the formation of ZrO 2 particles, but also the begining temperature of this process will reduce. The explosive combustion synthesis process on two samples of Mo-Si and Mo-Si-Zr-MoO 3 , has been reduced the starting temperature of the reaction from 700 ?C to 1150 ?C. Thus, these results can be deduced that the addition of Zr-MoO 3 mixed to Mo-Si powder mixture can be affected the mechanism rate of MoSi 2 formation during combustion synthesis and the mechanical alloying processes. Keywords: Combustion synthesis; Mechanical alloying; MoSi 2 ; ZrO 2
چکيده ترکيب بين فلزي MoSi 2 به دليل نقطه ذوب بسيار بالا، چگالي نسبتاً پايين، هدايت الکتريکي و حرارتي خوب و مقاومت به اکسيداسيون عالي در دماهاي بالاتر از ?C 1000 يکي از مهمترين ترکيبات بين فلزي سيليسايدي است. با اين حال، چقرمگي شکست MoSi 2 پايين ميباشد و براي بهبود آن از ذرات تقويت کننده ZrO 2 استفاده شده است. هدف از اين پژوهش، بررسي امکان تشکيل ترکيب بين فلزي MoSi 2 و کامپوزيت MoSi 2 -ZrO 2 با استفاده از فرايندهاي آلياژسازي مکانيکي و سنتز احتراقي ميباشد. ذرات ZrO 2 به دو صورت غيردرجا و درجا (حاصل از واکنش احياي اکسيد موليبدن توسط زيرکونيم) در توليد کامپوزيت MoSi 2 -ZrO 2 مورد استفاده قرار گرفت. واکنش احياي اکسيد موليبدن توسط زيرکونيم توسط فرايند آلياژسازي مکانيکي مورد بررسي قرار گرفت. آلياژسازي مکانيکي سه مخلوط پودري Mo-Si، Mo-Si-ZrO 2 و Mo-Si-Zr-MoO 3 تحت شرايط يکسان انجام شد. اين سه مخلوط پودري به صورت فشرده تحت فرايند سنتز احتراقي به صورت خودپيشرونده و انفجاري قرار گرفتند. تغييرات فازي و مطالعات ريزساختاري توسط آزمونهاي پراش پرتو ايکس ( XRD)، ميکروسکوپ الکتروني روبشي (SEM) به همراه طيفسنج توزيع انرژي پرتو ايکس (EDS) انجام گرفت. پروفيلهاي دمايي و سرعت جبهه احتراق نمونههاي سنتز احتراقي شده به صورت خودپيشرونده به ترتيب توسط ترموکوپل نوع S و فيلمبرداري از نمونه مورد بررسي قرار گرفت. بر اساس نتايج آناليز فازي مشخص گرديد، احياي اکسيد موليبدن توسط زيرکونيم پس از 6 ساعت آلياژسازي مکانيکي، با مکانيزم خود پيشرونده صورت ميگيرد. تشکيل MoSi 2 در دو مخلوط پودري Mo-Si و Mo-Si-ZrO 2 پس از حدود 20 ساعت آلياژسازي مکانيکي آغاز و تا 60 ساعت نيز به طور کامل صورت نگرفته است. اما در مخلوط پودري Mo-Si-Zr-MoO 3 زمان آغاز به حدود 10 ساعت تنزل يافته و با ادامه آن تا زمان حدود 60 ساعت کامپوزيت MoSi 2 -ZrO 2 به طور کامل تشکيل ميشود. بررسيهاي فازشناسي نيز نشان داد که MoSi 2 توليدي در هر سه نمونه به صورت فازهاي ? و ? ميباشند که غالب آن را فاز ? تشکيل ميدهد. از طرفي بررسيهاي مربوط به مکانيزم تشکيل MoSi 2 در اين فرايند نشان داد که مکانيزم غالب از نوع برخورد مکانيکي ميباشد. اما مشاهدات فازي و ريزساختاري روي محصولات ناشي از فرايند سنتز احتراقي نشان داد که فاز غالب ?-MoSi 2 ميباشد. همچنين فازهاي غني از موليبدن و سيليسيم نيز در نمونهها وجود داشت که بيانگر غيرتعادلي و کامل نشدن واکنش ميباشد. همچنين نتايج حاصل از آناليز حرارتي DTA روي مخلوط Mo-Si نشان داد که تشکيل MoSi 2 همواره طي دو مرحله ذوب سيليسيم و سپس انجام واکنش سنتز احتراقي صورت ميگيرد. از طرفي با توجه به نتايج حاصل از آزمون DTA روي مخلوط پودري Zr-MoO 3 مشخص گرديد که احياي اکسيد موليبدن (MoO 3 ) توسط Zr تا ?C 800 کامل ميشود. لذا، افزودن اين مخلوط به مخلوط Mo-Si (به صورت نمونه Mo-Si-Zr-MoO 3 ) نه تنها ميتواند در فرايند سنتز احتراقي، منجر به شکلگيري ذرات ZrO 2 شود، بلکه گرماي ناشي از آن نيز، کاهش دماي شروع اين فرايند را به همراه خواهد داشت. اين در حالي است که با انجام فرايند سنتز احتراقي به صورت انفجاري روي دو نمونه Mo-Si و Mo-Si-Zr-MoO 3 ، دماي شروع واکنش از ?C 1150 به ?C 700 تقليل يافته است. از اينرو با توجه به اين نتايج ميتوان چنين استنباط نمود که اضافه نمودن مخلوط Zr-MoO 3 به مخلوط پودري Mo-Si ميتواند مکانيزم و سرعت تشکيل MoSi 2 را طي فرايندهاي سنتز احتراقي و آلياژسازي مکانيکي تحت تأثير قرار دهد. کلمات کليدي: سنتز احتراقي، آلياژسازي مکانيکي، ديسيليسيد موليبدن، زيرکونيا.