SUPERVISOR
Mehdi Salehi,Hossein Edris
مهدي صالحي (استاد راهنما) حسين ادريس (استاد راهنما)
STUDENT
Hesam Rezvani sichani
حسام رضواني سيچاني
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-Al Alloys and Characterization of Its Plasma Spray Coatings
Ni-Ti-Al Intermetallic Compounds have been extensively studied in the recent years due to their promising engineering applications specifically in the field of high temperature due to high corrosion resistance and excellent high temperature strength. There are different methods to produce intermetallic compounds. The most widely used of these methods include powder metallurgy, mechanical alloying and SHS. Despite some limitations, mechanical alloying (MA) is one of the best methods for making and production of intermetallic compounds because of low production cost and its simple process. This study primarily aimed at investigating compounds formed during MA of Ni-25Ti-25Al system. As such, the prepared powder mixture was milled. In order to avoid unwanted reactions, mechanical alloying was carried out under argon atmosphere. Moreover, since the final product and its formation speed through MA depends on ball mill energy parameter, this study also examined the effect of ball mill energy on the formation of compounds. This being so, alloying was conducted in planetary ball mill and attritor. Microstructure investigations were made by X-ray diffraction (XRD), Scanning Electron Microscope (SEM), thermal analysis and microhardness surveys. The results revealed that MA of powder mixture led to the formation of Ni 3 (Ti,Al) Nanostructured compounds with irregular L1 2 structure. It was observed that during MA, with the formation of layer structure and diffusion of Ti and Al atoms into Ni lattice, the aforementioned solid solution was created and after continuing the MA, it changed into Ni 3 (Ti,Al). Heat treatment of product under different conditions leads to decomposition of a part of the Ni 3 (Ti,Al) phase to other intermetallic phases. In the end, after heat treatment, an alloy of multiple phases was formed. Heat treatment leads to regulation of Ni 3 (Ti,Al) network and appearance of its superlattice peaks. In order to increase the efficiency of the parts and industrial tools, it is necessary to conduct appropriate surface treatment or coating on the parts; hence, surface engineering is of great importance nowadays. Intermetallic compounds coatings on ferrous and nonferrous substrates have received considerable attention due to resistance to wear and perfect oxidation and relatively lower friction coefficient. Moreover, this study examined the evolution of Ni-Ti-Al intermetallic coating microstructure conducted in APS methods on carbon steel substrate. In order to investigate the effect of thermal spray current on coating, 4 different current (Amp) were used. Appropriate powder for thermal spray was produced by ball mill of powder for 2 hours in attritor ball mill. In order to characterization of coating, various tests were performed on them. The results showed that after the spraying, the Ni 2 TiAl, NiTiAl, Ni solid solution and some TiO 2 were formed. In the coating, an increase in the plasma temperature to a certain degree can lead to a reduction in intermetallic compounds, an increase in porosity, and a decrease in coating hardness. The produced coating with the lowest current intensity has the highest adhesion in substrate and the lowest toughness. According to the results, the produced coating with the lowest current intensity has optimized conditions. Keywords : Ni-Ti-Al intermetallic compounds, Mechanical alloying, Nanostructure Materials, APS
امروزه ترکيبات بين فلزي Ni-Ti-Al به دليل مقاومت به خوردگي و استحکام مناسب در دماي بالا به شدت مورد توجه محققين قرار گرفته اند. ويژگي هاي ترکيبات Ni-Ti-Al منجر به گستردگي کاربرد آنها در صنايع مختلف شده است. آلياژسازي مکانيکي با وجود برخي از محدوديت ها، به دليل ساده بودن فرايند و هزينه توليد پايين، يکي از بهترين روش ها براي ساخت و توليد بسياري از ترکيبات و آلياژها از جمله ترکيبات بين فلزي مي باشد. هدف از اين پژوهش، نخست بررسي ترکيبات تشکيل شده در حين آلياژسازي مکانيکي سيستم Ni-Ti-Al است. بدين منظور مخلوط پودريNi 50 Ti 25 Al 25 مخلوط و تحت اتمسفر آرگون آسياب کاري گرديد. همچنين با توجه به اين که، محصول نهايي و سرعت تشکيل آن طي آلياژسازي مکانيکي بستگي شديدي به انرژي آسياب کاري دارد، در اين پژوهش تأثير پارامتر انرژي آسياب کاري بر تشکيل ترکيبات نيز مورد بررسي قرار گرفت. از اين رو آلياژسازي در دو آسياب گلوله اي سياره اي و اتريتور صورت گرفت. تغييرات فازي و مطالعات ريزساختاري به وسيله آزمون هاي XRD، SEM، DTA و ريزسختي سنجي ارزيابي شد. نتايج بررسي ها نشان داد که آلياژسازي مکانيکي مخلوط پودري Ni 50 Ti 25 Al 25 منجر به تشکيل ترکيب نانوساختار Ni 3 (Ti,Al) با ساختار نامنظم L1 2 گرديد. مشاهده شد که حين آلياژسازي مکانيکي، با شکل گيري ساختار لايه اي و نفوذ اتم هاي تيتانيوم و آلومينيوم در نيکل، نخست محلول جامد فوق اشباع ايجاد مي شود که با ادامه فرايند آلياژسازي مکانيکي به ترکيب بين فلزي Ni 3 TiAl تبديل مي گردد. عمليات حرارتي محصول در شرايط مختلف، منجر به تجزيه مقداري از فاز Ni 3 TiAl به فازهاي بين فلزي ديگر مي شود. در نهايت پس از عمليات حرارتي، آلياژي از چند فاز حاصل مي شود. عمليات حرارتي منجر به افزايش نظم شبکه NI 3 TiAl و ظاهر شدن پيک هاي ابرشبکه آن مي گردد. به منظور افزايش راندمان کاري قطعات و ابزار صنعتي لازم است تا عمليات سطحي مناسب يا پوشش دادن بر روي قطعات انجام شود. بنابراين مهندسي سطح امروزه از اهميت بالايي برخوردار است. در اين بين پوشش هاي ترکيبات بين فلزي بر روي زير لايه هاي آلياژهاي آهني و غير آهني به دليل مقاومت به سايش و اکسيداسيون عالي و ضريب اصطکاک نسبتاً پايين بسيار مورد توجه قرار گرفته اند. از اين رو در ادامه اين پژوهش، مشخصه يابي و ارزيابي ريزساختار پوشش هاي بين فلزي Ni-Ti-Al اعمال شده به روش پاشش پلاسمايي اتمسفري(APS) بر روي زيرلايه فولاد ساده کربني مورد بررسي قرار گرفت. به منظور بررسي تاثير شدت جريان پاشش بر روي پوشش ها از 4 آمپراژ متفاوت استفاده شد. پودر مناسب جهت پاشش حرارتي، از آسياب کردن مخلوط پودري Ni 50 Ti 25 Al 25 به مدت 2 ساعت در آسياب اتريتور توليد شد. نتايج بررسي ها نشان مي دهد که پس از پاشش فازهاي بين فلزي Ni 2 TiAl، NiTiAl، محلول جامد نيکل و مقاديري اکسيد تيتانيم در پوشش موجود مي باشد. افزايش حرارت پلاسما تا حد مشخصي، منجر به کاهش ميزان ترکيبات بين فلزي، افزايش تخلخل و کاهش سختي در پوشش مي گردد. پوشش ايجاد شده با کمترين شدت جريان داراي بالاترين ميزان استحکام چسبندگي به زيرلايه و کمترين مقدار چقرمگي شکست است. کلمات کليدي: ترکيبات بين فلزي Ni-Ti-Al، آلياژسازي مکانيکي، مواد نانو ساختار، پاشش پلاسمايي اتمسفري