Skip to main content
SUPERVISOR
Masoud Panepour,Mehdi Ahmadian
مسعود پنجه پور (استاد راهنما) مهدي احمديان (استاد راهنما)
 
STUDENT
Leila Kiani
ليلا کياني

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
چکيده فرايند سنتز احتراقي به دليل آزاد سازي انرژي بالا و کوتاهي زمان فرايند، روشي موثر و اقتصادي در توليد ترکيبات بين فلزي Ti-Al مي باشد. لازم به ذکر است که به دليل سرعت بسيار بالاي اين فرايند، مشاهدات تجربي مستقيم در تعيين مکانيزم واکنش بسيار مشکل بوده و نياز به ابزار با دقت و وضوح بالا دارد. از اين رو در تحقيق حاضر، روش شبيه سازي ديناميک مولکولي به عنوان جايگزيني مناسب، براي بررسي رفتار اتمي سيستم و مکانيزم انجام واکنش سنتز احتراقي انفجاري مورد استفاده قرار گرفته است. در اين روش با استفاده از کد LAMMPS و به کارگيري پتانسيل EAM، اثر استوکيومتري کوپل‌هاي نفوذي Ti-Al بر مکانيزم واکنش سنتز احتراقي انفجاري و دماي آدياباتيک مورد بررسي قرار گرفته است. پس از انجام مراحل شبيه سازي جهت مقايسه نتايج حاصله با نتايج تجربي، نمونه هايي با نسبت استوکيومتري مشابه شرايط شبيه سازي از پودرهاي Al وTi تهيه شده و سپس تحت فرايند سنتز احتراقي انفجاري قرار گرفتند. در ادامه به منظور بررسي فازي نمونه ها و تعيين زمان انجام واکنش، آزمون پراش پرتو ايکس (XRD) و روش فيلم برداري در حين سنتز مورد استفاده قرار گرفته است. نتايج به دست آمده حاکي از آن است که محصولات تشکيل شده در حين واکنش سنتز احتراقي انفجاري، زمان شروع و پايان واکنش و نيز دماي آدياباتيک نهايي به نسبت استوکيومتري Ti/Al در نمونه ي اوليه بستگي دارد. اما صرف نظر از نسبت استوکيومتري، ترتيب تشکيل فازها مطابق با نمودار فازي Ti-Al و از سمت ترکيبات با درصد Al بالاتر مي باشد. در واقع واکنش سنتز احتراقي انفجاري در نمونه هاي کوپل نفوذي با يک مرحله ي نفوذ اتم هاي Ti در Al و تشکيل محلول فوق اشباع در ابتداي واکنش شروع شده است. پس از آن با ادامه يافتن نفوذ اتم ها و رسيدن به ترکيب مناسب، لايه محصول اوليه به صورت 3 TiAl تشکيل گرديده است. در مرحله ي پاياني نيز لايه محصول رشد يافته و شرايط براي تبديل به ترکيبات جديد به وجود آمده است. در تمامي نمونه ها لايه محصول نهايي داراي ترکيبي معادل با نسبت استوکيومتري نمونه ي اوليه بوده است. به طور کلي، سرعت تشکيل لايه محصول اوليه و پيشروي واکنش، به دو عامل ضريب نفوذ اتم ها و نيز اختلاف غلظت بستگي دارد. دماي آدياباتيک نهايي نيز در نمونه هاي مختلف به ترتيب با افزايش نسبت Ti/Al، برابر با 1765، 1810، 1890، 1880 وK 1525بوده است. در بررسي آزمايشگاهي نيز مشخص شد که سرعت انجام واکنش با افزايش نسبت Ti/Al، کاهش يافته و فازهاي تشکيل شده در نمونه ها از ترکيباتي با Al بيشتر به سمت ترکيباتي با درصد Al کمتر پيش رفته است. لذا نتايج حاصل از روش شبيه سازي وروش تجربي در تاييد يکديگر مي باشد. در مجموع نتايج به دست آمده نشان مي دهد که ترتيب تشکيل لايه هاي محصول و ترکيب آنها از سمت ترکيبات با درصد Al بالاتر به سمت ترکيبات با درصد Al پايين تر مي باشد و نفوذ مهمترين عامل کنترل کننده واکنش است. کلمات کليدي ترکيبات بين فلزي، آلومينايدهاي تيتانيم، فرايند سنتز احتراقي انفجاري، شبيه سازي ديناميک مولکولي

ارتقاء امنیت وب با وف بومی