SUPERVISOR
Mohammad Hossei Enayati
محمدحسين عنايتي (استاد راهنما)
STUDENT
Fereshteh Sourani
فرشته سوراني
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1392
TITLE
Synthesis and study of mechanical and wear behavior of (Fe,Cr)Al-Al2O3 nanocomposite and influence of surface modification by plasma oxidation treatment
Among the wide range of intermetallic compounds, aluminides and especially iron, titanium and nickel aluminides have been the most widely regarded engineering materials. One of the important intermetallic compounds that is expected to be more applicable, due to low cost of raw materials, is the FeAl compound. Despite many desirable properties, the FeAl composition, like other intermetallic compounds, has several limitations, especially low temperature ductility and low creep strength at high temperature. Adding alloying elements, controlling the atmosphere, reducing grain size, controlling microstructures, controlling defects and impurities, adding second phase such as oxides and thermomechanical treatment have been introduced to increase ductility of FeAl. The aim of the present study was to improve ductility of FeAl based intermetallic compounds. In the first step, synthesized of FeAl, (Fe,Cr) Al intermetallic compounds and (Fe,Cr) Al-Al 2 O 3 nanocomposites was performed by mechanical alloying (MA) method. For this purpose, iron, aluminum, chromium, iron oxide (or chromium oxide) powders were mixed with stoichiometric composition to produce FeAl, (Fe,Cr)Al and (Fe,Cr)Al-Al 2 O 3 powders by mechanical alloying. The results showed that FeAl compound is formed after 30 h of MA time and by increasing the milling time to 100 h the grain size reached to 60 nm. In the next step, the (Fe, Cr) Al intermetallic composition was synthesized by stoichiometry of Fe 40 Cr 10 Al 50 after 30 h. In the third step, (Fe,Cr)Al metal matrix nanocomposite containing Al 2 O 3 reinforcement phase was fabricated. For this purpose, two different approuches, reduction of chromite (Cr 2 O 3 ) and hematite (Fe 2 O 3 ) by Al were used. During the mechanical alloying of the Fe-Al-Cr 2 O 3 powder mixture, aluminum and chromium oxide did not react and the alumina phase did not form, therefore the reduction of hematite was used. In Cr-Al-Fe 2 O 3 system, the heat generated by Al-Fe 2 O 3 reaction lead to formation of Al (Fe, Cr) phase with grain size about 20 nm and Al 2 O 3 crystalline particles with grain size of 18 nm. Then the prepared powders were sintered by hot pressing at 1600°C, 5.5 GPa for 15 min. The properties of the bulk compound including the microstructure, mechanical properties, oxidation resistance and high temperature wear behavior were evaluated. The results illustrated that the presence of Cr and Al 2 O 3 nanoparticles improved the FeAl properties. Also, transmission electron microscopy (TEM) studies showed that Al 2 O 3 particles retained their nano dimensions and did not exhibit significant growth. The results of the nanoindentation test indicated a high hardness of 21GPa, a Youngs modulus of 605 GPa and a fracture toughness of 19MPa.m 1/2 for (Fe, Cr) Al-10% volAl 2 O 3 nanocomposite. Also the study of wear behavior at 400 °C showed a high wear resistance of this compound. Oxidation behavior of compounds accorded with the parabolic law. The (Fe,Cr)Al compound had the lowest weight gain among the other compounds, revealing the protection role of Cr. To improve surfaceproperties the bulk samples were subjected to the plasma oxidation process to create a thin oxide layer on the surface. The results of X-ray analysis (XRD) and electron backscatter diffraction analysis (EBSD) confirmed the formation of Al 2 O 3 . Creating a thin oxide layer on the surface while improving the mechanical properties and wear resistance can prevent atmospheric reaction with the surface, leading to improved ductility and increased fracture toughness. Surface roughness and topography were investigated by atomic force microscopy (AFM) after plasma oxidation. Transmission electron microscopy images showed that the plasma oxidation surface layer had a thickness of about 100 nm. Nanoindentation tests showed a 20% increase in surface hardness after plasma oxidation (31 GPa) and improved surface fracture toughness up to 21 MPa.m 1/2 .
در ميان گسترهي وسيع ترکيبات بين فلزي، آلومينايدها و به ويژه آلومينايدهاي آهن، تيتانيوم و نيکل بيشتر به عنوان مواد مهندسي مورد توجه بودهاند. يکي از ترکيبات بين فلزي مهم که به علت هزينه کم مواد اوليه قابليت کاربردي بيشتري دارد، ترکيب FeAl است. علي رغم خواص مطلوب متعدد، ترکيب FeAl مانند ساير ترکيبات بين فلزي داراي محدوديتهايي نيز ميباشد که مهمترين آن انعطاف پذيري کم در دماي اتاق و استحکام خزشي پايين در دماي بالا ميباشد. اضافه کردن عناصر آلياژي، کنترل اتمسفر محيط، کاهش اندازه دانه، کنترل ريز ساختار، کنترل عيوب و ناخالصيها، کامپوزيت کردن با ذراتي نظير اکسيدها و عمليات مکانيکي- حرارتي از جمله راه حلهايي ميباشد که به منظور افزايش انعطاف پذيري FeAl بهکار گرفته شده است. هدف از پژوهش حاضر توسعه ترکيبات بين فلزي بر پايه FeAl ميباشد بهطوريکه منجر به بهبود انعطاف پذيري، مقاومت به سايش و اکسايش آن گردد. در مرحله اول سنتز پودر ترکيبات بين فلزي FeAl، (Fe,Cr)Al و نانوکامپوزيت (Fe,Cr)Al-Al 2 O 3 با روش آلياژسازي مکانيکي انجام شد. بدين منظور پودرهاي آهن، آلومينيوم، کروم، اکسيدآهن و اکسيد کروم با ترکيبات استوکيومتري به منظور توليد پودرهاي FeAl، (Fe,Cr)Al و (Fe,Cr)Al-Al 2 O 3 به وسيله آلياژسازي مکانيکي مخلوط شدند. در ابتدا، نحوه تشکيل ترکيب بين فلزي FeAl با آلياژسازي مکانيکي مخلوط پودري Fe 50 Al 50 بررسي شد. نتايج حاکي از اين است که اين ترکيب در زمان 30 ساعت تشکيل شده و با افزايش زمان آسيابکاري تا 100ساعت اندازه دانههايي در حدود nm 60 به دست خواهد آمد. در مرحله بعد ترکيب بين فلزي (Fe,Cr)Al با ترکيب استوکيومتري Fe 40 Cr 10 Al 50 پس از 100 ساعت و با اندازه دانهها به حدود 30 نانومتر سنتز شد. در مرحله سوم تشکيل نانوکامپوزيت با زمينه ترکيب فلزي (Fe,Cr)Al حاوي فاز تقويت کننده Al 2 O 3 انجام شد. به اين منظور از دو مسير مختلف يعني احياي کرميت(Cr 2 O 3 ) و هماتيت(Fe 2 O 3 ) استفاده شد. در حين آلياژسازي مکانيکي مخلوط پودري Fe-Al-Cr 2 O 3 آلومينيوم و اکسيد کروم واکنش نداده و فاز آلومينا تشکيل نميشود، لذا از روش احياي هماتيت استفاده شد. در سيستم Cr-Al-Fe 2 O 3 گرماي ناشي از واکنش بلافاصله پس از وقوع واکنش منجر به شکل گيري فاز (Fe,Cr)Al با اندازه دانه nm20 و 5 و 10 درصد حجمي ذرات کريستالي Al 2 O 3 با اندازه دانه nm18 ميشود. پودرهاي توليدي سپس با روش پرس گرم در دماي C1600°، فشار GPa 5/5 و به مدت 15 min تف جوشي شده و قطعات بالک توليد شد. ويژگيهاي قطعات بالک بهدست آمده شامل ريزوساختار، خواص مکانيکي، مقاومت اکسايش و رفتار سايشي دماي بالا مورد ارزيابي قرار گرفت. نتايج نشان داد استفاده از عنصر آلياژي Cr و نانو ذرات تقويت کننده Al 2 O 3 منجر به بهبود خواص FeAl گرديده است. همچنين بررسيهاي ميکروسکوپ الکتروني عبوري (TEM) نشان داد با وجود استفاده از دماي C1600° براي تهيه نمونههاي بالک، ذرات Al 2 O 3 ابعاد نانو خود را حفظ کردهاند و اندازه ذرات فاز زمينه رشد چنداني را نشان نميدهند. نتايج به دست آمده از آزمون نانوفرونده بيانگر سختي بالاي GPa21، مدول الاستيک GPa605 وتافنس شکست MPa.m 1/2 19 در نانوکامپوزيت (Fe,Cr)Al-10%volAl 2 O 3 در مقايسه با ساير ترکيبات است. همچنين بررسي رفتار سايشي در دماي C° 400 نيز مقاومت به سايش بالاي اين ترکيب را نشان داد. نتايج اندازهگيري تغييرات وزني نمونهها پس از گذشت 100 ساعت از آزمون اکسايش نشان داد، تمام ترکيبات از قانون سهموي تبعيت کرده و ترکيب FeAl افزايش وزن قابل توجهي را نسبت به (Fe,Cr)Al نشان داد، در صورتيکه ترکيب (Fe,Cr)Al کمترين ميزان افزايش وزن را در بين ساير ترکيبات داشت که تاثير حفاظتي و مقاومت به اکسايش ترکيب (Fe,Cr)Al را به خوبي آشکار ميسازد، همچنين در نانوکامپوزيتهاي (Fe,Cr)Al-Al 2 O 3 بهبود مقاومت به اکسايش در مقايسه با ترکيب FeAl مشاهده ميشود. قطعات توليدي سپس در معرض فرايند اکسايش در محيط پلاسما قرار گرفتند تا جهت بهبود تافنس سطح، لايه اکسيدي روي سطح ايجاد شود. نتايج آناليز پراش پرتوايکس(XRD) و آناليز تفرق الکترونهاي بازگشتي (EBSD) تشکيل Al 2 O 3 را اثبات کرد. ايجاد لايه اکسيد در سطح ضمن بهبود خواص مکانيکي، مقاومت سايش و اکسايش FeAl ميتواند مانع از واکنش اتمسفر با ماده شود که بهبود انعطاف پذيري و افزايش تافنس شکست را به دنبال دارد. زبري و توپوگرافي سطح پس از اکسايش پلاسمايي به وسيله ميکروسکوپ نيروي اتمي (AFM) مورد بررسي قرار گرفت. تصاوير ميکروسکوپ الکتروني عبوري ضخامت سطح اکسيد شده را در حدود nm100 نشان داد. بررسيهاي آزمون نانوفرورونده افزايش 20 % در ميزان سختي سطح پس از اکسايش پلاسمايي (GPa31) نسبت به زيرلايه و بهبود اندازه تافنس شکست سطح تا MPa.m 1/2 21 را نشان داد، همچنين آزمون نانوخراش بيانگر بهبود رفتار تريبولوژيکي نمونه پس از اکسايش پلاسمايي بود