بررسی نفوذ مولیبدن و تشکیل تقویت کننده‌‌های درجا درکامپوزیت مخلوط پودری Ti-10Mo-1.5B4C تف‌‌جوشی شده‌‌ی قوس پلاسمای جرقه‌‌ای در دما و زمان‌‌های مختلف

الموضوعات : فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

مرجان رنجبری ¹ , مازیار آزادبه ² , عباس صباحی نمینی ³

1 - دانشجوی کارشناسی ارشد، مهندسی مواد دانشگاه صنعتی سهند تبریز، تبریز، ایران
2 - استاد، مهندسی مواد دانشگاه صنعتی سهند تبریز، تبریز، ایران
3 - دانشیار، مهندسی مواد دانشکده فناوری‌های نوین، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

تاريخ الإرسال : 29 السبت , ربيع الأول, 1445 تاريخ التأكيد : 13 الإثنين , جمادى الأولى, 1445 تاريخ الإصدار : 05 الأحد , محرم, 1445

الکلمات المفتاحية: کاربید بور, کامپوزیت تیتانیم-مولیبدن, بوراید تیتانیم و کاربید تیتانیم, تف‌‌جوشی قوس پلاسما, تقویت کننده‌‌های درجا و برون‌‌جا,

ملخص المقالة :

چکیده
مقدمه: بوراید تیتانیم و کاربید تیتانیم می‌‌تواند موجب تقویت آلیاژهای زمینه تیتانیم - مولیبدن، باشد. اگر این تقویت کننده‌‌ها بصورت درجا و آن هم با یک واکنش گرمازا (بین زمینه و تقویت کننده‌‌ی برون­جا) ایجاد شوند، گرمای آن واکنش نیز به نفوذ بیشتر مولیبدن در زمینه و درنتیجه تقویت فاز بتا منجر خواهد شد. هدف اصلی از انجام این پژوهش، بررسی تاثیر افزودن 5/1 درصد وزنی تقویت کننده برون­جای کاربید بور به آلیاژ تیتانیم - مولیبدن در دما و زمان‌‌های مختلف می‌‌باشد. بدین ترتیب تاثیر افزایش دما، زمان تف‌‌جوشی و گرمای واکنش گرمازا بر میزان چگالش، بهبود حلالیت مولیبدن در تیتانیم، تشکیل محصولات فازی هیبریدی ( تقویت‌‌کننده‌‌های درجا) و در پایان خواص مکانیکی نظیر استحکام کششی، استحکام پارگی عرضی و سختی بررسی می‌‌شود.  
روش‌‌: مخلوط پودری Ti-10Mo-1.5B₄C، ابتدا تحت فشار10 مگاپاسکال و همزمان با افزایش تحت فشار میانی 20 مگاپاسکال و نهایتا بعد از رسیدن به دماهای تف‌‌جوشی (دماهای 1150، 1300 و ^°C1450) تحت فشار نهایی50 مگاپاسکال به مدت زمان 5 و 10 دقیقه قرار گرفتند و بدین ترتیب شش نمونه به روش تف‌‌جوشی قوس پلاسما ساخته شد. تحولات ریزساختاری، خواص فیزیکی و مکانیکی و آنالیز فازی نمونه‌‌های تف‌‌جوشی شده مورد ارزیابی قرار گرفت.
یافته‌‌ها: به طور کلی با ازدیاد دما و زمان تف‌‌جوشی، چگالی افزایش یافت فقط در دمای ^°C1450 بمدت 10 دقیقه کاهش جزئی مشاهده شد به همین ترتیب خواص مکانیکی نیز تقریبا روند مشابهی نشان داد. در واقع تاثیر افزایش دما بر پیشرفت واکنش تیتانیم - کاربید بور بیشتر از افزایش زمان تف‌‌جوشی بوده است. ضمنا لازم به ذکر است که افزایش دما و زمان تف‌‌جوشی منجر به انحلال بیشتر مولیبدن درزمینه تیتانیم شده است، ولی در اینجا نقش واکنش گرمازای تقویت کننده برون‌‌جا با زمینه را نیز نباید نادیده گرفت.
نتیجه‌‌گیری: افزایش دما و زمان تف‌‌جوشی منجر به تولید فازهای درجای بیشتر می‌‌شود که پیوند قوی با زمینه Ti دارند. در ضمن استفاده از تقویت کننده درجایی که با زمینه واکنش گرمازا دهد و تقویت کننده درجای مورد نیاز را فراهم نماید به نوبه‌‌ی خود از اهمیت ویژه ای در همگن سازی (در اینجا مولیبدن) آلیاژ خواهد داشت. 

المصادر:

[1]        B.A. Obadele, O.O. Ige, P.A. Olubambi, "Fabrication and characterization of titanium-nickel-zirconia matrix composites prepared by spark plasma sintering," J. Alloys Compd, (2017),710, p. 825–830.

[2]        H. Attar, S. Ehtemam-Haghighi, D. Kent, M.S.Dargusch, "Recent developments and opportunities in additive manufacturing of titanium-based matrix composites," A review. Int. J. Mach. Tools Manuf. 2018.133, p. 85–102.

[3]        Luo, R. D., Yuan, Y. X., Ren, J. K., Li, F., Yang, Y. J., He, Z. Y., & Jiang, Y. H, "Novel function-structure-integrated Ti-Mo-Cu alloy combined with excellent antibacterial properties and mechanical compatibility as implant application," Journal of Alloys and Compounds, 2023, 945,169323.

[4] P.    Mohan, D. K. Rajak, C. I. Pruncu, Behera, A., & Amigó-Borrás, V, "Influence of β-phase stability in elemental blended Ti-Mo and Ti-Mo-Zr alloys," Micron, 2021, 142, 102992.

[5]        Leyens, C. and M. Peters, Titanium and titanium alloys: fundamentals and applications, John Wiley & Sons, 2003.

[6]        Lütjering, G.J.M.S. and E. A, "Influence of processing on microstructure and mechanical properties of (α+β) titanium alloys," (1998). 243(1-2), p. 32-45.

[7]        S.A. Delbari, A. Sabahi Namini, M. Shahedi Asl, "Hybrid Ti matrix composites with TiB2 and TiC compounds," Mat. Today.comm, 2019.

[8]        M. S. Delbari, S. A., Azadbeh, M., Namini, A. S. Mehrabian, M. Nguyen, V. H. & Mohammadi, M, "Nanoindentational and conventional mechanical properties of spark plasma sintered Ti–Mo alloys," Journal of materials research and technology, 2020, 9(5), p. 10647-10658.

[9]        Im, Y. D., & Lee, Y. K., "Effects of Mo concentration on recrystallization texture, deformation mechanism and mechanical properties of Ti–Mo binary alloys.," Journal of Alloys and Compounds, (2020), 821, p. 153508.

[10]      D. Hill, Microstructure and mechanical properties of titanium alloys reinforced with titanium boride, The Ohio State University, 2006.

[11]      Qian, M. and F.H. Froes, Titanium powder metallurgy, science, technology and applications, 2015.

[12]      A. Sabahi Namini, S.A.A. Dilawary, A. Motallebzadeh, M.Shahedi Asl, "Effect of TiB₂ addition on the elevated temperature tribological behavior of spark plasma sintered Ti matrix composite," Compos. Part B Eng (2019). 172, p. 271–280.

[13]      M.D. Hayat, H. Singh, Z. He, P. Cao, "Titanium metal matrix composites:an overview," Compos. Part A Appl. Sci. Manuf (2019).121, p. 418–438.

[14]      K. Shirvanimoghaddam, E. Ghasali, A. Pakseresht, S.M.R.Derakhshandeh, M. Alizadeh, T. Ebadzadeh, M. Naebe, "Super hard carbon microtubes derived from natural cotton for development of high performance titanium composites," J. Alloys Compd. (2019).775, p. 601–616.

[15]      E.L. Calvert, A.J. Knowles, J.J. Pope, D. Dye, M. Jackson, "Novel high strength titanium–titanium composites produced using field assisted sintering technology (FAST)," Scr. Mater. (2019).159, p. 51–57.

[16]      X. Wang, L. Wang, F. Yang, L. Luo, H. Yan, X. Liu, X. Li, R.Chen, Y. Su, J. Guo, H. Fu, "Hydrogen induced microstructure evolution of titanium matrix composites," Int. J. Hydrogen Energy.2018. 43, p. 9838–9847.

[17]      CHEN Yu-yong,XU Li-juan, LIU Zhi-guang,KONG Fan-tao, CHEN Zi-yon, "Microstructures and properties of titanium alloys Ti-Mo for dental use," Trans. Nonferrous Met. SOC. China (2006), p. 824-828.

[18] ز.نقدی، م.آزادبه، م.ر.اطمینان فر، ل.فتح یونس, "پوشش دهی الکتروشیمیایی کلسیم فسفات بر روی زیرلایه کامپوزیتی  Ti-10Mo-X(TiC&TiB₂) تهیه شده به روش تفجوشی قوس پلاسما" فصل نامه ی علمی - پژوهشی مواد نوین، دوره 13، شماره 48، تابستان 1401، صفحه 33-52.

 [19]     LIU Yong, WEI Wei-feng, ZHOU Ke-chao,CHEN Li-fang, TANG Hui-pin, "Microstructures and mechanical behavior of PM Ti-Mo alloy," J . CENT. SOUTH UNIV. TECHNOL, 2003, Vol. 10, No. 2.

[20]      M. Shahedi Asl, A. Sabahi Namini, A. Motallebzadeh, M. Azadbeh, "Effects of sintering temperature on microstructure and mechanical properties of spark plasma sintered titanium," Mater.Chem. Phys. (2018).203, p. 266–273.

[21] ع. ص. نمینی, بررسی تاثیر تقویت کننده های بورایدی و کاربیدی بر خواص فیزیکی و مکانیکی کامپوزیت های زمینه تولید شده به روش تف جوشی پلاسمای جرقه ای، رساله دکتری, تبریز: دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی سهند, 1396.

[22]      S. K. V.S. Balaji, "Densification and microstructural studies of titanium–boron carbide (B₄C) powder mixture during spark plasma sintering," Powder Technology, 31 May 2014.

[23]      L. Jia, Sh. fengLi, H. iImai, B. Chen, k. Kondoh, "Size effect of B₄C powders on metallurgical reaction and resulting tensile properties of Ti matrix composites by in-situ reaction from Ti–B₄C system under a relatively low temperature," Materials Science & Engineering, 10 July 2014.

 

 [24]     L. Jia, X. Wang, B. Chen, H. Imai, S. Li, Z. Lu, K. Kondoh, "Microstructural evolution and competitive reaction behavior of Ti–B4C system under solid-state sintering," J. Alloys Compd.2016, 687, p. 1004–1011.

[25]      S. Xu, C. Zhou, Y. Liu, B. Liu, K. Li, " Microstructure and mechanical properties of Ti–15Mo–xTiC composites fabricated by in-situ reactive sintering and hot swaging," J. Alloys Compd.2018 ,738, p. 188–196.

[26]      A. Sabahi Naminia, M. Azadbeha, and M. Shahedi Asl, "Effects of in-situ formed TiB whiskers on microstructure and mechanical properties of spark plasma sintered Ti-B₄C and Ti-TiB₂ composites," Scientia Iranica B (2018) 25(2), p. 762-771.

[27]      A. Sabahi Namini, M.Shahedi Asl, A.Delbari, "Influence of Sintering Temperature on Microstructure and Mechanical," Metals and Materials International (2019).

 [28]     D. Annur, I. Kartika, S. Supriadi, B. Suharno, "Titanium and titanium based alloy prepared by spark plasma sintering method for biomedical implant applications," Mater. Res. (2021) Express 8, 012001.

[29]      German, R. M., Powder metallurgy science, Metal Powder Industries Federation, 105 College Rd. E, Princeton, N. J. 08540, U. S. A, 1984. 279.

[30]      D. R. Gaskell, Introduction to The thermodinamics of Materials, Fourth Edition, New York- London, 2003.

[31] م. رنجبری، م. آزادبه، ع.ص. نمینی، "نقش تقویت کننده ی برون جای B₄C و درون جای TiC و TiB_w در تحولات ساختاری آلیاژ مخلوط پودری Ti-10Mo " فصل نامه علمی-پژوهشی مواد نوین، دوره 13، شماره 50، بهمن 1401، صفحه 19-32.