Investigation of reducing agent type on the synthesis behavior and microstructure of Ni-Cr-Mo alloy synthesized by microwave-assisted combustion synthesize
Subject Areas :Mostafa Tahari 1 , Jalil Vahdati khaki 2 , Mostafa Mirjalili 3
1 - Vakil abad Blvd
2 - Vakil abad Blvd
3 - Ferdowsi university of Mashhad
Keywords: Microwave, Ni-Cr-Mo, Self-propagation synthesis, superalloy, Alumino-silico-thermic,
Abstract :
This research investigated the effect of reducing agent type on the synthesis behavior and microstructure of Ni-Cr-Mo alloy, which was synthesized by microwave-assisted self-propagation high-temperature. For this purpose, powder mixtures with the same amount of NiO, MoO3, and Cr2O3 as precursors and different ratios of aluminum to silicon as reductants were prepared. The mixtures were homogenized, compacted to a 20 mm diameter disk, and synthesized by a microwave oven. Results show that although the adiabatic temperature in the silico-thermic sample exceeded the merzhanov criteria, the synthesizing did not occur due to Si high-temperature melting point. The maximum recovery efficiency of Ni and Mo was observed in the Al50 with 92% and 96%, respectively. But, the recovery efficiency of Cr in this sample was 36%, which is very low. Using excess Al in 1.1 and 1.2 times more than the stoichiometric ratio in the Al50ex1.1 and Al50ex1.2 leads to the recovery efficiency of Cr rising 25% and reaching 45%. The presence of residual Si in the produced alloys caused to formation Mo2Ni3Si phase, which is a Mo and Si reach the compound. Microstructural investigation shows residual Si content, and Mo2Ni3Si phase percent were increased by adding excess Al in the initial mixtures. Also, the Mo2Ni3Si proeutectic phase has petaloid morphology. Although the Mo2Ni3Si phase is not formed in the Al100 sample, the severe segregation of Mo led to a continuous network of semi-dual phases in the dendrite boundary.
- مراجع
[1] س. س. خلیفه سلطانی، ر. ابراهیمی کهریزسنگی و ف. نعیمی، "بررسی رفتار سینتیکی اکسیداسیون ایزوترم دمای بالای پوشش‌های MCrAlY اعمال شده به روش HVOF"، فرایندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 10، شماره 3، صفحه 80-67، 1395.
[2] ر. سحرخیز، ض. والفی، م. میرجانی و س. تقی‌رمضانی، "مقایسه ریزساختار و مقاومت به اکسیداسیون دما بالای پوشش‌های NiCrAlY ایجاد شده به روش پاشش پلاسمایی اتمسفری (APS) و پاشش پلاسمایی با غلاف جامد محافظ (SSPS)"، فرایندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 15، شماره 2، صفحه 82-65، 1400
[3] A. Mishra, "Corrosion Study of Base Material and Welds of a Ni–Cr–Mo–W Alloy", Acta Metall. Sin. English Lett. vol. 30, no. 4, pp. 326–332, Apr. 2017.
[4] J. R. Hayes, J. J. Gray, A. W. Szmodis & C. A. Orme, "Inhibiting Effects of Nitrates on the Passive Film Breakdown of Alloy 22 in Chloride Environment", Corrosion, vol. 62, pp. 491-499, 2006.
[5] A. K. Mishra & D. W. Shoesmith, "Effect of Alloying Elements on Crevice Corrosion Inhibition of Nickel-Chromium-MolybdenumTungsten Alloys Under Aggressive Conditions: An Electrochemical Study", Corrosion, vol. 70, pp. 721-731, 2014.
[6] P. Clook, "NACE International", Denver, Colorado, 1996, NACE-96412.
[7] J. H. Lee, S. K. Ko & C. W. Won, "Combustion characteristics of TiO2/Al/C system", Mater. Res. Bull, vol. 36, no. 7–8, pp. 1157–1167, 2001.
[8] G. Liu, J. Li & K. Chen, "Combustion synthesis of refractory and hard materials: A review", Int. J. Refract. Met. Hard Mater, vol. 39, pp. 90–102, 2013.
[9] F. Kaya, M. Yetiş, G. İ. Selimoğlu & B. Derin, "Influence of Co content on microstructure and hardness of AlCoxCrFeNi (0 ≤ x ≤ 1) high-entropy alloys produced by self-propagating high-temperature synthesis", Eng. Sci. Technol. an Int. J, vol. 27, 2022.
[10] J. Feizabadi, J. Vahdati Khaki, M. Haddad Sabzevar, M. Sharifitabar & S. Aliakbari Sani, "Fabrication of in situ Al2O3 reinforced nanostructure 304 stainless steel matrix composite by self-propagating high temperature synthesis process", Mater. Des, vol. 84, pp. 325–330, Nov. 2015.
[11] P. Zhang, T. Xia, G. Zhang & L. Yan, "Study on preparation of Ti powder by self-propagating high-temperature synthesis (SHS) with magnesiothermit reductive process", Mater. Sci. Forum, vol. 575–578, pp. 1086–1092, 2008.
[12] A. Chakraborti, N. Vast & Y. Le Godec, "Synthesis of boron carbide from its elements at high pressures and high temperatures", Solid State Sci, vol. 104, p. 106265, 2020.
[13] M. Sharifitabar, J. Vahdati Khaki & M. Haddad Sabzevar, "Effects of Fe additions on self propagating high temperature synthesis characteristics of TiO2-Al-C system", Int. J. Refract. Met. Hard Mater, vol. 47, pp. 93–101, 2014.
[14] B. Paul, J. Kishor, A. Chatterjee, S. Majumdar, V. Kain, G.K. Dey, "A study on feasibility of preparation of W-Cr-Si alloys by silicothermic co-reduction and characterization of as cast co-reduced alloy", J. Alloys Compd, vol. 701, pp. 864e-869, 2017.
[15] H-Y. Zhu, R. Gao, W-T. Jin, L-W. Qiu & Z-L. Xue, "Reduction characteristics of molybdenum trioxide with aluminum and silicon", Rare Met, vol. 37, no. 7, pp. 621–624, 2018.
[16] H-Y. Wang, G-H. Zhang & K-C. Chou, "Preparation of Low-Carbon and Low-Sulfur Fe-Cr-Ni-Si Alloy by Using CaSO4-Containing Stainless Steel Pickling Sludge", Metall. Mater. Trans. B, vol. 51, no. 5, pp. 2057–2067, 2020.
[17] D. R. Gaskell, "Introduction to the Thermodynamics of Materials", 4th ed. New York: Taylor & Francis, 2003.
[18] M. Tahari, J. Vahdati Khaki & M. Mirjalili, "Microwave-Assisted Combustion Synthesis of Ni–Cr–Mo Superalloy Using Mixed Oxides: Mechanism and Thermodynamics Aspects", Metall. Mater. Trans. A, 2023, doi: 10.1007/s11661-023-07038-4.
[19] S. C. Kung, "Gibbs energy of formation of nickel chromite", Metall. Trans. B, vol. 22, no. 5, pp. 673–675, 1991.
[20] H. Edris, D. G. Mccartney & A. J. Sturgeon, "Microstructural characterization of high velocity oxy-fuel sprayed coatings of Inconel 625", J. Mater. Sci, vol. 32, no. 4, pp. 863–872, 1997.
[21] X. D. Cheng, J. Min, Z. Q. Zhu & W. P. Ye, "Preparation of high emissivity NiCr 2O 4 powders with a spinel structure by spray drying", Int. J. Miner. Metall. Mater, vol. 19, no. 2, pp. 173–178, 2012.
[22] E. B. Rudnyi, E. A. Kaibicheva, L. N. Sidorov, M. T. Varshavskii & A. N. Men, "(Ion + molecule) equilibrium technique applied to the determination of the activities of Cr2O3 and NiO. Standard molar Gibbs energy of formation of NiCr2O4", J. Chem. Thermodyn, vol. 22, no. 7, pp. 623–632, 1990.
[23] G. Gunduz-Meric, S. Kaytakoglu & L. Degirmenci, "Catalytic performance of silica covered bimetallic nickel-iron encapsulated core-shell microspheres for hydrogen production", Int. J. Hydrogen Energy, vol. 45, no. 60, pp. 34547–34556, Dec. 2020.
[24] O. V. Chernyshova, D. K. Kanagatov & D. V. Drobot, "Production of nickel–cobalt concentrate in rhenium-containing refractory alloy processing", Russ. J. Non-Ferrous Met, vol. 58, no. 1, pp. 55–60, Jan. 2017.
[25] A. Ghasemi & M. Pouranvari, "Intermetallic phase formation during brazing of a nickel alloy using a Ni–Cr–Si–Fe–B quinary filler alloy", Sci. Technol. Weld. Join, vol. 24, no. 4, pp. 342–351, May 2019.
[26] Y. W. Xu & H. M. Wang, "Oxidation behavior of ␥ / Mo 2 Ni 3 Si ternary metal silicide alloy", J. Alloys Compd, vol. 457, pp. 239–243, 2008.
[27] S. D. K. John N. DuPont, John & C. Lippold, "Welding metallurgy and weldability of nickel-base alloys", 1st ed. New Jersey: John wiley & sons, 2009.
[28] P. Crook, "Development of a new Ni-Cr-Mo alloy", in CORROSION 96, 1996.
[29] R. Awasthi et al, "Corrosion Characteristics of Ni-Based Hardfacing Alloy Deposited on Stainless Steel Substrate by Laser Cladding", Metall. Mater. Trans. A, vol. 48, no. 6, pp. 2915–2926, Jun. 2017.
[30] P. Zhang, M. Li, H. Yan, J. Chen, Z. Yu & X. Ye, "Microstructure evolution of Ni-Mo-Fe-Si quaternary metal silicide alloy composite coatings by laser cladding on pure Ni", J. Alloys Compd, vol. 785, pp. 984–1000, May 2019.
[31] J. Liu, J. Zhang, L. Deng & G. Hao, "Microstructure and corrosion behaviour of laser-cladded γ-Ni/Mo 2 Ni 3 Si alloy coating", Surf. Eng, vol. 35, no. 1, pp. 59–65, Jan. 2019.
[32] Y. W. Xu & H. M. Wang, "Room-temperature dry sliding wear behavior of γ-Ni/Mo2Ni3Si metal silicide ‘in situ’ composites", J. Alloys Compd, vol. 440, no. 1–2, pp. 101–107, Aug. 2007.
[33] Y. W. Xu & H. M. Wang, "Microstructure and wear properties of laser melted γ-Ni/Mo2Ni3Si metal silicide ‘in situ’ composite", Mater. Lett, vol. 61, no. 2, pp. 412–416, Jan. 2007.
[34] U. Kumar Mohanty & H. Sarangi, "Solidification of Metals and Alloys", in Casting Processes and Modelling of Metallic Materials, IntechOpen, 2021, pp. 1–22.
[35] M. J. Perricone & J. N. Dupont, "Effect of composition on the solidification behavior of several Ni-Cr-Mo and Fe-Ni-Cr-Mo alloys", Metall. Mater. Trans. A, vol. 37, no. 4, pp. 1267–1280, Apr. 2006.
[36] S. A. Cefalu & M. J. M. Krane, "Comparison of predictions of microsegregation in the Ni–Cr–Mo system to experimental measurements", Mater. Sci. Eng. A, vol. 454–455, pp. 371–378, Apr. 2007.
[37] K. Dyal Ukabhai, I. A. Mwamba & L. A. Cornish, "Studies of Co-Fe-Pd Alloys in the As-Cast Condition & After Annealing at 1000 and 650 °C", J. Phase Equilibria Diffus, vol. 41, no. 4, pp. 567–585, Aug. 2020.
6- پی‌نوشت
[1] Self-Propagation High Temperature Synthesis
[2] Kaya et al
[3] Feizabadi et al
[4] Hall et al
[5] Dautzenberg
[6] Zhu & Paul
[7] Face Centered Cubic
[8] Hexagonal Laves Structure
[9] Petaloid
[10] Xu et al
[11] Perricone
[12] Cefalu et al
[13] Dyal et al
فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، سال هفدهم – شماره چهارم – زمستان 1402 (شماره پیاپی 67)، صص. 67-82 | ||
| فصلنامه علمی پژوهشی فرآیندهای نوین در مهندسی مواد ma.iaumajlesi.ac.ir |
|
بررسی تأثیر نوع احیاکننده بر رفتار سنتز و ریزساختار آلیاژ Ni-Cr-Mo تولید شده با روش سنتز احتراقی
به کمک امواج مایکروویو
مقاله پژوهشی |
1- دانشجوی دکتری، گروه مواد و متالورژی، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی، مشهد، ایران.
2- استاد، گروه مواد و متالورژی، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی، مشهد، ایران.
3- استادیار، گروه مواد و متالورژی، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی، مشهد، ایران.
* mirjalili@um.ac.ir
اطلاعات مقاله |
| چکیده |
دریافت: 05/12/1401 پذیرش: 23/03/1402 | در این پژوهش اثر نوع احیاکننده بر رفتار سنتز و ریزساختار آلیاژ Ni-Cr-Mo که با روش سنتز خوداحتراقی خودپیشرونده به کمک امواج مایکروویو تهیه شده است مورد بررسی قرار گرفت. بدین منظور از NiO، MoO3 و Cr2O3 به عنوان پیش‌ماده و نسبت‌های مختلف از آلومینیم به سیلیسیم به عنوان احیاکننده استفاده شد. مخلوط‌های پودری تهیه شده پس از همگن‌سازی فشرده‌سازی و به دیسک‌هایی با قطر 20 میلیمتر تبدیل شده و با یک آون مایکروویو سنتز شدند. نتایج نشان داد هنگامی که سیلیسیم به تنهایی به عنوان عامل احیاکننده در مخلوط‌های پودری قرار دارد، به دلیل دمای ذوب بالا وارد واکنش سنتز نمی‌شود و نمونه‌های سیلیکوترمی علیرغم داشتن دمای آدیاباتیک بالاتر از معیار مرزانف، سنتز نشدند. حداکثر میزان بازیابی عناصر نیکل و مولیبدن در نمونه آلومینو-سیلیکوترمی با سهم احیای برابر آلومینیم و سیلیسیم است که به ترتیب برابر 92% و 96% است؛ اما بازدهی بازیابی کروم در این نمونه در حدود 36% است. استفاده از آلومینیم اضافی به مقدار 2/1 برابر مقدار استوکیومتری باعث شده میزان بازدهی کروم 25% رشد داشته باشد و به 45% برسد. وجود سیلیسیم باقیمانده از مواد اولیه در محصولات نهایی باعث تشکیل فاز غنی از مولیبدن و سیلیسیم Mo2Ni3Si در محصولات به صورت یک ساختار یوتکتیکی شده است. نتایج نشان داد استفاده از آلومینیم اضافی باعث افزایش مقدار سیلیسیم و در نتیجه افزایش مقدار ترکیب بین‌فلزی Mo2Ni3Si در محصولات نهایی شده است، به طوری که در نمونه آلومینیم اضافی به مقدار 2/1 برابر مقدار استوکیومتری فاز پرویوتکتیک Mo2Ni3Si با مورفولوژی گلبرگی شکل تشکیل شده است. علیرغم اینکه در نمونه آلومینوترمی به دلیل عدم وجود سیلیسیم ترکیبات بین‌فلزی مانند Mo2Ni3Si تشکیل نشده است، اما جدابش بسیار شدید مولیبدن و تجمع آن در مرز دندریت‌ها منجر به تشکیل یک شبکه پیوسته شبه دوفازی در این نمونه شده است. | |
کلید واژگان: سنتز خود احتراقی سوپر آلیاژ Ni-Cr-Mo مایکروویو آلومینو- سیلیکوترمی |
|
Investigation on the Effect of Reducing Agent Type on the Synthesis Behavior and Microstructure of
Ni-Cr-Mo Alloy Synthesized By Microwave-Assisted Combustion Synthesize
Mosafa Tahari 1, Jalil Vahdati Khaki 2, Mostafa Mirjalili 3*
1- PhD. Student, Department of Materials and Metallurgical Engineering, Ferdowsi University, Mashhad, Iran.
2- Professor, Department of Materials and Metallurgical Engineering, Ferdowsi University, Mashhad, Iran.
3- Assistant Professor, Department of Materials and Metallurgical Engineering, Ferdowsi University, Mashhad, Iran.
* mirjalili@um.ac.ir
Abstract |
| Article Information |
This research investigated the effect of reducing agent type on the synthesis behavior and microstructure of Ni-Cr-Mo alloy, which was synthesized by microwave-assisted self-propagation high-temperature. For this purpose, powder mixtures with the same amount of NiO, MoO3 & Cr2O3 as precursors and different ratios of aluminum to silicon as reductants were prepared. The mixtures were homogenized, compacted to a 20 mm diameter disk & synthesized by a microwave oven. Results show that althugh the adiabatic temperature in the silico-thermic sample exceeded the merzhanov criteria, the synthesizing did not occur due to Si high-temperature melting point. The maximum recovery efficiency of Ni and Mo was observed in the Al50 with 92% and 96%, respectively. But, the recovery efficiency of Cr in this sample was 36%, which is very low. Using excess Al in 1.1 and 1.2 times more than the stoichiometric ratio in the Al50ex1.1 and Al50ex1.2 leads to the recovery efficiency of Cr rising 25% and reaching 45%. The presence of residual Si in the produced alloys caused to formation Mo2Ni3Si phase, which is a Mo and Si reach the compound. Microstructural investigation shows residual Si content & Mo2Ni3Si phase percent were increased by adding excess Al in the initial mixtures. Also, the Mo2Ni3Si proeutectic phase has petaloid morphology. Although the Mo2Ni3Si phase is not formed in the Al100 sample, the severe segregation of Mo led to a continuous network of semi-dual phases in the dendrite boundary. | Original Research Paper Doi: | |
| Keywords: Self-Propagation Synthesis Superalloy Ni-Cr-Mo Microwave Alumino-Silico-Thermic |
1- مقدمه
امروزه آلیاژهای پایه نیکل به دلیل خواص مناسب شیمیایی و مکانیکی خود، از جمله مقاومت به خوردگی در محیط‌های خشن، مقاومت به اکسیداسیون و استحکام در دمای بالای کاربرد زیادی در صنایع یافته‌اند. این‌گونه خواص عالی برای این آلیاژها به عناصر آلیاژی بکار رفته در آنها نسبت داده شده است [2-1]. با افزودن مقادیر کافی از عناصری مانند کروم (Cr)، مولیبدن (Mo)، تنگستن (W)، سیلیسیم (Si) و آلومینیم (Al) مقاومت به خوردگی این آلیاژها در هر دو محیط اسیدهای احیایی و اکسیدی و همچنین مقاومت به انواع خوردگی موضعی افزایش می‌یابد [3]. در آلیاژهای غنی از کروم، کروم با تشکیل یک لایه نازک از Cr2O3 آلیاژ را پسیو می‌نماید [4]. مولیبدن و تنگستن با تشکیل فیلم اکسیدی در شیارها و حفرات از خوردگی حفره‌ای و شیاری جلوگیری می‌کنند [5]. آلیاژهای سه‌تایی Ni-Cr-Mo از مشهورترین آلیاژهای پایه نیکل هستند که برای کاربرد در محیط‌های خشن، گسترش زیادی یافته‌اند. ترکیب شیمیایی این آلیاژها معمولاً حاوی 23-16 درصد وزنی کروم و 18-13 درصد وزنی مولیبدن هستند [6].
سنتز احتراقی، یک روش تولید مواد غیر ارگانیک از واکنش‌های احتراقی گرمازا است. برای انجام فرآیند سنتز احتراقی واکنش‌های متنوعی وجود دارد که یکی از مهم‌ترین آنها، احیای اکسید فلزات توسط یک عنصر فعال دیگر مانند آلومینیم، منیزیم و سیلسیم است. یکی از انواع فرآیندهای سنتز احتراقی، فرآیند سنتز دمای بالای خود پیشرونده (1SHS) است که در آن حرارت ناشی از واکنش به‌اندازه‌ای است که باعث پیشروی خود به خودی واکنش می‌شود [7]. وجود گرمای حاصل از واکنش شیمیایی و تجهیزات ساده باعث شده است که از این روش به‌طور گسترده برای تولید مواد مختلف با کمترین هزینه استفاده شود[8]. محققان تاکنون با استفاده از سنتز خود احتراقی، آلیاژهای پایه فلزی متعددی را سنتز کرده‌اند. کایا و همکارانش2 [9] با استفاده از اکسیدهای فلزی به عنوان پیش‌ماده و Al به عنوان احیاکننده، با استفاده از روش سنتز خوداحتراقی، آلیاژ آنتروپی بالای AlCoCrFeNi را سنتر نمودند. آنها نشان دادند با استفاده از روش سنتز خوداحتراقی و مواد اولیه اکسیدی می‌توان آلیاژهای انتروپی بالا با ساختارهای بلوری متفاوت را سنتز نمود. فیض‌آبادی و همکارانش3 [10] با استفاده از روش سنتز خوداحتراقی به کمک مایکروویو فولاد زنگ نزن 304 را سنتز نمودند. آنها نشان دادند با استفاده از آلومینیم به عنوان احیاکننده، اکسیدهای آهن، نیکل و کروم با راندمان مناسبی بازیابی می‌شوند. نتایج آنها نشان داد وجود ذرات پراکنده Al2O3 در زمینه آلیاژ سنتز شده باعث می‌شود مقاومت به سایش آنها به مقدار قابل‌توجهی افزایش یابد.
علیرغم مطالعات زیاد صورت گرفته بر روی تولید آلیاژهای مختلف صنعتی از جمله آلیاژهای مقاوم در محیط‌های خورنده با استفاده از روش SHS، تاکنون پژوهشی بر روی سنتز آلیاژهای Ni-Cr-Mo با استفاده از این روش انجام نشده است. به همین دلیل در این پژوهش سعی بر این است تا سنتز این دسته از آلیاژها با استفاده از روش آلومینو-سیلیکوترمی مورد بررسی قرار گیرد و اثر افزودن آلومینیم و سیلیسیم بر احیای عناصر سازنده آلیاژ و ریزساختار محصول به‌دست‌آمده مطالعه شود. به همین منظور ابتدا جنبه‌های ترمودینامیکی واکنش سنتز با استفاده از نرم‌افزار فکت سیج مورد مطالعه قرار گرفت، سپس رفتار سنتز آلیاژ و ریزساختار محصولات نهایی سنتز شده با استفاده از احیاکننده‌های مختلف بررسی گردید.
2- مواد و روش تحقیق
پودرهای تجاری NiO (99%)، Cr2O3 (99.8%)، MoO3 (98%)، Al (99.5%) و Si (90%) شماره کارت‌های به ترتیب JCPDS-01-075-0197، JCPDS-00-037-1479، JCPDS-00-035-0609، JCPDS-00-001-1180 و JCPDS-01-077-2109 به عنوان مواد اولیه برای سنتز آلیاژ Ni-Cr-Mo با روش سنتز خوداحتراقی استفاده شدند. الگوی پراش اشعه ایکس مربوط به مواد اولیه در شکل (1) آورده شده است. در این پژوهش سنتز آلیاژ در سه حالت آلومینوترمی، سیلیکوترمی و آلومینوسیلیکوترمی مورد بررسی قرار گرفت. نسبت احیاکننده‌ها در نمونه آلومینو-سیلیکوترمی به‌گونه‌ای انتخاب شد که سهم احیای ترکیبات اکسیدی توسط سیلیسیم و آلومینیم برابر باشد. همچنین اثر اضافه کردن آلومینیم مازاد بر مقدار استوکیومتری، بر احیا شوندگی ترکیبات اکسیدی و ریزساختار محصولات با اضافه کردن آلومینیم به مقدار 10% و 20% وزنی بیشتر از مقدار استوکیومتری، مورد بررسی قرار گرفت. نسبت مخلوط‌های پودری اولیه و کدگذاری نمونه‌ها در جدول (1) آورده شده است. نسبت اکسیدهای فلزی در مواد اولیه به‌گونه‌ای تنظیم شده است که اگر تمامی اکسیدها به صورت کامل احیا شوند، محصول نهایی باید به ترتیب حاوی 59، 23 و 18 درصد وزنی نیکل، کروم و مولیبدن باشد. قبل از فرایند سنتز احتراقی، به‌منظور فعال‌سازی مخلوط‌های پودری، توسط آسیای مکانیکی سیاره‌ای به مدت 30 دقیقه در یک ظرف فولادی با حجم 250 سی‌سی با سرعت 250 دور بر دقیقه و نسبت گلوله به پودر 10 به 1 با استفاده از گلوله‌های فولاد پرکروم با قطر 12 و 8 میلیمتر آسیا شدند. پودرهای آسیا‌کاری شده باید به قرص‌های فشرده تبدیل شوند. بدین منظور مقدار 5/3 گرم از مخلوط پودری پس از توزین، با استفاده از پرس هیدرولیک، در قالب فولادی تحت فشار MPa200 قرار گرفته و پس از نگهداری به مدت 20 ثانیه به قرص فشرده تبدیل شد.
شکل (1): الگوی پراش اشعه ایکس مربوط به: الف) NiO، ب) Cr2O3، پ) MoO3، ت) Al و ث) Si.
جدول (1): ترکیب شیمیایی مخلوط‌های پودر اولیه با نسبت‌های مختلف احیاکننده.
Si(mol) | Al(mol) | MoO3(mol) | Cr2O3(mol) | NiO(mol) | درصد احیا توسط آلومینیم | نام نمونه |
11/1 | صفر | 187/0 | 22/0 | 1 | صفر | Si100 |
55/0 | 74/0 | 187/0 | 22/0 | 1 | 50 | Al-50 |
55/0 | 81/0 | 187/0 | 22/0 | 1 | 50 | Al50ex1.1 |
55/0 | 89/0 | 187/0 | 22/0 | 1 | 50 | Al50ex1.2 |
صفر | 48/1 | 187/0 | 22/0 | 1 | 100 | Al-100 |
جهت انجام فرایند سنتز احتراقی از دستگاه مایکروویو با توان 1200 وات استفاده شد. فرایند در دمای اتاق و تحت فشار محیط انجام شد. به‌منظور جلوگیری از پیش‌گرمایش نمونه‌ها که احتمالاً منجر به اکسیداسیون احیاکننده‌ها توسط اکسیژن موجود در اتمسفر محیط می‌شود، از یک تکه سیم فولادی به عنوان محرک جرقه‌زنی استفاده شد تا پیش از گرم شدن نمونه توسط امواج مایکروویو، جرقه‌ی ایجاد شده بر سطح نمونه، باعث اشتعال نمونه و شروع فرایند سنتز شود. تکه سیم به‌گونه‌ای بر سطح نمونه قرار گرفت که نوک سیم و محل ایجاد جرقه در مرکز قرص فشرده باشد. در این حالت جبهه احتراق از مرکز نمونه به سمت خارج آن می‌باشد. به‌منظور محاسبه بازدهی احیای عناصر، همه نمونه‌ها قبل و بعد از سنتز و بعد از جداسازی فلز تولید شده از سرباره، با ترازوی دیجیتال با دقت 1/0 میلی‌گرم توزین شدند.
به‌منظور بررسی ترکیب شیمیایی محصولات سنتز شده از طیف‌سنج پلاسمای جفت شده القایی مدل
ICP-OES -Spectro Arcos- 76004555 plasma استفاده شد. بررسی فازی نمونه‌های سنتز شده با استفاده از آنالیز پراش اشعه ایکس و با کمک دستگاه مدل PC1800 با پرتو λ =0.15406nm) Cu kα) تحت ولتاژ kV 40 و جريان mA30 مورد مطالعه قرار گرفت. برای بررسی‌های ریزساختاری از میکروسکوپ نوری مدل Olympus-BX60M و میکروسکوپ الکترونی روبشی مدل SEM-LEO-1450VP مجهز به دستگاه طیف‌سنجی ﭘﺮاﮐﻨﺪﮔﯽ اﻧﺮژی (EDS) استفاده شد. به‌منظور حکاکی نمونه‌ها نیز از محلول کالینگ 2 استفاده شد.
3- نتایج و بحث
بر طبق معیار مرزانف [12-11]، یک واکنش فقط وقتی می‌تواند در حالت خود پیشرونده انجام شود که دمای آدیاباتیک آن بالای K1800 باشد که به این فرایند‌ها سنتز دما بالای خود پیشرونده گفته می‌شود. در حقیقت Tad=1800K مرز بین پایداری یا عدم پایداری یک واکنش گرمازا است [13]. بر این اساس، قبل از انجام آزمون‌های تجربی باید انجام‌پذیر بودن واکنش‌ها، به صورت تئوری مورد بررسی قرار گیرد. به‌منظور بررسی دمای آدیاباتیک مخلوط‌های پودری و خود پیشرونده بودن واکنش‌های سنتز، از نرم‌افزار ترمودینامیکی FactsageTM6.1 استفاده شد. دمای آدیاباتیک محاسبه شده با این نرم‌افزار در جدول (2) آورده شده است.
جدول (2): دمای آدیاباتیک و شدت واکنش سنتز احتراقی در نمونه‌های مختلف.
کد نمونه | دمای آدیاباتیک (کلوین) | شدت واکنش |
Si100 | 2695 | انجام نشد |
Al50 | 2945 | متوسط |
Al50ex1.1 | 2945 | نسبتاً شدید |
Al50ex1.2 | 2945 | شدید |
Al100 | 2945 | خیلی شدید |
همان‌طور که مشاهده می‌شود، در غیاب آلومینیم به عنوان عامل احیاکننده (واکنش سیلیکوترمی)، دمای آدیاباتیک برابر K2695 می‌باشد. مشاهده می‌شود با افزودن آلومینیم به مخلوط‌های پودری، دمای آدیاباتیک نیز افزایش می‌یابد. دلیل این امر بالاتر بودن گرمای تشکیل اکسید آلومینیم نسبت به اکسید سیلیسیم است. مقدار گرمای تشکیل استاندارد برای اکسید آلومینیم و اکسید سیلیسیم به ازای مصرف یک مول اکسیژن به ترتیب برابر 
و 
می‌باشد. با توجه به اینکه در تمامی مخلوط‌های پودری دمای آدیاباتیک بالاتر از معیار مرزانف (Tad=1800K) است، پیش‌بینی می‌شود که تمامی مخلوط‌های پودری در سه حالت سیلیکوترمیک، آلومینو-سیلیکو ترمیک و آلومینوترمیک به صورت خودپیشرونده انجام شوند و در حین انجام سنتز واکنش پایدار باشد. علت یکسان بودن دمای آدیاباتیک چهار نمونه Al50، Al50ex1.1، Al50ex1.2 و Al100 رسیدن به دمای تبخیر کروم (2945 کلوین) و گرمای نهان تبخیر آن می‌باشد. در واقع انتالپی تبخیر کروم به قدری بالاست (350 کیلوژول بر مول) که قسمت عمده گرمای واکنش صرف تبخیر کروم می‌شود و از افزایش بیشتر دمای آدیاباتیک جلوگیری کرده است. محققین معتقدند در آزمایشهای عملی رسیدن به این دما باعث می‌شود اتلاف کروم نیز به‌شدت افزایش یابد [9]. همان‌طور که مشاهده می‌شود علیرغم اینکه دمای آدیاباتک نمونه Si100 بالاتر از معیار مرزانف است، اما واکنش سنتز خوداحتراقی در این نمونه انجام نشده است. بر طبق معیار هال و دازنبرگ4 [14] برای اینکه یک واکنش بتواند به صورت خودپیشرونده انجام شود باید گرمای ویژه واکنش در محدوده kcal kg-1 1000-600 باشد. به همین منظور برای تمامی نمونه‌ها مقدار گرمای ویژه واکنش محاسبه شده و در جدول (3) آورده شده است. همان‌طور که مشاهده می‌شود تمامی نمونه‌ها به‌جز نمونه Si100 دارای گرمای ویژه بالای kcal kg-1600 می‌باشند که همین امر می‌تواند یکی از دلایل اصلی عدم انجام واکنش در این نمونه باشد.
جدول (3): گرمای ویژه محاسبه شده برای واکنش سنتز احتراقی در نمونه‌های مختلف.
کد نمونه | گرمای ویژه (kcal kg-1) |
Si100 | 550 |
Al50 | 701 |
Al50ex1.1 | 710 |
Al50ex1.2 | 718 |
Al100 | 845 |
از طرف دیگر ژو و همکاران5 [15] که بر روی احیای اکسید مولیبدن با استفاده از روش‌های آلومینوترمی و سیلیکوترمی تحقیقاتی انجام دادند، نشان دادند که احیای MoO3 توسط سیلیسیم، در دمای کمتر از °C1200 اتفاق نمی‌افتد. آنها معتقدند در شرایطی که سیلیسیم در حالت جامد قرار دارد، سرعت واکنش احیا بسیار پایین می‌باشد. این امر نیز می‌تواند یکی دیگر از دلایل عدم انجام واکنش در این نمونه باشد. در واقع به دلیل استفاده از امواج مایکروویو به عنوان منبع حرارتی، دمای ذرات پودر به دمای ذوب سیلیسیم نرسیده و واکنش سنتز در نمونه سیلیکوترمی انجام نشده است. از طرف دیگر مشاهده می‌شود که شدت واکنش‌ها با افزودن آلومینیم بیشتر شده است به‌گونه‌ای که در نمونه Al100 واکنش با شدت بسیار زیادی انجام شد و در سه نمونه Al50ex1.1، Al50ex1.2 و Al100 مقداری پاشش مذاب ملاحظه شد. با توجه به جدول 3 مشخص است که مقدار بسیار زیاد گرمای واکنش در نمونه Al100 می‌تواند از مهم‌ترین دلایل پاشش مذاب قابل‌ملاحظه در این نمونه باشد.
جدول (4) ترکیب شیمیایی محصولات سنتز شده را نشان می‌دهد. همان‌طور که قبلاً ذکر شد نسبت اکسیدهای فلزی در مواد اولیه به‌گونه‌ای تنظیم شده است که اگر تمامی اکسیدها به صورت کامل احیا شوند، محصول نهایی باید به ترتیب حاوی 59، 23 و 18 درصد وزنی نیکل، کروم و مولیبدن باشد. مشاهده می‌شود مقدار نیکل و مولیبدن در ترکیب شیمیایی تمامی نمونه‌ها بیشتر از مقدار برآورد شده می‌باشد که احتمالاً یکسان نبودن بازدهی بازیابی عناصر، منجر به تغییر در ترکیب شیمیایی آلیاژ شده است.
جدول (4): ترکیب شیمیایی نمونه‌های سنتز شده (درصد وزنی).
کد نمونه | Ni | Cr | Mo | Si | Al |
Al-0 | - | - | - | - | - |
Al-50 | 1/66 | 4/9 | 1/21 | 7/2 | 7/0 |
Al50ex1.1 | 2/64 | 1/10 | 9/20 | 9/3 | 9/0 |
Al50ex1.2 | 7/59 | 4/11 | 7/18 | 5/8 | 9/1 |
Al-100 | 7/63 | 1/15 | 2/20 | 0 | 95/0 |
از طرف دیگر مشاهده می‌شود در تمامی نمونه‌ها به‌جز نمونه Al-100 مقدار قابل‌توجهی سیلیسیم وجود دارد. این امر نشان می‌دهد بخشی از سیلیسیم در نظر گرفته شده برای احیای ترکیبات اکسیدی، به جای شرکت در واکنش‌های احیا، وارد ترکیب آلیاژهای سنتز شده، شده است. در پژوهش‌های تقریباً مشابهی که توسط دیگر محققین در خصوص سنتز فولاد زنگ نزن و آلیاژهای پایه تنگستن با روش سیلیکو-کربوترمی و سیلیکوترمی صورت گرفته است نیز باقی ماندن مقدار قابل‌توجهی سیلیسیم در محصول نهایی سنتز شده، گزارش شده است[14 و 16]. در مقابل مشاهده می‌شود که مقادیر آلومینیم باقیمانده در آلیاژهای سنتز شده، بسیار ناچیز می‌باشد. مقدار کم آلومینیم در محصولات سنتز شده نشان می‌دهد، به دلیل واکنش‌پذیری بالای آلومینیم، این عنصر به صورت کامل با ترکیبات اکسیدی موجود در مواد اولیه واکنش داده و به صورت اکسیدهای آلومینیم وارد سرباره شده است. اما همان‌طور که قبلاً توضیح داده شد، برای سیلیسیم، شرایط ترمودینامیکی یا سینتیکی به‌گونه‌ای مهیا نبوده است که بتواند به صورت کامل وارد واکنش با ترکیبات اکسیدی شود. در نتیجه مقداری از سیلیسیم باقیمانده، وارد محصول نهایی شده است. در واقع با توجه به دیاگرام الینگهام [17]، نیرومحرکه ترمودینامیکی کمتر برای احیای ترکیبات اکسیدی توسط سیلیسیم نسبت به آلومینیم از یک طرف و واکنش‌پذیری پایین سیلیسیم در دمای پایین باعث می‌شود که مقداری از سیلیسیم به صورت واکنش نداده باقی بماند [18]. به‌منظور مقایسه میزان احیای ترکیبات اکسیدی مختلف در شرایط سنتز متفاوت، بازدهی بازیابی عناصر در نمونه‌های مختلف محاسبه و در شکل (2) آورده شده است. میزان بازدهی عناصر نسبت مقدار هر عنصر در محصول نهایی به مقدار این عنصر در مخلوط پودری اولیه در نظر گرفته شد. همان‌طور که مشاهده می‌شود در بین سه ترکیب اکسیدی، مولیبدن و نیکل برخلاف کروم با بازدهی مناسبی احیا شده‌اند. مقایسه خطوط مربوط به این ترکیبات اکسیدی در دیاگرام الینگهام با اکسیدهای آلومینیم و سیلیسیم نشان می‌دهد که تغییرات انرژی آزاد احیای نیکل و مولیبدن توسط آلومینیم و سیلیسیم به‌اندازه قابل‌ملاحظه‌ای نسبت به تغییرات انرژی آزاد احیای اکسید کروم توسط این دو عنصر منفی‌تر می‌باشد. همین امر باعث می‌شود که این دو عنصر با بازدهی بالایی احیا شوند. اما در مقابل مشاهده می‌شود فاصله بین خطوط مربوط به اکسید کروم با سیلیسیم بسیار کم است که بیانگر نیرومحرکه ترمودینامیکی پایین این واکنش است. همین امر باعث می‌شود که سیلیسیم نتواند نقش مهمی در احیای اکسید کروم ایفا نماید که منجر به کاهش بازدهی این عنصر شده است. جزئیات بیشتر در خصوص جنبه‌های ترمودینامیکی، سینتیکی و مکانیزم واکنش‌های احیا در مقاله دیگری که توسط نویسندگان منتشر شده، آورده شده است [18]. با توجه به شکل (2) مشاهده می‌شود در سه نمونه آلومینو-سیلیکوترمی با افزایش مقدار آلومینیم تغییرات قابل‌ملاحظه‌ای در بازدهی بازیابی نیکل و مولیبدن مشاهده نمی‌شود.
شکل (2): بازدهی بازیابی عناصر مختلف و بازدهی کل در فرایند سنتز احتراقی.
دلیل این امر را می‌توان در بالا بودن درجه احیای این دو عنصر در این واکنش دانست که باعث می‌شود میزان اکسید مولیبدن و اکسید نیکل باقیمانده در سرباره به‌شدت پایین باشد. این امر منجر به کم شدن اکتیویته مولیبدن و نیکل در سرباره و کاهش واکنش‌پذیری آنها می‌شود. بر اساس رابطه ترمودینامیکی انرژی آزاد در محلول‌ها داریم:
(1) |
|
شکل (4): تصاویر میکروسکوپ نوری از نمونه‌های: الف) Al50، ب) Al50ex1.1، پ) Al50ex1.2 و ت) Al100 پس از سنتز خود احتراقی.
با توجه به تصاویر متالوگرافی و نتایج حاصل از آزمون پراش اشعه ایکس و مقایسه آن با نتایج دیگر محققین [30 و 32] می‌توان گفت که فاز دندریتی، فاز پرویوتکتیک Niγ-FCC می‌باشد که فاز اصلی در آلیاژهای مورد بررسی است. مشاهده می‌شود در این نمونه‌ها، این فاز دندریتی توسط یک ساختار یوتکتیکی بین دندریتی احاطه شده است که محققین معتقدند این ساختار یوتکتیکی متشکل از دو فاز Niγ-FCC+Mo2Ni3Si می‌باشد [26]. مقایسه دو شکل (4-الف) و (4-ب) نشان می‌دهد که نمونه Al50ex1.1 نسبت به نمونه Al50 مقدار فاز یوتکتیک بیشتری دارد که با نتایج آزمون پراش اشعه ایکس در تطابق است. این امر به دلیل سیلیسیم بالاتر این نمونه می‌باشد که باعث شده است ترکیب شیمیایی آلیاژ سنتز شده به نقطه یوتکتیک نزدیک‌تر باشد. انجام آزمون ریزسختی سنجی ویکرز در بار 25 گرم بر روی فازهای مشاهده شده در نمونه Al-50 نشان داد که سختی فاز سفید رنگ برابر 8±219 و سختی ساختار یوتکتیکی برابر 11±405 است. با در نظر گرفتن این دو عدد سختی در کنار دیگر نتایج ذکر شده با اطمینان بیشتری می‌توان گفت که این فاز سفید رنگ، فاز پرویوتکتیک Niγ-FCC است که سختی کمتری دارد و ساختار یوتکتیک که سختی بیشتری دارد ساختاری دوفازی از Niγ-FCC+Mo2Ni3Si است که به دلیل دارا بودن مقدار زیادی فاز بین‌فلزی Mo2Ni3Si که سختی در حدود HV1100 دارد [33]، سختی بیشتری را از خود نشان داده است.
شکل (4-پ) تصویر به‌دست‌آمده از میکروسکوپ نوری برای نمونه Al50ex1.2 را نشان می‌دهد. همان‌طور که مشاهده می‌شود، علیرغم اینکه نتایج آزمون پراش اشعه ایکس در این نمونه نیز مشابه با دو نمونه Al50 و Al50ex1.1 می‌باشد، اما ریزساختار این نمونه با دو نمونه دیگر تفاوت اساسی دارد. در این نمونه سه فاز با مورفولوژی‌های متفاوت دیده می‌شود. یک فاز با مورفولوژی گلبرگی9 که قسمت زیادی از نمونه را تشکیل داده است و به صورت ناپیوسته در نمونه پراکنده شده است. محققین با بررسی ریزساختارهای مشابه با این نمونه در آلیاژهای Ni-Mo-Si، حاوی مقادیر بیشتر از 13 و 16 درصد اتمی سیلیسیم و مولیبدن، نشان دادند این مورفولوژی مربوط به فاز اولیه یا همان فاز پرویوتکتیک Mo2Ni3Si است [32-30]. بررسی تصاویر متالوگرافی مربوط به نمونه Al50ex1.2 نشان می‌دهد که فاز گلبرگی شکلی که در بالا مورد بحث قرار گرفت توسط یک فاز سفید رنگ پیوسته احاطه شده است. و حتی در برخی قسمت‌ها این دو فاز به صورت لایه‌ای، مشابه با ساختار یوتکتیک در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. زو و همکارانش10 [32] در بررسی آلیاژهای Ni-Mo-Si که ترکیب شیمیایی نزدیک به این نمونه دارند، نشان دادند که این فاز لایه‌ای در واقع همان ساختار حاصل از واکنش یوتکتیک است که در آن فازهای Niγ-FCC و Mo2Ni3Si به صورت لایه لایه در کنار هم قرار گرفته‌اند. ایشان معتقدند لایه‌های Mo2Ni3Si که در حین واکنش یوتکتیک تشکیل شده‌اند، تمایل دارند که به فاز پرویوتکتیک Mo2Ni3Si بپیوندند و از حالت لایه‌ای خارج شوند. دلیل این امر می‌تواند تمایل به کاهش انرژی فصل مشترک این فاز در ریزساختار یوتکتیک باشد. به هم پیوستن فاز Mo2Ni3Si در ساختار یوتکتیک و تشکیل گلبرگ‌های درشت‌تر، باعث می‌شود که به جای ساختار یوتکتیک، فازNiγ-FCC فاز پیوسته در این نمونه باشد. به‌منظور بررسی بیشتر فاز گلبرگی شکل تشکیل شده، آزمون ریزسختی سنجی ویکرز در بار 25 گرم بر روی این فاز انجام شد. نتایج نشان داد سختی این فاز برابر 12±802 ویکرز است که در مقایسه با سختی فاز اولیه تشکیل شده در نمونه Al-50 که برابر 8±219 است، بسیار بیشتر می‌باشد که نشان می‌دهد فاز اولیه تشکیل شده در این دو نمونه کاملاً متفاوت هستند. با توجه به‌سختی بالای فاز گلبرگی شکل و بررسی فازهای قابل تشکیل در این سیستم آلیاژی و مقایسه آن با نتایج آزمون پراش اشعه ایکس می‌توان با اطمینان بیشتری گفت که این فاز گلبرگی شکل، همان فاز بین‌فلزی Mo2Ni3Si است که در پژوهش‌های دیگر محققین نیز به آن اشاره شده است[32-30]. همان‌طور که در شکل(4-پ) مشاهده می‌شود برخلاف دو نمونه دیگر، در نواحی بین دندریتی یک فاز پیوسته با ریزساختاری شبه یوتکتیکی وجود دارد که علیرغم مقدار بسیار کم به صورت پیوسته در مرز دندریت‌ها توزیع شده است. با مقایسه الگوهای پراش اشعه ایکس با تصاویر میکروسکوپ نوری می‌توان گفت احتمالاً این ریزساختار شامل ترکیباتی می‌باشد که پیک ناشناس ذکر شده در بالا مربوط به آن می‌باشد که در ادامه مورد بررسی قرار می‌گیرد. ریزساختار شکل (4-ت) که مربوط به نمونه آلومینوترمی می‌باشد، نشان می‌دهد که عدم وجود سیلیسیم در ترکیب شیمیایی این آلیاژ باعث شده است که ساختار کاملاً تک فاز باشد و ترکیبات بین‌فلزی که در نمونه‌های دیگر وجود داشت در این نمونه تشکیل نشود و فقط یک ساختار دندریتی که ناشی از انجماد مذاب می‌باشد در آن وجود دارد که در تطابق با نتایج آزمون پراش اشعه ایکس می‌باشد.
به‌منظور بررسی دقیق‌تر ریزساختار نمونه‌های سنتز شده، از سطح مقطع آنها تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی به دست آمد که در شکل (5) نشان داده شده است.
شکل (5): تصاویر میکروسکوپ الکترونی از نمونه‌های: الف) Al50، ب) Al50ex1.1، پ) Al50ex1.2 و ت) Al100 پس از سنتز خود احتراقی.
همان‌طور که مشاهده می‌شود سه نمونه آلومینو-سیلیکوترمی دارای ساختاری دوفازی با رنگ‌های متفاوت هستند و در مقابل نمونه Al100 دارای ساختاری تک فاز می‌باشد. در نمونه‌های Al50 و Al50ex1.1 مشابه با تصاویر متالوگرافی ریزساختار کاملاً مشابه می‌باشد. ازآنجاکه تصاویر با استفاده از آشکارگر الکترون برگشتی تهیه شده است، نواحی تیره رنگ در واقع می‌تواند فاز محلول جامد Niγ-FCC باشد و فاز روشن احتمالاً ترکیب بین‌فلزی Mo2Ni3Si است که به دلیل اینکه حاوی مقدار بسیار زیادی مولیبدن می‌باشد، به صورت روشن‌تر ظاهر شده است. با بررسی تصاویر این دو نمونه مشخص است که این دو فاز در برخی نواحی به صورت لایه‌ای در کنار هم قرار گرفته‌اند که بیانگر وجود یک ساختار یوتکتیکی می‌باشد؛ اما در مقابل در نمونه Al50ex1.2 همان‌طور که در تصاویر میکروسکوپ نوری هم نشان داده شد مورفولوژی فاز Mo2Ni3Si کاملاً متفاوت می‌باشد و به صورت گلبرگی شکل به صورت یکنواخت در تمام زمینه توزیع شده است. وجود مقادیر زیاد سیلیسیم باقیمانده از فرایند احیا باعث شده است که بخش زیادی از آلیاژ سنتز شده را فاز Mo2Ni3Si تشکیل دهد. در این نمونه برخلاف دو نمونه قبلی یک ناحیه سیاه رنگ نیز در بین نواحی خاکستری دیده می‌شود. با توجه به اینکه تصاویر با استفاده از آشکار الکترون برگشتی تهیه شده است، انتظار می‌رود این نواحی دارای عناصر سنگین کمتری باشد که نیاز به بررسی بیشتری دارد. بررسی تصویر مربوط به نمونه Al100 نشان می‌دهد که این نمونه علیرغم تک فاز بودن دارای دو ناحیه با درخشش متفاوت می‌باشد. یک شبکه پیوسته با رنگ روشن‌تر در ساختار دیده می‌شود که دارای مرز مشخصی با نواحی تیره رنگ تصویر نمی‌باشد. به همین دلیل نمی‌توان آن را به عنوان یک فاز مجزا در نظر گرفت و فقط تفاوت در غلظت عناصر آلیاژی منجر به ایجاد این ساختارها شده است. تشکیل این ساختارهای دندریتی در آلیاژهای تک فاز عمدتاً به جدایش عناصر آلیاژی ارتباط داده شده است. پس زدن عناصر آلیاژی در این آلیاژها باعث ایجاد تحت انجماد ترکیبی در جلوی جبهه انجماد می‌شود که این امر باعث ایجاد ساختار دندریتی در این آلیاژها می‌شود [34]. با هدف شناخت بهتر فازها و نواحی متفاوت تشکیل شده در نمونه‌های سنتز شده، آنالیز شیمیایی نقطه‌ای EDS بر روی فازهای مشاهده شده انجام شد که در شکل (6) آورده شده است.
شکل (6): آزمون آنالیز شیمیایی نقطه‌ای EDS بر روی فازهای مشاهده شده در نمونه‌های: الف) Al50، ب) Al50ex1.2 و ج) Al100.
بررسی آنالیز شیمیایی نقاط (1) و (2) در شکل‌های (6-الف) و (6-ب) نشان می‌دهد نشان می‌دهد که فاز تیره رنگ به‌طور قابل‌ملاحظه‌ای غنی از نیکل و کروم و فاز روشن غنی از مولیبدن و سیلیسیم می‌باشند. همان‌طور که قبلاً در بررسی الگوهای پراش اشعه ایکس گفته شد، فاز Niγ-FCC در واقع یک محلول جامد از کروم، مولیبدن، سیلیسیم و آلومینیم در نیکل است که در اینجا مقدار زیادی از مولیبدن و سیلیسیم محلول در آن، به دلیل تشکیل فاز غنی از مولیبدن Mo2Ni3Si از حالت محلول جامد خارج شده‌اند. از طرف دیگر فاز Mo2Ni3Si نیز که در اثر جدایش مولیبدن و سیلیسیم تشکیل می‌شود، غلظت بالایی از این عناصر را دارد. به دلیل نسبت وزنی بالای مولیبدن در این فاز و جرم اتمی بالای این عنصر نسبت به نیکل، انتظار می‌رود که این فاز در تصاویر حاصل از آشکارگر BSE به صورت روشن‌تر ظاهر شوند که با نتایج حاصل از آنالیز نقطه‌ای و تصاویر ریزساختاری به‌دست‌آمده در تطابق است. شکل (7-الف) نقشه اشعه ایکس مربوط به نمونه Al50ex1.2 را نشان می‌دهد. در این شکل توزیع عناصر آلیاژی در فازهای مختلف موجود در این نمونه به‌خوبی مشخص است. همان‌طور که قبلاً نیز نشان داده شد، فاز سفیدرنگ که مربوط به ترکیب بین‌فلزی Mo2Ni3Si است غنی از مولیبدن و سیلیسیم می‌باشد. از طرف دیگر مشاهده می‌شود که فاز زمینه که محلول جامد Niγ-FCC است غلظت بالاتری از کروم را در خود جای داده است.
شکل (7): نقشه اشعه ایکس و توزیع عناصر در فازهای مختلف مربوط به نمونه‌های: الف) Al50ex1.2 و ب) Al100.
مقایسه نتایج آزمون آنالیز نقطه‌ای بر روی نمونه Al100 که در شکل (6-پ) نشان داده شده است، مشاهده می‌شود که جدایش مولیبدن در حین انجماد باعث ایجاد این ریزساختار غیریکنواخت شده است. جدایش مولیبدن در نواحی مختلف در نقشه اشعه ایکس مربوط به این نمونه (6-ب) نیز به‌خوبی مشهود است. جدایش مولیبدن در نواحی مختلف در نقشه اشعه ایکس مربوط به این نمونه (6-ب) نیز به‌خوبی مشهود است. در پژوهشی که پریکان و همکارانش11 [35] بر روی جوشکاری آلیاژهای Ni-Cr-Mo انجام دادند، مشاهده شد در این آلیاژها مولیبدن برخلاف کروم تمایل زیادی به جدایش از خود نشان می‌دهد. این امر باعث می‌شود که در آلیاژهایی که انتظار تشکیل ساختار یوتکتیک وجود ندارد، این ریزساختار در فضای بین دندریتی به وجود آید.
به‌منظور بررسی کمی میزان جدایش عناصر در حین انجماد، پارامتری تحت عنوان k تعریف شده است که بیانگر نسبت غلظت عنصر در مرکز دندریت به غلظت عنصر در آلیاژ می‌باشد. جدول (5) مقادیر k برای سه عنصر Ni، Cr و Mo را نشان می‌دهد.
جدول (5): میزان ضریب جدایش برای عناصر نیکل، کروم و مولیبدن در نمونه Al-100.
عنصر | نیکل | کروم | مولیبدن |
مقدار k | 06/1 | 98/0 | 69/0 |
این عدد معیاری از میزان جدایش عناصر است. هر چقدر مقدار k به یک نزدیک باشد، بیانگر این امر است که میکروجدایش کمتری اتفاق افتاده است. مقادیر به‌دست‌آمده برای k نشان می‌دهد مولیبدن جدایش شدیدتری را نسبت به کروم از خود نشان داده است. بررسی دیاگرام فازی آلیاژهای سه‌تایی Ni-Cr-Mo نشان می‌دهد به دلیل انحلال کمتر مولیبدن نسبت به کروم در نیکل، در مسیر انجماد و سرمایش تا دمای محیط، جدایش بیشتر مولیبدن نسبت به کروم قابل‌انتظار است. از طرفی بررسی نمودار فازی دوتایی نیکل-مولیبدن و نیکل- کروم نشان می‌دهد که دامنه انجماد آلیاژهای نیکل-مولیبدن نسبت به نیکل-کروم بسیار بیشتر است که این امر نیز در جدایش بیشتر مولیبدن در حین انجماد مؤثر می‌باشد. سفالو و همکاران12 [36] با انجام شبیه‌سازی و آزمون‌های تجربی بر روی آلیاژهای Ni-Cr-Mo، با غلظت‌های متفاوت از Cr و Mo، نتایج مشابهی را گزارش کرده‌اند. در پژوهش صورت گرفته توسط این محققین، نشان داده شد که اختلاف غلظت Cr در مرکز دندریت‌ها و مرز دندریت‌ها در حد نوسانات جزئی می‌باشد، اما برخلاف آن، مولیبدن اختلاف غلظت زیادی را در مرکز و مرز دندریت‌ها از خود نشان داده است. دیال و همکارانش13 [37] نشان دادند که این‌گونه میکروجدایش‌ها که در حین انجماد در آلیاژهای تک فاز اتفاق می‌افتد، به دلیل اینکه جدایش در فواصل کوتاهی ایجاد می‌شود، با عملیات حرارتی آنیلینگ می‌تواند حذف شود.
4- نتیجه‌گیری
1- علیرغم اینکه دمای آدیاباتیک تمامی مخلوط‌های پودری بالاتر از معیار مرزانف است، در نمونه Si100 واکنش سنتز به صورت خود پیشرونده انجام نشد. واکنش‌پذیری پایین سیلیسیم در حالت جامد می‌تواند دلیل اصلی این پدیده باشد.
2- افزودن مقادیر 20% آلومینیم اضافی نسبت به مقدار استوکیومتری، باعث می‌شود بازدهی بازیابی کروم به 52% برسد، این در حالی است که تغییر چندانی در بازدهی بازیابی نیکل و مولیبدن به وجود نیامده است. از طرف دیگر وجود آلومینیم اضافی در مخلوط پودر اولیه باعث می‌شود مقدار سیلیسیم باقیمانده در محصول نهایی افزایش یابد.
3- بررسی ریزساختاری نشان داد وجود سیلیسیم باقیمانده در محصولات حاصل از سنتز احتراقی به روش آلومینو-سیلیکوترمی باعث می‌شود که مقدار قابل‌توجهی از فاز Mo2Ni3Si در زمینه Niγ-FCC تشکیل شود.
4- در آلیاژهای سنتز شده به روش آلومینوترمی، مولیبدن برخلاف کروم جدایش بسیار شدیدی را از خود نشان داده است که همین امر باعث ایجاد یک شبکه پیوسته از غنی از مولیبدن در ریزساختار می‌شود.
5- مراجع
[1] س. س. خلیفه سلطانی، ر. ابراهیمی کهریزسنگی و ف. نعیمی، "بررسی رفتار سینتیکی اکسیداسیون ایزوترم دمای بالای پوشش‌های MCrAlY اعمال شده به روش HVOF"، فرایندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 10، شماره 3، صفحه 80-67، 1395.
[2] ر. سحرخیز، ض. والفی، م. میرجانی و س. تقی‌رمضانی، "مقایسه ریزساختار و مقاومت به اکسیداسیون دما بالای پوشش‌های NiCrAlY ایجاد شده به روش پاشش پلاسمایی اتمسفری (APS) و پاشش پلاسمایی با غلاف جامد محافظ (SSPS)"، فرایندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 15، شماره 2، صفحه 82-65، 1400
[3] A. Mishra, "Corrosion Study of Base Material and Welds of a Ni–Cr–Mo–W Alloy", Acta Metall. Sin. English Lett. vol. 30, no. 4, pp. 326–332, Apr. 2017.
[4] J. R. Hayes, J. J. Gray, A. W. Szmodis & C. A. Orme, "Inhibiting Effects of Nitrates on the Passive Film Breakdown of Alloy 22 in Chloride Environment", Corrosion, vol. 62, pp. 491-499, 2006.
[5] A. K. Mishra & D. W. Shoesmith, "Effect of Alloying Elements on Crevice Corrosion Inhibition of Nickel-Chromium-MolybdenumTungsten Alloys Under Aggressive Conditions: An Electrochemical Study", Corrosion, vol. 70, pp. 721-731, 2014.
[6] P. Clook, "NACE International", Denver, Colorado, 1996, NACE-96412.
[7] J. H. Lee, S. K. Ko & C. W. Won, "Combustion characteristics of TiO2/Al/C system", Mater. Res. Bull, vol. 36, no. 7–8, pp. 1157–1167, 2001.
[8] G. Liu, J. Li & K. Chen, "Combustion synthesis of refractory and hard materials: A review", Int. J. Refract. Met. Hard Mater, vol. 39, pp. 90–102, 2013.
[9] F. Kaya, M. Yetiş, G. İ. Selimoğlu & B. Derin, "Influence of Co content on microstructure and hardness of AlCoxCrFeNi (0 ≤ x ≤ 1) high-entropy alloys produced by self-propagating high-temperature synthesis", Eng. Sci. Technol. an Int. J, vol. 27, 2022.
[10] J. Feizabadi, J. Vahdati Khaki, M. Haddad Sabzevar, M. Sharifitabar & S. Aliakbari Sani, "Fabrication of in situ Al2O3 reinforced nanostructure 304 stainless steel matrix composite by self-propagating high temperature synthesis process", Mater. Des, vol. 84, pp. 325–330, Nov. 2015.
[11] P. Zhang, T. Xia, G. Zhang & L. Yan, "Study on preparation of Ti powder by self-propagating high-temperature synthesis (SHS) with magnesiothermit reductive process", Mater. Sci. Forum, vol. 575–578, pp. 1086–1092, 2008.
[12] A. Chakraborti, N. Vast & Y. Le Godec, "Synthesis of boron carbide from its elements at high pressures and high temperatures", Solid State Sci, vol. 104, p. 106265, 2020.
[13] M. Sharifitabar, J. Vahdati Khaki & M. Haddad Sabzevar, "Effects of Fe additions on self propagating high temperature synthesis characteristics of TiO2-Al-C system", Int. J. Refract. Met. Hard Mater, vol. 47, pp. 93–101, 2014.
[14] B. Paul, J. Kishor, A. Chatterjee, S. Majumdar, V. Kain, G.K. Dey, "A study on feasibility of preparation of W-Cr-Si alloys by silicothermic co-reduction and characterization of as cast co-reduced alloy", J. Alloys Compd, vol. 701, pp. 864e-869, 2017.
[15] H-Y. Zhu, R. Gao, W-T. Jin, L-W. Qiu & Z-L. Xue, "Reduction characteristics of molybdenum trioxide with aluminum and silicon", Rare Met, vol. 37, no. 7, pp. 621–624, 2018.
[16] H-Y. Wang, G-H. Zhang & K-C. Chou, "Preparation of Low-Carbon and Low-Sulfur Fe-Cr-Ni-Si Alloy by Using CaSO4-Containing Stainless Steel Pickling Sludge", Metall. Mater. Trans. B, vol. 51, no. 5, pp. 2057–2067, 2020.
[17] D. R. Gaskell, "Introduction to the Thermodynamics of Materials", 4th ed. New York: Taylor & Francis, 2003.
[18] M. Tahari, J. Vahdati Khaki & M. Mirjalili, "Microwave-Assisted Combustion Synthesis of Ni–Cr–Mo Superalloy Using Mixed Oxides: Mechanism and Thermodynamics Aspects", Metall. Mater. Trans. A, 2023, doi: 10.1007/s11661-023-07038-4.
[19] S. C. Kung, "Gibbs energy of formation of nickel chromite", Metall. Trans. B, vol. 22, no. 5, pp. 673–675, 1991.
[20] H. Edris, D. G. Mccartney & A. J. Sturgeon, "Microstructural characterization of high velocity oxy-fuel sprayed coatings of Inconel 625", J. Mater. Sci, vol. 32, no. 4, pp. 863–872, 1997.
[21] X. D. Cheng, J. Min, Z. Q. Zhu & W. P. Ye, "Preparation of high emissivity NiCr 2O 4 powders with a spinel structure by spray drying", Int. J. Miner. Metall. Mater, vol. 19, no. 2, pp. 173–178, 2012.
[22] E. B. Rudnyi, E. A. Kaibicheva, L. N. Sidorov, M. T. Varshavskii & A. N. Men, "(Ion + molecule) equilibrium technique applied to the determination of the activities of Cr2O3 and NiO. Standard molar Gibbs energy of formation of NiCr2O4", J. Chem. Thermodyn, vol. 22, no. 7, pp. 623–632, 1990.
[23] G. Gunduz-Meric, S. Kaytakoglu & L. Degirmenci, "Catalytic performance of silica covered bimetallic nickel-iron encapsulated core-shell microspheres for hydrogen production", Int. J. Hydrogen Energy, vol. 45, no. 60, pp. 34547–34556, Dec. 2020.
[24] O. V. Chernyshova, D. K. Kanagatov & D. V. Drobot, "Production of nickel–cobalt concentrate in rhenium-containing refractory alloy processing", Russ. J. Non-Ferrous Met, vol. 58, no. 1, pp. 55–60, Jan. 2017.
[25] A. Ghasemi & M. Pouranvari, "Intermetallic phase formation during brazing of a nickel alloy using a Ni–Cr–Si–Fe–B quinary filler alloy", Sci. Technol. Weld. Join, vol. 24, no. 4, pp. 342–351, May 2019.
[26] Y. W. Xu & H. M. Wang, "Oxidation behavior of ␥ / Mo 2 Ni 3 Si ternary metal silicide alloy", J. Alloys Compd, vol. 457, pp. 239–243, 2008.
[27] S. D. K. John N. DuPont, John & C. Lippold, "Welding metallurgy and weldability of nickel-base alloys", 1st ed. New Jersey: John wiley & sons, 2009.
[28] P. Crook, "Development of a new Ni-Cr-Mo alloy", in CORROSION 96, 1996.
[29] R. Awasthi et al, "Corrosion Characteristics of Ni-Based Hardfacing Alloy Deposited on Stainless Steel Substrate by Laser Cladding", Metall. Mater. Trans. A, vol. 48, no. 6, pp. 2915–2926, Jun. 2017.
[30] P. Zhang, M. Li, H. Yan, J. Chen, Z. Yu & X. Ye, "Microstructure evolution of Ni-Mo-Fe-Si quaternary metal silicide alloy composite coatings by laser cladding on pure Ni", J. Alloys Compd, vol. 785, pp. 984–1000, May 2019.
[31] J. Liu, J. Zhang, L. Deng & G. Hao, "Microstructure and corrosion behaviour of laser-cladded γ-Ni/Mo 2 Ni 3 Si alloy coating", Surf. Eng, vol. 35, no. 1, pp. 59–65, Jan. 2019.
[32] Y. W. Xu & H. M. Wang, "Room-temperature dry sliding wear behavior of γ-Ni/Mo2Ni3Si metal silicide ‘in situ’ composites", J. Alloys Compd, vol. 440, no. 1–2, pp. 101–107, Aug. 2007.
[33] Y. W. Xu & H. M. Wang, "Microstructure and wear properties of laser melted γ-Ni/Mo2Ni3Si metal silicide ‘in situ’ composite", Mater. Lett, vol. 61, no. 2, pp. 412–416, Jan. 2007.
[34] U. Kumar Mohanty & H. Sarangi, "Solidification of Metals and Alloys", in Casting Processes and Modelling of Metallic Materials, IntechOpen, 2021, pp. 1–22.
[35] M. J. Perricone & J. N. Dupont, "Effect of composition on the solidification behavior of several Ni-Cr-Mo and Fe-Ni-Cr-Mo alloys", Metall. Mater. Trans. A, vol. 37, no. 4, pp. 1267–1280, Apr. 2006.
[36] S. A. Cefalu & M. J. M. Krane, "Comparison of predictions of microsegregation in the Ni–Cr–Mo system to experimental measurements", Mater. Sci. Eng. A, vol. 454–455, pp. 371–378, Apr. 2007.
[37] K. Dyal Ukabhai, I. A. Mwamba & L. A. Cornish, "Studies of Co-Fe-Pd Alloys in the As-Cast Condition & After Annealing at 1000 and 650 °C", J. Phase Equilibria Diffus, vol. 41, no. 4, pp. 567–585, Aug. 2020.
6- پی‌نوشت
[1] Self-Propagation High Temperature Synthesis
[2] Kaya et al
[3] Feizabadi et al
[4] Hall et al
[5] Dautzenberg
[6] Zhu & Paul
[7] Face Centered Cubic
[8] Hexagonal Laves Structure
[9] Petaloid
[10] Xu et al
[11] Perricone
[12] Cefalu et al
[13] Dyal et al
Please cite this article using:
Mosafa Tahari, Jalil Vahdati Khaki, Mostafa Mirjalili, Investigation on the Effect of Reducing Agent Type on the Synthesis Behavior and Microstructure of Ni-Cr-Mo Alloy Synthesized By Microwave-Assisted Combustion Synthesize, New Process in Material Engineering, 2024, 17(4), 67-82.
