تحقیق مقاله کاربرد کامپوزیت جهت آب بند های مکانیکی

- مقدمه

کامپوزیت[1] نامی کلی برای مواد یا قطعاتی که از مواد و اجسام متفاوت با حفظ ساختار و نمای عمومی هر یک ساخته می شود است. به بیان دیگر برای هر نوع جسمی که از مخلوط دو یا چند ماده، با ترکیب و خواص معین ساخته شده است بطوریکه در مجموعه سیستم هر کدام با مشخصات فیزیکی و مکانیکی خاص خود ظاهر می شود. مهمترین اختلاف بین کامپوزیتها و آلیاژها، یا مواد ترکیبی از همین ویژگی حاصل می شود. در آلیاژها یا مواد ترکیبی، هر جزء در مجموعه سیستم ضمن اینکه اثرگذاری کامل را دارد، از ویژگیهای خاص خود جدا شده است و به عبارت دیگر در مقیاس های بزرگتر از فازی، قابل تشخیص نیست. از این رو مناسبتر به نظر می رسد که کامپوزیتها به عنوان (مواد چند سازه) تعریف می شوند. تا در مقابل مواد معین و آلیاژها که ترکیباتی تکسازه هستند، متمایز می شوند.

مواد تک سازه به طور معمول دارای محدودیتهایی از نظر تلفیق خواص مختلف مانند استحکام، چقرمگی، قابلیت روانکاری، مقاومت به سایش، مقاومت در دمای بالا، ضریب انبساط حرارتی، چگالی و غیره می باشند. برای ایجاد تلفیقهایی خاص از این خواص مختلف، انواع کامپوزیتها طراحی و تولید شده اند. کامپوزیتهایی که در آب بند مکانیکی استفاده می شوند باید دارای قابلیت روانکاری، مقاومت به سایش، ضریب انبساط حرارتی کم، سختی، استحکام بالا و مقاومت به خوردگی بالا باشند[1].

2- مطالعات مروری

2-1- فرآیند آلیاژ سازی مکانیکی[2]

در این فرآیند اجزاء سازنده پودر کامپوزیتی با همدیگر در یک مدت زمان مشخص، آسیاب می شوند تا به صورت همگن در آیند . در طی این فرآیند اندازه ذرات مخلوط شده در اثر پهن شدن و شکستن کاهش می یابد. نیروهای برشی و فشاری که در اثر برخورد گلوله ها به پودر وارد می شود، باعث آگلومره شدن ذرات می گردد. زمان آسیاب می بایست تا حد امکان کوتاه در نظر گرفته شود تا اندازه ذرات بیش از حد کاهش نیابد. از این رو در آسیاب هایی با انرژی بالا معمولاً زمان آسیاب کمتر از 1 ساعت است. در نتیجه پودرهای کامپوزیتی تولید شده از این طریق، اندازه ای تقریباً برابر اندازه ذرات اولیه خواهند داشت.

روش آلیاژ سازی مکانیکی اولین بار توسط Benjamin و همکارانش در اواخر دهه 1960 معرفی شد. آنها این روش را به منظور تولید سوپر آلیاژهای پایه نیکلی استحکام یافته با ذرات اکسیدی (ODS)[3] بکار بردند. روش آلیاژسازی مکانیکی تا مدتها تنها به منظور تهیه پودر آلیاژهای ODS مورد استفاده قرار می گرفت . تا اینکه در اوایل دهه 1980 مشخص گردید که روش آلیاژسازی مکانیکی می تواند برای ایجاد ساختارهای آمورف نیز استفاده گردد. پس از این کشف روش آلیاژسازی مکانیکی می تواند به عنوان روشی که در حالت جامد امکان ساخت مواد و آلیاژهای مختلف را فراهم می ساخت، مورد توجه بسیار زیاد محققین و مهندسین مواد قرار گرفت و زمینه های تحقیقاتی جدیدی را در پیش روی آنان باز کرد. روش آلیاژسازی مکانیکی با تسریع کینتیک بسیاری از واکنش های شیمیایی و تغییر حالت های متالورژیکی، وقوع آنها را در دمای محیط امکان پذیر می سازد؛ در نتیجه با این روش بسیاری از مواد و ساختارها در حالت جامد قابل تولید می باشند. تجهیزات ساده، عدم نیاز به درجه حرارت های بالا و انجام عملیات تولید تنها در طی یک مرحله، از ویژگیهای روش آلیاژسازی مکانیکی است که می تواند تولید بسیاری از مواد و آلیاژها را با کمک این فرآیند، مقرون به صرفه تر از روش های متداول سازد. به علاوه محصول نهایی در روش آلیاژسازی مکانیکی ساختاری ریز لا یکنواختی آسیاب ها پر انرژی نظیر آسیاب های گلوله ای سیاره ای[4]، آسیاب های گلوله ای ارتعاشی[5]، آسیاب های گلوله ای یا میله ای غلتشی[6]، آسیاب های گلوله ای شافتی[7] و آسیاب مغناطیسی[8] قابل استفاده در این روش هستند. تفاوت این آسیاب ها عمدتاً در ظرفیت، راندمان و امکانات اضافی آنها برای گرم یا خنک کردن محفظه است.

2-1-1- متغیرهای فرآیند آلیاژسازی مکانیکی

آلیاژسازی مکانیکی فرآیند پیچیده ای است و برای حصول فاز یا ریزساختار مورد نظر، متغیرهای گوناگونی باید بهینه شوند. برخی از مهمترین متغیرها که روی نوع و ساختار محصول نهایی تاثیر می گذارند عبارتند از

 - نوع آسیاب

- جنس ، اندازه و توزیع اندازه گلوله های آسیاب

- نسبت وزنی گلوله ها به پودر

- میزان پر شدن محفظه

- زمان آسیاب کردن

- درجه حرارت[2]

2-2- کامپوزیتها

کامپوزیت زمینه فلزی(MMC )[9] مجموعه ای از زمینه آلیاژی فلزی نرم و افزودنی استحکام بخش(که معمولا ماده ای سرامیکی است) که برای تامین استحکام و سفتی مناسب تهیه می شود. دلایل زیادی برای تمایل طراحان و مهندسان به قطعات MMC وجود دارد که فرای نیاز به افزایش استحکام است. کامپوزیتها قابلیت فراهم آوری قطعات دارای خواص انتخابی برای کاربرد های بسیار تخصصی را دارند که در آ«ها محدوده ای از خواص فیزیکی و مکانیکی را می توان از مجموعه سرامیک و فلز(یا آلیاژ) به دست آورد. بعضی از عوامل مهم مورد توجه عبارتند از: بهبود استحکام در دماهای بالا، بهبود مدول(یا سفتی)، امکان کاهش وزن با بالا بردن نسبت استحکام به وزن، بهبود مقاومت سایشی و کاهش ضریب انبساط حرارتی.

کامپوزیت های زمینه فلزی به دلیل دارا بودن نسبت استحکام به وزن بالا، مدول الاستیک خوب، مقاومت برشی عالی و مقاومت خزشی مناسب امروزه کاربرد های فراوانی در صنایع و به خصوص صنایع هوا فضا پیدا کرده اند. در هر حال، فرم پذیری ضعیف MMC ها، تا حدی کاربرد آنها را تحت تاثیر قرار داده است.

به طور کلی MMC ها شامل دو جزء اصلی می باشند:

زمینه فلزی: که عمدتا از فلزات سبک مثل Ti,Mg,Al وآلیاز های آنها می باشند.

تقویت کننده ها: که شامل فایبر ها، ترکیبات بین فلزی و ذرات سخت سرامیکی مثل SiC, Al2O3,Y2O3 و ... می باشند[1].

متداولترین فرایند برای تولید سرامیک های شامل بورید، کاربید، نیترید و اکسید متنوعی از فلزات پرس گرم(HP)[10] است. روش دیگر در ساخت سرامیک ها با تکنولوژی بالا، پرس ایزو استاتیک گرم (HIP)[11] است. در روش پرس گرم پودر سرامیکی داخل قالب در یک کوره دمای بالا قرار گرفته و تحت فشار تک محوری قرار می گیرد. در حالی که نمونه در دمای بالا زیر نقطه ذوب قرار دارد، به هم آمیختگی ذرات پودری انجام می شود تا در طول زمان مورد نیاز کل قطعه سینتر شود. این عملیات از نظرکاربرد انرژی خیلی گران است.

در روش دیگر نمونه  پودر ابتدا پرس سرد شده تا شکل مطلوب بدست آید و سپس تا دمایºC 2000 گرم شده وتحت فشار یک سیال کاری، معمولا˝یک گاز خنثی در فشار بیشتر از  Mpa120 قرار میگیرد. مزیت آن این است که می توان قطعات پیچیده تر تولید کرد، اما به هر حال تجهیزات و آماده سازی قطعه خام قیمت محصولات را افزایش می دهد. در دو دهه اخیر روش سنتز احتراقی به دلیل مزایایی که دارد در تولید سرامیکها مورد توجه قرار گرفته است[3].

2-3- کامپوزیتهای تحت بررسی برای کاربرد در آب بند های مکانیکی

به منظور بررسی امکان تولید ترکیبات آب بندهای مکانیکی به روش سنتز احتراقی، ابتدا ترکیب TiB-Ti توسط روش سنتز احتراقی تولید شد و با نتایج تفرق اشعه ایکس، تایید گردید و سپس خواص متالورژیکی آنها بررسی شد و با مقایسه با نمونه آب بند مکانیکی SiC مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت.

همچنین ترکیبات Ti3SiC2، TiC-TiB2،TiB2-TiC-SiC ، TiC-NiAl، TiC-SiC توسط روش سنتز احتراقی تولید شدند و در حال انجام تجزیه و تحلیل و ازیابی خواص متالورژیکی آنها هستیم.  

TiB-Ti2-3-1- کامپوزیت.

روشهای تولید آن شامل پرس گرم، پرس ایزو استاتیک گرم، سنتز احتراقی و... می باشد. با انجام سنتز احتراقی می توان این سرامیک را با چگالی بیش از 90 در صد چگالی تئوری تولید کرد

یکی از روشهای تولید کامپوزیتTiB-Ti روش اسپارک پلاسما سینترینگ (SPS) است. آلیاژ سازی مکانیکی فاصلهء نفوذی در طول فرآیند سینترینگ را کاهش می دهد و انتظار آن است که دمای سینترینگ را کاهش دهد.