%34تخفیف

دانلود پروژه: بررسی اثر آلومینیم بر فرایندهای سنتز احتراقی MoSi2 بصورت خودپیشرونده و انفجاری

بررسی اثر آلومینیم بر فرایندهای سنتز احتراقی MoSi2 بصورت خودپیشرونده و انفجاری

کارشناسی ارشد مهندسی مواد گرایش استخراج فلزات

بررسی اثر آلومینیم بر فرایندهای سنتز احتراقی MoSi2 بصورت خودپیشرونده و انفجاری

 

 

چکیده

سیلیسایدها، دسته­ای جدید از مواد هستند که با داشتن خواص مطلوبی نظیر نقطه ذوب بالا، چگالی نسبتاً کم و مقاومت ‏به خوردگی خوب برای کاربرد سازه­ای در صنایع هوافضا و انرژی مورد استفاده قرار می­گیرند. در این تحقیق تأثیر اکسیداسیون ذرات آلومینیم بر تشکیل MoSi2 طی فرایند سنتز احتراقی مورد بررسی قرار گرفت. بدین منظور نمونه­هایی از مخلوط پودری مولیبدن و سیلیسیم همراه با 0، 4، 7 و 10 درصد وزنی پودر آلومینیم تحت فشار 175 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع پرس شدند. سپس به منظور بررسی تأثیر حضور آلومینیم بر روند انجام و تأثیر بر روی پارامترهای این فرایند، هر یک از نمونه­ها تحت آزمایش سنتز احتراقی به صورت خودپیشرونده (SHS) و انفجاری (TE) در اتمسفر هوا و آرگون قرار گرفتند. در ادامه جهت بررسی­های فازی و ساختاری، محصولات حاصل از این فرایند تحت     آزمون­های پراش پرتو ایکس (XRD) و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) قرار گرفتند. درصد تخلخل در نمونه­های سنتز شده با استفاده از تصاویر میکوسکوپی نوری و نرم افزار کلمکس تعیین شد. همچنین برای بررسی سرعت واکنش توسط دوربین فیلمبرداری Canon از حرکت موج جبهه احتراق نمونه­های سنتز خودپیشرونده فیلمبرداری شد. نتایج حاصل از این فرایند حاکی از آن است که آلومینیم در شبکه MoSi­2 حل شده و بصورت جانشینی با اتم­های سیلیسیم ساختار شبکه را از تتراگونال به هگزاگونال تغییر داده است. همچنین به دلیل گرماگیر بودن استحاله MoSi2 از تتراگونال به هگزاگونال دما و سرعت جبهه احتراق کاهش یافت و آلومینیم در فرایند خودپیشرونده نقش ماده رقیق کننده را داشته و اکسیداسیون آلومینیم در فرایند SHS هیچگونه نقشی ندارد. در فرایند انفجاری آلومینیم با سیلیسیم تشکیل مذاب یوتکتیکی و غیر یوتکتیکی می­دهد و باعث کاهش دما و زمان شروع سنتز می­گردد. در ادامه برای بررسی نقش اکسیداسیون ذرات پودری آلومینیم در MoSi­ سنتز احتراقی شده، نمونه­های حاوی 0 و 10 درصد وزنی آلومینیم به مدت 12 ساعت و با سیکل­های 2 ساعت در کوره تیوبی مورد ارزیابی آزمون اکسیداسیون قرار گرفت. نتایج حاصل بیانگر این مطلب می­باشد که نمونه بدون آلومینیم در دمای 400 تا 600 درجه سانتیگراد منجر به اکسیداسیون شده که این اکسیداسیون به نام پِست معروف می­باشد، به­طوری که منجر به متلاشی شدن نمونه می­گردد و همچنین رنگ نمونه پودری از سیاه به سبز تغییر می­نماید. اما در نمونه حاوی 10 درصد وزنی آلومینیم در دماهای 400 تا 600 هیچگونه اکسیداسیونی رخ نداد و آلومینیم از اکسیداسیون MoSi2 جلوگیری می­نماید و هیچگونه تغییر رنگی در نمونه­های پودری مشاهده نشد. همچنین با توجه به نتایج حاصل از آنالیز پراش پرتو ایکس در دمای 850 درجه سانتیگراد آلومینیم موجود در شبکه هگزاگونال با تشکیل فیلم محافظ Al2O3 از دانه­های MoSi2 محافظت کرده و باعث جلوگیری از اکسیداسیون MoSi2 می­گردد. در نتیجه آلومینیم می­تواند مقاومت به اکسیداسیون MoSi2 را در دماهای پایین افزایش دهد و از خوردگی معروف به پِست جلوگیری کند.

کلمات کلیدی: فرایند سنتز احتراقی، MoSi2، آلومینیم، اکسیداسیون

 

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                                                                             صفحه

فهرست مطالب… هشت

فهرست شکل­ها یازده

فهرست جدول­ها چهارده

چکیده. 1

فصل اول : مقدمه. 2

فصل دوم : مروری بر مطالب…. 5

2-1 سیستم دوتایی Mo-Si 5

2-2 چیدمان اتمی در MoSi2 6

2-3 اکسیداسیون   MoSi2 7

2-4 خواص مکانیکی MoSi2 8

2-4-1 چقرمگی شکست… 8

2-4-2 تغییر شکل خزشی.. 8

2-4-3 استحکام و انعطاف­پذیری.. 9

2-5 کاربردهای MoSi2 9

2-6 روش­های تولید MoSi2 9

2-6-1 سنتز احتراقی.. 9

2-6-2 آلیاژسازی مکانیکی.. 10

2-6-3 واکنش خودپیشرونده (با نیروی محرکه) مکانیکی.. 10

2-6-4 رسوب شیمیایی فاز بخار. 10

2-7 مشخصه­های فرایند سنتز احتراقی.. 10

2-7-1 ترمودینامیک واکنش­های سنتز احتراقی.. 11

2-7-2 سینتیک واکنش­های سنتز احتراقی.. 15

2-7-3 ساختار موج احتراق.. 17

2-7-4 ناپايداري در موج احتراق.. 18

2-8 پارامترهاي مؤثر بر فرايند سنتز احتراقي.. 19

2-8-1 دماي اشتعال.. 19

2-8-2 روش شعله­وري.. 20

2-8-3 سرعت گرم­کردن.. 20

2-8-4 چگالی خام. 20

2-8-5 اندازه ذرات پودرهای اولیه. 20

2-8-6 ابعاد و شکل نمونه خام. 21

هشت

2-8-7 عوامل رقيق­كننده. 21

2-9 سنتز احتراقی MoSi2 21

2-10 عوامل مؤثر بر سنتز احتراقی MoSi2 23

2-10-1 تأثیر اندازه ذرات مولیبدن.. 23

2-10-2 تأثیر سرعت حرارت­دهی.. 25

2-10-3 تأثیر نوع اتمسفر. 25

2-11 روش­های بهبود خواص MoSi2 26

2-11-1 اثر آلومینیم بر خواص مکانیکی MoSi2 26

2-11-2 اثر آلومینیم بر رفتار اکسایشی MoSi2 28

2-12 سنتز MoSi2 در حضور آلومینیم.. 31

2-13 اکسیداسیون ذرات پودری آلومینیم.. 33

2-14 جمع­بندی.. 35

فصل سوم : مواد و روش انجام آزمایش…. 36

3-1 مواد اولیه. 36

3-2 روش انجام آزمایش­ها 39

3-2-1 روش آماده­سازی نمونه­ها 39

3-2-2 روش احتراق نمونه­ها 39

3-2-3 کدگذاری نمونه­های مورد آزمایش…. 40

3-2-4 نحوه­ی بررسی مکانیزم شکل­گیری MoSi2  در حضور و بدون حضور آلومینیم.. 40

3-2-5 نحوه­ی بررسی پروفیل حرارتی و سرعت جبهه­ی احتراق.. 41

3-2-6 نحوه­ی بررسی اکسیداسیون نمونه­های سنتز شده. 42

3-3 آزمون­های مربوط به ارزیابی و مشخصه­یابی محصول سنتز احتراقی.. 42

3-3-1 فازشناسی محصول.. 42

3-3-2 بررسی ساختار میکروسکوپی، آنالیز محصول و تعیین درصد تخلخل.. 42

3-4 روندنمای انجام پروژه. 43

فصل چهارم : نتایج و بحث…. 44

4-1 بررسی ترمودینامیکی تشکیل ترکیب بین فلزی MoSi2 44

4-1-1 محاسبه تئوری دمای آدیاباتیک واکنش تشکیل MoSi2 44

4-1-2 محاسبه تئوری دمای آدیاباتیک واکنش تشکیل MoSi2 در حضور آلومینیم.. 45

4-1-3 بررسی معیارهای خودپیشروندگی واکنش تشکیل ترکیب بین فلزی MoSi2 46

4-1-4 بررسی معیارهای خودپیشروندگی واکنش تشکیل ترکیب بین فلزی MoSi2 در حضور آلومینیم.. 47

4-2 بررسی تشکیل MoSi2 طی فرایند سنتز احتراقی.. 47

4-2-1 بررسی تشکیل MoSi2 از مخلوط پودری Mo و Si طی فرایند SHS. 47

4-2-2 بررسی تشکیل MoSi2 از مخلوط پودری Mo و Si طی فرایند  TE.. 51

نه

4-3-3 تأثیر حضور آلومینیم بر تشکیل MoSi2 طی فرایند SHS. 52

4-3-4 تأثیر حضور آلومینیم بر تشکیل MoSi2 طی فرایند TE.. 58

4-4 بررسی مکانیزم شکل­گیری MoSi2 در حضور آلومینیم طی فرایند سنتز احتراقی.. 60

4-4-1 تعیین مکانیزم تشکیل MoSi2 در حضور آلومینیم با استفاده از روش کوئنچ کردن.. 60

4-4-2 بررسی پروفیل­های دمایی درتشکیل MoSi2 با حضور آلومینیم طی فرایند SHS. 66

4-4-3 بررسی تأثیر آلومینیم بر سرعت جبهه احتراق تشکیل MoSi2 طی فرایند SHS. 70

4-4-4 تأثیر حضور آلومینیم بر دما و زمان شروع سنتز TE.. 72

4-5 بررسی درصد تخلخل نمونه­های تولید شده طی فرایند سنتز احتراقی.. 74

4-6 جمع­بندی اثر آلومینیم روی فرایندهای سنتز احتراقی MoSi2 77

4-7 اکسیداسیون MoSi2 78

4-7-1 بررسی اکسیداسیون MoSi2 تشکیل شده طی فرایند SHS. 78

4-7-2 تأثیر حضور آلومینیم بر اکسیداسیون MoSi2 تشکیل شده طی فرایند SHS. 80

فصل پنجم : نتیجه­گیری و پیشنهادات85

5-1 نتیجه­گیری.. 85

5-2 پیشنهادات… 87

مراجع.. 88

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ده

 

فهرست شکل­ها

عنوان                                                                                                                                                             صفحه

شکل 2-1 نمودار دوتایی سیستم Mo–Si در مقایسه با اطلاعات تجربی.. 6

شکل 2-2 نمودار فازی سیستم Mo–Si در مجاورت  MoSi2 الف) توسط وچنیکوف، ب) توسط فرانکویژ و پرپزکو. 7

شکل 2-3 واحد شبکه MoSi2، الف) فواصل بین اتمی در صفحه اتمی (110)، ب) تصویر سه بعدی.. 7

شکل 2-4 ارتباط بین دمای آدیاباتیک و نسبت آنتالپی به ظرفیت حرارتی ویژه محصولات… 13

شکل 2-5 الف) منحنی مدل بوون با استفاده از اطلاعات تجربی، ب) واکنش­های مختلف و موقعیت آنها در مدل بوون.. 14

شكل 2-6 طرح نمادینی از ساختار موج احتراق در شرايط ايده­آل.. 17

شكل 2-7 طرح نمادینی از ساختار حقيقي موج احتراق در حالت غیرهمگن.. 18

شكل 2-8 سیکل دمايي نمونه در حين فرايند سنتز احتراقي.. 19

شكل 2-9 طرح نمادینی از شكل­گيري MoSi2 در فرایند  SHS. 22

شکل 2-10 تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از محصولات واکنش…. 23

شکل 2-11 طرح نمادین نمونه کوئنچ شده و تصاویر نمونه آماده­سازی شده در طول نواحی محترق شده. 24

شکل 2-12 تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از یک ذره مولیبدن باقیمانده و محصور شده توسط محصولات… 24

شکل 2-13 تغییرات چقرمگی شکست MoSi2 آلیاژی شده با آلومینیم.. 27

شکل 2-14 تغییرات سختی MoSi2 آلیاژی شده با آلومینیم.. 28

شکل 2-15 مقایسه مقاومت به اکسیداسیون سیکلی دو ماده Mo(Si0.8-Al0.2)2 و MoSi2 در دماهای پایین.. 30

شکل 2-16 مقاومت به اکسیداسیون سیکلی دو ماده Mo(Si0.8-Al0.2)2 و MoSi2 در دماهای 900 و 1200 درجه سانتیگراد. 30

شکل 2-17 تغییرات وزن نمونه­های MoSi2 و Mo(Si,Al)2 تحت آزمون اکسیداسیون در دماهای مختلف … 31

شکل 2-18 نمودارهای همدمای سیستم Al-Mo-Si الف) در دمای 1000 و ب) در دمای 1400 درجه سانتیگراد. 32

شکل 2-19 تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی با دو بزرگنمایی متفاوت از تراوش مذاب آلومینیم… 34

شکل 2-20 تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از ترکیدن ذرات مذاب آلومینیم … 35

شکل 3-1 تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از ذرات پودری مواد اولیه، الف)سیلیسیم، ب)مولیبدن، ج)آلومینیم.. 37

شکل 3-2 الگوی پراش پرتو ایکس از ذرات پودری مواد اولیه، الف)سیلیسیم، ب)مولیبدن، ج)آلومینیم.. 38

شکل 3-3 تصویر راکتور مورد استفاده برای انجام سنتز احتراقی خودپیشرونده. 39

شکل 3-4 قالب مسی برای کوئنچ کردن نمونه­های SHS، الف)تصویر قالب مسی، ب)طرح نمادینی از قالب مسی.. 41

شکل 3-5 طرح نمادینی از ثبت سیکل دمایی و نحوه قرارگیری ترموکوپل در نمونه. 41

شکل 3-6 روندنمای انجام پروژه. 43

شکل 4-1 تصاویر احتراق و حرکت جبهه احتراق برای نمونه S0 در زمان­های مختلف در اتمسفر، الف) هوا، ب)آرگون.. 49

شکل4-2 الگوهای پراش پرتو ایکس نمونه S0 در اتمسفر هوا و آرگون.. 50

شکل4-3 تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی نمونهS0  در اتمسفر هوا 50

شکل4-4 میکرو آنالیز عنصری EDS روی دو نقطه از نمونه S0 مربوط به شکل 4-3، الف) شماره 1، ب) شماره 2. 50

شکل 4-5 تصاویر سنتز انفجاری نمونه E0 در اتمسفر هوا و در زمان­های مختلف…. 51

یازده

شکل 4-6 الگوهای پراش پرتو ایکس نمونه E0 در اتمسفر هوا و آرگون.. 52

شکل 4-7 سیستم دوتایی، الف) Al-Si و ب) Al-Mo. 53

شکل 4-8 تصاویر احتراق و حرکت جبهه احتراق در اتمسفر هوا در زمان­های مختلف … 54

شکل 4-9 مقایسه الگوهای پراش پرتو ایکس برای نمونه­های S4 و S10 در اتمسفر هوا 55

شکل 4-10 تصاویر احتراق و حرکت جبهه احتراق در اتمسفر آرگون در زمان­های مختلف… 56

شکل 4-11 مقایسه الگوهای پراش پرتو ایکس برای نمونه­های S4 و S10 در اتمسفر آرگون.. 57

شکل 4-12 تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی در اتمسفر هوا برای نمونه­های، الف) S4  و ب) S10. 58

شکل 4-13 تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی در اتمسفر آرگون برای نمونه­های، الف) S4  و ب) S10. 58

شکل 4-14 مقایسه الگوهای پراش پرتو ایکس نمونه­های E4 و E10 در اتمسفر هوا در دمای 750 درجه سانتیگراد. 59

شکل 4-15 مقایسه الگوهای پراش پرتو ایکس نمونه­های E4 و E10 مختلف در دمای 750 درجه سانتیگراد … 60

شکل 4-16 تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی در دمای 750 درجه سانتیگراد و اتمسفر هوا … 61

شکل 4-17 تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی در دمای 800 درجه سانتیگراد و اتمسفر هوا … 61

شکل 4-18 تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی نمونه S7 کوئنچ شده در قالب مسی.. 62

شکل 4-19 تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی و آنالیز عنصری EDS به صورت مَپ برای نمونه S7 … 63

شکل 4-20 تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از منطقه جبهه واکنش برای نمونه ‏S7‏ کوئنچ در قالب مسی.. 63

شکل 4-21 میکرو آنالیز عنصری EDS  روی چهار نقطه از منطقه جبهه واکنش برای نمونه S7  … 64

شکل 4-22 تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی و آنالیز عنصری EDS از منطقه محصولات مربوط به نمونه S7 … 65

شکل 4-23 طرح نمادینی از مکانیزم تشکیل ترکیب Mo(Si,Al)2 طی فرایند SHS. 65

شکل 4-24 سیکل دمایی نمونه S0 در اتمسفر هوا 66

شکل 4-25 سیکل دمایی نمونه S0 در اتمسفر آرگون.. 67

شکل 4-26 سیکل دمایی در اتمسفر هوا برای نمونه­های، الف) S4، ب) S7 و ج) S10. 68

شکل 4-27 سیکل دمایی در اتمسفر آرگون برای نمونه­های، الف) S4، ب) S7 و ج) S10. 69

شکل 4-28 بررسی سرعت جبهه احتراق در نمونه­های SHS با درصدهای مختلف آلومینیم در اتمسفر هوا در مقاطع مختلف…. 71

شکل 4-29 بررسی سرعت جبهه احتراق در نمونه­های SHS با درصد مختلف آلومینیم در اتمسفر آرگون در مقاطع مختلف…. 72

شکل 4-30 طرح نمادینی از تشکیل ترکیب Mo(Si,Al)2 طی فرایند TE.. 73

شکل 4-31 تصاویر میکروسکوپی نوری برای نمونه­های فرایند SHS در اتمسفر الف، ب، ج) S4، S7 و S10 … 74

شکل 4-32 بررسی درصد تخلخل در فرایند SHS با درصدهای وزنی مختلف آلومینیم در اتمسفر هوا و آرگون.. 75

شکل 4-33 تصاویر میکروسکوپی نوری در دمای 750 درجه سانتیگراد برای نمونه­های فرایند TE … 76

شکل 4-34 بررسی درصد تخلخل در فرایند TE در دمای 750 درجه سانتیگراد در اتمسفر هوا و آرگون … 76

شکل 4-35 تصاویر میکروسکوپی نوری نمونه E4 در دمای و اتمسفر مختلف … 77

شکل 4-37 بررسی اکسیداسیون نمونه S0 در دماهای پایین.. 79

شکل 4-38 الگوی پراش پرتو ایکس نمونه S0 تحت آزمون اکسیداسیون در دماهای 400 و 500 درجه سانتیگراد. 79

شکل 4-39 طرح نمادینی از تبخیر اکسید مولیبدن و خروج آن از سیستم با افزایش دما 80

شکل 4-40 تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی نمونهS0  تحت آزمون اکسیداسیون با بزرگنمایی مختلف … 80

دوازده

شکل 4-41 بررسی اکسیداسیون نمونه­های S0 و S10 در دمای 500 درجه سانتیگراد. 81

شکل 4-42 الگوی پراش پرتو ایکس نمونه S10 در دمای 500 درجه سانتیگراد پس از 12 ساعت… 81

شکل 4-43 تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی نمونه­های فرایند SHS تحت آزمون اکسیداسیون … 82

شکل 4-45 بررسی اکسیداسیون نمونه­های S0 و S10 در دمای 850 درجه سانتیگراد. 83

شکل 4-46 الگوی پراش پرتو ایکس نمونه S10  تحت آزمون اکسیداسیون در دمای 850 درجه سانتیگراد … 84

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

سیزده

فهرست جدول­ها

عنوان                                                                                                                                                             صفحه

جدول 2-1 مقایسه دماهای آدیاباتیک محاسبه شده و احتراق عملی برای چند سیستم.. 13

جدول 2-2 پیش­بینی انجام واکنش­های SHS برای سیستم­های مختلف، بر اساس مدل بوون.. 15

جدول 2-3 انواع سیلسیدها با قابلیت آلیاژشوندگی با MoSi2 26

جدول 3-1 مشخصات مواد پودری استفاده شده. 36

جدول 3-2 کدگذاری نمونه­های مورد آزمایش سنتز احتراقی.. 40

جدول 4-1 تغییرات زاویه و جابجایی پیک­های MoSi2 برای نمونه­های S0، S4 و S10 در اتمسفر هوا 55

جدول 4-2 تغییرات زاویه و جابجایی پیک­های MoSi2 برای نمونه­های S0، S4 و S10 در اتمسفر آرگون.. 57

جدول 4-3 تغییرات زاویه و جابجایی پیک­های MoSi2 برای نمونه­های E0، E4 و E10 در اتمسفر هوا … 59

جدول 4-4 تغییرات زاویه و جابجایی پیک­های MoSi2 برای نمونه­های E0، E4 و E10 در اتمسفر آرگون … 60

جدول 4-5 زمان شروع واکنش TE با افزایش درصد وزنی آلومینیم بر حسب ثانیه در دماهای مختلف در اتمسفر هوا 72

جدول 4-6 زمان شروع واکنش TE بر حسب ثانیه با افزایش درصد وزنی آلومینیم در دماهای مختلف در اتمسفر آرگون.. 73

چهارده

قبلا حساب کاربری ایجاد کرده اید؟
گذرواژه خود را فراموش کرده اید؟
Loading...
enemad-logo