نقش تقویت کننده ی برون جای B4C و درون جای TiC و TiBw در تحولات ساختاری آلیاژ مخلوط پودری Ti-10Mo

فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

دوره 13، شماره 50، بهمن 1401، صفحه 19-32   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.30495/jnm.2023.32053.2003

نویسندگان

مرجان رنجبری¹؛ مازیار آزادبه^{* 2}؛ عباس صباحی نمینی³

¹مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی سهند، تبریز، ایران

²استاد، مهندسی مواد دانشگاه صنعتی سهند تبریز، تبریز، ایران

³دانشیار، مهندسی مواد دانشکده فناوری‌های نوین، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

تاریخ دریافت: 05 تیر 1402،  تاریخ بازنگری: 01 شهریور 1402،  تاریخ پذیرش: 06 شهریور 1402 

چکیده

چکیده
مقدمه: درکامپوزیت­های زمینه تیتانیم - مولیبدن تقویت شده با ذرات کاربید بور که به روش تف­جوشی پلاسمای جرقه­ای تولید می­شوند، واکنش بین زمینه و ذرات تقویت کننده می­ تواند موجب شکل­گیری ترکیب هیبریدی TiB + TiC شود. از طرفی ساختار کریستالی آلیاژهای تیتانیم – مولیبدن به شدت به مقدار مولیبدن اضافه شده وابسته بوده و با توجه به نتایج بدست آمده در پژوهش­ های قبلی مشخص شده است که برای دستیابی به توزیع یکنواختی از ساختار دوفازی آلفا + بتا و خواص مکانیکی بهینه، بایستی حداقل 10 درصد وزنی مولیبدن به تیتانیم افزوده شود. لذا هدف اصلی از انجام این پژوهش، بررسی تاثیر افزودن 5/0 درصد وزنی کاربید بور به آلیاژ تیتانیم - مولیبدن در دمای­های تف­جوشی مختلف بر میزان چگالش، بهبود حلالیت مولیبدن در تیتانیم (که موجب تحولات ساختاری به β و β+α می شود) و شکل­ گیری محصولات فازی با ترکیب هیبریدی مذکور است.
روش­: به همین منظور، نمونه­ هایی با ترکیب Ti –10Mo- 0.5B₄C  در دماهای 1150، 1300 و 1450 درجه سانتیگراد برای مدت زمان 5 دقیقه و تحت فشار 50 مگاپاسکال به روش SPS تف­جوشی ­شدند. تحولات ریزساختاری و خواص فیزیکی و مکانیکی کامپوزیت­ های تولیدی بعنوان معیاری برای سنجش تاثیر افزایش دما در میزان تولید تقویت کننده های درجا و به تبع آن مقدار فاز بتای تولید شده در نتیجه ی ترغیب واکنش های گرمازای موضعی و تعیین مکانیزم، مورد ارزیابی قرار گرفت. علاوه­ براین برای دستیابی به نتایج دقیق­تر، بررسی­ های کیفی همچون آنالیز فازی نمونه ­های تف­جوشی شده انجام شد.  
یافته­ ها: نتایج نشان داد که با ازدیاد دمای تف­جوشی، چگالی افزایش یافته است. هم چنین انجام واکنش بین ذرات کاربید بور با زمینه نیز ترغیب شده و موجب پیدایش تقویت های درجای TiB و TiC شده است. ازطرفی استقرار نسبتا یکنواخت شان در زمینه دلیلی بر بهبود خواص مکانیکی می­باشد. در این میان بایستی به تاثیر انحلال بیشتر مولیبدن و متعاقبا یکنواخت شدن بیشتر آن نیز اشاره کرد.
نتیجه­ گیری: افزایشی چگالی با دمای تف­جوشی، از دلایل مهم بهبود خواص مکانیکی می باشد. با توجه به بررسی خواص فیزیکی و مکانیکی کامپوزیت ها، مشاهده شد که استحکام کشش نهایی (UTS) و همچنین ازدیاد طول نمونه های کامپوزیتی با افزایش دمای تف جوشی، افزایش یافت. افزایش دمای تف جوشی منجر به تراکم نسبی بالاتر و تولید فازهای درجای بیشتر گردید. 

کلیدواژه‌ها

کامپوزیت تیتانیم-مولیبدن؛ کاربید بور؛ دی‌بوراید تیتانیم و کاربید تیتانیم؛ تف‌جوشی قوس پلاسما؛ تقویت کننده های درجا

عنوان مقاله [English]

The role of Ex-situ 0.5wt.% B4C reinforcement and later formed In–situ TiC and TiBw on microstructural evolution of Ti-10Mo mixed powder alloy

نویسندگان [English]

Marjan Ranjbari¹؛ Maziyar Azadbeh²؛ Abbas Sabahi Namini³

¹Faculty of Materials Engineering, Sahand University of Technology, Tabriz, Iran

²Faculty of Materials Engineering, Sahand University of Technology, Tabriz, Iran

³Department of Engineering Sciences, Faculty of Advanced Technologies, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran

چکیده [English]

Abstract
Introduction: In titanium-molybdenum composites reinforced with boron carbide particles, which are produced by spark plasma sintering method, the reaction between the matrix and reinforcement particles can lead to the formation of TiB + TiC hybrid composition. On the other hand, the crystal structure of titanium-molybdenum alloys is strongly depend on the amount of molybdenum added and according to the results obtained in previous researches, it has been determined that in order to achieve a uniform distribution of alpha + beta dual phase structure and optimal mechanical properties, at least 10% of molybdenum should be added to titanium. Therefore, the main purpose of this research, is evaluating the effect of adding 0.5% of boron carbide to the Ti-10Mo mixed powder, SPSed at various sintering temperature on densification, enhancing Mo diffusion in Ti (which leads to microstructural evolution to β and α+β), and the formation of in-situ hybrid reinforcement.  
Methods: In this research, Ti–10 wt.% Mo–0.5 wt.% B₄C composite samples was consolidated in a SPS machine following cold uniaxial precompaction by applying maximum 10 MPa and then SPS in vacuum below 1 Pa at 1150, 1300 and 1450°C with 50°C/min heating rate under 20 MPa pressure. Subsequently at each sintering temperature the applied pressure was increased to 50 MPa and the final holding time at that temperature was 5 min.Microstructural changes and physical and mechanical properties of produced composites were evaluated in order to measure the effect of increasing temperature and determining the mechanism. In addition, to get more information concerning microstructural evolution, qualitative investigations such as phase analysis of sintered samples to know constituents phases, were performed.
Findings: The results showed that the density increased with the rising sintering temperature. Also, the reaction between boron carbide particles with the matrix has been encouraged with sintering temperature and led to the formation of TiB and TiC in situ reinforcements. On the other hand, relatively uniform distributed of ex-situ and in-situ reinforcements is important in improved mechanical properties. Here, uniformly distributed Mo particles and their diffusion to matrix is important in better homogenization.
 

کلیدواژه‌ها [English]

Titanium-molybdenum composite, boron carbide, titanium diboride and titanium carbide, spark plasma sintering, in situ reinforcements

مراجع

 

            [1] 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.

[2]        M. Donachie, Titanium a technical guide, ASM international, 2000.

[3]        Ltjering, G. and J. Williams, Titanium, Engineering Materials and Processes, Springer Berlin, 2007.

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

[5]        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), pp. 32-45.

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

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

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

[9]        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.

 

[10]      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.

 

 [11]     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.

 [12]     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.

[13]      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.

[14]      T. Fujii, K. Tohgo, M. Iwao, Y. Shimamura, "Fabrication of alumina-titanium composites by spark plasma sintering and their mechanical properties," J. Alloys Compd 2018. 744, p. 759–768.

[15]      Z. Fang, Sintering of advanced materials, Elsevier, 2010.

[16]      Schumann, E.J, Advanced processes for titanium sintering, 2014.

[17]      Zhang, Z.-H., et al, "The sintering mechanism in spark plasma sintering–proof of the occurrence of spark discharge," (2014). 81, pp. 56-59.

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

[19]      Locci, A.M., et al, "Effect of ball milling on simultaneous spark plasma synthesis and densification of TiC–TiB₂ composites," 2006. 434(1-2), pp. 23-29.

 

[20]      Suárez, M., et al., "Challenges and opportunities for spark plasma sintering," a key technology for a new generation of materials.(2013).13, pp. 319-342.

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

            [22] 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.

[23]      V.S. Balaji, S. Kumaran, "Densification and microstructural studies of titanium–boron carbide powder mixture during sparkplasma sintering," Powder Technol. (2014).264 , p. 536–540.

[24]      L. Jia, S. Li, H. Imai, 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," Mater. Sci. Eng. (2014) A. 614, pp. 129-135.

[25]      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.

[26]      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.

[27]      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.

[28]      S. Li, K. Kondoh, H. Imai, B. Chen, L. Jia, J. Umeda, "Microstructure and mechanical properties of P/M titanium matrix composites reinforced by in-situ synthesized TiC–TiB," Mater.Sci. Eng. (2015).A. 628, p. 75–83.

[29]      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. Express 8, 012001 (2021).

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