برای اطلاع از آخرین مقالات علمی و اخبار کرونا(COVID-19) کلیک کنید

مشخصات

عنوان:

تولید آزمایشگاهی و بررسی رفتار آلیاژ حافظه دار NiTi تولید شده با فرآیند متالورژی پودر (ویرایش نهایی)



گروه تخصصی:  فنی و مهندسی

سازمان مجری:  واحد استان خراسان رضوی 

گروه پژوهشی: گروه پژوهشی مواد

پژوهشگران: 
تاریخ خاتمه:  آبان 1392

کارفرما: 

خروجی طرح: 
 
تلفن: 8762000-8795530-0511

نشانی سازمان مجری: مشهد، میدان آزادی، صندوق پستی: 1376-91775
 

چکیده:

در این پژوهش تولید آلیاژ حافظه دار نایتینول به سه روش سنتز احتراقی، آسیاکاری و متالورژی پودر معمولی مورد بررسی قرار گرفت. در روش سنتز احتراقی مخلوط پودرNi وTi بعد از فشرده شدن در فشار 150MPa در کوره با دماهای400،500 و 600oC بدون اتمسفر محافظ قرار داده شد. فازهای تشکیل شده با آزمون XRD و پروفیل دمایی توسط ترموکوپل داخل نمونه ها مورد بررسی قرار گرفت. عناصر واکنش نکرده و فاز ناخواسته در نمونه ها، چه کوره دمای بالا (600oC) داشته باشد چه دمای پایین 400oC) و 500oC)، در محصول نهایی حضور دارند با این تفاوت که در دمای بالا فاز ناخواسته اکسید تیتانیوم است و در دمای پایین Ni3Ti است. برای بهبود خواص محصول نهایی ابتدا مخلوط پودر اولیه در زمان های 0.5، 1 و 2 ساعت آسیاکاری شد و سپس نمونه ها در دمای 400oC تولید شدند. با یک ساعت آسیاکاری بهترین نتیجه حاصل شد(تقریبا نایتینول تک فاز) چراکه بیشینه دمای نمونه افزایش یافت و میزان عناصر واکنش نکرده به حداقل رسید و همچنین زمان انجام واکنش هم به قدری کم شد که فرصت اکسید شدن به تیتانیوم داده نشد. در حالیکه دو ساعت آسیاکاری باعث فعال شدن واکنش اکسیداسیون شد و بدترین نتیجه یعنی اکسیداسیون کامل رخ داد. در این روش محدودیت ابعادی وجود دارد و نمونه های بزرگ قابل تولید نیستند. در روش آسیاکاری مخلوط پودر مواد اولیه در ظروف حاوی آرگون با نسبت پودر به گلوله 1 به 40 و سرعت دور 250rpm در زمان مختلف تا 120 ساعت آسیاکاری شدند. در نتایج XRD پیک های تیتانیوم به سرعت بعد از 6 ساعت آسیاکاری ناپدید شدند در حالیکه بعد از 120 ساعت آسیاکاری پیک های نیکل حذف شدند. بعد از 6 ساعت آسیاکاری پیک نایتینول قابل مشاهده بود و بعد از 120ساعت پیک غالب ماده شد. در روش متالورژی پودر مخلوط پودر مواد اولیه با فشار 600MPa فشرده و سپس در دمای 1050oC تحت اتمسفر آرگون در زمان های مختلف تف جوشی شد. نتایج XRD نشان دهنده افزایش درصد نایتینول با افزایش زمان تف جوشی است. حذف کامل فاز Ni3Ti به علت پایداری بیشتر نسبت به نایتینول امکان پذیر نیست. پیک های مربوط به Ni بعد از 10 ساعت تف جوشی حذف شدند. به علت تخلخل زیاد در نمونه ها حتی در 10 ساعت تف جوشی رفتار حافظه داری در نمونه ها قابل رویت نیست. برای بهبود قطعات تولید شده با روش متالورژی پودر از پودرهای حاصل از روش آسیاکاری استفاده شد و سپس نمونه ها تحت پیرسازی در دمای 500oC و نیم ساعت قرار گرفتند که نمونه حاصل دارای نایتینول به عنوان فاز عمده بود ولی دمای استحاله مارتنزیتی با وجود رسوبات Ni4Ti3 بیش از اندازه پایین بود(-13oC) و امکان استفاده از رفتار حافظه داری ماده نبود. به همین دلیل از مس به عنوان عنصر سوم برای افزایش دمای استحاله مارتنزیتی و افزایش سرعت نفوذ در تف جوشی استفاده شد. چون در این روش تولید، متغیرهای تولید زیاد شدند از روش طراحی آزمایش تاگوچی استفاده شد. در روش تاگوچی اثر متغیرهای زمان آسیاکاری ، زمان تف جوشی، فشار پرس و در صد مس بر خواص دمایی و مکانیکی که توسط آزمون های DSC و فشارش اندازه گیری شدند، بررسی شد. برای بررسی فازهای نمونه ها از آزمون XRD استفاده شد. در روش تاگوچی شرایط بهینه برای رسیدن به حداکثر کرنش قابل بازیابی و بالاترین Mfبه طور هم زمان محاسبه شد. نیتجه آزمایش آزمون تاگوچی با مقدار محاسبه شده همخوانی داشت.



کلیدواژگان: آلیاژ حافظه دار، نایتینول، آسیا کاری، متالورژی پودر، سنتز احتراقی، روش تاگوچی

 
 
Title:

Experimental Production and Behavior Assessment of SMA Porous Niti Produced by Powders Sintering; (Final Version)



Abstract:

In the present study, three methods, including, conventional powder sintering, ball milling and combustion synthesis, are conducted to produce NiTi SMAs. In combustion synthesis method, pure Nicole and Titanium powders were mixed in stoichiometric portions and then cold pressed into cylindrical shapes in 150Mpa.
Green compacts were placed in the furnace at 400oC, 500oC and 600oC without protected atmosphere. The phase constituents of the specimens were determined by X-ray diffraction (XRD) analysis. Regardless of temperature unwanted phases were identified in all specimens but in 600 unwanted phase was Titanium oxide and in 400oC and 500oC it was Ni3Ti. For improving the properties of final products, the primary powder mixtures were milled for 0.5, 1 and 2 hours and then the green compacts placed in the furnace at 400c.
Due to increasing sample temperature, unreacted elements and also time of reaction decreased so that there wasn’t enough time for oxidation of Ti and so the best results was related to one hour milling. While the result of 2 hours milling was the worst due to more oxidation of Ti. In this method dimensions of specimens are limited and large samples couldn’t be produced easily.
In milling method, mixed powders milled for different times up to 120 hours, in high-energy planetary ball mill with two different sizes of hardened steel balls (f 8 mm and f 12 mm) at room temperature and argon atmosphere. After 6 hours milling NiTi producing begins and after 120 hours it becomes the dominate phase.
In powder metallurgy method, the mixed powder was cold press at 600Mpa and then green compacts sintered at 1050oC under argon atmosphere for various times. Increasing the NiTi phase by increasing the sintering time can be determined from XRD analysis, due to more stability of Ni3Ti relative to NiTi totally elimination of Ni3Ti isn’t possible. After 10 hours Ni peaks are eliminated. Sintered specimens were heat treated at 500 for 0.5 hours. NiTi was dominating phase in produced samples with Ni4Ti3 precipitate. Since the transformation temperature was very low for using the shape memory behavior of specimens, copper as third elements was used for increasing the transformation temperature and diffusion rate in sintering. Due to several process parameters, Taguchi method was utilized to achieve optimum results in minimum cost and time. In Taguchi method, effect of input parameters such as ball milling time, sintering time, pressure and copper percent investigated on the transformation temperature and mechanical properties. DSC analysis, XRD and compression tests were used for evaluating the characteristics of final products. In Taguchi method, Maximum recoverable strain and Ms were optimized as objective function simultaneously. Results show that sintering time and copper percent were the most effective parameters.



Keyword(s): NiTi Shape memory, Powder Metallurgy, Ball mill, Combustion Synthesis, Taguchi Method