in , ,

Elmasla Güçlendirilmiş Titanyum Metal Matrisler

Elmasla güçlendirilmiş titanyum metal matriks kompozitlerdeki mekanik özelliklerin ve güçlendirme mekanizmalarının takviye boyutuna etkisi.

Özet

Elmas partikülleri takviye edilmiş titanyum matris kompozitler (TiMMC) 5, 100, 200 nm ve 3 µm’lik farklı takviye boyutlarında spark plazma sinterleme tekniği ile imal edilmiştir. Takviye boyutunun TiMMC’deki mekanik özellikleri ve tribolojik (Sürtünme ve Aşınma) özellikleri üzerindeki etkileri nano ölçekli boyutlarda incelenmiştir. Bu çalışma sonucunda kompozitin mukavemetindeki artış, yük transferleri, termal uyumsuzluklar, tanecik boyutları, Orowan güçlendirmesi ile karakterize edilen güçlendirme mekanizmaları hakkında bilgiler edinilmiştir. Güçlendirme mekanizmaları nicel olarak analiz edilmiş ve parçacık boyutunun etkilerini ortaya koymuştur.

Sonuçlar 5 nm  elmas partiküllerinin mukavemet arttırdığını ortaya koymuştur. Daha küçük boyutlardaki elmas partikülleri daha yüksek mukavemet sonuçları elde ettiği halde tribolojik özellikleri ve süreklilik açısından daha avantajlıdır.

, Elmasla Güçlendirilmiş Titanyum Metal Matrisler, BilgData
(A) 5 nm, (B) 100 nm, (C) 200 nm, (D) 3 µm.

Giriş

Takviye boyutunun etkisini değerlendirmek için TI matrisine farklı parçacık boyutlarına sahip elmaslar eklenmiştir. TEM (ac) ve SEM (d) mikrograflar kompozit takviye fazları olarak kullanılan farklı boyutlarda elmas dört tip şeklinde gösterilir. Mikrograflarda yapılan istatistiksel ölçümlere dayanarak, elmasın ortalama boyutu yaklaşık 5 nm’dir (şek. 1a), 100 nm (şek. 1b), 200 nm (şek. 1c) ve 3 µm (şekil. 1D), sırasıyla. Buna ek olarak, şekildeki elmasların düzensiz morfolojisi görülebilir.

, Elmasla Güçlendirilmiş Titanyum Metal Matrisler, BilgData
XRD desenler titanyum/elmas karışımları; önce (a) ve sonra (b) SPS.

200 nm ve 3 µm’den daha büyük elmas boyutu için, XRD sonuçları TiC varlığını doğruladı. Ancak, 5 ve 100 nm NDs için TEM sonuçlarının aksine, bu örneklerde karbürün varlığı XRD tarafından tespit edilemedi, tik fazının çok düşük bir içeriğine ve 200 nm ve 3 µm daha büyük elmas boyutu için nano-metrik parçacıkların çok küçük maruz kalma alanına bağlı olabilir, XRD sonuçları tik varlığını doğruladı.

, Elmasla Güçlendirilmiş Titanyum Metal Matrisler, BilgData
Elmas/Titanyum kompozitlerin kazınmış yüzeyinin SEM mikrografları; (a) 5 nm (B) 100 nm (c) 200 nm (d) 3 µm. (e) elmas parçacık boyutu ile yoğunluk ve bağıl yoğunluk değişimi.

Farklı parçacık boyutlarına sahip elmaslarla güçlendirilmiş titanyum nanokompozit’lerin kazınmış kesitinin temsili sem mikrografları şekil 3’te görüldüğü gibidir.
5 nm d / Titanyum kompozit neredeyse hiç gözeneğe sahip değildir ve tamamen yoğunlaşmıştır. Bununla birlikte, elmas boyutu 5nm’den 3µm’ye yükseldikçe, gözenek miktarları (şekildeki yeşil oklarla işaretlenmiş küçük karanlık alanlar.) yavaş yavaş artar ve çoğunlukla parçacık sınırlarında bulunurlar.

Her mekanizmanın farklı elmas partikül boyutları ve karşılık gelen deneysel ve teorik mukavemet için akma mukavemetinin geliştirilmesine katkısı.

, Elmasla Güçlendirilmiş Titanyum Metal Matrisler, BilgData
Metal Matris – Elmas parçacık boyutları ve yapılan test sonuçları.

Her mekanizmanın akma mukavemetinin iyileştirilmesine katkısı şekil 8’deki gibi farklı elmas parçacık boyutları içindir. Mikron boyutlu partikül takviyeli kompozitte (3 µm elmas) Orowan güçlendirme önemli değildir, çünkü bu durumda takviyeler kaba ve parçacıklar arası aralık büyüktür. Öte yandan, nanopartiküller (özellikle 5nm NDs) dislokasyonlarla oldukça etkileşime girebilir ve nano – kompozitlerin gücünü artırabilir. Bu, yakın aralıklı nanopartiküllerin dislokasyonların geçmesine karşı direnci ile elde edilebilir. Elmasın hacim fraksiyonu (=0.48 vol%) yüksek olmadığından, yük transfer katkısı göz ardı edilebilir. CTE güçlendirme mekanizması ile ilgili olarak, 5 nm NDs takviyeli nanokompozitler verim gücü artması, özellikle kompozit, mikron parçacık takviyeli kompozit daha yüksek bulunabilir. Nanokompozitler için termal uyumsuzluğa bağlı güç artışının deneysel sonuçlarla tutarlı olmadığı bildirilmiştir. Nanopartiküllerin boyutu azaldığında, nanopartikül ve matris arasındaki termal genleşme uyumsuzluğundan dolayı iç gerilmeler azalmaktadır.

Sonuç

Mevcut çalışmada, elmas parçacıkları takviyeli titanyum matriskompositleri SPS tekniği ile başarılı bir şekilde sentezlenmiştir .(900 °C, 10 dakika, 60 MPa koşulu altında). Kompozitlerin mekanik ve tribolojik özelliklerinin yanı sıra mikro yapılarda takviye boyutunun etkisini aydınlatmak için dört farklı elmas boyutu (5nm, 100nm, 200nm ve 3µm) kullanılmıştır. Kompozitlerin mukavemetindeki artış, yük transferi, termal uyumsuzluk, tane boyutu ve Orowan modelleri de dahil olmak üzere mukavemet oluşturma mekanizmaları temelinde araştırılmıştır. Verim gücünün geliştirilmesi için her mekanizma katkısı farklı elmas parçacık boyutları için çalışılmıştır.

Önerilen modele dayanarak, orowan güçlendirme mikron boyutlu parçacıklar takviyeli kompozit (3µm elmas) önemli değildi, nanopartiküller (özellikle 5 nm NDs) dislokasyonlarla yüksek oranda etkileşime girebilir ve Orowan mekanizması ile nanokompozitlerin gücünü artırabilir. Ayrıca, mikro-kompozit için mukavemetin küçümsenmesinin ana sebebinin, basit bir karışım analizi kuralından ziyade uygulanan yükün çoğunu 3 µm elmasların taşıyabileceğidir. Dahası, nanokompozitler için termal uyumsuzluğa (CTE) bağlı güç artışı, eski perimental sonuçlarla tutarlı değildi.

Sıkıştırma testine göre, 3 µm d/Ti numunesinin akma mukavemetinin 5 nm ND / Ti kompozitinden (1039 MPa vs 1024 MPa) biraz daha yüksek olduğu bulunmuştur.

Bununla birlikte, ikinci örnek için başarısızlık gerilme miktarı (%50.46), diğer örneklere kıyasla 5 nm ND/Ti kompozit yüksek süneklik ve çok iyi plastisite gösteren, eski bir (%39.23) çok daha yüksekti. Bu sonuç, titanyum matrisinin yüksek mukavemet ve mükemmel süneklik kombinasyonu ile NDS tarafından takviye edilebileceğini doğrulamaktadır.

Buna ek olarak, nano – kompozitlerin basınç akma mukavemeti ve sertliğinin, nds’nin parçacık boyutunu 200 (≥938 MPa, ≥ 310 HV) ila 5 nm (≥1024 MPa, ≥ 330 HV) arasında azaltarak geliştirilebileceği bulunmuştur.

https://www.journals.elsevier.com/composites-part-b-engineering
Türkçeye çevrilip derlenmiştir.

Yazar Mert Deveçeker

Teknoloji Sever.
Yazar-Çizer-Okur-Öğrenir.
Makine Mühendisi.

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir