تأثیر زمان آسیاکاری بر ریزساختار و خواص مکانیکی HfB2-ZrB2-TiB2 تف‌جوشی شده به روش پلاسمای جرقه‌ای

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی مواد، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران

چکیده

هدف از انجام پژوهش حاضر بررسی تأثیر زمان آسیاکاری بر خواص سرامیک HfB2-ZrB2-TiB2 می‌باشد. برای این منظور پودرهای ZrB2 ،HfB2 و TiB2 با نسبت‌های حجمی برابر برای زمان‌های 15، 30 و 45 ساعت آسیاکاری شدند و با استفاده از روش جرقه پلاسما در دمای 2000 درجه سانتی‌گراد تفجوشی شدند. شناسایی فاز با استفاده از دستگاه تفرق اشعه ایکس انجام شد. بررسی‌های ریزساختاری با استفاده میکروسکوپ الکترونی روبشی انجام شد. سختی و چقرمگی شکست  نمونه‌ها  به‌ترتیب با استفاده از روش سختی‌سنجی ویکرز و اندازه‌گیری طول ترک ارزیابی شد. نتایج آنالیز تفرق اشعه ایکس پودرهای آسیا شده نشان داد که با افزایش زمان آسیاکاری از 15 تا 45 ساعت اندازه بلورک‌ها کاهش یافت و از 106/9 نانومتر به 59/2 نانومتر رسید. در اثر تف‌جوشی از تعداد و شدت پیک‌ها به میزان قابل توجهی کاسته شد که  نشان‌دهنده کاهش ناخالصی‌های اکسیدی و تشکیل محلول جامد است. افزایش زمان آسیاکاری سبب تشکیل بیشتر محلول جامد می‌شود. حداکثر مقادیر چگالی نسبی، سختی و چقرمگی شکست در نمونه آسیاکاری شده به مدت 45 ساعت به‌ترتیب با مقادیر 99/8 درصد، 27/3 گیگاپاسکال، MPa.m0.5 5/5 به‌دست آمد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Effect of Milling Time on the Microstructure and Mechanical Properties of HfB2-ZrB2-TiB2 Sintered via SPS

نویسندگان [English]

  • A. Masdar
  • Z. Balak
Department of Materials Science and Engineering, Ahvaz Branch, Islamic Azad University, Ahvaz, Iran
چکیده [English]

The aim of this research was to investigate the effect of milling time on the properties of HfB2-ZrB2-TiB2 ceramic. For this purpose, HfB2, ZrB2, and TiB2 powders with equal volume ratios were ground for 15, 30, and 45 hours and sintered using spark plasma sintering method at 2000 °C. X-ray diffraction was employed for phase identification. Microstructural studies were performed using a scanning electron microscope. The hardness and fracture toughness of the samples were evaluated using the Vickers hardness test and crack length measurement, respectively. The X-ray diffraction  results of the ground powders showed that the size of the crystallites decreased from 106.9  nm to 59.2 nm with increasing the grinding time from 15 to 45 hours. As a result of sintering process, the number and intensity of the peaks decreased significantly indicating the reduction of oxide impurities and the formation of a solid solution. Increasing the milling time led to the formation of further solid solution. The maximum values ​​of relative density, hardness, and fracture toughness in the sample milled for 45 hours were obtained to be 99.8%, 27.3 GPa, and 5.5 MPa.m0.5, respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Ball milling time
  • ZrB2
  • TiB2
  • HfB2
  • Spark plasma sintering
  • Microstructure
  • Mechanical properties

مراجع

  1. Akrami S, Edalati P, Fuji, M, Edalati K. High-entropy ceramics: Review of principles, production and applications. Mater Sci Eng R Rep. 2021; 146: 100644. https://doi.org/10.1016/j.mser.2021.100644
  2. Zhang Y, High-Entropy Materials: A Brief Introduction. Cham: Springer; 2019. https://doi.org/ 10.1007/978-981-13-8526-1
  3. Luo P, Shi-jie D, Yangli A, Sun S, Zhixiong X, Zhong Z, Yang W. ZrB2-TiB2 Nanocomposite Powder Prepared by Mechanical Alloying. Rare Metal  Mat  2016; 45(6): 1381-1385. https://doi.org/10.1016/ j.mser.2021.100644
  4. Galán CA, Ortiz AL, Guiberteau F, Shaw LL. Crystallite Size Refinement of ZrB2 by High-Energy Ball Milling. J Am Ceram Soc. 2009; 92(12): 3114-3117. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2010.04051.x
  5. Gild J, Zhang Y, Harrington T, Jiang S, Hu T, Quinn MC, Mellor WM, Zhou N, Vecchio K, Luo J. High-Entropy Metal Diborides: A New Class of High-Entropy Materials and a New Type of Ultrahigh Temperature Ceramics. Sci Rep. 2016; 6(1): 37946. https://doi.org/10. 1038/srep37946
  6. Yeh J-W, Chen S-K, Lin S-J, Gan J-Y, Chin T-S, Shun T-T, Tsau C-H, Chang S-Y. Nanostructured High-Entropy Alloys with Multiple Principal Elements: Novel Alloy Design Concepts and Outcomes. Adv Eng Mater 2004; 6(5): 299-303. https://doi.org/10.1002/adem.200300567
  7. Cantor B, Chang ITH, Knight P, Vincent AJB. Microstructural development in equiatomic multicomponent alloys. Mater Sci and Eng: A. 2004; 375-377: 213-18. https://doi.org/10.1016/j.msea. 2003.10.257
  8. Yang W, Xiao G, Ren Z. Spark plasma sintering synthesis of ReB2-type medium-entropy diboride (W1/3Re1/3Ru1/3)B2 with high hardness. Scr Mater. 2023; 227: 115299. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat. 2023.115299
  9. Balak Z, Zakeri M, Rahimipour MR, Salahi Taguchi design and hardness optimization of ZrB2-based composites reinforced with chopped carbon fiber and different additives and prepared by SPS. J Alloys Compd. 2015; 639: 617-625. https://doi.org/ 10.1016/j.jallcom.2015.03.131
  10. Darihaki F, Balak Z, Eatemadi R. Effect of nano and micro SiC particles on the microstructure and fracture toughness of ZrB2-SiC nanocomposite produced by SPS method. Mater Res Express. 2019; 6(9): 095608. https://doi.org/1088/2053-1591/ab2e45
  11. Kavakeb K, Balak Z, kafashan H. Densification and flexural strength of ZrB2–30 vol% SiC with different amount of HfB2. Int J Refract Met Hard Mater. 2019; 83: 104971. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2019.104971
  12. Zhang L, Huang Z, Liu Y, Shen Y, Li K, Cao Z, Ren Z, Jian Y. Effects of Mechanical Ball Milling Time on the Microstructure and Mechanical Properties of Mo2NiB2-Ni Cermets. Mater. 2019; 12(12): 1926. https://doi.org/10.3390/ma12121926
  13. Hu DL, Gu H, Zou J, Zheng Q, Zhang GJ. Core‒rim structure, bi-solubility and a hierarchical phase relationship in hot-pressed ZrB2‒SiC‒MC ceramics (M=Nb, Hf, Ta, W). J Materiomics. 2021; 7: 69–79. https://doi.org/1016/j.jmat.2020.07.005
  14. Yu R, Sun E, Jiao L, Cai Y, Wang H, Yao Y. Crystal structures of transition metal pernitrides predicted from first principles. RSC Adv. 2018; 8(64): 36412-36421. https://doi.org/10.1039/C8RA07814A
  15. Ma H-B, Zou J, Zhu JT, Liu LF, Zhang GJ. Segregation of tungsten atoms at ZrB2 grain boundaries in strong ZrB2-SiC-WC ceramics. Scr Mater. 2018;157: 76-80. https://doi.org/10.1016/j. scriptamat.2018.07.038
  16. Balak Z, Zakeri M, Rahimipur MR, Salahi E, Nasiri H. Effect of open porosity on flexural strength and hardness of ZrB2-based composites. Ceram Int. 2015; 41(7): 8312-8319. https://doi.org/10.1016/j. ceramint.2015.02.143

 

 

 

 

مواد پیشرفته در مهندسی
دوره 43، شماره 4
آذر 1403
صفحه 51-68

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار

ارتقاء امنیت وب با وف ایرانی