تأثیر احیای ثانویه پودر تنگستن بر خواص آلیاژ W-Ni-Fe تفجوشی‌شده به روش پلاسمای جرقه‌ای

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، اصفهان، ایران

چکیده

مقدمه و اهداف: هدف از این پژوهش، بررسی تأثیر احیای ثانویه پودر تنگستن بر خواص فیزیکی و مکانیکی نمونه‌های آلیاژ سنگین تنگستن (W-4.9Ni-2.1Fe) است که با روش تفجوشی پلاسمای جرقه‌ای، تولید شده‌اند.
مواد و روش‌ها: پودر تنگستن تجاری به مدت یک ساعت در دمای ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد در اتمسفر هیدروژن احیا شد. نوع اکسید تنگستن با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی، طیف‌سنجی پراش انرژی پرتو ایکس، طیف‌سنجی رامان و آنالیز پراش پرتو ایکس بررسی شد. پودرهای تنگستن احیاشده، به مدت یک ساعت در اتمسفر هیدروژن در دمای ۱۱۵۰ درجه سانتی‌گراد پیش‌تفجوشی شدند و در نهایت در دمای ۱۴۰۰ درجه سانتی‌گراد با استفاده از روش تفجوشی پلاسمای جرقه‌ای (30 مگاپاسکال، ۱۵ دقیقه) تولید شدند.
یافته‌ها: اکسیژن پودر تنگستن با موفقیت از ppm 3000 به ppm 770 کاهش یافت. نتایج میکروسکوپی الکترونی روبشی و طیف‌سنجی پراش انرژی پرتو ایکس، نشان‌دهنده ریزساختاری یکنواخت با حداقل تخلخل و پراکندگی فازهای اکسیدی بود. سختی و استحکام فشاری، به‌ترتیب برابر با 340 ویکرز و 1611 مگاپاسکال اندازه‌گیری شد.
نتیجه‌گیری: این پژوهش تأیید می‌کند که احیای ثانویه هیدروژنی پودر تنگستن، به‌طور مؤثری مقدار اکسیژن این پودر را کاهش می‌دهد و منجر به تشکیل ریزساختاری همگن‌تر با تخلخل و پراکندگی اکسید کمتر در نمونه‌های آلیاژ سنگین تنگستن می‌شود. درنتیجه، آلیاژهای تنگستن تفجوشی‌شده به روش پلاسمای جرقه‌ای، سختی و استحکام فشاری بهبودیافته‌ای را نشان می‌دهند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Effect of Secondary Reduction of Tungsten Powder on the Properties of W-Ni-Fe Alloy Fabricated by Spark Plasma Sintering

نویسندگان [English]

  • Mohammad Hosein Kaveh
  • Gholam Hossein Borhani
  • Saeed Reza Bakhshi
Department of Materials Engineering, Malek Ashtar University of Technology, Isfahan, Iran
چکیده [English]

Introduction and Objective: The aim of this research is to investigate the effect of secondary tungsten powder reduction on the physical and mechanical properties of tungsten heavy alloys (WHAs) consolidated by the spark plasma sintering (SPS) method.
Materials and Methods: Commercial tungsten powder was reduced at 900 °C for one hour in a hydrogen atmosphere. The type of tungsten oxide was investigated using SEM, EDS, Raman spectroscopy, and XRD analysis. The reduced tungsten powders were pre-sintered in a hydrogen atmosphere at 1150 °C for one hour and finally sintered at 1400 °C using the SPS method (30 MPa, 15 min).
Results: The oxygen level of the commercial powder was successfully reduced from 3000 ppm to 770 ppm. SEM and EDS results revealed a uniform microstructure with minimal porosity and oxide dispersion. The hardness and compressive strength were measured to be 340 Vickers and 1611 MPa, respectively.
Conclusion: This study confirms that secondary hydrogen reduction of commercial tungsten powder effectively decreases oxygen content and leads to a more homogeneous microstructure with reduced porosity and oxide dispersion. As a result, the spark plasma sintered WHAs exhibited improved hardness and compressive strength.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Tungsten heavy alloys
  • Hydrogen reduction
  • Spark plasma sintering
  • Physical properties
  • Mechanical properties

مراجع

  1. Song C, Zhang G, Chou K, Yan B. Preparation of ultrafine W powder via carbothermic prereduction of tungsten oxide followed by deep reduction with hydrogen. Int J Refract Hard Met. 2020;72(1):379-384. https://doi.org/10.1007/s11837-019-03749-5
  2. Shveikin G, Kedin N. Products of carbothermal reduction of tungsten oxides in argon flow. Russ J Inorg Chem. 2014;59:153-158. https://doi.org/10.1134/S0036023614030206
  3. Vidales H, Abanades S, Gonzalez M, Rubio H. Carbo-thermal and methano-thermal reduction of WO3 to metallic W for thermochemical production of solar fuels. Energy Technol. 2016;5(5):692-702. https://doi.org/1002/ente.201600455
  4. Amiri Moghaddam A, Kalantar M. In-situ synthesis of WC-Co composite in WO3-Co3O4-C system by carbothermic reduction method. J Adv Mater Eng. 2022;36(1):121-130. (In Persian) https://doi.org/18869/acadpub.jame.36.1.121
  5. Xu W, Chunfa L. Preparation and characterization of tungsten powder through molten salt electrolysis in a CaWO4–CaCl2–NaCl system. Int J Refract Hard Met. 2012;31:205-209. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2011.11.004
  6. Tnag D, Xiao W, Yin H, Tian L, Wang D. Production of fine tungsten powder by electrolytic reduction of solid CaWO4 in molten salt. J Electrochem Soc. 2012; 159(6):139-143. https://doi.org/10.1149/2.113206jes
  7. Chai Y, Ha FY, Yam FK, Hassan Z. Fabrication of tungsten oxide nanostructure by Sol-Gel method. Procedia 2016;19:113-118. https://doi.org/10.1016/j.proche.2016.03.123
  8. Wilken T, Morcom W, Wert C, Woodhouse J. Reduction of tungsten oxide to tungsten metal. Metall Mater Trans B. 1976;7:589-597. https://doi.org/10.1007/BF02698592
  9. Kang H, Jeong Y, Oh S. Hydrogen Reduction behavior and microstructural characteristics of WO3 and WO3-NiO powders. Int J Refract Hard Met. 2019;80:69-72. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2018.12.013
  10. Fouad N, Attyia K, Zaki M. Thermogravimetry of WO3 reduction in hydrogen: kinetic characterization of autocatalytic effects. Powder Technol. 1993;74(1): 31-37. https://doi.org/10.1016/0032-5910(93)80005-U
  11. Venables D, Brown M. Reduction of tungsten oxides with hydrogen and with hydrogen and carbon. Thermochim Acta 1996;285(2):361-382. https://doi.org/10.1016/0040-6031(96)02951-6
  12. Hougen J, Reeves R, Mannella G. Reduction of tungsten oxides with hydrogen. Ind Eng Chem. 1956;48(2):318-320. https://doi.org/10.1021/ie50554a042
  13. Lassner E, Schubert W. Tungsten: properties, chemistry, technology of the element, alloys and chemical compounds. New York: Plenum Press; 1999.
  14. Chang L, Phillips B. Phase relations in refractory metal-oxygen systems. J Am Ceram Soc. 1969;52(10):527-533. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1969.tb09158.x
  15. Wriedt H. The O-W (oxygen-tungsten) system. Bull Alloy Phase Diagr. 1989;10:368-384. https://doi.org/10.1007/BF02877593
  16. Millner T, Neugebauer J. Volatility of the oxides of tungsten and molybdenum in the presence of water vapour. Nature 1949;163:601-602. https://doi.org/10.1038/163601b0
  17. Wu X, Luo J, Lu B, Xie C, Pi Z, Hu M, et al. Crystal growth of tungsten during hydrogen reduction of tungsten oxide at high temperature. Trans Nonferrous Met Soc China 2009;19(3):785-789. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(10)60152-5
  18. Al-Kelesh H, Abdel Halim K, Nasr M. Synthesis of heavy tungsten alloys via powder reduction technique. J Mater Res. 2016;31(19):2977-2986. https://doi.org/10.1557/jmr.2016.318
  19. Wu C. Preparation of ultrafine tungsten powders by in-situ hydrogen reduction of nano-needle violet tungsten oxide. Int J Refract Hard Met. 2011;29(6):686-691. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2011.05.002
  20. Sadeghi M, Rezaee S, Arman A, Tălu S, Luna C, Shakoury R. Study of the formation of tungsten powder by hydrogen reduction of ammonium paratungstate and stereometric analyses of the powder texture. Mater Res Express 2020;6(12):1265f7. https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab6763
  21. SchoderböckThe reduction of tungsten-VI-oxide to tungsten: A thermogravimetric microscale study with focus on the intermediates. Thermochim Acta 2022; 707(3):179113. https://doi.org/10.1016/j.tca.2021.179113
  22. Ding L, Xiang D, Li Y, Li C, Li J. Effects of sintering temperature on fine-grained tungsten heavy alloy produced by high-energy ball milling assisted spark plasma sintering. Int J Refract Hard Met. 2012;33:65-69. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2012.02.017
  23. Churn K, Yoon D. Pore formation and its effect on mechanical properties in W-Ni-Fe heavy alloy. Powder Metal. 2013;22(4):175-178. https://doi.org/10.1179/pom.1979.22.4.175
  24. Li X, Hu K, Qu S, Li L, Yang C. 93W-5.6Ni-1.4Fe heavy alloys with enhanced performance prepared by cyclic spark plasma sintering. Mater Sci Eng A Struct Mater. 2014;599:233-241. https://doi.org/10.1016/j.msea.2014.01.089
  25. Zimmerl T, Schubert W, Bicherl A, Bock A. Hydrogen reduction of tungsten oxides: Alkali additions, their effect on the metal nucleation process and potassium bronzes under equilibrium conditions. Int J Refract Hard Met. 2017;62:87-96. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2016.06.015
  26. Xi Z, Erdosy D, Garsia A, Duchense P, Li J, Muzzio M, et al. Pd nanoparticles coupled to WO72 nanorods for enhanced electrochemical oxidation of formic acid. Nano Lett. 2017;17(4):2727-2731. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.7b00870
  27. Ma Y, Lin C, Yeh C, Huang R. Synthesis and characterization of one-dimensional WO2 J Vac Sci Technol B Nanotechnol Microelectron. 2005;23:2141-2145. https://doi.org/10.1116/1.2050668
  28. Hu K, Li X, Qu S, Li Y. Effect of heating rate on densification and grain growth during spark plasma sintering of 93W-5.6Ni-1.4Fe heavy alloys. Metall Mater Trans A Phys Metall Mater Sci. 2013;44(9): 4323-4336. https://doi.org/10.1007/s11661-013-1789-5
  29. Shongwe M, Diouf S, Durowoju M, Olubambi P, Ramakokovhu M, Obadele B. A comparative of spark plasma sintering and hybrid spark plasma sintering of 93W-4.9Ni-2.1Fe heavy alloy. Int J Refract Hard Met. 2016;55:16-23. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2015.11.001
  30. Kuncicka L, Kočich R, Klečková Z. Effect of sintering conditions on structures and properties of sintered tungsten heavy alloy. Materials 2020;13(10)2338. https://doi.org/10.3390/ma13102338
  31. Abdallah A, Fayed A, Abdo G, Sallam M. Effect of cold isostatic pressing on the physical and mechanical properties of tungsten heavy alloys. J Eng Sci Military Technol. 2017;17(17):1-12. https://doi.org/21608/ejmtc.2017.21724
  32. Abdallah A, Fayed A, Abdo G, Sallam M. Effect of processing parameters on the mechanical and structure properties of 93W-4.9Ni-2.1Fe tungsten heavy alloys. Int Conf Aerosp Sci Aviat Technol. 2013;15:1-19. https://doi.org/10.21608/asat.2013.22217
  33. Rydosz A, Dyndal K, Kollbek K, Andrysiewicz W, Sitraz M, Marszalek K. Structure and optical properties of the WO3 thin films deposited by the GLAD magnetron sputtering technique. Vacuum 2020;177(4):109378. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2020.109378
  34. Karagoz A, Craciun V, Basim G. Characterization of nano-scale protective oxide films: application on metal chemical mechanical planarization. ECS J Solid State Sci Technol. 2015;4(2):1-8. https://doi.org/10.1149/2.0151412jss
  35. Gong X, Fan J, Ding F, Song M, Huang B, Effect of tungsten content on microstructure and quasi-static tensile fracture characteristics of rapidly hot-extruded W-Ni-Fe alloys. Int J Refract Hard Met. 2012;30(1): 71-77. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2011.06.014
  36. Mitkov M, Kaysser W. Influence of sintering and thermomechanical treatment on microstructure and properties of W-Ni-Fe alloys. In: Palmour H, Spriggs R, editors. Science of sintering. Boston: Springer; 1989. p. 243–54. https://doi.org/10.1007/978-1-4899-0933-6_21

 

 

مواد پیشرفته در مهندسی
دوره 45، شماره 2
(شماره پیاپی 53)
تیر 1405
صفحه 69-80

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار

تحت نظارت وف بومی