کامپوزیت های آلومینا- ویسکر کاربید سیلیکون

اکسید آلومینیوم (آلومینا) به صورت موفقیت آمیزی به عنوان ابزار برش در سال های اخیر و در بسیاری از کاربردهای ماشین کاری، استفاده می شوند، مخصوصاً به دلیل سختی فوق العاده و پایداری شیمیایی این کامپوزیت ها در دماهای بالا. به هر حال، استفاده از آلومینا محدود بود زیرا مقاومت به شکست آن پایین است. به عنوان یک نتیجه، بسیاری از تلاش های تحقیقاتی در طی زمان به منظور بررسی مکانیزم تافنس انجام شده است. افزایش در زمینه ی علاقه ی جهانی در مورد سرامیک ها، مزیت های قابل توجهی را در دو مقوله ی اصلی ایجاد کرده است:
* افزایش تافنس با استفاده از زیرکونیا
* افزایش تافنس با افزودن تقویت کننده و یا الیاف
ابزارهای برش که بوسیله ی مکانیزم تافنس زیرکونیا بهبود یافته اند، به صورت گسترده در صنعت مورد استفاده قرار می گیرند. تقویت آلومینا با ویسکرهای تک کریستالی سیلیکون کاربید (شکل 1)، یکی از توسعه های اخیر در این زمینه می باشد. این کامپوزیت ها، حاوی 45 % حجمی ویسکر می باشند. البته این میزان از ویسکر، به ترکیب زمینه، وابسته می باشد. به طور نمونه وار، ویسکرهای حاوی فازهای آلفا یا بتای سیلیکون کاربید و یا ترکیبی از آنها، می باشند. بسته به فروشنده، ابعاد ویسکرها می تواند از 0.05 تا 1.0 میکرون، متغیر باشد. طول این ویسکرها نیز می تواند 5 تا 125 میکرون باشد. در بررسی های اخیر، این فهمیده شده است که تافنس شکست مربوط به کامپوزیت های آلومینا- SiC حداقل دو برابر کامپوزیت های آلومینا بدون ویسکر تقویت کننده می باشد. به هر حال، ویسکرها از رشد ذرات زمینه جلوگیری می کند و برای حصول کامپوزیت هایی با درصد ویسکر بالاتر از 10 تا 15 % باید از پرس گرم، استفاده کرد. به عنوان نتیجه، بیشتر ابزارهای برش حاوی ویسکرهای تقویت کننده، دارای خواص آنیزوتروپ هستند که علت این مسئله، جهت گیری ترجیحی ویسکرها در داخل این کامپوزیت ها، می باشد. سوپرآلیاژها مواد سختی برای ماشین کاری هستند زیرا آنها به سرعت و در طی برش دچار کار سختی می شوند و استحکام خود را در دماهای بالا حفظ می کنند. به عنوان نتیجه، وقتی از سری های کاربید سمنته استفاده می شود، این ممکن است که همان سطح از بهره وری را که در طی ماشین کاری سایر انواع فلزات بدست می آید، برای این مواد نیز حاصل شود. معرفی سری های آلومینیوم اکسید- تیتانیم کاربید، در حقیقت اولین دست آورد اساسی برای برش سریع سوپرآلیاژها (در سرعت های 50 تا 200 SFPM برای کاربیدهای سمنته ی بدون پوشش) می باشد. این مسئله به دلیل سختی و استحکام بالاتر این ابزارها در دماهای بالا می باشد. توسعه ی سرامیک های بر پایه ی سیلیکون نیترید با سختی دما بالای بزرگتر و تافنس شکست بهبود یافته، موجب افزایش توان برش این مواد شده است. سری های سیالونی و سیلکون کاربیدی می توانند عمر مفید طولانی مدتی داشته باشد. این سری ها، سرعت برش بالاتری را در طی برش فلزات سخت، به همراه دارند. به هر حال، با تجاری سازی ابزارهای برش آلومینا- ویسکر SiC در سال (جدول 1) 1985، یک افزایش در سرعت ماشین کاری سوپرآلیاژها به میزان قابل توجه، مشاهده شد و سرعت این ماشین کاری به 2500 SFPM رسید. کاربرد این ابزار تقویت شده با ویسکر، در اصل ماشین کاری سوپرآلیاژهای بر پایه ی نیکل (اینکونل 718، 901 و واسپولی) می باشد.

مکانیزم های افزایش تافنس و خواص مکانیکی

دو مکانیزم افزایش تافنس برای کامپوزیت های آلومینای تقویت شده با ویسکر SiC مورد بررسی و تئوری سازی قرار گرفته است. این دو مکانیزم عبارتند از انحراف ترک و دیگری کشش ویسکر.

انحراف ترک

یک مدل انحراف ترک در مواقع بوسیل هی Faber و Evans پیشنهاد و مورد مطالعه قرار گرفته است. این مدل توصیف کننده ی اثربخشی استفاده از ذرات فاز ثانویه به منظور افزایش در تافنس شکست می باشد. این مدل بر پایه ی یک آنالیز بر روی انتقال و یا دوقلویی شدن ترک در زمان عبور از ذرات می باشد که در واقع نشاندهنده ی کاهش در انحراف القا شدده در زمان اعمال نیروی ترک می باشد. میزان عدم تطابق انبساط حرارتی میان ویسکر و زمینه، تعیین کننده ی میزان برهمکنش می باشد. در مورد کامپوزیت های آلومینای تقویت شده با SiC، ضریب انبساط حرارتی مربوط به SiC، کمتر از آلومیناست و از این رو، کشش حلقه ای و فشارهای شعاعی، در داخل زمینه وجود دارد. در حالی است که ویسکرها تحت فشار محوری هستند، زمینه تحت کشش محوری است. از آنجایی که گسترش ترک در جهت عمود بر تنش های کششی است، ترم باید ویسکرها SiC را جذب کند و موازی و یا در زایوه ی مستقیم با آنها، گسترش یابد. این مدل به طور گسترده ای برای توصیف افزایش تافنس سرامیک ها و کامپوزیت های سرامیکی، استفاده می شود. Liu و همکارانش یک مدل انحراف ترک را برای میله های دو بعدی ارائه کردند که در حقیقت اصلاح مناسبی بر مدل بیان شده بوسیله ی Faber و Evans می باشد. این مدل پیشنهاد می دهد که افزایش تافنس علاوه بر اینکه تابعی از نسبت طول به قطر و کسر حجمی ویسکرها می باشد، تابعی از جهت گیری ویسکرها و ترک ها نسبت به هم نیز می باشد. وقتی صفحه ی ترک و جهت گسترش ترک نسبت به صفحه ی ویسکرها، عمود باشند، تافنس تقریباً 7 برابر می شود و K1C نیز دو برابر می شود. به هر حال، بیشتر داده های مربوط به تافنس تجربی که موجود می باشند، کمتر از میزان پیش بینی شده به صورت تئوری است. یک دلیل برای این مسئله، ممکن است این باشد که انحراف ترک به میزان قابل توجهی به اتصال ویسکر- زمینه، وابسته می باشد. این انتظار وجود دارد که تافنس بهینه ی مربوط به کامپوزیت های آلومینایی تقویت شده با ویسکر، در زمانی حاصل می شود که ویسکرهای بدون عیب مورد استفاده قرار گیرد و سطح مشترک ویسکر- آلومینا، در شرایط بهینه قرار داشته باشد.

کشش ویسکر و پل زنی

مکانیزم کشش ویسکرها نیازمند این هستند که ویسکرهای با تافنس شکست عرضی بالا به گونه ای باشند که شکست ممکن است در طول سطح مشترک ویسکر/ زمینه، رخ دهد. در حقیقت، افزایش تافنس به دلیل این است که کار اضافی برای کشش ویسکرها از زمینه، مورد نیاز می باشد. تنش انتقال یافته به ویسکر، باید کمتر از استحکام شکست آن باشد و تنش های برشی ایجاد شده در سطح مشترک باید بزرگتر از مقاومت برشی مربوط به سطح مشترک ویسکر/ زمینه، باشد. مقاومت برشی بوسیله ی میزان اتصال، تعیین می شود. برای کامپوزیت های آلومینا- ویسکر SiC، تنش های فشاری مربوط به سطح مشترک به طور قابل توجهی موجب افزایش در مقاومت برشی مؤثر سطح مشترک ویسکر/ زمینه، می شود. Homeny و همکارانش طول بحرانی ویسکرها را برای مکانیزم کشش برابر با 2.6 میکرون، تعیین کردند. فاکتورهایی که در کشش ویسکر منتج می شود، ممکن است منجر به پل زنی ویسکرها شود. مکانیزم مربوطه در زمانی رخ می دهد که ویسکر بی عیب باقی بماند و با سطوح ترک موجود در ناحیه ی شیاردار در پشت بخش گسترش سری ترک، پل زنی کند. پل زنی نیازمند حداقل استحکام سطح مشترک می باشد تا بدین صورت بار به ویسکر انتقال یابد و بالاترین استحکام کششی ویسکر برای حفظ تنش اعمال شده در داخل شیار، حفظ شود. Becher و همکارانش یک طول ناحیه ی پل زنی را محاسبه کردند که در حد 3 تا 6 میکرون بود. این مسئله با مشاهدات مربوط به TEM تطابق داشت.
کامپوزیت های آلومینا- ویسکر SiC بوسیله ی برخی از محققین مورد بررسی قرار گرفته اند. عموماً این فهمیده شده است که تافنس شکست با افزایش میزان ویسکر، افزایش می یابد، در حالی که سختی تنها اندکی افزایش می یابد. این رفتار تا زمانی اتفاق می افتد که بارگذاری ویسکرها تا حد ممکنه بالا باشد و بدین صورت تراکم کامل، حاصل نشود. برخی از مقالات نیز به بررسی خواص و فرایندهای مربوط به کامپوزیت های حاوی ویسکر، پرداخته اند.
محققین ادعا کرده اند که تافنس شکست و استحکام شکست مربوط به آلومینای پلی کریستال به طور قابل توجهی و با استفاده از ویسکرهای SiC، افزایش می یابد و به ترتیب به 9MPa.m^(1/2) و 899 MPa می رسد. این ادعا شده است که ویسکرها همانگونه که گفته می شود به صورت مونوکریستال هستند و قطری در حدود 0.6 میکرون دارند. طول آنها نیز بین 10 تا 80 میکرون است و به صورت تصادفی در داخل زمینه ی آلومینایی، قرار داده می شوند.
Becher و Wei مقدار تافنس شکست و استحکام شکستی به ترتیب برابر با 9MPa.m^(1/2) و 800 MPa را بدست آوردند. این گزارش شده است که افزایش تافنس به جهت وابسته می باشد.
Vaughn و همکارانش فهمیدند که نوع ویسکر مورد استفاده دارای اثر قابل توجهی بر روی تافنس شکست و کار مربوط به شکست می باشد (جدول 2). همچنین تفاوت اندک در شیمی و مورفولوژی سطحی ویسکرها نیز می تواند مسئول این اثر باشد. خواص بهبود یافته در حقیقت به دلیل پل زنی ویسکر و مکانیزم کشش، ایجاد می شود. Jun و Exner اثر تافنس زیرکونیا بر روی خواص مکانیکی مربوط به ابزارهای کامپوزیتی تولید شده از آلومینای تقویت شده با ویسکرهای SiC را مورد بررسی قرار دادند. آنها فهمیدند که تافنس شکست با افزایش میزان ویسکر و همچنین افزودن زیرکونیا، افزایش یافته است (شکل 2). مقادیر سختی نیز با افزودن ویسکرها، افزایش می یابد اما با افزودن زیرکونیا، سختی کاهش می یابد (شکل 3). بهترین ترکیب سختی و تافنس با افزودن ترکیبی ویسکر و زیرکونیا، حاصل می شود.

بیشتر بخوانید:کامپوزیت های آلومینایی تقویت شده

    Lio و همکارانش فهمیدند که تافنس شکست مربوط به آلومینا، به طور قابل توجهی با افزایش میزان ویسکر، افزایش می یابد (شکل 4). این مسئله تا 40 % حجمی ویسکر، ادامه می یابد در حالی که استحکام خمشی تقریباً در 30 % وزنی ماکزیمم می شود (شکل 5). به هر حال، دانسیته ی کامپوزیت نیز با افزایش ویسکوزیته در درصد ویسکر بیشتر از 20، کاهش می یابد (شکل 6). در حقیقت تافنس به طور قابل توجهی به ریزساختار کامپوزیت وابسته می باشد، مخصوصاً توزیع ویسکرهای SiC (و نه اندازه ی دانه ی زمینه ی آلومینا).     Homcny و همکارانش شیمی سطحی مربوط به ویسکرهای SiC را مورد بررسی قرار دادند و فهمیدند که این شیمی، اثر قابل توجهی بر روی تافنس شکست کامپوزیت دارد (جدول 3 و 4). طبیعت گونه های سطحی موجب می شود تا اتصال دهی در سطح مشترک ویسکر/ زمینه تحت تأثیر قرار گیرد و بنابراین، میزان برهمکنش های ترک/ ریزساختار تحت تأثیر قرار گیرد. وجود سیلیکون اکسی کاربیدها و کربن آزاد و یا هیدرورکربن ها در حقیقت موجب افزایش تافنس می شود.   Becher و Tiegs وابستگی دمایی تافنس شکست را مورد بررسی قرار دادند. تافنس آلومینای تقویت شده با 20 % حجمی ویسکرهای SiC در دماهایی تا 1100 درجه ی سانتیگراد و در اتمسفر هوا، حفظ می شود (شکل 7). مقادیر استحکام شکست به طور آهسته با افزایش دما تا 1100 درجه ی سانتیگراد، کاهش می یابد (شکل 8)، در حالی که نرخ وزن گیری دانه ها با دما افزایش می یابد (شکل 9). وابستگی دمایی رفتار مکانیکی نیز به واکنش های اکسیداسیونی در این ترکیبات، وابسته می باشد. در واقع در این حالت، پدیده ی خزش، در کاهش استحکام و افزایش تافنس در دماهای بالاتر از 1100 درجه ی سانتیگراد، مؤثر می باشد. خلوص و یکنواختی مربوط به مواد اولیه نیز بر روی خواص مؤثر می باشند.     استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.

منبع مقاله :
CERAMIC CUTTING TOOLS/ Materials, Development, and Performance/ E. Dow Whitney