روش های زینترینگ ترمومکانیکی

عملیات ها ترمومکانیکی ترکیبی از عملیات های گرمایی و مکانیکی است که باعث ایجاد ویژگی های فوق العاده در مواد می شود. اغلبا تغییر شکل پلاستیک در سرامیک ها محدود است از این رو فرایندهای دما بالا می تواند موجب ایجاد نرم شوندگی در مواد سرامیکی شود که در حال شکل دهی هستند. علاوه بر این دمای بالا با ریز شوندگی مکانیکی همراه است که این موضوع نیز می تواند باعث القای استحاله های فازی شود که این استحاله ها نیز بوجود آمدن عیوب کریستالی خاصی در ماده را محدود می کنند. در این باره، دو درجه آزادی( فشار و دما) برای بدست آوردن اجزای با دانسیته بالا، نقش بازی می کنند( شکل 1). تکنیک های خاصی برای فرایند ترمومکانیکی مورد استفاده قرار می گیرد. این تکنیک ها عبارتند از نورد گرم، فورجینگ زینتری، پرس گرم، پرس ایزواستاتیک گرم( HIP) و اکستروژن. این تکنیک ها در این مقاله مورد بررسی قرار می گیرند.
پرس گرم
پرس گرم یک فرایند فشرده سازی متداول است که در آن از فشار و حرارت همزمان( دماهایی بالاتر از دمای ری کریستالیزاسیون)، استفاده می شود. شماتیکی از این فرایند و واحد پرس گرم واقعی در شکل 2a و 2b آورده شده است. پرس گرم از تکنیک های متالورژی پودر متفاوت است. تفاوت میان آنها در این است که در روش پرس گرم فشار و حرارت به طور همزمان اعمال می شود تا بدین صورت زینترینگ و خزش همزمان رخ دهد اما در تکنیک های متالورژی پودر تنها حرارت اعمال می شود. پودرهای سرامیکی به داخل قالب تغذیه می شود و برای یک مدت معین ( از چند دقیقه تا چند ساعت) در دمایی در گستره ی ℃1000-2200، تحت فشارهای 10-50MPa قرار داده می شود تا بدنه ای سرامیکی با دانسیته ی بالا حاصل گردد. کامپوزیت های سرامیکی می تواند با دانسیته ای در حدود 100% تولید شوند و اغلبا دانسیته هایی بیش از 95 % دانسیته های تئوری حاصل می شود. فشار و دمای بالای همزمان اجازه می دهد تا آرایش منظمی از ذرات ایجاد شود و اجازه داده شود تا جریان پلاستیک ایجاد شود. در این حالت( دما و فشار بالا)، بدنه ی سرامیکی با حداقل تخلخل ایجاد می شود( کاهش تخلخل در خلأ و یا تحت اتمسفر معمولی رخ می دهد). زمان های مورد استفاده در زینترینگ گرم، دما و فشار برای انواع مختلفی از سرامیک ها در جدول 1 آورده شده است. مسئله ی پیچیده انتخاب مواد برای قالب این است که باید ماده ای انتخاب کنیم که بتواند در برابر یک چنین دماها و فشارهای بالایی تحمل داشته باشد و با ماده ی سرامیکی واکنش ندهد. اغلبا گرافیت به عنوان ماده ی مورد استفاده برای محفظه ی پودر مورد استفاده قرار می گیرد. این ماده دماهای بالا را تحمل می کند و درنتیجه با استفاده از آن می توان سرامیک های فشرده را در دماهای بالا تولید کرد. مکانیزم های زینترینگ در این نوع از پرس، نفوذ سطحی، مهاجرت جاهای خالی و نفوذ بالک می باشد.
حرارت دهی پودر فشرده ی سرامیکی می تواند به یکی از روش های زیر انجام شود:
حرارت دهی القایی:
حرارت دهی القایی از طریق استفاده از میدان الکترومغناطیسی با فرکانس بالا( ایجاد شده بوسیله ی پیچه ی القایی) انجام می شود. به دلیل اینکه فشار و دما می توانند به صورت مستقل کنترل شوند، فاز مایع می تواند همچنین در فشارهای پایین نیز وجود داشته باشد. اتصال القایی مناسب با قالب گرافیتی می تواند باعث شود رسانایی گرمایی مناسبی بین قالب و پیچه ایجاد گردد. به هر حال تفاوت غیر یکنواخت در فاصله ی هوایی میان قالب و پیچه ی القایی می تواند موجب حرارت دهی غیر یکنواخت قالب ( ودر نتیجه ماده ی سرامیکی) شود. همچنین سرعت حرارت دهی باید کنترل شود زیرا در سرعت های حرارت دهی بسیار پایین، رشد دانه رخ می دهد در حالی که در سرعت های بالای حرارت دهی، تنش های گرمایی ایجاد می شود و امکان آسیب دیدن قالب وجود دارد.
حرارت دهی مقاومتی غیر مستقیم
در حرارت دهی مقاومتی غیر مستقیم، قالب پر شده از ماده ی سرامیکی در داخل محفظه قرار داده می شود. و محفظه به صورت مقاومتی حرارت دهی می شود. در این حرارت دهی المان های حرارتی در محقظه ی خود قرار گرفته اند. جریان الکتریکی از میان المان های حرارتی عبور می کنند و در نتیجه اثر به ما اجازه می دهد تا المان را گرم کرده و انتقال حرارت از طریق همرفت موجب می شود تا قالب گرم شود. از آنجایی که سرامیک قرار گرفته در داخل قالب به صورت غیر مستقیم حرارت دهی می شود( یعنی ابتدا المان ها گرم شده و سپس قالب)، این نوع از حرارت دهی حرارت دهی مقاومتی غیر مستقیم نامیده می شود.
از آنجایی که حرارت دهی غیر مستقیم است، دماهای بالا بدون ایجاد نگرانی در مورد رسانایی قالب، قابل دسترسی است. به هر حال این حرارت دهی زمان زیادی تری طول می کشد، زیرا حرارت دهی غیر مستقیم است و ابتدا محفظه دمای هدف را دریافت کرده و سپس تنها سطح قالب است که دمای مورد نیاز برای زینترینگ سرامیک را دریافت می کند.
حرارت دهی مستقیم:
در حرارت دهی مستقیم، قالب به منبع برق متصل است و به صورت مستقیم حرارت داده می شود. این کار از طریق حرارت دهی مقاومتی در زمان هایی انجام می شود که جریان از طریق قالب عبور می کند. تماس مستقیم اجازه می دهد تا توانایی حرارت دهی سریع قالب و بالابردن فعالیت منبع جریان وجود داشته باشد و بتوان زینترینگ را در زمان های کوتاه تر و در دماهای پایین تر انجام داد. مزیت این روش این است که فواصل هوایی میان ذرات یک مسیر مقاومتی بالا ایجاد می کنند و از این رو حرارت دهی بالاتر است( به خاطر اثر ) و حرارت دهی بیشتر موجب می شود تا نرم شدگی بیشتری در ماده ایجاد شود و از این رو جامد یکنواخت تری ایجاد می شود. زمان های زینترینگ در این حالت تنها چند دقیقه می باشد و دماهای مورد استفاده نیز معمولا کمتر از دماهای زینترینگ مرسوم است. از این رو حرارت دهی مستقیم یک کاهش در هزینه ی فرایند را در بر دارد. این کاهش در هزینه به واسطه ی کاهش در زمان فرایند، کاهش در دمای فرایند و افزایش عمر قالب، ایجاد می شود.
Rangaraj یک ریزساختار با دانسیته ی بالا از کامپوزیت SiC، و Ni تولید کردند که در شکل 3 مشاهده می شود. دانسیته در این کامپوزیت به 98 % دانسیته ی تئوری نزدیک شده است زیرا عملیات جامد شدن در فاز مایع انجام شده است. وقتی زمان طولانی شود، زینترینگ اغلب منجر به رشد دانه می شود. این رشد می تواند با فرمول زیر نشان داده شود:

که در اینجا G برابر اندازه ی متوسط دانه، G_0 اندازه ی دانه ی اولیه، K یک ثابت و t زمان زینترینگ و n برابر ضریب رشد می باشد. از لحاظ تئوری، n تقریبا 0.5 می باشد اما ناخالصی و حفرات از رشد دانه جلوگیری می کند و از این رو ضریب رشد دانه کاهش می یابد. اثر زمان زینترینگ و دمای آن بر روی اندازه ی دانه ی در شکل 4 نشان داده شده است .
اکستروژن
اکستروژن فرایندی است که در آن یک شمشال سرامیکی از میان یک قالب عبور می کند. با عبور این شمشال یک میله، یک شمشال دیگر و یا یک لوله ایجاد می شود( شکل 5a). اکستروژن افقی با ظرفیت بین 200-12000 تن به صورت متداول مورد استفاده قرار می گیرد. در این اکسترودرها معمولا فشار مورد استفاده بین 30-1000MPa می باشد. روانساز مورد استفاده در دماهای بالا معمولا شیشه است. مزیت ذاتی فرایند اکستروژن معمولا ایجاد شکل های هندسی با عرض مقطع پیچیده است. با استفاده از این روش می توان مواد سرامیکی ترد را با شکل های پیچیده در مقطع تولید کرد. این فرایند با فشردن تیوب خمیر دندان قابل مقایسه است. با فشار دادن تیوب خمیر دندان سطح مقطع یکنواختی از خمیر دندان از دهانه ی آن خارج می شود. در اکستروژن، سرامیک ها از میان قالبی عبور می کنند که یکی از انتها های آن باز است و از طریق ایجاد فشار، یک توسط یک بازو، ماده ی سرامیکی به طور یکنواخت از قالب خارج می شود. وسایل مورد استفاده در این فرایندد به اکسترودرهای مستقیم و غیر مستقیم تقسیم بندی می شوند:
اکسترودرهای مستقیم:
در این وسایل، جریان مستقیمی از مواد وجود دارد و بازوی محرک با جهت حرکت جریان در یک جهت قرار دارند. در این وسایل با فشار اعمال شده بوسیله ی بازو، ماده ی سرامیکی قرار گرفته در حفره ی قالب، عبور کرده و از قالب خارج می شود( شکل 5b). یک محدودیت ذاتی روش اکسترود مستقیم این است که در آن نیروی اصطکاکی بالاتری بر روی سطح کل شمشال وارد می شود تا بدین وسیله شمشال بتواند از خروجی قالب خارج گردد. از این رو فشارهای بسیار بالایی برای شروع فرایند اکسترود نیاز است. با وجود اینکه فشار مورد نیاز در زمانی که ماده مورد استفاده تمام می شود، کاهش می یابد، اما دوباره در طی اتمام و زمانی که تغذیه ی سرامیکی به طور کامل انجام می شود، ماده ی مورد استفاده به طور شعاعی به خروجی نزدک و خارج می شود. از این رو قسمت انتهایی شمشال اقتصاد فرایند را تحت تأثیر قرار می دهد و عموما باید آن را جدا نمود.
اکستروژن غیر مستقیم یا رو به عقب:
در این تجهیزات، جهت جریان ماده و حرکت بازوی ایجاد کننده ی نیرو در جهت مخالف هم واقع شده اند. در واقع ماده از میان بازو و قالب خارج می شود و خروجی نزدیک بازوی ایجاد کننده ی انرژی واقع شده است بنابراین شمشال خارج شده( یا تیوب یا میله ی خارج شده ) در جهت عکس حرکت بازو، حرکت می کند( شکل 5c). در اینجا مزیت این است که ماده وقتی خارج می شود که بازو به سمت داخل حرکت کند. بنابراین تنها نیروی اصطکاکی ماده ی درحال خارج شدن وجود دارد و باید بر آن غلبه نمود. این مسئله به ما اجازه ی اکسترود کردن قطعات با سطح مقطع بزرگتر را می دهد. همچنین سرعت اکستروژن در این روش بالاتر است و به دلیل کاهش اصطکاک، حرارت دهی کمتری نیاز است. بنابراین عمر قالب در این روش بیشتر است. همچنین شمشال تولیدی در این روش یکنواخت تر است و عیوب ثانویه ی کمتری در آن ایجاد می شود. محدودیت ذاتی این روش محدود بودن طول ماده ی اکسترود شده می باشد که این طول به طول میله ی بازوی ایجاد فشار، بستگی دارد. علاوه بر این ناخالصی های سطحی شمشال اولیه ممکن است سطح ماده ی اکسترود شده را تحت تأثیر قرار داده و از زیبایی آن بکاهد.
جدا از تولید ساختارهای با داتسیته ی بالا، اکستروژن می تواند همچنین برای تولید سرامیک های مهندسی با تخلخل های پیوسته مورد استفاده قرار گیرد. برای ایجاد کامپوزیت های متخلخل از ، SiC با یک عامل ایجاد تخلخل و یک هسته ی پلیمری اکسترود می شود و سپس کشیده و با عبور از اکسترودرهای ثانویه، نازک می شود( شکل 6). بعدا هسته ی پلیمری( ماده ی پرکننده) می تواند سوزانده شده و یک کامپوزیت با متخلخل های متصل به هم ایجاد شود.
پرس ایزواستاتیک گرم
اغلبا پرس تک محوره سطحی را تحت فشار قرار می دهد که فشار بر روی آن اعمال شده است و سپس نیرو در طول محور اعمال بار، عبور می کند. این مسئله یک مشکل است که سطوح بالا و پایینی نسبت به هسته ها و بخش های جانبی بیشتر فشرده شوند. از این رو واژه ی پرس ایزواستاتیک گرم برای اشاره به فرایند پرس گرمی مورد استفاده قرار می گیرد که در آن فشار استاتیکی مشابه از مایع( گاز یا مایع) بر روی پودر ایجاد می شود. با این کار فشار اعمالی به تمام سطوح نمونه وارد می شود( شکل 7a). یک واحد پرس ایزواستاتیک گرم نمونه وار در شکل 7b نشان داده شده است. بدنه ی سرامیکی در داخل یک محفظه ی با دمای بالا فرو برده می شود و فشار بالایی از یک گاز خنثی بر روی پودر سرامیکی اعمال شده و آن را زینتر می کند. از این رو یک بدنه ی یکپارچه ی سرامیکی با دانسیته ی بالا بوجود می آید که دارای ریزساختاری یکنواخت است. کاهش تخلخل، افزایش استحکام و سختی و یکنواختی ریزساختار در پرس ایزواستاتیک گرم ایجاد می شود. در پرس ایزواستاتیک گرم از محفظه ای استفاده می شود که به صورت یک محفظه عمل می کند و بدنه ی خام سرامیکی در داخل آن قرار داده می شود( شکل 7c).
سپس محفظه آب بندی شده و فشار گاز در داخل آن افزایش می یابد تا حدی که مقدار آن به مقدار مورد نیاز برای زینترینگ برسد. ماده در داخل یک محفظه ی انعطاف پذیر کپسوله نشده است و ایجاد یکپارچکی می تواند حتی در زمانی که تخلخل های بسته در ماده وجود دارند، انجام شود. در این فرایند ابتدا قالب بوسیله ی پودر سرامیکی پر شده، سپس در خلأ حرارت دهی می شود تا بخارات آن از بین برود و سپس با استفاده از فشار در دمای بالا، بدنه ای با دانسیته ی بالا ایجاد می شود.
پرس گرم برای تولید سیلیسیم کاربید تقویت شده با آلومینا در دمای و فشار 200MPa به مدت 1 ساعت مورد استفاده قرارگرفته است و توانسته بدنه ای با ویژگی تافنس شکست قابل توجه تولید کند( تافنس از 3.1-4.3 به 4.3-5.8 افزایش می یابد. این مسئله به دلیل گسترش ترک در طول مرزدانه هایی ایجاد می شود که مقاومت بالاتری در برابر گسترش ترک دارند. و همچنین این مسئله به دلیل افزایش ناحیه ی مرزدانه ای ایجاد می شود. تصویر گرفته شده بوسیله ی میکروسکوپ الکترونی روبشی از این کامپوزیت در شکل 8a نشان داده شده است. علاوه براین در مواقعی که دمای زینترینگ بالاست، نیاز به تشکیل فاز یوتکتیک مایع داریم. همانطور که از تصاویر گرفته شده از میکروسکوپ الکترونی عبوری در شکل 8b مشاهده می شود، اتصال در نقاط سه گانه ی دانه ای آگلومره شده است.
نورد گرم
نورد گرم فرایند عبور ورق یا شمش از میان غلطک ها در دمای بالاست. با استفاده از این فرایند، بافت ایجاد می شود و سطح مقطع کاهش یافته و یا شکل مورد نیاز بدست می آید( شکل 9). دو یا تعداد بیشتری از غلطک های چرخنده به صورت افقی در جهات مخالف حرکت می کنند و اجازه می دهند تا شمش ها از میان آنها بگذرد و با این عمل، سطح مقطع اولیه کاهش می یابد. از این رو شمش های سرامیکی نیروهای فشاری را عمود بر جهت حرکت شمش، بر آن اعمال می کند. در نتیجه، ماده با تنش های فشاری به سمت خود جمع می شود و نیروهای اصطکاکی موجود، نیروی برشی را القا می کند که به ریز شدن دانه ها کمک می کند. نورد گرم در دماهای بالاتر از دمای ری کریستالیزاسیون ماده انجام می شود. دو سیلندر نورد کننده شمش را فشرده و کار مکانیکی برروی آن ایجاد می کند در حالی که ری کریستالیزاسیون در دماهای بالا رخ می دهد و اندازه ی دانه در طی کار گرم ماده ی سرامیکی، کاهش می یابد. نورد گرم اجازه می دهد تا تغییر شکل آسان تر در ماده ی سرامیکی به دلیل پلاستیسیته ی القا شده در دمای بالا، رخ دهد. نورد گرم دانسیته ی بالاتری ایجاد می کند و به دلیل ساختار دانه ای ریز، استحکام بالا، داکتیلیته ی بالا، تافنس بالا ایجاد می شود و کارایی غلطک ها نیز افزایش می یابد.
نورد گرم آلومنیوم تقویت شده با آلومینا با استفاده از یک نورد 10 سانتیمتری در سرعت 8 متر بر دقیقه با 10 % کاهش ضخامت در هر عبور( 70 % کاهش کلی)، در دمای اتفاق می افتد. کامپوزیت نورد شده در دمای به مدت 2-3 دقیقه در هر عبور، حرارت داده می شود. آگلومریزاسیون آلومینا در ماتریس آلومینیوم قابل مشاهده است( شکل 10a). این توزیع به خاطر نورد گرم انجام می شود( شکل 10b).
فورجینگ زینترکننده
فورجینگ زینترکننده با استفاده از پرس در دمای بالا انجام می شود و بوسیله ی آن تغییر شکل همزمان، ایجاد توده ی جامد و دنس شدن سرامیک رخ می دهد. دماهای مورد استفاده در فورجینگ کمتر از دماهای مورد استفاده در پرس ایزواستاتیک گرم است( تقریبا 200-300℃)؛ بنابراین اندازه ی دانه ی اولیه می تواند به آسانی در فورجینگ زینترکننده حفظ گردد. یک شماتیک از فرایند فورجینگ زینترشونده در شکل 11 آورده شده است. فشارهای بالا باعث ایجاد کرنش های برشی بالا در تغییر شکل ماده، می شود. این فشارهای بالا اجازه ی کاهش سریع در حجم حفرات و افزایش تماس های سطحی می شوند و در نتیجه نفوذ اتمی در جهت ایجاد یک توده ی جامد حرکت می کند. جدول 2 دما و فشار ویژه ی مورد نیاز برای سرامیک های مختلف را نشان می دهد. دمای بالا همچنین از رشد دانه جلوگیری می کند. دماهای پایین تر که در فورجینگ زینترکننده مورد استفاده قرار می گیرد، اکسیداسیون سطحی را محدود می کند و بموجب آن ناخالصی اکسیدی، استحاله های شیمیایی، تنش های باقیمانده، ترک و سایر عیوب در نمونه ها ایجاد می شود. برای از بین رفتن انحنای سطحی بالاتر در تخلخل ها به فشارهای بالاتر نیاز است، و با اعمال فشار بالاتر این فرایند به عنوان یک تکنیک مناسب برای بدست آوردن بدنه های سرامیکی با دانسیته ی بالا مطرح است.
القای تخلخل عمدی می تواند در سرامیک های تولید شده با روش فورجینگ زینترکننده، ایجاد شود. این مسئله بوسیله ی Kondo و همکارانش نشان داده شده است که تخلخل ها با افزایش زمان حرارت دهی، افزایش می یابد( شکل 12). ایجاد تخلخل های بیشتر با افزایش زمان حرارت دهی به مشکلاتی مربوط می شود که بوسیله ی درشت شدن اندازه ی دانه در طی حرارت دهی، ایجاد می شوند.
زینترینگ پلاسما- جرقه ای
زینترینگ پلاسما- جرقه ای( SPS) از آزادسازی انرژی الکتریکی از طریق ایجاد قوس در نواحی متخلخل میان پودرها، انجام می شود. در این روش، پلاسمای محلی ایجاد می شود و اجازه داده می شود تا انتقال جرم در نواحی گلویی ایجاد شود و دانسیته ی بالایی ایجاد شود. وسایل مورد استفاده در SPS شامل یک قالب گرافیتی است که پودر را نگه می دارد و سپس جریان از طریق قالب گرافیتی عبور می کند( شکل 13). جریان از طریق قالب گرافیتی به داخل پودر، از طریق سطح مشترک میان گرافیت به پودر سرامیکی و از بخش گرافیتی به بخش گرافیتی دیگر منتقل می شود( شکل 13). حرارت دهی محلی ذرات که به دلیل تخلیه ی بار الکتریکی، ایجاد می شود، منجر به حرارت دهی و تمیز شدن سطوح می شود.
علاوه بر این، پودر فشرده شده بوسیله ی فشار ایجاد شده بوسیله ی قالب به جریان یافتن جرم کمک می کند و علاوه بر آن، نفوذ در نواحی گلویی شدن ایجاد می شود. این نفوذ به دلیل حرارت دهی ژولی در زینترینگ سریع، اتفاق می افتد(شکل 14). استفاده از فشار فیلم سطحی را به خوبی می شکند. گرادیان دمایی در عرض پودر به طور زیادی به 1) توان الکتریکی و 2) رسانایی گرمایی پودر بستگی دارد. با استفاده از شبیه سازی المان محدود، این مسئله تحلیلی نشان داده شده است که یک تفاوت در دمای ایجاد شده در پودر سرامیکی موجود در گوشه ی قالب و سطح قالب ایجاد می شود که این تفاوت به رسانایی گرمایی و توان خروجی منبع برق بستگی دارد. رسانایی حرارتی بالاتر و گرادیان گرمایی کمتر در عرض پودر در شکل 15 نشان داده شده است. به هر حال وقتی رسانایی گرمایی پودر فشرده شده بیشتر از 40W/m.k باشد، هیچ گرادیان دمایی بالایی مورد انتظار نمی باشد.
یک سری از نمونه های تولید شده با روش فورجینگ زینترکننده نیازمند زمان فرایندی کوتاه هستند( جدول 3). Duan و همکارانش پودرهای نانوسایز آلومینا و تیتانیا را با استفاده از فرایند SPS در فشار 63MPa، به مدت 3 دقیقه در دمای ℃1150 شکل دهی کردند. تصویر با دانسیته ی بالا در شکل 16 نشان داده شده است. با استفاده از فرایند SPS، سرامیک های نانوساختاری بدست می اوریم که با توجه به نگرش جهانی نسبت به مقوله ی نانو، یکی از مسائل مهم تلقی می گردد.
فرایندهای ترمومکانیکی باعث ایجاد سهولت در زینترینگ مواد می شود. علاوه براین روش های زینترینگ ترمومکانیکی پارامتر کنترلی پیشرفته ای برای سازمان دهی ایجاد بدنه ی جامد از طریق اعمال فشار، فراهم می کند درحالی که در این فرایند اندازه ی دانه در ساختار سرامیکی کاهش می یابد. بنابراین نقش کنترل کنندگی پارامترهای فرایندی می تواند منجر به ایجاد ویژگی های مکانیکی فوق العاده در بدنه های زینترشده گردد. در این فرایند با کنترل شرایط تولید می توا بدنه هایی با دانسیته ای نزدیک به دانسیه ی تئوری تولید نمود.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون بلامانع است.