آلیاژسازی مکانیکی

آلیاژسازی مکانیکی یک روش فرآوری مواد است که شامل جوش سرد مکرر ، شکستن و جوش مجدد مخلوطی از ذرات پودر می باشد. این فرآیند عموماً در آسیاب گلوله ای با انرژی بالا ، به منظور تولید یک ریزساختار کنترل شده و بسیار ظریف انجام می شود. تکنیک آلیاژسازی مکانیکی امکان آلیاژ کردن عناصری را فراهم می‌کند که ترکیب آنها با روش‌های ذوب معمولی دشوار یا غیرممکن است.

به طور کلی، فرآیند را می توان به عنوان روشی برای ساخت قطعات فلزی با یک ریزساختار کنترل شده در نظر گرفت. اگر دو فلز یک محلول جامد تشکیل دهند، می توان از آلیاژ مکانیکی برای دستیابی به این حالت بدون نیاز به رسیدن به دمای بالا استفاده کرد. برعکس، اگر این دو فلز در حالت مایع یا جامد نامحلول باشند، پراکندگی بسیار ریز یکی از فلزات در دیگری می‌تواند انجام شود. توسعه فرآیند آلياژسازي مکانيکي در ابتدا با هدف غلبه بر محدودیت های متالورژی پودر در تولید آن دسته ترکیب های آلیاژی که ساخت آن ها به روش سنتی دشوار است، انجام شد.

فرآیند آلیاژسازی مکانیکی

در واقع استفاده از تکنیک های متالورژی پودر مانند آلیاژسازی مکانیکی این امکان را فراهم می کند تا قطعات فلزی با هزینه کمتر با خواص بهبود یافته تولید شوند. مزیت دیگری که تکنیک های متالورژی پودر ارائه می دهد این است که می تواند آلیاژها و ریزساختارهایی تولید کند که تولید آنها با روش های متالورژی استاندارد مانند ریخته گری و فورج امکان پذیر نیست. لازم به ذکر است که ماهیت فیزیکی و شیمیایی پودرهای اولیه ، بسیاری از خواص نهایی قطعات متالورژی پودر تولید شده را تعیین می کند.

فرآیند آلیاژسازی مکانیکی

در فرآیند آلیاژسازی مکانیکی هر بار که دو گلوله فولادی در آسیاب گلوله ای با هم برخورد می کنند ، ذرات پودر را بین خود به دام می اندازند. در اثر این برخوردها، ذرات تغییر شکل می دهد و ذرات غیر همجنس بسیار کوچک را روی سطح ایجاد می کند به طوری که جوشکاری سطوح مجاور به راحتی انجام می شود. آلیاژسازی توسط برخورد گلوله-پودر-گلوله در چند مرحله انجام می شود. در مرحله اول، جوشکاری سرد فرآیند غالب است و ذرات کامپوزیتی لایه ای ، از اجزای اولیه تشکیل می شوند. این امر با سخت شدن ذرات و شکستگی و جوش سرد همراه است که منجر به ریزتر شدن اندازه ذرات کامپوزیت می شود. در این مرحله تشکیل محلول جامد آغاز می شود.

در مرحله بعد، با انجام جوش سرد با شدت کمتر، ریزساختار ریزتر می شود. ترکیب هر ذره پودر به ترکیب اولیه بالک پودر نزدیک می‌ شود. مرحله نهایی فرآیند آلیاژسازی مکانیکی یک مرحله حالت پایدار است. تا زمانی که فرآوری به طور کامل انجام شود، ذرات دارای یک ساختار شبه پایدار با دفرمگی بالا هستند که می توانند حاوی فاز پراکنده باشند. به طور کلی، مقیاس ریزساختاری به طور قابل توجهی زیر میکرومتر است.

آلياژسازي مکانيکي

آلیاژسازی مکانیکی به منظور فرآوری نانومواد

به منظور سنتز ساختار نانولایه تاکنون از روش های مختلفی مانند لایه نشانی به روش PVD ، روش قوس، پرس ایزواستاتیک گرم یا پرس گرم، زینتر جرقه پلاسما و … استفاده شده است. یکی از برترین روش هایی که برای سنتز ترکیبات سرامیکی در دمای اتاق به کار می رود، روش آلیاژسازی مکانیکی می باشد. این روش یک فرآیند متالورژی پودر رایج و مناسب است که دارای مزایایی مانند هزینه تولید کم و کنترل آسان ترکیبات می باشد.

با توجه به اینکه اغلب روش های ذکر شده برای سنتز ساختار نانولایه با مواردی از قبیل دشواری سنتز با خلوص بالا، نیاز به دمای بالا و زمان ماندگاری طولانی جهت سنتز و تجهیزات گران قیمت همراه بودند، لذا از روش آلیاژسازی مکانیکی به دلایلی اعم از تسریع در انجام واکنش ها ،کاهش درجه حرارت، زمان نگهداری زینتر، هزینه ساخت کم و کنترل آسان ترکیبات مورد استفاده قرار می گیرد.

کاربرد آلیاژسازی مکانیکی

لازم به ذکر است که برخی از اکسیدها در فلزات مذاب نامحلول هستند. آلیاژسازی مکانیکی در ابتدا برای ارائه روشی برای پراکندگی این اکسیدها در فلزات ایجاد شد. به عنوان مثال، سوپر آلیاژهای مبتنی بر نیکل تقویت شده با اکسید ایتریم دارای استحکام و مقاومت در برابر خوردگی عالی در دماهای بالا هستند که آنها را برای استفاده در کاربردهایی مانند پره های توربین موتور جت و محفظه های احتراق جذاب می کند. این دسته از آلیاژها به عنوان سوپرآلیاژهای پایه نیکلODS  شناخته می شوند.

علاوه بر این، تعدادی از کاربردهای دیگر برای مواد آلیاژسازی مکانیکی ، از جمله پودرها برای کاربردهای پوشش، آلیاژهای سیستم های غیر قابل امتزاج، آلیاژهای آمورف و به طور کلی سیستم های مواد آلی-سرامیکی-فلزی در حال بررسی هستند.

پردازش سیستم های غیر قابل امتزاج مایع یا جامد (مانند سیستم های مس-سرب یا مس-آهن) توسط پیرومتالورژی معمولی دشوار است. در این موارد، آلیاژسازی مکانیکی مسیری را برای به دست آوردن توزیع همگن در فاز جامد فراهم می کند. همچنین از آلياژسازي مکانيکي برای ساختن ترکیب ابررسانا بین فلزی نیوبیم-قلع استفاده شده است که به دلیل اختلاف نقطه ذوب زیاد بین نیوبیم و قلع ، تولید آن به طور معمول دشوار است.

آسیاب آلیاژسازی مکانیکی

همچنین می توان از آلیاژسازی مکانیکی برای تولید آلیاژهای پایه منیزیم استفاده کرد. این آلیاژها برای خوردگی با سرعت کنترل شده برای رهاسازی تجهیزات اعماق دریا در اعماق خاص طراحی شده اند. لازمه این امر آن است که با استفاده از آلياژسازي مکانيکي آند و کاتد در مجاورت یکدیگر قرار گیرند.

در یکی دیگر از کاربردها، تیتانیوم و منیزیم با استفاده از آلیاژسازی مکانیکی ترکیب شده اند. معمولاً تولید چنین آلیاژی بسیار دشوار است زیرا نقطه جوش منیزیم کمتر از نقطه ذوب تیتانیوم است. این دستاورد می تواند منجر به آلیاژ تیتانیوم با چگالی کمتر برای کاربردهای هوافضا شود.

آلیاژسازی مکانیکی در هوافضا

هزینه آلیاژسازی مکانیکی

روش آلياژسازي مکانيکي به دلیل قابلیت های منحصر به فرد خود ، مانند انجام واکنش ها در حالت جامد، نسبت به سایر روش ها مانند ذوب و ریخته گری هزینه عملیاتی پایینی دارد. همچنین این روش نیاز به تجهیزات گران قیمت ندارد و هزینه ساخت آن به نسبت پایین است. در نتیجه به دلیل هزینه تولیدی پایین و کنترل آسان ترکیبات ، هزینه آلیاژسازی مکانیکی به نسبت پایین است.