27411

بررسي مكانيسم تشكيل اكسيدهاي فلزي در سطح مذاب آلياژهاي Al-Mg-M در مقادير متفاوت منيزيم و فلز M

دكتري تخصصي (PhD)

مهندسي مواد و متالورژي- مهندسي مواد

1395

1401/4/25

مهدي ديواندري - سيد محمدعلي بوترابي

مهندسي مواد و متالورژي

مطالعهٔ اكسايش كوتاه مدت سطح مذاب آلياژ آلومينيم-منيزيم در شرايط متلاطم، جهت شناخت بيشتر از ماهيت عيب فيلم دولايه اكسيدي ضروري است . افزودن مقادير ناچيز از عناصر بريليم و كلسيم مي‌تواند نرخ اكسايش اين آلياژها را كاهش دهد . با اين وجود، مكانيسم اكسايش كوتاه‌مدت اين آلياژها و چگونگي تاثير افزودن اين عناصر بر عيب فيلم اكسيدي دولايه، تاكنون مورد بررسي دقيق قرار نگرفته‌است. براي بررسي اين پديده، از روش ساندويچ اكسيد/فلز/اكسيد استفاده شد . ابتدا، آلياژهاي مذاب آلومينيم-منيزيم حاوي 1 و 5٫5 درصد منيزيم، با افزودن مقدار تقريبي 2000 ppm از عناصر بريليم و كلسيم، آماده شد . سپس، نمونه‌هاي ساندويچي از طريق دمش هوا با فشار 1٫4 بار داخل مذاب 670 درجه سلسيوس و استخراج فصل مشترك دو حباب متوالي، بدست آمد . بررسي ريزساختار و مورفولوژي سطحي نمونه هاي ساندويچي اكسيد/فلز/اكسيد به وسيلهٔ ميكروسكوپ الكتروني عبوري (FESEM) صورت پذيرفت . بررسي ساختار و تركيب شيميايي اكسيدهاي تشكيل شده با اتكا به ميكروسكوپ الكتروني عبوري با قدرت تفكيك بالا (HRTEM)، تفرق سنجي اشعه ايكس(XRD) و اسپكتروسكوپي فوتوالكترون اشعه ايكس (XPS) دنبال شد . بررسي‌هاي ميكروسكوپي نشان داد كه افزودن كلسيم منجر به كاهش 12 و 37 درصدي، و افزودن بريليم منجر به كاهش 48 و 70 درصدي ضخامت فيلم اكسيدي تك لايه به ترتيب در آلياژهاي حاوي 1 و 5٫5 درصد وزني منيزيم شده است. حضور بريليم سبب بهبود اتصال بين دو فيلم اكسيدي از سمت ترشده توسط مذاب، شده بود . انعطاف پذيري فيلم اكسيدي در ساندويچ‌هاي حاوي كلسيم در مقايسه با نمونه‌هاي داراي بريليم كمتر بود، اما همچنان بهبود قابل توجهي نسبت به فيلم هاي سطحي در نمونه‌هاي آلومينيم خالص و آلومينيم-منيزيم از خود نشان مي داد. با توجه به محاسبات ترموديناميكي و با استناد به نتايج TEM و XPS، مشخص شد كه اكسايش مذاب آلياژهاي حاوي بريليم با تشكيل اكسيد متخلخل MgO آغاز مي‌شود. لايه يكدست و محافظ BeO در زيرلايه اكسيد اوليه، و در فصل مشترك اكسيد/مذاب تشكيل مي‌شود . بهبود اتصال بين دو فيلم در نواحي اكسيد/اكسيد حاصل به هم پيوستن لايه اكسيد بريليم در دو فيلم مجاور است . در مناطقي كه فلز ميان دو لايهٔ اكسيدي باقيمانده‌است، با عبور يون‌هاي آلومينيم از لايه BeO، اكسيد مختلط MgAl2O4 در فصل مشترك BeO/MgO و همچنين ميان ذرات MgO شكل مي گيرد. در نمونه هاي حاوي كلسيم، MgO همراه با جزيره‌هايي از CaMg2Al16O27 كه در نواحي غني از كلسيم جوانه زده است، شكل مي‌گيرد. با افزايش ضخامت لايه MgO، اكتيويته كلسيم و آلومينيم در فصل مشترك مذاب/MgO به حدي مي‌رسد كه امكان تشكيل CaMg2Al16O27 ثانويه فراهم گردد. در فصل مشترك مذاب با CaMg2Al16O27 اوليه نيز، با افزايش غلظت آلومينيم، آلومينات‌هاي كلسيم همچون CaAl2O4 تشكيل و بصورت برجستگي‌هايي روي سطح اكسيد پديدار مي‌شود. در اين پژوهش، مكانيسم‌هايي براي اكسايش كوتاه مدت آلياژهاي مذاب آلومينيم-منيزيم در شرايط متلاطم، با افزودن مقادير جزئي از دو عنصر بريليم و كلسيم، پيشنهاد گرديد. همچنين، مشخص شد كه افزودن دو عنصر بريليم و كلسيم، از طريق كاهش مقدار اكسيد تشكيل شده، كاهش ضخامت فيلم اكسيدي و افزايش انعطافپذيري آن، و همچنين كاهش ميزان پارگي و گسيختگي در فيلم، ميتواند احتمال بوجود آمدن و يا فعال شدن عيب فيلم اكسيدي دولايه را كاهش دهد.

1401/09/07

Investigating the mechanism of the oxide formation at the surface of the Al-Mg-M alloys with different amounts of Magnesium and M content

1/1/1900 12:00:00 AM

Investigating the short-time oxidation of Aluminum-Magnesium melts in turbulent situations, is crucial to understanding the nature of double-layer oxide defects. The addition of small amounts of Be and Ca reduces the oxidation rate in these alloys. By the way, the mechanism behind it and how the addition of these elements affects double-layer oxide films are still to be investigated. In order to study this phenomenon, the Oxide/Metal/Oxide sandwich method was used. At first, molten Al-Mg alloy with 1 and 5/5 %wt. of Magnesium and the addition of 2000 ppm of Be and Ca was prepared. Then, sandwich samples were produced by blowing air with 1.4 bar pressure into the molten metal at 670 °C. Microstructural and morphologic studies of the oxide surface were carried out via Field Emission Scanning Electron Microscope. Also, High-Resolution Transmission Electron Microscopy (HRTEM), X-Ray Diffractometry (XRD), and X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) were used for chemical and structural analysis of the samples. Microscopic studies showed that Ca addition has led to 12 and 37 %, and Be addition has led to 48 and 70% reduction in the thickness of the oxide films in Al-1Mg and Al-5.5Mg samples, respectively. In comparison to Al-Mg samples, the number of folds and wrinkles were increased while splitting and fracture were decreased at the surface of the oxide film. Moreover, the connection between two oxide films at the interface was strong and uniform enough to be considered a partially single-layer oxide film. Ca also had a similar effect on the oxide films even though in a less effective way. According to thermodynamical calculations and based on TEM and XPS results, the dynamic oxidation process in molten Al-Mg-Be alloys begins with the formation of the MgO layer. Then, a uniform and protective layer of BeO takes place beneath the primary MgO layer. The strong bonding in the Oxide/Oxide regions of these samples comes from the formation of a joint between two BeO layers in adjacent films. In Oxide/Metal/Oxide regions, Al3+ ions pass the BeO layer, forming MgAl2O4 oxides at the BeO/MgO interface and within the MgO oxide layer. On the other hand, in the presence of Ca, the initiative MgO layer is not uniform. CaMg2Al16O27 forms in the regions with higher local concentrations of Ca at the Melt/Air interface. As the MgO layer thickens, the activity of Ca and Al at the Melt/MgO interface reaches a point where secondary CaMg2Al16O27can form. Also, further growth of the CaMg2Al16O27 levels up the concentration of Al beneath the oxide layer. Therefore, Calcium Aluminates such as CaAl2O4 can be formed an appeared on the surface of the oxide film. In this study, mechanisms have been proposed to describe the short-time oxidation of molten Al-Mg alloys in turbulent situations and with the addition of Be and Ca. In addition, it has been proved that adding Ca and Be decreases the chance of double-layer oxide film formation or activation. This is due to the consequent decrease in the oxidation rate and oxide film thickness, and an increase in the flexibility of formed oxide films. High flexibility is relevant to the thickness of oxide films and their composition. it facilitates the crumpling of a double-layer oxide film in the melt and hinders the unraveling process and acts as an active defect. This mechanism operates more effectively in Be-containing alloys than Ca-containing ones. Additionally, Be alters the defect's double-layered nature and partially transforms it into a single-layer oxide film.

اكسيد , آالياژهاي آلومينيم , فيلم اكسيدي دولايه , عيوب ريخته گري

oxide , Aluminum Alloy , Double Oxide Film , Casting Defects

Mehdi Akbarifar

Dr. Divandari - Dr. Bootorabi