تاثیر عملیات حرارتی آنیل چند مرحله ای بر فصل مشترک ذرات تنگستن با زمینه در آلیاژ سنگین تنگستن

مهندسی متالورژی و مواد

مقاله 1، دوره 35، شماره 4 - شماره پیاپی 36، بهمن 1403، صفحه 1-18   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jmme.2024.88925.1151

نویسندگان

علی حریمی؛ غلامرضا ابراهیمی؛ ابوالفضل رضایی بزاز^* ؛ حسن نجفی؛ کاظم زویچی ترک

گروه مهندسی متالورژی و مواد، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد.

چکیده

آلیاژهای سنگین تنگستن با استفاده از تف‌جوشی فاز مایع برای استفاده در وزنه های تعادل، محافظ های تشعشع و پرتابه‌های ضدزره ساخته می‌شوند. تغییر در هر کدام از متغیر‌های ساخت این آلیاژها تاثیر قابل ملاحظه ای بر رفتار مکانیکی این آلیاژها دارد. هدف از پژوهش حاضر تاثیر عملیات حرارتی آنیل چند مرحله‌ای بر استحکام فصل مشترک ذرات تنگستن با زمینه در آلیاژ فوق است. آلیاژ تنگستن با ترکیب شیمیایی Fe95/1-Ni5/4-W5/93 (درصد وزنی) ابتدا در قالب پلاستیکی فشرده سازی (ایزواستاتیک سرد) شد و پس از فرایند تف‌جوشی فاز مایع در دمای °C 1480، دو سیکل عملیات حرارتی آنیل بر روی نمونه‌ها انجام شد. به منظور بررسی ویژگی‌های مکانیکی از آزمون کشش و سختی استفاده شد. همچنین ریز ساختار و سطح شکست (حاصل از آزمون کشش) این نمونه‌ها با استفاده از میکروسکوپ‌های نوری و الکترونی روبشی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاصله نشان می‌دهد به دلیل تنش‌های حرارتی در هنگام سرمایش و گرمایش در حین انجام عملیات حرارتی آنیل چند مرحله‌ای فاز زمینه به فصل مشترک ذرات تنگستن نفوذ کرده و باعث کاهش میزان مجاورت (از 44/0 به 31/0) این ذرات شده است. همچنین انجام عملیات حرارتی آنیل چند مرحله‌ای سبب کاهش ناخالصی‌ها در فصل مشترک ذرات تنگستن با زمینه شده و این امر سبب افزایش استحکام نهایی (از 842 مگاپاسکال به 960 مگاپاسکال) شده است. مقایسه تصاویر شکست‌نگاری نمونه اولیه با نمونه‌های آنیل چند مرحله‌ای بیان‌گر تغییر حالت شکست از کسختگی در محل اتصال ذرات تنگستن و زمینه به شکست در فاز زمینه می باشد.

کلیدواژه‌ها

آلیاژ سنگین تنگستن؛ فصل مشترک تنگستن-زمینه؛ عملیات حرارتی چند مرحله ای؛ تف‌جوشی؛ مجاورت

مراجع

[1] B. C. Muddle, D. V. Edmonds, "Interfacial segregation and embrittlement in liquid phase sintered tungsten alloys" Metal Science, vol. 17, no. 5, pp. 209–218, (1983). https://doi.org/10.1179/030634583790420899.

[2] R. M. German, "Sintered tungsten heavy alloys: Review of microstructure, strength, densification, and distortion" International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, vol. 108, no. 105940, pp. 1-20, (2022). https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2022.105940.

[3] K. S. Churn, R. M. German, "Fracture Behavior of W-Ni-Fe Heavy Alloys" Metallurgical transactions A, vol. 15, no. 2, pp. 331–338, (1984). https://doi.org/10.1007/BF02645119.

[4] M. H. Hong, J. W. Noh, E. P. Kim, H.-S. Song, S. Lee, and W. H. Baek, "A study on the improvement of the sintered density of W-Ni-Mn heavy alloy" Metallurgical and Materials Transactions B, vol. 28, no. 5, pp. 835–839, (1997). https://doi.org/10.1007/s11663-997-0011-9.

[5] R. M. German, Powder Metallurgy Science. 2^nded. Princeton, N.J: Metal Powder Industries Federation, (1994). [E-book] Available: https://lccn.loc.gov/84060862.

[6] R. M German, "Microstructure effects on tensile properties of tungsten-Nickel-Iron composites" Metallurgical Transactions A, vol. 19, no. 6, pp. 1523–1532, (1988).   https://doi.org/10.1007/BF02664666.

[7] C. Lea, B. C. Muddle, D. V. Edmonds, "Segregation to interphase boundaries in liquid-phase sintered tungsten alloys" Metallurgical Transactions A, vol. 14, no. 3, pp. 667–677, (1983). https://doi.org/10.1007/BF02643782.

[8] A. Bose, R. M. German, "Sintering atmosphere effects on tensile properties of heavy alloys" Metallurgical Transactions A, vol. 19, pp. 2467-2476, (1988). https://doi.org/10.1007/BF02645474

[9] L. Ekbom, "Influence of microstructure of liquid-sintered tungsten-base composites on the mechanical properties" Scandinavian Journal of Metallurgy, vol. 5, no. 14, pp. 179–184, (1976). Available: http://pascal-francis.inist.fr/vibad/index.php?action=getRecordDetail&idt=PASCAL7780098906.

[10] R. M. German, New Tungsten Heavy Alloy Handbook. Metal Powder Industries Federation, (2021). [E-book] Available: https://www.mpif.org.

[11] I. Singh, V. Dabhade. "Tungsten heavy alloys for kinetic energy penetrators: a review" Materials Science and Technology, vol. 40, no. 7-8, pp. 769–785, (2024).‏ https://doi.org/10.1177/02670836241260514.

[12] H. K. Yoon, S. H. Lee, S. J. L. Kang, and D. N. Yoon, "Effect of vacuum-treatment on mechanical properties of W-Ni-Fe heavy alloy" Journal of Materials Science, vol. 18, no. 5, pp. 1374–1380, (1983). https://doi.org/10.1007/BF01111957.

[13] H. S. Song, J. W. Noh, W. H. Baek, S. J. L. Kang, B. S. Chun, "Undulation of W/matrix interface by resintering of cyclically heat-treated W-Ni-Fe heavy alloys" Metallurgical and Materials Transactions A, vol. 28, no. 2, pp. 485–489, (1997). https://doi.org/10.1007/s11661-997-0149-8.

[14] M. E. Alam, G. R. Odette, "The comparative strength and fracture toughness properties of commercial 95W-3.5Ni1.5Fe and 95W-3.5Ni1.5Cu tungsten heavy alloys" Nuclear Materials and Energy, vol. 36, no. 1, pp. 123-135, (2023). https://doi.org/10.1016/j.nme.2023.101467.

[15] J. Das, U. R. Kiran, A. Chakraborty, N. E. Prasad, "Hardness and tensile properties of tungsten based heavy alloys prepared by liquid phase sintering technique" International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, vol. 27, no. 3, pp. 577–583, (2009). https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2008.08.003.

[16] R. M. German, L. L. Bourguignon, B. H. Rabin, "Analysis of high tungsten content heavy alloys" Powder Metallurgy in Defense Technology, vol. 6, pp. 117–131, (1984). https://doi.org/10.1007/BF03257677.

[17] D. V. Edmonds and P. N. Jones, "Interfacial embrittlement in liquid-phase sintered tungsten heavy alloys" Metallurgical Transactions A, vol. 10, no. 3, pp. 289–295, (1979). https://doi.org/10.1007/BF02658336.

[18] W. H. Baek, M. H. Hong, et al. and S. H. Lee, "Heat treatment behavior of tungsten heavy alloy" Solid State Phenomena, vol. 118, pp. 35–40, (2006). https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.118.35.

[19] J. Gurland, "The measurement of grain contiguity in two-phase alloys" Transactions of the Metallurgical Society of AIME, vol. 212, pp. 452–455, (1958). Available: https://cir.nii.ac.jp/crid/1570291225577535488.

[20] U. Ravi Kiran, S. Kumar Khaple, M. Sankaranarayana, G. V. S. S. Nageswara Rao, T. K. Nandy, "Effect of swaging and aging heat treatment on microstructure and mechanical properties of tungsten heavy alloy" Materials Today: Proceedings, vol. 5, no. 2, pp. 3914–3918, (2018). https://doi.org/10.1016/j.matpr.2017.11.647.

[21] J. B. Posthill, M. C. Hogwoodand, D. V Edmonds, "Precipitation at Tungsten/Tungsten Interfaces in Tungsten–Nickel–Iron Heavy Alloys" Powder Metallurgy, vol. 29, no. 1, pp. 45–51, (1986). https://doi.org/10.1179/pom.1986.29.1.45.

[22] U. Ravi Kiran, J. Kumar, V. Kumar, M. Sankaranarayana, G. V. S. Nageswara Rao, T. K. Nandy, "Effect of cyclic heat treatment and swaging on mechanical properties of the tungsten heavy alloys" Materials Science and Engineering: A, vol. 656, pp. 256–265, (2016). https://doi.org/10.1016/j.msea.2016.01.024