رفتار بور در مذاب آلومینیوم و مکانیزم ریزکردن دانه های آن | آمیژان آلومینیوم

رفتار بور در مذاب آلومینیوم و مکانیزم ریزکردن دانه های آن با استفاده از آمیژان آلومینیوم تیتانیوم بور

استفاده از آمیژان آلومینیوم در تولید آلیاژهای آلومینیوم بسیار متداول می باشد. در این مقاله بررسی تخصصی استفاده از آمیژان آلومینیوم تیتانیوم بور جهت ریز کردن دانه ها در آلیاژهای آلومینوم مورد بررسی قرار گرفته است. افزودن ریزکننده دانه به مذاب آلیاژهای آلومینیوم یک فرایند معمول در صنعت به منظور جلوگیری از رشد ستونی دانه ها بوده تا ریز شدن دانه ها را ترغیب کرده و موجب بهبود قابلیت ریخته گری و کیفیت نهایی محصول گردد. ریزکننده دانه ها معمولا به صورت آمیژان (master alloys) پایه آلومینیوم به مذاب اضافه می شوند که حداقل دارای یکی از عناصر زیر می باشند: تیتانیوم، بور (Boron) و کربن.

چندین نوع ریزکننده دانه وجود دارد. آمیژانی که توسط مذاب آلومینیوم و نمک های هالید (K₂TiF₆ and KBF₄) تهیه می شود و 5درصد وزنی تیتانیوم و یک درصد وزنی بور (Boron) است ، بیشتر در صنعت استفاده می شود. ریزساختار معمول آن شامل ذرات TiB2 ، ذرات سوزنی شکل TiAl3 و تیتانیوم حل شده در ماتریس آلومینیوم می باشد. افزودن مقدار کمی از این آمیژان به آلیاژهای آلومینیوم (معمولا 0.01 درصد وزنی تیتانیوم و 0.002 درصد وزنی بور (Boron) ) منجر به ساختار انجماد ریزدانه و هم محوری خواهد شد. درجه حرارت مناسب جهت افزودن این نوع آمیژان ها مابین درجه حرارت لیکوئیدوس و c ͦ 800 می باشد.

مقدمه:

در طی 50 سال گذشته تحقیقات بنیادی زیادی به منظور درک مکانیزم های محتمل که به واسطه آنها ریزکننده های دانه منجر به یک ساختار ریز می شوند، انجام شده است. بخش اعظمی از این تحقیقات بنیادی بر روی مکانیزم های ریز کردن آمیژان های Al-Ti-B متمرکز شده است و چندین نظریه در این مورد مطرح شده است که در مقالات مختلفی به صورت جامع بررسی شده است. مطابق این تئوری ها اثرات ریز کردن دانه را می توان به دو پدیده نسبت داد: (i) فاکتور جلوگیری کننده از رشد دانه و (ii) تلقیح و جوانه زنی ناهمگن. جلوگیری از رشد دانه به واسطه دیفوزیون اتمهای حل شونده به مرز مذاب/جامد تشریح می شود. در تئوری تلقیح(inoculation) ، دانه های α-Al در زمینه هایی که توسط آمیژان در فلز مذاب ایجاد شده است ، جوانه زنی می کنند.

ذرات ریز TiAl₃ ، (Ti-Al)B2 و TiB₂ به عنوان جوانه های اولیه ای معرفی شده اند که در تشکبل دانه های α-Al مشارکت دارند و اثربخشی و پایداری این دانه ها به مقدار زیادی مطالعه شده است. طبق یک اجماع عمومی، زمانی که از ریزکننده های Al-Ti-B استفاده می شود، جوانه زنی غیرهمگن آلومینیوم به حضور ذرات TiB₂ نسبت داده شده است. برخی شواهد تجربی پتانسیل جوانه زایی ذرات TiB₂ را تصدیق می کند. نشان داده شده است که این ذرات(TiB₂) بایستی توسط لایه نازکی از فاز TiAl₃ که به عنوان سایت جوانه زنی عمل می کند احاطه شوند

مشاهدات اولیه:

اگر چه اثرگذاری ریزکننده های دانه در طی دهه های گذشته بهبود یافته است، هنوزچندین موضوع وجود دارد که باید به آنها توجه کرد. یکی از این موضوعات، سختی کنترل اندازه، مورفولوژی و انباشتگی ذرات TiB₂ در آمیژان Al-Ti-B می باشد. ذرات منفرد TiB₂ اندازه ای مابین 0.5 تا 2 میکرومتر دارند ولی در برخی از تحقیقات تا 10 میکرون هم گزارش شده است. انباشتگی ذرات با افزایش زمان حضور در مذاب بیشتر می شود و در صورت حضور نمک های هالید ، کمتر می شود آنچنانکه مطالعات اخیر نشان داده است ، افزودن منیزیم انباشتگی را کاهش داده و تاثیر جوانه زنی را در آلیاژهای Al-Si افزایش می دهد. ذرات درشت TiB₂ یک نگرانی جدی بوده و می تواند باعث ایجاد عیوب سطحی شود، بخصوص زمانی که آلومینیوم بایستی تا اندازه فویل های نازک نورد شود.

ته نشین شدن ذرات TiB₂ یکی از موارد قابل توجه دیگر است. این ذرات تمایل دارند که در ته پاتیل رسوب کنند که درنتیجه سرباره تشکیل شده و تاثیر ریزکننده را کاهش می دهد. ریز کردن دانه آلومینیوم بازیافت شده یک نگرانی رو به رشد در ریخته گری ها می باشد. سطح تیتانیوم بایستی از مقدار پریتکتیک کمتر نگه داشته شود تا از تشکیل ذراتTiAl₃ سوزنی شکل و ترد در طی انجماد جلوگیری شود. فلزات بازیافت شده حاوی مقادیر قابل توجهی تیتانیوم می باشند، افزودن یک آمیژان حاوی تیتانیوم به فلز بازیافت شده موجب افزایش سطح تیتانیوم شده و استفاده از فلزات بازیافت شده را در شارژ کوره محدود می کند.کارخانجات ریخته گری معمولا این مقدار را زیر ppm1000 در نظر می گیرند. مقدار تیتانیوم با مخلوط کردن آلومینیوم خالص و بازیافت شده در شارژ کوره کنترل می شود.

در تلاش برای غلبه بر برخی موارد فوق، محققین(علمداری و همکاران) ، فرایند جدیدی را برای ریزکردن دانه های آلیاژهای آلومینیوم با استفاده از ذرات ریز عنصر بور (BORON) ابداع کرده اند. این ریز کننده های دانه به شکل کمپوزیت های پایه آلومینیومی هستند که در آن ذرات ریز بور(BORON) با استفاده از روش (BALL MILLING) در کمپوزیت توزیع شده اند. آزمایش های ریز کردن دانه نشان داده است که افزودن بور(BORON) به تنهایی در حدود 0.002 درصد وزنی هیچ اثر ریز کنندگی دانه ای بر روی آلومینیوم خالص ندارد.

در صورتیکه نشان داده شده است که وقتی تیتانیوم قبل یا در حین افزودن بور به مذاب اضافه می شود، این ریز کننده ها بر روی آلومینیوم خالص و برخی از آلیاژهای پایه آلومینیوم و سیلیسیم نظیر A356 و A357 موثر تر از آمیژان های Al-5Ti-1B می باشند. این تحقیقات تائید می کند که ذرات بُر(BORON) در دمای بالای c ͦ 740 دوام نمی آورند ولی در حضور تیتانیوم، نه تنها ذرات بور در مذاب حفظ می شوند بلکه به صورت موثری در جوانه زنی غیر همگن مشارکت می کنند . علاوه بر تاثیر بسیار خوب آن و کنترل خوب اندازه دانه ها ، این ریز کننده دانه ها امکان تاثیر بر روی آلومینیوم بازیابی شده بدون افزودن تیتانیوم را ارایه می دهند. مکانیزمی که توسط آن ذرات بور عنصری به عنوان جوانه های بالقوه عمل می کنند هنوز ناشناخته است.

هدف از این مقاله مطالعه رفتار بور عنصری در مذاب آلومینیوم به منظور روشن شدن تاثیر آن بر مکانیزم ریزکنندگی ذرات بور می باشد. رشته های بور اضافه شده به مذاب آلومینیوم حاوی مقادیر متفاوتی از تیتانیوم حل شده بوده و ریزساختار ترکیب فصل مشترک تیتانیوم/بور مورد مطالعه قرار گرفته است .

جزئیات آزمایش ها

یک سری از مذاب های آلومینیوم با مقدار تیتانیوم متغییر مابین 20 الی ppm500 با استفاده از کوره های الکتریکی در بوته های آلومینایی و در درجه حرارت c ͦ 740 تهیه شد. ترکیب شیمیایی آلومینیوم خالص استفاده شده جهت تهیه مذاب در جدول (I) نشان داده شده است.

جدول(I): ترکیب شیمیایی مذاب آلومینیوم

مقدار تیتانیوم در مذاب توسط افزودن آمیژان حاوی 6 درصد وزنی تیتانیوم تنظیم می شود. این آمیژان قبلا در آزمایشگاه توسط انحلال 6 درصد وزنی پودرتیتانیوم خالص در مذاب آلومینیوم خالص تهیه شده است.مقدار مورد نیاز آمیژان تهیه شده قبل از به هم زدن مذاب و کاهش دمای مذاب به c ͦ 740 ، در دمای c ͦ 780 به مذاب افزوده می شود .

سپس یک رشته بُر به هر دو مذاب آلومنیوم خالص و مذاب Al-Ti اضافه می شود . شکل 1 نمای سطح رشته بُر را نشان می دهد و ساختار پلی کریستالی آن را مشخص می نماید. رشته ها از ترکیب سیمهای تنگستنی با قطر 10 میکرومتر پوشیده شده با بُر خالص به ضخامت 70 میکرومتر می باشند.

شکل 1- تصویر SEM از سطح رشته بُر

در سری اول آزمایشات، رشته های بور درمذاب آلومینیوم خالص و Al-Ti در زمان های متفاوتی بین 5 و 15 دقیقه غوطه ور می شوند. برای تهیه مذاب Al-Ti ، تیتانیوم 30 دقیقه قبل از افزودن رشته های بور، به مذاب اضافه می شود. پس از آن بوته از کوره خارج شده و اجازه داده می شود تا سریع خنک شود. مدت زمان انجماد حدود 1 دقیقه می باشد. نمونه های آماده شده سپس بریده و پولیش می شوند و سطح مقطع رشته ها توسط میکروسکوپ SEM به منظور مشخص کردن فصل مشترک آلومینیوم – بور ، بررسی می شوند.

در دومین سری آزمایشات، دو نمونه در مذاب به مدت 30 دقیقه و 6 ساعت به ترتیب غوطه ور شده و سپس به منظور انجماد سریع، به سرعت از مذاب خارج می شوند.این دومین سری آزمایشات به منظور حذف هر نوع اثر ساختگی بر فصل مشترک و مشخص شدن حالت فصل مشترک همانگونه که در مذاب وجود دارد، انجام می شود. نمونه ها توسط روش FIB(Focused ion beam ) نازک شده و با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) مطالعه و بررسی می شوند.

بحث و نتیجه گیری

پایداری بور عنصری در مذاب آلومینیوم خالص و آلومینیوم – تیتانیوم

شکل 2 سطح مقطع پولیش شده رشته بور پس از غوطه وری به مدت 5 دقیقه در مذاب آلومینیوم خالص و انجماد را نشان می دهد(زمان انجماد حدود یک دقیقه).

شکل 2- سطح مقطع رشته بور که به مدت 5 دقیقه در مذاب آلومینیوم خالص در دمای c ͦ 740 غوطه ور شده است. رشته در طی مرحله انجماد در مذاب باقی مانده است. سیم تنگستنی در مرکز قابل مشاهده است.

شکل 3 سطح مقطع رشته دوم را که به مدت 12 دقیقه غوطه ور شده و تحت شرایط یکسان منجمد شده است را نشان می دهد. آنچنان که دیده می شود، رشته بور به سرعت در مذاب آلومینیوم خالص حل می شود بنابراین پس از 12 دقیقه قطر آن از 150 به 50 میکرومتر کاهش می یابد. پس از 15 دقیقه، رشته بور کاملا در آلومینیوم حل می شود. این مشاهدات تائید می کند که ذرات ریز بور به سرعت در مذاب آلومینیوم خالص (ͦ 740 ) حل می شوند و متعاقب آن، آنها در جوانه زنی غیر همگن آلومینیوم مشارکت نمی کنند.

تصویر 3- سطح مقطع رشته بُر که به مدت 12 دقیقه در مذاب آلومینیوم خالص (ͦ 740 )غوطه ور شده است. رشته در طی انجماد در مذاب باقی می ماند.

از آنجائیکه اثر ریز کننده گی ذرات بور در مذاب حاوی حداقل ppm 100 تیتانیوم گزارش شده است، پایداری رشته های بور در مذاب های حاوی مقادیر متفاوتی از بور به منظور مشخص کردن اثر تیتانیوم بر نرخ انحلال بور، مورد مطالعه قرار گرفته است . تیتانیوم 30 دقیقه قبل از وارد کردن رشته بور، به مذاب افزوده می شود و مذابی با حدود 50 وppm 500 تیتانیوم تشکیل می دهد. شکل 4 سطح مقطع پولیش شده رشته بور پس از نگه داری به مدت 10 دقیقه در مذاب الومینیوم حاوی ppm 500 تیتانیوم را نشان می دهد. رشته در طی انجماد در مذاب باقی می ماند. رفتارهای مشابهی در مذاب های حاوی 100، 200 و ppm 500 تیتانیوم مشاهده شده است.

این غلظت از تیتانیوم معمولا در آلیاژهای ریخته در صنعت مشاهده می شود . قطر رشته بور بدون تغییر باقی می ماند که نشانگرآن است که این غلظت های تیتانیوم از انحلال بور در مذاب جلوگیری می کنند. حتی پس از 6 ساعت در مذاب، رشته بور قطر اولیه خود را حفظ می کند. آزمایشات مشابه انجام شده با مقادیر کمتر تیتانیوم مشخص کرده است که مقدار تیتانیوم مورد نیاز برای حفظ رشته بور حداقل ppm 150 می باشد. این مشاهدات تایید می کند که تیتانیوم حل شده به صورت بسیار موثری ذرات بور را در مذاب آلومینوم پایدار می سازد در شرایطی که آنها می توانند در فرایند جوانه زنی غیر همگن مشارکت داشته باشند

شکل 4- سطح مقطع رشته بور پس از 10 دقیقه غوطه وری در مذاب آلومینیوم حاوی ppm 500 تیتانیوم در دمای c ͦ 740

فصل مشترک بور/آلومینیوم

فصل مشترک رشته بور و شبکه آلومینیوم پس از زمان های متفاوت عوطه وری به منظور درک مکانیزمی که بور در حضور تیتانیوم محافظت می شود، مورد مطالعه قرار گرفته است . به منظور شبیه سازی رفتار آمیژان آلومینیوم در ابتدا یک رشته بور به مذاب آلومینیوم حاوی ppm 500 تیتانیوم در دمای (c ͦ 740) اضافه می شود، به مدت 15 دقیقه در این شرایط نگهداری شده و سپس به سرعت بیرون کشیده می شود. شکل 8 تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری(TEM) فصل مشترک آلومینیوم/رشته و شکل 6 اسکن خطی عنصری در سراسر این فصل مشترک را نشان می دهد.

آلومینیومی که در رشته بور ردیابی شده است نشان می دهد که آلومینیوم به سرعت در بور نفوذ می کند. همچنین یک پیک قوی اکسیژن در فصل مشترک ردیابی شده است. منبع اکسیژن می تواند پوسته اکسیدی سطح مذاب یا اکسیژن موجود در سطح رشته بور باشد، که معمولا به شکل اکسید بور می باشد ، که به احتمال زیاد پس از غوطه وری به شکل اکسید بور ترکیب می شود. یک پیک بسیار ضعیف تیتانیوم نیز در فصل مشترک مشاهده گردید. فاز بزرگ شکل گرفته در مقابل فصل مشترک با استفاده از تفرق الکترونی، TiB₂ تشخیص داده شد. نواحی خاکستری درست پشت فصل مشترک AlB₂ تشخیص داده شدند.

شکل 5- فصل مشترک بور – آلومینیوم با واکنش بین لایه ای تشکیل فازهای AlB₂ و TiB₂ را نشان می دهد. رشته در مذاب آلومینیوم حاوی ppm500 تیتانیوم به مدت 15 دقیقه در دمای (c ͦ 740) غوطه ور شده است و به سرعت بیرون کشیه شده است

شکل 6- پروفیل عنصری در طول فصل مشترک آلومینیوم/بور . غلظت بور، آلومینیوم و اکسیژن بر روی ستون عمودی چپ و برای تیتانیوم بر روی ستون راست مشخص شده است.

فصل مشترک همچنین پس از 6 ساعت غوطه وری مطابق روش قبل مورد بررسی و مطالعه قرار گرفت. شکل 7 تصویر میکروسکپ الکترونی عبوری (TEM) فصل مشترک را نشان می دهد. در مقایسه با فصل مشترک پس از 15 دقیقه غوطه وری(شکل 5) ، غوطه وری به مدت 6 ساعت منتج به لایه های کریستالی بلوکی شکل TiB₂ در مقابل فصل مشترک می شود در حالیکه لایه خاکستری AlB₂ پشت فصل مشترک ضخیم تر شده است.(شکل 7) . شکل a8 الگوی تفرق الکترونی بدست آمده از ناحیه خاکستری پشت فصل مشترک را نشان می دهد(داخل رشته بور).

الگوی تفرق الکترونی نشان داده شده در شکل b8 از کریستالهای بلوکی شکل در مقابل فصل مشترک را نشان می دهد. تغییر در ضخامت ناحیه AlB₂ نشان می دهد که سرعت نفوذ آلومینیوم در بور مشابه آنچه که در فصل مشترک اتفاق می افتد نیست. این مسئله را می توان به عیوب سطحی در رشته بور نسبت داد.

شکل 7- فصل مشترک بور/آلومینیوم با لایه های واکنش که تشکیل فازهای AlB₂ و TiB₂ را نشان می دهند.

شکل 9 توزیع عنصری آلومینیوم، بور، تیتانیوم و اکسیژن رادرطول 2.5 میکرون از فصل مشترک نشان می دهد(مسیر c-d در شکل 7) نشانه های بور به منظور مشخص کردن جزئیات تقویت شده است. از نقطه c در رشته بور ، مشخص شده است که غلظت آلومینیوم زمانی که پراب وارد منطقه خاکستری می شود افزایش می یابد و سپس تا حدود صفر در کریستال TiB₂ کاهش می یابد.

از طرف دیگر غلظت بور در طول ناحیه خاکستری کاهش می یابد ، به تدریج در کریستال TiB₂ افزایش می یابد و سپس در ناحیه آلومینیوم به صفر کاهش می یابد. همچنین می توان خاطر نشان کردکه غلظت تیتانیوم در طول کریستال بلوکی به شدت افزایش می یابد و در آلومینیوم به مقدار صفر کاهش می یابد. در مقایسه با آلومینیوم هیچ شواهدی برای دیفوزیون تیتانیوم به داخل رشته بور وجود ندارد و تمامی تیتانیم در مقابل فصل مشترک باقی می ماند.

شکل 8- نقشه(پترن) تفرق الکتزونی (a) ناحیه خاکستری پشت فصل مشترک مربوط به AlB₂ و (b) کریستالهای بلوکی شکل که TiB₂ تشخیص داده شده اند.

شکل 9- اسکن خطی عنصری در اطراف فصل مشترک آلومینیوم/بور در طول خط c-d نشان داده شده در شکل 7.

فصل مشترک TiB₂/ AlB₂به منظور تقویت پروفیل غلظت اکسیژن با استفاده از راه حل بهتر مورد بررسی مجدد قرار گرفت(شکل 10). ناحیه تقریبی مورد آنالیز توسط خط e-f در شکل 7 نشان داده شده است و منطبق بر منطقه مستطیل در شکل 9 می باشد. می توان دید که یک لایه اکسیدی در فصل مشترک وجود دارد و بعنوان نشانگر عمل می کند زیرا در مقایسه با شکل 6 موقعیت خود را با زمان تغییر نمی دهد.

این پیک یک شاخص مناسب برای فصل مشترک بور / مذاب اولیه است. غلظت تیتانیوم و بور در فاصله کوتاه حدود 50 نانومتر با هم همپوشانی دارند و می تواند نشانگر وجود یک فاز Al,Ti) B2) باشد. با این وجود ، وجود دو مرحله مجزا از TiB₂ و AlB₂ با فصل مشترک نسبتاً دقیق نشان می دهد که ، در این دما ، این دو مرحله یک محلول جامد مداوم تشکیل نمی دهند. نتیجه گیری های مشابه توسط نویسندگان دیگرنیز گزارش شده است

واضح است که آلومینیوم از میان لایه های اکسید و TiB₂ نفوذ کرده و ناحیه AlB₂ پشت فصل مشترک اولیه را ضخیم می کند. هیچ مدرکی از شیب آلومینیوم در بلورهای TiB₂ در آزمایش ما مشاهده نشد. از آنجا که TiB₂ و AlB₂ در یکدیگر محلول نیستند ، دیفوزیون آلومینیوم در بلورهای TiB₂ به سختی قابل تصور است.

بنابراین منطقی است که تصور کنید که دیفوزیون آلومینیوم از طریق مرزهای دانه TiB₂ صورت می گیرد.همچنین قابل مشاهده است که ضخامت AlB₂ در تمام ناحیه آزمایش یکنواخت و همگن نمی باشد. این امر احتمالا به دلیل عیوب مرز دانه های TiB₂ در برخی نواحی باشد که به نفع دیفوزیون آلومینیوم می باشد ( فصل مشترک در سمت راست شکل 7). به همین طریق ، بور می تواند از میان AlB₂ و مرز دانه های TiB₂ دیفوزیون کرده تا به فصل مشترک مایع/ جامد رسیده و با تیتانیوم حل شده واکنش نشان دهد تا لایه TiB₂ را ضخیم تر کند.

در واقع موقعیت نسبی پیک اکسیژن این فرضیه را تأیید می کند زیرا کریستال های TiB₂ فقط در جلوی این پیک شناسایی شدند .گرچه این آزمایشات مکانیسمی که توسط آن بور در مذاب آلومینیوم حاوی تیتانیوم محافظت می شود را آشکار می کند، اما مکانیزم ریزکردن دانه های بور عنصری را آنچنانکه قبلا گزارش شده توضیح نمی دهد. فصل مشترک TiB₂/Al با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری(TEM) برای بدست آوردن اطلاعات بیشتر در مورد انجماد آلومینیوم بر روی لایه TiB₂ مورد مطالعه قرار گرفته است.

ناحیه نشان داده شده در تصویر 7 در بزرگنمایی های بالاتر مورد بررسی بیشتر قرار گرفته است جایی که یک کریستال آلومینیوم در همسایگی کریستال TiB₂ مشاهده شده است. فصل مشترک یافت شده کاملا آشکار و عاری از هرگونه فاز انتقالی می باشد. اما هیچ مدرکی مبنی بر انسجام بین آلومینیوم و TiB₂ مشاهده نشده است. بررسی سایر فصل مشترک های TiB₂ / Al هیچ فصل مشترک منسجمی را نشان نداد.

مکانیزمهای ریزکردن دانه های ممکن.

همانطور که قبلاً نیز اشاره شد ، هدف از این کار ، درک چگونگی عملکرد ذرات بور عنصری به عنوان یک ریز کننده دانه مؤثر برای آلیاژهای آلومینیوم است. با توجه به این آزمایش ، به نظر می رسد مکانیسم ریز کردن دانه های بور عنصری نزدیک به آمیژان های Al-Ti-B است و می توان آن را به جوانه زنی Al به طور مستقیم بر روی ذرات TiB₂ نسبت داد.

مکانیزم ریزکردن دانه های آمیژان AlTiB به دفعات در طی 20 سال اخیر مورد بحث قرار گرفته است.

ریز ساختار این آمیژان ها اساسا شامل دوفاز در شبکه آلومینیوم می باشد: TiB₂ و TiAl₃. بنابر این مکانیزم ریز کردن دانه منصوب به جوانه زنی آلومینیوم بر روی یکی از این دو فاز می باشد.

دو فرضیه اصلی در این خصوص جهت توضیح نحوه ریزکردن دانه ها مطرح شده است که توسط برخی مشاهدات تجربی تائید می گردند.

اولین مورد در نظر می گیرد که آلومینیوم می تواند به طور مستقیم بر روی صفحات کریستالوگرافی مشخصی از یک بلور TiB₂ تشکیل شود ، در حالی که نظریه دوم فقط جوانه زنی آلومینیوم را در TiAl₃ در نظر می گیرد.

Mohanthy و همکارانش نشان دادند که در غیاب تیتانیوم، ذرات TiB₂ اضافه شده به مذاب آلومینیوم در داخل دانه حضور نداشته و به مرز دانه ها کشیده می شوند. Kaneko و همکارانش گزارش کرده اند که TiB₂ به تنهایی ریز کننده دانه موثری نمی باشد.

Estone و StJhon نشان دادند که TiB₂ جوانه زای موثری هست زمانی که تیتانیوم حل شده اضافی رشد دانه را محدود می کند. تاثیر قدرتمند آمیژان ریزکننده، زمانی که هردوی تیتانیوم و TiB₂ حضور دارند، منجر به مطرح شدن تئوری جوانه زنی مضاعف گردیده است.

ریزکننده های دانه بر پایه بور فواید قابل ملاحظه ای در مقایسه با ریزکننده های معمول دارند. برای ریزکردن دانه در ذوب ضایعات آلومینیوم که حاوی تیتانیوم هستند، اضافه کردن تیتانیوم بیشتر مورد نیاز نمی باشد. علاوه بر آن هیچ نمک فلوراید پتاسیمی در فرایند تولید جهت غلبه بر کلوخه شدن ذرات TiB₂ همراه این نمک ها مورد نیاز نمی باشد.اندازه ذرات بور در حین فرایند تولید می تواند جهت جلوگیری از مشکل مواجهه با ذرات بزرگ TiB₂ ، کنترل شود.

نتیجه گیری

در این مقاله مکانیزم ریز کردن دانه ها بوسیله ذرات بور توسط بررسی رفتار رشته های بور غوطه ور در مذاب Al-Ti در شرایط مختلفبه منظور درک بهتر استفاده از آمیژان آلومینیوم مورد مطالعه قرار گرفته است.

رشته های بور غوطه ور در مذاب آلومینیوم دارای غلظت های متفاوتی از تیتانیوم(مابین 0 الی ppm500) و ریزساختار و ترکیب در فصل مشترک B/Al مورد بررسی و تحقیق قرار گرفت. رشته های بور به منظور تسهیل مطالعه فصل مشترک Al – B مورد استفاده قرار گرفت.

نتایج نشان می دهد که بور به سرعت در مذاب آلومینیوم خالص حل می شود. اما غلظتی در حدود ppm 100 از تیتانیوم از انحلال آن جلوگیری می کند. وقتی بور با مذاب حاوی تیتانیوم در تماس قرار می گیرد، لایه نازکی از کریستال های TiB₂ در سطح بور تشکیل می شود و جلوی انحلال آن را می گیرد.

بنابراین سطح بور از کریستالهای خیلی ریز TiB₂ پوشیده می شود که درای جهت های کریستالوگرافی متفاوتی می باشند.

ضخامت لایه TiB₂ متناسب با زمان ماندن بور در مذاب افزایش می یابد. از طرف دیگر آلومینیوم از میان لایه TiB₂ دیفوزیون کرده و با بور واکنش داده و تشکیل AlB₂ در پشت لایه TiB₂ می دهد.

در حین انجماد، آلومینیوم در نواحی که تشکیل TiB₂ می دهند، کریستاله می شوند. مشخص شد که فصل مشترک TiB₂ و آلومینیوم عاری از TiAl₃ یا هر فاز انتقالی می باشد. زمانی که ریزکننده های دانه بر پایه بور به مذاب آلومینیوم اضافه می شوند، ذرات بور به داخل مذاب منتشر شده و مقادیر زیادی از کریستال های TiB₂ با جهات کریستالوگرافی متفاوت بر روی سطح این ذرات بور تشکیل می شوند.

این جهت گیری های متنوع، احتمال قرار گرفتن یک صفحه TiB₂ مناسب، برای مثال صفحه (0001) را افزایش می دهد که دارای حداقل انرژی فصل مشترک با Al-α بوده و منجر جوانه زنی آلومینیوم می شود . این می تواند توضیح دهد که چرا بور عنصری تاثیر بیشتری نسبت به ریزکننده های دانه معمول با مقادیر مشابه تیتانیوم و بور افزوده شده نشان می دهد.

kbm

HOUSHANG D. ALAMDARI, DOMINIQUE DUBE´ , and PASCAL TESSIER