بررسی فناوری تغییر شکل پلاستیک شدید (SPD) در تولید فلزات نانوساختار (بالک نانواستراکچرز)

فناوری نانو توانايي ساخت، كنترل و استفاده از مواد در ابعاد نانومتري (1 تا 100 نانومتر) است. در این مقیاس، ابعاد ماده در خصوصيات آن بسيار تأثيرگذار است. به طوری که خواص فيزيکي، شيميايي و زیستی هریک از اتم­ها و مولکول­ها با خواص توده­ی آن متفاوت است. در واقع فناوری نانو، فهم و به کارگیری خواص جدیدی از مواد و سیستم­هایی در این ابعاد است که اثرات فیزیکی جدیدی از خود نشان می‌دهند. از آنجایی که این فناوری به شدت میان رشته­ای[1] بوده، در صنایع مختلف از قبیل صنعت خودرو، الکترونیک، ساخت و ساز، انرژی، پزشکی، کشاورزی، نساجی و سایر صنایع کاربرد فراوانی دارد.

• فلزات نانوساختار

مواد فلزی نانوساختاری که با اهداف تحقیق و توسعه‌ای ساخته می‌شوند، معمولاً دارای توزیع گسترده‌ای از اندازه دانه، از چند ده نانومتر تا یک میکرون هستند. به همین دلیل، تصور می‌شود آلیاژهای نانوساختاری که در آینده در ابعاد توده­ای برای کاربردهای صنعتی مختلف ساخته می‌شوند نیز، ریزساختاری متشکل از دانه‌های نانومتری (از چند ده نانومتر تا زیر یک میکرون) داشته باشند.

تحقیقات نشان داده‌اند ][1] [که فلزات نانوساختار و فوق‌ریزدانه دارای خاصیت سوپرپلاستیسیته[2] دمای پایین فوق‌العاده‌ای هستند و نسبت به نمونه‌های مشابه درشت دانه خود، از سختی و استحکام بالاتری برخوردارند. همچنین به دلیل اینکه اغلب شکست‌ها و تخریب‌ها (شکست‌های خستگی، انواع سایش‌ها و فرسایش‌ها، تخریب‌های حاصل از تشعشع و خوردگی‌ها) از سطح ماده شروع می‌شوند، به نظر می‌رسد، تشکیل ساختارهای نانومتری یا فوق‌ریزدانه در سطح یک ماده توده­ای[3] با اندازه دانه‌های درشت می‌تواند تأثیر بسزایی در بهبود عملکرد و خواص کلی آن داشته باشد. به عنوان مثال بر اساس آمار منتشر شده توسط مرکز تحقیقات خوردگی دانشگاه ایالتی اوهایو آمریکا (RPI) در هر ثانیه بالغ بر یک تن فولاد در اثر خوردگی از بین می­رود. با ایجاد ساختارهای ریزدانه می­توان مقاومت به خوردگی فولادها را افزایش داد و از این خسارت هنگفت کاست.

• اساس روش تغییر شکل پلاستیک شدید در ایجاد فلزات نانوساختار

هدف اصلی از تحقیق و توسعه روی فلزات فوق ریزدانه و نانوساختار، رسیدن به خواص مکانیکی و یا تریبولوژیکی[4] هرچه بهتر است. بدین جهت دانشمندان و مهندسان همیشه در تلاش بوده‌اند تا اندازه دانه مواد فلزی را از ابعاد میکرونی به زیرمیکرونی و نانومتری برسانند. که در همین راستا، روش‌های مختلفی برای اصلاح اندازه دانه[5] فلزات ابداع شده است. به طور کلی برای تولید نانوساختارها و ساختارهای فوق‌ریزدانه دو رویکرد اصطلاحاً پایین به بالا[6] و بالا به پایین[7] وجود دارد. یکی از روش­های تولید مواد با رویکرد بالا به پایین، تغییر شکل پلاستیک شدید[8] (SPD) است. در این رویکرد، اندازه دانه فلز پایه بدون اینکه نیاز باشد ترکیب شیمیایی یا ساختار فازی آن تغییر کند، تا ابعاد زیرمیکرونی و نانومتری کاهش داده می‌شود. به گونه­ای که با اعمال کرنش­های شدید به نمونه، اندازه دانه­ها تا مقیاس نانومتری کاهش یافته و در مقابل، خواص مکانیکی فلز بهبود چشم­گیری می­یابد.

در اکثر کاربردهای صنعتی، خواص سطحی قطعه در اولویت قرار داشته و تعیین­کننده عمر و دوام آن است. از مهم­ترین خواص سطحی که در صنایع به آن توجه می­شود، ویژگی­های سایشی ماده است. در این گونه موارد گاهی نیاز است که تنها لایه­ای از سطح قطعه استحکام و مقاومت خوبی از خود نشان دهد، و ترکیب و ساختار اولیه حجم درونی قطعه[9] ثابت باقی بماند. در اکثر روش­های تغییرشکل پلاستیک شدید، معمولاً سطح ماده تحت کرنش قرار گرفته و ریزدانه می­شود. پتنت­های مرتبط با روش تغییر شکل پلاستیک شدید ثبت شده در پایگاه جهانی ثبت پتنت به بیش از 500 مورد می­رسد. که در این بین 217 مورد از آن­ها متعلق به بعد از سال 2010 می­باشد. این نشان می­دهد که این روش­­ در سال­های اخیر بسیار مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است.

• مزایای روش تغییرشکل پلاستیک شدید

تاکنون روش­های زیادی از قبیل پاشش پلاسما[10]، عملیات ذوبی با لیزر انرژی بالا[11] و عملیات با قوس تنگستن به ­منظور تولید ساختارهای ریزدانه مورد استفاده قرار گرفته­اند، که پرکاربردترین آن­ها روش لیزر است. هر یک از این روش­ها، پیچیدگی­ها، مزایا و مشکلات خاص خود را دارد، ولی همگی آن­ها یک مشکل مشترک دارند و آن وقوع ذوب در ماده در حین انجام فرایند است. این در حالی است که با انجام فرایند SPD در دماهای زیر نقطه ذوب فلز زمینه، می­­توان از تشکیل فازها و ترکیبات ناخواسته و مخرّب جلوگیری نمود. همچنین از آنجایی که تغییرات ابعادی ماده می­تواند مانعی در مقابل میزان کرنش اعمالی باشد، لذا اکثر روش­های تغییر شکل پلاستیک شدید به نحوی طراحی شده­اند که ابعاد نمونه حین فرایند تغییر نکند. به طور خلاصه مزایای مختلف روش­ تغییرشکل پلاستیک شدید عبارتند از:

• مقرون به صرفه بودن؛
• قابلیت انجام فرایند با دستگاه­ها و قالب­های معمولی و موجود در بازار؛
• زیست سازگاری و عدم تولید گازهای سمی؛
• امکان اعمال کرنش­­های شدید پلاستیکی بدون تغییر در ابعاد نمونه­ها؛
• امکان تولید قطعات فلزی با ابعاد بزرگ و اندازه دانه­های نانومتری؛
• کاربرد فلزات نانوساختار در صنایع مختلف

در مدت بسیار کوتاهی فلزات نانوساختار کاربردهایی را در صنایع هوا فضا، خودروسازی، حمل و نقل، کشتی­سازی، تسلیحات دفاعی، نفت، گاز و پتروشیمی یافته است. به عنوان مثال قطعات ساخته شده از فولادهای نانوساختار كه كارخانجات خودروسازي جهان روي آن­ها كار مي‌كنند؛ عبارتند از: بدنه خودرو، سپرها و ميله سپرها، صفحات ترمز، اجزاء حساس به برخورد، واشر دهانه سيلندر، محفظه موتور، ميله های داخلي خودرو و بسیاری از قسمت­های دیگر.

همچنین در تجهیزات هوافضا که وزن قطعه یک فاکتور مهم می­باشد، فناوری نانو کمک می­کند تا بتوان با بالا بردن استحکام و خواص مکانیکی، وزن را کاهش داد. برای نمونه، استفاده از آلیاژهای نانوساختار در مهندسی، طراحی و ساخت موتورهای صنعت هوانوردی[12] به کار می­رود. در شکل زیر موتور جت شرکت Rolls-Royce نشان داده شده است. بخش­های مرکزی کمپرسور (رنگ نارنجی) این موتورها از فولادهای نانوساختار ساخته شده است. بخش­ دیگر کمپرسور و فن این موتور از آلیاژ تیتانیوم (آبی رنگ)، و بخش­های دما بالای محفظه احتراق از آلیاژهای سوپرآلیاژ نیکل ساخته شده است (قرمز رنگ) ][2][.

شکل 3- موتور جت شرکت Rolls-Royce، بخش­­های قرمز، آبی و نارنجی به ترتیب از جنس فلزات نیکل، تیتانیوم و فولادهای نانوساختار ساخته شده است]2[.

مثال­هایی از کاربرد مواد نانوساختار تولید شده با روش­های تغییرشکل پلاستیک شدید در صنایع مختلف عبارتند از: ساخت تجهیزات پزشکی، پروتزهای نانوساختار، ایمپلنت­های استحکام بالا و سبک دارای مدول الاستیسیته مناسب. در صنایع الکترونیک و مخابرات: مواد با خواص مغناطیسی عالی مورد استفاده در ترانسفورمرهای سیگنال meso/micro و در دیگر شبکه های مخابراتی. در صنایع نظامی برای ساخت قطعات سبک با استحکام بالا و دارای پایداری حرارتی. برای مصارف در محیط­های دمای پایین[13] و ساخت بدنه انواع خودرو و هواپیما.

شکل 4– مثال هایی از کاربرد فلزات نانوساختار تولید شده به روش تغییرشکل پلاستیک شدید در صنایع مختلف.

با همه این اوصاف، به علت مشکلات و چالش‌های فنی و مهندسی زیادی که در فراوری صنعتی فلزات نانوساختار وجود دارد، تولید آن­ها با کیفیت بالا در ابعاد بالک (به خصوص به شکل ورق) محدود است. به طور کلی، همه مواد نانوساختاری که به روش‌های مختلف در ابعاد توده­ای فراوری می‌شوند، دارای عیوب ساختاری مختلفی هستند که خواص وابسته به ساختار ماده را تحت تأثیر قرار می‌دهند. به طوری که پژوهشگران پیوسته در تلاش هستند که این عیوب را به تدریج بهبود بخشند.

به عنوان مثال با شروع سال 2014 میلادی، دانشگاه کمبریج انگلستان اعلام کرد که برای اولین بار در جهان موفق به تولید صنعتی نوع خاصی از فولاد شده است ][3][. بنابراین از آنجایی که تولید فولادهای نانوساختار در کارخانه­های فولادسازی به راحتی میسر نبوده است، در نتیجه انجام عملیات­های مختلف برای ریزدانه کردن فولادها و رسیدن به ساختار نهایی نانومتری ضرورت پیدا می­کند.

 

6- انواع روش­های تغییر شکل پلاستیک شدید

مهم­ترین روش­های تغییرشکل پلاستیک شدید عبارت است از:

• پیچش تحت فشار بالا[14] (HPT)؛
• پرس در قالب زاویه دار[15] (ECAP)؛
• اکستروژن پیچشی[16] (TE)؛
• نورد تجمعی[17] (ARB)؛
• برس کاری[18]؛
• فرایند همزن اصطکاکی[19] (FSP)؛
• فرایند اصطکاک سطحی[20]؛
• فرایند مالش مکانیکی سطحی[21] (SMAT)؛
• فرایند فورج چند جهته[22] (MDF)؛
• فرایند اکستروژن-فشردن تناوبی[23] (CEC)؛

هر کدام از این روش­ها ویژگی­های خاص خود را داشته و برای ایجاد ساختار نانو در فلزات و تولید محصولات در اشکال مختلف ورق، لوله و بالک ماده به کار برده می­شوند. طی بررسی­های انجام شده در پایگاه­های بین­المللی ثبت پتنت، نمودار زیر تنظیم شده است که نشان­دهنده­ی میزان توجه پژوهشگران در سال­های اخیر به هریک از این روش­ها است. در شکل 7 نیز مقایسه­ی آماری این پتنت­ها صورت گرفته است.

شکل 6– نمودار مقایسه تعداد پتنت­های مرتبط با روش­های مختلف SPD که بعد از سال 2000 میلادی در پایگاه جهانی اوربیت ثبت شده­اند (مجموع پتنت های ثبت شده در حوزه تغییر شکل پلاستیک شدید (SPD) به بیش از 500 عدد می­­رسد) ]4[.

 

شکل 7– مقایسه آماری درصد پتنت­های ثبت شده در پایگاه جهانی ثبت پتنت اوربیت ][4][.

 

برای آشنایی بیشتر با هرکدام از این روش­ها، در ادامه به تعریف اجمالی از چند روش مهم از فرایند SPD پرداخته می­شود.

6-1- روش نورد تجمعی (ARB) در تولید نانوساختارها

از این روش برای تولید ورق­های فولادی فوق ریزدانه استفاده می­شود. در حال حاضر روش ARB تنها روشی است که می­توان توسط آن بزرگترین نمونه­های فلزی از نظر ابعاد محصول با ساختار نانومتری را تولید کرد. اجرای این روش با استفاده از دستگاه­های نورد معمولی امکان پذیر است. شماتیکی از این روش و ساختار حاصل از آن در شکل 8 نشان داده شده است .

شکل 8- شماتیکی از فرایند نورد تجمعی مورد استفاده در تولید ورق­های فولادی با ساختار نانومتری.

6-2- روش ECAP در ایجاد دانه­های نانومتری

همانگونه که در شکل 9 نشان داده شده است، ابعاد سطح مقطع نمونه در حین اعمال کرنش از طریق این فرایند ثابت باقی می­ماند. لذا می­توان نمونه را به دفعات متوالی از قالب عبور داد و در هر عبور مقداری کرنش پلاستیک در فلز ذخیره کرد.

یکی از محدودیت­های این روش وقت­گیر بودن آن است. به طوری که برای دستیابی به کرنش­های مورد نظر باید نمونه را هر بار از قالب خارج کرد و دوباره به داخل قالب وارد کرد و عملیات پرس­کاری را انجام داد. تلاش­های زیادی برای حذف این مرحله انجام گرفته و پروسه­های مختلفی در این زمینه درحال توسعه می­باشد. بنابراین از روش ECAP برای تولیدات انبوه صنعتی استفاده نمی­شود زیرا یک روش پیوسته[24] نیست.

 

شکل 9- شماتیکی از روش پرس در قالب زاویه دار.

6-3- روش تغییر شکل پیچشی تحت فشار بالا (HPT) در ایجاد نانوساختار

در این روش نمونه­ اولیه معمولاً به شکل دیسک نازک بوده که به طور همزمان تحت فشار هیدرواستاتیک و تنش­های برشی قرار می­گیرد. اصول این روش به صورت شماتیک در شکل 10 نشان داده شده است.

شکل 10- شماتیکی از فرایند تغییرشکل پیچشی تحت فشار بالا.

6-4- روش اکستروژن پیچشی (TE) در ایجاد دانه­های نانومتری

در این روش، نمونه در داخل قالب با اندازه زاویه خاصی حول محور مرکزی پیچانده می­شود. طراحی این قالب به گونه­ای است که شکل و ابعاد نمونه، بعد از خارج شدن از قالب تغییری نمی­کند. در نتیجه کرنش شدیدی را با ثابت بودن ابعاد نمونه، میتوان به آن اعمال کرد و ماده­ای با ساختار فوق العاده ریز بدست آورد.

 

شکل 11- شماتیکی از روش اکستروژن پیچشی.

6-5- روش SMAT در تولید سطوح نانوساختار

عملیات سایشی مکانیکی سطح (SMAT) با ضربات مکرر چند بعدی به وسیله ساچمه­های معلق برای سخت کردن سطح انجام می­شود. این ضربات بر روی نمونه­های حجمی باعث تغییر شکل پلاستیک شدید لایه های سطح نمونه مورد نظر می­شود که متعاقباً ساختارهای فوق ریزدانه و نانوساختارها شکل می­گیرند .

 

شکل 12- شماتیکی از روش SMAT.

6-6- روش RCS در تولید فلزات نانوساختار

در روش کنگره دار کردن و صاف کردن (RSC[25]) ورق اولیه توسط دو عدد غلتک کوچک به سمت غلتک­های بزرگ میانی کالیبردار هدایت شده و توسط این غلتک­ها تغییرشکل پلاستیکی شدید به صورت خمشی اعمال می­گردد. سپس توسط دو غلتک دیگر، ورق تولیدی به سمت بیرون کشیده می­شود. این عمل در چند پاس متوالی انجام می­گیرد و موجب اعمال تغییرشکل شدید به ورق و در نهایت منجر به ایجاد ساختار فوق ریزدانه یا نانوساختار می­شود (شکل 13). به وسیله­ی این روش انواع ورق­های آلومینیومی و مسی را می­توان ریزدانه کرد.

شکل 13- شماتیک روش RCS در تولید فلزات ریزدانه.

علاوه بر فرایندهای مذکور، در سال­های اخیر فرایندهای دیگری نیز برای اعمال کرنش­های شدید پلاستیک در مواد فلزی و کاهش اندازه دانه­ها تا مقیاس نانومتری پیشنهاد شده است. این فرایندها با نام­های فورج سیکلی در قالب بسته (CCDF[26])، اکستروژن هیدرواستاتیک (HE[27])، ECAP-Forging، ECAP-Conform، CC-ECAP[28]، [29]C2S2، CGP[30] و CCGC[31]، APB[32] شناخته می­شوند. اصول این روش­ها نیز مشابه فرایندهای قبلی بر پایه­ی اعمال کرنش­های شدید پلاستیک به نمونۀ فلزی بدون تغییر ابعاد ظاهری آن می­باشد. توجه به اصول این روش می­تواند زمینه­های لازم جهت ابداع و معرفی روش­های جدیدتر و کارآمدتر تولید مستقیم مواد فلزی با اندازه دانۀ نانومتری را فراهم آورد.

• فعالیت­های انجام گرفته در داخل کشور

با توجه به این­که اکثر روش­های تغییرشکل پلاستیک شدید، نو محسوب می­شوند، در طی چند سال گذشته استفاده از این روش­ها برای تولید فلزات فوق ریزدانه و نانوساختار پیشرفت فراوانی داشته است. به طوری که تعداد پایان نامه­های دانشجویی مقاطع کارشناسی ارشد و دکتری تخصصی در رابطه با فلزات نانوساختار تولید شده به روش تغییرشکل پلاستیک شدید ثبت شده در پایگاه فناوری نانو ][5][ به بیش از 150 مورد می­رسد که بخشی از این آمار در نمودار زیر لحاظ شده است.

 

شکل 14– نمودار بررسی تعداد پایان نامه­های ثبت شده کارشناسی ارشد و دکتری مربوط به تولید فلزات نانوساختار به روش­های مختلف SPD ثبت شده در پایگاه سایت ستاد نانو ]5[.

علی رغم ویژگی­های یاد شده در ایجاد فولادهای نانوساختار از طریق روش­ تغییرشکل پلاستیک شدید، تاکنون در داخل کشور، بخش خصوصی سرمایه­ گذاری اندکی برای گسترش تولید محصولات نانوساختار فولادی در ابعاد صنعتی نموده است. با این وجود بخش­های مختلف صنایع درصدد ایجاد خط تولید نانوساختار بر روی فولاد از طریق روش­های SPD می­باشند.

بطور مثال پژوهشگران دانشگاه امیرکبیر در سال 1393 با همکاری محققان اسپانیایی مؤسسه CENIM-CSIC از روش تغییرشکل پلاستیک شدید استفاده کردند و موفق به تولید آلومینیوم تجاری 1050 با ساختارنانومتری شدند. این آلیاژ سبک­تر بوده و استحکامی چندین برابر نمونه­های متداول دارد، به گونه­ای که از آن به عنوان محکمترین آلیاژ آلومینیوم نام برده می­شود. استفاده از روش SPD منجر به کاهش هزینه­های تولیدی و همچنین افزایش راندمان محصول نهایی شده است ][6][.

 

• جمع بندی

در طی یک دهه گذشته، روش تغییرشکل پلاستیک شدید به عنوان یکی از روش­های جدید برای تولید مستقیم مواد فلزی با اندازه دانه نانومتری مطرح شده است. مبنای این روش، کاهش اندازه دانه­ها در نمونه­های فلزی با ابعاد بزرگ از طریق اعمال کرنش­های شدید بدون ایجاد تغییرات ابعادی در نمونه است. از جمله مهمترین این روش­ها می­توان به HIP، ECAP، ARB، TE، FSP و SMAT اشاره کرد. این روش­ها دارای مزایای زیادی هستند که مهمترین آن­ها عبارت است از: زیست سازگاری، کنترل دقیق ابعادی نمونه، مقرون به صرفه بودن، در دسترس بودن و عدم ایجاد ذوب در حین انجام فرایند. با گذشت زمان این روش­ها به دلیل مزایای متعددی که دارند، روز به روز بیشتر مورد توجه پژوهشگران و صنعتگران قرار می­گیرد.

 

 

[1] Multidisciplinary

[2] Super-Plasticity

[3] Bulk

[4] Tribological

[5] Grain structure refinement

[6] Down-to-top

[7] Top-to-down

[8] Sever plastic deformation

[9] Bulk

[10] Plasma spray

[11] High-energy laser treatment

[12] Aviation engines

[13] Cryogenic temperature

[14] High pressure torsion

[15] Equal channel angular pressing

[16] Twist extrusion

[17] Accumulative roll bonding

[18] Brushing

[19] Friction stir processing

[20] Friction surfacing

[21] Surface mechanical attrition treatment

[22] Multi-directional forging

[23] Cyclic extrusion-compression

[24] Continuous

[25] Repetitive corrugation and straightening

[26] Cyclic Closed Die Forging

[27] Hydrostatic Extrusion

[28] Continuous Conshearing ECAP

[29] Continuous Confined Strip Shearing Process

[30] Constraint Groove pressing

[31] Cyclic Die Channel Compression

[32] Accumulative Press Bonding

———————————–

منابع

1صیاد رضایی نژاد س.، ایجاد ساختار نانو در فولاد زنگ نزن آستنیتی به روش فرایند همزن اصطکاکی و بررسی خواص سایشی و فرسایشی آن، پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه تربیت مدرس؛ تهران،1391..

[1] Hicks, M.A and M.C Thomas (2003) Advances in Aeroengine Materials presented at Parsons Conference, Dublin, 2003.

[1] www.isna.ir

[1] www.orbit.com

[1] www.nano.ir

[1] Sajjad Amirkhanlou, Mostafa Ketabchi, Nader Parvin, Alberto Orozco-Caballero, Fernando Carreño, Homogeneous and ultrafine-grained metal matrix nanocomposite achieved by accumulative press bonding as a novel severe plastic deformation process, Scripta Materialia, Volume 100, 15 April 2015, Pages 40-43.

 

 

—————————————————

گردآوری: 

• ساعد صیاد رضایی نژاد

بخش ترویج صنعتی فناوری های نانو و میکرو

 ====================================================================================

(توجه: جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید)

همچنین برای دسترسی به فایل PDF کلیه گزارشات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید.

 ====================================================================================