با تولید فلزات نانوساختار میسر می‌شود

دسترسی به آلیاژهای سبک‌تر با استحکام بالاتر

محسن معصومی: فلزات نانوساختار و فوق‌ریزدانه نسبت به نمونه‌های مشابه درشت دانه خود، از سختی و استحکام بالاتری برخوردارند.

تشکیل ساختارهای نانومتری یا فوق‌ریزدانه در سطح یک ماده توده‌ای با اندازه دانه‌های درشت می‌تواند تاثیر بسزایی در بهبود عملکرد و ویژگی کلی آن داشته باشد. به گفته کارشناسان در هر ثانیه افزون‌بر 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. مواد فلزی نانوساختاری که با اهداف تحقیق و توسعه‌ای ساخته می‌شوند، به طور معمول 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.
در یک دهه گذشته، روش تغییر شکل 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. ازجمله 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، به صرفه بودن، در دسترس بودن و ایجاد نشدن ذوب در هنگام انجام فرآیند. با گذشت زمان این روش‌ها به دلیل برتری‌های متعددی که دارند، روز به روز بیشتر موردتوجه پژوهشگران و صنعتگران قرار می‌گیرد. هدف اصلی از تحقیق و توسعه روی فلزات فوق‌ریزدانه و نانوساختار، رسیدن به خاصیت مکانیکی هرچه بهتر است. از این رو دانشمندان و مهندسان همیشه در تلاش بوده‌اند تا اندازه دانه مواد فلزی را از ابعاد میکرونی به زیرمیکرونی و نانومتری برسانند. در همین زمینه، روش‌های مختلفی برای اصلاح اندازه دانه فلزات ابداع شده است. به طور کلی برای تولید نانوساختارها و ساختارهای فوق‌ریزدانه ۲ رویکرد به اصطلاح پایین به بالا و بالا به پایین وجود دارد. یکی از روش‌های تولید مواد با رویکرد بالا به پایین، تغییر شکل پلاستیک شدید (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، خاصیت مکانیکی فلز بهبود چشمگیری می‌یابد.
در بیشتر کاربردهای صنعتی، خاصیت سطحی قطعه در اولویت قرار داشته و تعیین‌کننده عمر و دوام آن است. از مهم‌ترین خاصیت سطحی که در صنایع به آن توجه می‌شود، ویژگی‌های سایشی ماده است. در اینگونه 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 ثابت باقی بماند. در بیشتر روش‌های تغییر شکل پلاستیک شدید، به طورمعمول سطح ماده مورد کرنش قرار گرفته و ریزدانه می‌شود. پتنت‌های مرتبط با روش تغییر شکل پلاستیک شدید ثبت شده در پایگاه جهانی ثبت پتنت به بیش از ۵۰۰ مورد می‌رسد که در این بین ۲۱۷ مورد از آنها متعلق به بعد از سال ۲۰۱۰ میلادی (۱۳۸۲ خورشیدی) است. این نشان می‌دهد که این روش در سال‌های اخیر بسیار موردتوجه پژوهشگران قرار گرفته است.


مزایای روش تغییر شکل پلاستیک شدید
تاکنون روش‌های زیادی از قبیل پاشش پلاسما، عملیات ذوبی با لیزر انرژی بالا و عملیات با قوس تنگستن برای تولید ساختارهای ریزدانه مورد استفاده قرار گرفته‌اند که پرکاربردترین آنها روش لیزر است. هر یک از این روش‌ها، پیچیدگی‌ها، مزایا و مشکلات خود را دارد ولی همگی آنها یک مشکل مشترک دارند و آن وقوع ذوب در ماده هنگام انجام فرآیند است.
این در حالی است که با انجام فرآیند SPD در دماهای زیر نقطه ذوب فلز زمینه، می‌توان از تشکیل فازها و ترکیب‌های ناخواسته و مخرب جلوگیری کرد. همچنین از آنجایی که تغییرات ابعادی ماده می‌تواند مانعی در مقابل میزان کرنش اعمالی باشد، از این رو بیشتر روش‌های تغییر شکل پلاستیک شدید به نحوی طراحی شده‌اند که ابعاد نمونه هنگام فرآیند تغییر نکند. به طور خلاصه مزایای مختلف روش تغییر شکل پلاستیک شدید
عبارتند از:
• به صرفه بودن
• قابلیت انجام فرآیند با دستگاه‌ها و قالب‌های معمولی و موجود در بازار
• زیست سازگاری و تولید نشدن 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 هوافضا، خودروسازی، حمل‌ونقل، کشتی‌سازی، تسلیحات دفاعی، نفت، گاز و پتروشیمی یافته است. به عنوان مثال قطعات ساخته شده از فولادهای نانوساختار که کارخانجات خودروسازی جهان روی آنها کار می‌کنند عبارتند از: بدنه خودرو، سپرها و میله سپرها، صفحه‌های ترمز، اجزای حساس به برخورد، واشر دهانه سیلندر، محفظه موتور، میله‌های داخلی خودرو و بسیاری از قسمت‌های دیگر.
همچنین در تجهیزات هوافضا که وزن قطعه یک شاخص مهم است، فناوری نانو کمک می‌کند تا بتوان با بالا بردن استحکام و خاصیت مکانیکی، وزن را کاهش داد. برای نمونه استفاده از آلیاژهای نانوساختار در مهندسی، طراحی و ساخت موتورهای صنعت هوانوردی به کار می‌رود.نمونه‌ای از کاربرد مواد نانوساختار تولید شده با روش‌های تغییر شکل 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. در صنایع نظامی برای ساخت قطعات سبک با استحکام بالا و دارای پایداری حرارتی. برای مصرف در محیط‌های دمای پایین و ساخت بدنه انواع خودرو و هواپیما. با همه اینها، به علت مشکلات و چالش‌های فنی و مهندسی زیادی که در فرآوری صنعتی فلزات نانوساختار وجود دارد، تولید آنها با کیفیت بالا در ابعاد بالا (به‌ویژه به شکل ورق) محدود است. به طور کلی، همه مواد نانوساختاری که به روش‌های مختلف در ابعاد توده‌ای فرآوری می‌شوند، دارای ایرادهای ساختاری مختلفی هستند که خاصیت وابسته به ساختار ماده را تحت‌تاثیر قرار می‌دهند. به طوری که پژوهشگران پیوسته در تلاش هستند که این ایرادها را به‌تدریج بهبود بخشند.


فعالیت‌های انجام شده در داخل کشور
با توجه به اینکه بیشتر روش‌های تغییر شکل پلاستیک شدید، نو به‌شمار می‌روند، در چند سال گذشته استفاده از این روش‌ها برای تولید فلزات فوق‌ریزدانه و نانوساختار پیشرفت فراوانی داشته است. به طوری که تعداد پایان‌نامه‌های دانشجویی کارشناسی ارشد و دکترای تخصصی در رابطه با فلزات نانوساختار تولید شده به روش تغییر شکل پلاستیک شدید ثبت شده در پایگاه فناوری نانو به بیش از ۱۵۰ مورد می‌رسد. با وجود ویژگی‌های یاد شده در ایجاد فولادهای نانوساختار از طریق روش تغییر شکل پلاستیک شدید، تاکنون در داخل کشور بخش خصوصی سرمایه‌گذاری اندکی برای گسترش تولید محصولات نانوساختار فولادی در ابعاد صنعتی کرده است. با این وجود بخش‌های مختلف صنایع درصدد ایجاد خط تولید نانوساختار روی فولاد از طریق روش‌های SPD است. پژوهشگران دانشگاه امیرکبیر در سال ۱۳۹۳ با همکاری پژوهشگران اسپانیایی موسسه CENIM-CSIC از روش تغییر شکل پلاستیک شدید استفاده کردند و موفق به تولید آلومینیوم تجاری ۱۰۵۰ با ساختار نانومتری شدند. این آلیاژ سبک‌تر بوده و استحکامی چندین برابر نمونه‌های متداول دارد، به‌گونه‌ای که از آن به عنوان محکم‌ترین آلیاژ آلومینیوم نام برده می‌شود. استفاده از روش SPD منجر به کاهش هزینه‌های تولیدی و همچنین افزایش عملکرد محصول نهایی شده است.


چاپ