تحقیق در مورد پودر آلیاژ Al-W با آنتالپی احتراق حجمی بالا

پودر آلیاژ Al-W  به روش احیای ترمیت و روش اتمیزه کردن گاز تهیه شده است. شناسایی فاز، مورفولوژی سطح، ساختار فاز فضایی، رفتار اکسیداسیون و عملکرد احتراق پودر آلیاژ به ترتیب با آزمایش‌های XRD، SEM/EDS، DSC، DTA/TG و بمب اکسیژن مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان می‌دهد که در میان پودر آلیاژ Al-xW، پودر آلیاژ Al-20W بزرگترین آنتالپی احتراق حجمی اندازه‌گیری شده در کالری‌سنج بمب اکسیژن (J/cm3 790 ± ۸۳۴۴۰) را دارد که نسبت به پودر Al خالص برتری دارد. پودر آلیاژ Al-20W کرویت خوبی دارد و ساختار فاز فضایی خاصی را نشان می‌دهد، که در آن ترکیب بین فلزی Al/W غیرپایدار در ماتریس Al خالص توزیع شده است.

در فرآیند تثبیت، فاز ناپایدار به Al12W پایدار تبدیل می‌شود و انرژی آزاد می‌کند. مطالعه رفتار اکسیداسیون حرارتی نشان می‌دهد که پودر آلیاژ Al-20W دارای فعالیت اکسیداسیون حرارتی عالی و کامل بودن اکسیداسیون در هوا است. پودر آلیاژ Al-20W تقریباً به طور کامل در هوا در دمای ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد اکسید می‌شود و تنها Al2O3 در محصول اکسیداسیون شناسایی می‌شود.

ذرات محصول اکسیداسیون پودر آلیاژ Al-20W در دمای ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد به شکل یک پوسته توخالی هستند. احتراق پودر آلیاژ Al-20W مقدار زیادی محصول احتراق گازی WO3 تولید می‌کند که برای افزایش فشار داخل موتور موشک سوخت جامد مفید است. به طور خلاصه، پودر آلیاژ Al-W دارای چشم اندازهای کاربردی عالی در زمینه مواد پرانرژی مانند پیشرانه جامد و مواد منفجره است.

۱. معرفی آلیاژ Al-W

سوخت‌های فلزی دارای مزایای ارزش حرارتی احتراق بالا و مواد خام فراوان هستند. به عنوان افزودنی‌های حاوی انرژی و کاتالیزورهای احتراق، آنها به طور گسترده در پیشرانه‌های جامد، مواد منفجره و دیگر میدان‌های هوافضا و سیستم‌های قدرت سلاح استفاده شده اند. سوخت‌های فلزی نه تنها ‌می‌توانند چگالی انرژی و گرمای انفجار فرمول‌های پرانرژی را به طور قابل توجهی افزایش دهند، رفتار احتراق آنها را بهبود بخشند، بلکه باعث افزایش تکانه ویژه پیشرانه‌های جامد و افزایش پایداری احتراق موتورها ‌می‌شوند. در حال حاضر، تحقیقات در مورد سوخت‌های فلزی بر روی پودر آلومینیوم خالص و پودر آلیاژ مبتنی بر آلومینیوم، مانند Al-Li، Al-Mg، Al-Eu، Al تمرکز دارد.

پودر آلومینیوم خالص به دلیل قیمت پایین، آنتالپی احتراق بالا و ایمنی خوب به طور گسترده ای استفاده ‌می‌شود. با این حال، دارای کاستی‌هایی مانند دمای اشتعال بالا، زمان تاخیر جرقه زنی طولانی، احتراق ناقص، تجمع محصول و افت جریان دو فازی بزرگ است. افزودن سایر عناصر آلیاژی به پودر آلومینیوم ‌می‌تواند به طور موثر دمای احتراق پودر سوخت را کاهش دهد، زمان تاخیر احتراق را کوتاه کند، درجه اکسیداسیون را افزایش دهد و راندمان آزادسازی انرژی را بهبود بخشد.

 

تنگستن

تنگستن یک فلز کمیاب با نقطه ذوب بالا (۳۴۱۰ درجه سانتی گراد) و چگالی بالا (۱۹.۳۵ گرم بر سانتی متر مکعب) است که کاربردهای زیادی در زمینه مواد پر انرژی دارد. ذرات تنگستن را ‌می‌توان با پرکلرات پتاسیم، کرومات باریم، خاک دیاتومه و سایر مواد افزودنی ترکیب کرد تا یک ترکیب تاخیری از نوع تنگستن تشکیل دهد. محتوای ذرات تنگستن و اندازه ذرات بر گرمای واکنش و انرژی فعال سازی موثر ترکیب تاخیری تأثیر ‌می‌گذارد. با تنظیم نسبت اجزای مختلف، ترکیب تاخیری نوع تنگستن می‌تواند ویژگی‌های احتراق خوب و انتشار آهسته داشته باشد و برای ساخت دستگاه‌های تاخیر احتراق کوچک و دستگاه‌های پیروتکنیک با قابلیت اطمینان احتراق بالا مناسب است.

تنگستن همچنین ‌می‌تواند با زیرکونیوم آلیاژ شود تا قطعات انرژی تنگستن/زیرکونیوم را تشکیل دهد. هنگا‌می‌که قطعات پرانرژی تنگستن/زیرکونیوم برای نفوذ انرژی جنبشی به هدف برخورد ‌می‌کنند، همچنین واکنش‌های شیمیایی را ایجاد ‌می‌کنند، احتراق، انفجار و سایر پدیده‌ها را ایجاد ‌می‌کنند، داخل هدف را از بین ‌می‌برند و اثر آسیب جامع خوبی دارند. علاوه بر این، محققان همچنین تحقیقات زیادی در مورد مواد فعال پرانرژی مانند Al/W/PTFE انجام داده‌اند. مشخص شد که اگرچه خود تنگستن در واکنش بین Al و PTFE شرکت نمی‌کند، اما می‌تواند چگالی و استحکام مکانیکی مواد راکتیو پرانرژی را افزایش دهد و همچنین بر حساسیت ضربه، ویژگی‌های احتراق، انرژی واکنش و ناقص بودن مواد فعال پرانرژی تأثیر بگذارد.

کاربردهای تنگستن

علاوه بر کاربردهای فوق الذکر تنگستن در زمینه مواد پرانرژی، بسیاری از محققین تهیه آلیاژهای Al/W و تشکیل و تبدیل ترکیبات بین فلزی را نیز مورد مطالعه قرار داده اند. به عنوان مثال، ورام و همکاران. نانوکامپوزیت‌های چند فازی Al-10 در % W را با نانوساختارها با استفاده از آسیاب گلوله ای و تف جوشی پلاسمای جرقه ای (SPS) در ۷۴۸ K آماده کردند. آنها دریافتند که فاز ترکیبی بین فلزی Al12W از مخلوط نانوبلورهای Al-W رسوب ‌می‌کند و یک دو تشکیل ‌می‌دهد. ساختار فازی که در آن فاز نانوبلور Al12W به طور یکنواخت در ماتریس نانوبلور Al توزیع شده است.

هیچ گزارش ادبی در مورد استفاده مستقیم از آلیاژ Al-W به عنوان سوخت فلزی وجود ندارد. در این مقاله، آلیاژ Al-W برای اولین بار مستقیماً به عنوان پودر سوخت فلزی تهیه شده و مطالعه عمیق آن انجام شده است. افزودن تنگستن به آلومینیوم خالص به بهبود چگالی و عملکرد انرژی سوخت‌های فلزی کمک می‌کند.

در این مقاله بلوک‌های آلیاژی Al-xW (x = 10، ۲۰، ۳۰، ۴۰، ۵۰ wt.%) با ترکیب یکنواخت با استفاده از روش احیای ترمیت و پودر آلیاژ Al-xW با کروی بالا با استفاده از فناوری اتمیزه کردن گاز تهیه شد. در مقایسه با سایر ترکیبات پودر آلیاژ Al-xW، پودر آلیاژ Al-20W دارای بزرگترین آنتالپی احتراق حجمی اندازه گیری شده در کالریمتر بمب اکسیژن است که نسبت به پودر Al خالص برتری دارد.

در همان زمان، پس از احتراق شدید سوخت آلیاژ Al-20W، WO3 به جای اینکه به صورت متراکم باقی بماند، به شکل گازی تبخیر می‌شود، که برای افزایش فشار داخل موتور موشک سوخت جامد مفید است. علاوه بر این، تغییر ساختار فاز فضایی و فرآیند اکسیداسیون پودر آلیاژ Al-20W در طول گرمایش نیز به تفصیل مورد مطالعه قرار گرفت.

۲. بخش تجربی

۲.۱. تهیه مواد

نقطه ذوب تنگستن خالص به ۳۴۱۰ درجه سانتیگراد ‌می‌رسد که از نقطه جوش آلومینیوم خالص (۲۳۲۷ درجه سانتیگراد) فراتر ‌می‌رود. تهیه بلوک‌های آلیاژی Al/W با ذوب دشوار است. آل خالص قابلیت احیا پذیری بسیار خوبی دارد و ‌می‌تواند تحت واکنش احیای آلومینوگرمیک با تری اکسید تنگستن (WO3) قرار گیرد. بر این اساس، بلوک آلیاژی Al–xW (x = 10، ۲۰، ۳۰، ۴۰، ۵۰ wt.%) با ترکیب یکنواخت و وزن حدود ۵۰۰ گرم به روش احیای ترمیت تهیه شد. مواد اولیه مورد نیاز برای آزمایش عبارت بودند از ورقه‌های آلومینیوم (خلوص > 99.0%)، WO3 (معرف تحلیلی)، فلوراید سدیم (معرف تحلیلی)، فلوراید کلسیم (معرف تحلیلی)، فلوراید آلومینیوم (معرف تحلیلی). تما‌می‌مواد از شبکه ریجنت سینوفارم خریداری شده است. مراحل خاص آزمایش به شرح زیر است:

پره‌های آلومینیوم محاسبه شده و وزن شده و مخلوطی از فلوراید سدیم، فلوراید آلومینیوم و فلوراید کلسیم به یک جرم (درصد جر‌می‌فلوراید کلسیم ۰/۵ درصد است، نسبت مولی فلوراید سدیم و فلوراید آلومینیوم ۲.۴:۱ است) در یک بوته قرار داده شده و به حالت مذاب ذوب شدند، دمای حرارت ۹۶۰ درجه سانتیگراد است. به دلیل چگالی‌های مختلف، لایه لایه شدن رخ داد که آلومینیوم مایع در لایه پایینی و نمک مذاب در لایه بالایی قرار داشت. سپس مقدار مشخصی از پودر WO3 به شکل صفحه نازک فشرده شده و به مدت ۲۰ تا ۳۰ دقیقه به طور کامل در آلومینیوم مذاب قرار داده شد.

آلومینیوم مایع تحت واکنش ترمیت با WO3 قرار گرفت و لایه‌ای از اکسید آلومینیوم را روی سطح ورق WO3 تشکیل داد. ورق WO3 را در لایه نمک مذاب فلوراید سدیم-فلوراید آلومینیوم-فلوراید کلسیم فلوراید بالا برد و آن را به مدت ۲۰ تا ۳۰ دقیقه نگه داشت، به طوری که لایه اکسید آلومینیوم در نمک مذاب حل شد. ورق WO3 را مجدداً به طور کامل در لایه مایع آلومینیوم قرار دهید و آن را بچرخانید و کاملاً هم بزنید. پس از ۲۰-۳۰ دقیقه، W تولید شده توسط واکنش و Al خالص به طور یکنواخت توزیع شدند. در همان زمان، آلومینا جدید روی سطح ورق WO3 تشکیل شد.

مراحل بالا را تکرار کنید تا ورق WO3 به طور کامل مصرف شود. مذاب آلیاژ نهایی برای ریخته گری بیرون کشیده ‌می‌شود و به آرا‌می‌سرد ‌می‌شود تا بلوک‌های آلیاژی Al-W با ترکیب یکنواخت آماده شوند. یک سری از بلوک‌های آلیاژی Al-xW با تغییر مقدار پولک‌های Al و پودر WO3 تهیه شد.

ابزار اتمیزه کردن گاز تجهیزات اصلی برای تهیه پودر آلیاژ Al-W با کروی بالا است. بلوک‌های آلیاژی Al-xW تهیه شده با روش احیای ترمیت در تجهیزات اتمیزه کردن گاز اتمیزه شدند. شرایط فرآیند به شرح زیر است: گاز اتمیزه آرگون خالص، فشار گاز پاشش ۵ مگاپاسکال، حداکثر دمای حرارت ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد، و درجه خلاء ۲۰ Pa است. پس از اتمیزه کردن، پودر آلیاژ Al-xW الک شد. از طریق یک صفحه ۳۲۵ مش.

تثبیت پودر آلیاژ Al-20W در یک کوره لوله انجام شد. تحت حفاظت گاز آرگون، پودر آلیاژ Al-20W تا دمای ۶۵۰ درجه سانتیگراد با سرعت گرمایش ۲۰ درجه سانتیگراد در دقیقه گرم شد، به مدت ۲۰ دقیقه نگهداری شد و در کوره خنک شد. پودر تثبیت شده به عنوان Al-20W∗ نامگذاری شد. فرآیند اکسیداسیون پودر آلیاژ Al-20W در یک کوره جعبه ای با دمای بالا انجام شد. نمونه‌ها به دماهای مختلف در هوا با سرعت ۲۰ درجه سانتیگراد در دقیقه حرارت داده شدند، سپس تا دمای اتاق سرد شدند و محصولات اکسیداسیون پودر آلیاژ Al-20W در دماهای مختلف در محل جمع آوری شدند.

۲.۲. خصوصیات مواد و آزمایش عملکرد انرژی

آنالیز فاز با استفاده از پراش سنج اشعه ایکس (XRD، X’Pert PRO، PANalytical B.V) با تابش Cu Kα انجام شد و زاویه پراش بین ۱۰ تا ۹۰ درجه بود. با استفاده از کالری‌سنج خودکار بمب اکسیژن میکرو رایانه (ZDHW-8Z) برای اندازه‌گیری آنتالپی احتراق پودر Al خالص و پودر آلیاژ Al-W در اکسیژن خالص در دمای اتاق و فشار ۳ مگاپاسکال، وزن هر نمونه آزمایشی حدود ۰.۲ گرم است. یک آزمایش بمب اکسیژن با استفاده از نمونه ای با وزن حدود ۲.۰ گرم برای مطالعه احتراق خشونت آمیز پودر آلیاژ Al-20W انجام شد.

برای اندازه گیری چگالی بلوک آلیاژ Al-xW از یک ابزار اندازه گیری چگالی با دقت بالا (Dahometer، DH-600) استفاده شد. پروب فلورسانس اشعه ایکس (WD-XRF، XRF-1800) برای تجزیه و تحلیل عنصر پودر آلیاژ Al-20W استفاده شد. رفتار اکسیداسیون پودر آلیاژ Al-20W با استفاده از Diamond DTA/TG ساخته شده توسط PerkinElmer Instruments تجزیه و تحلیل شد. شرایط آزمایش به شرح زیر بود: حدود ۱.۵ میلی گرم از نمونه در هوا از دمای اتاق تا ۱۳۰۰ درجه سانتیگراد با سرعت ۲۰ درجه سانتیگراد در دقیقه گرم شد و سرعت جریان گاز ۲۰۰ میلی لیتر در دقیقه بود. تست کالریمتری اسکن تفاضلی (DSC) بر روی یک DSC الماس ساخته شده توسط PerkinElmer Instruments انجام شد.

پودر آلیاژ Al-20W و Al-20W در آرگون خالص با جریان گاز با سرعت ۲۰۰ میلی لیتر در دقیقه و با سرعت گرمایش ۲۰ درجه سانتیگراد در دقیقه حرارت داده شد. مورفولوژی ذرات پودر آلیاژ با یک میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی (SEM، Nova Nano SEM 450) مشخص شد و ساختار فاز فضایی ذره با استفاده از تصاویر الکترونی پراکنده شده مشاهده شد. برنامه نمونه پرایات در رزین اپوکسی جاسازی شده، آسیاب و جلا داده شد و توزیع شیمیایی عنصری سطح مقطع ذرات با یک طیف‌سنج پرتو ایکس پراکنده انرژی (EDS) اندازه‌گیری شد.

۳. نتایج و بحث

۳.۱. ترکیب فاز و عملکرد انرژی آلیاژ Al-xW

از شکل ۱ به وضوح ‌می‌توان مشاهده کرد که بلوک‌های آلیاژی Al-10W، Al-20W و Al-30W از ترکیب تشکیل شده اند. Al خالص و Al12W. با افزایش محتوای W، نسبت Al خالص کاهش ‌می‌یابد و محتوای Al12W افزایش ‌می‌یابد. هنگا‌می‌که محتوای تنگستن به ۴۰ درصد وزنی و بالاتر ‌می‌رسد، آلیاژ دیگر حاوی Al خالص نیست و کاملاً از Al12W و Al5W تشکیل شده است. هر چه محتوای W بیشتر باشد، نسبت Al5W بیشتر است. بنابراین، ترکیب فاز بلوک آلیاژی Al-xW تهیه شده با روش احیای ترمیت با نمودار فاز Al-W مطابقت دارد. این نشان ‌می‌دهد که روش احیای ترمیت برای تهیه آلیاژهای نسوز مبتنی بر آلومینیوم حاوی فلزات با نقطه ذوب بالا بسیار مناسب است.

نمودار خطی آنتالپی احتراق انبوه و آنتالپی احتراق حجمی پودر Al خالص و پودر فولاد آلیاژ Al-xW در اکسیژن خالص ۳ مگاپاسکال در شکل ۲ نشان داده شده است. داده‌های آنتالپی احتراق و چگالی بلوک آلیاژ Al و Al-xW خالص در جدول خلاصه شده است. ۱. خطاهای چگالی بلوک و داده‌های آنتالپی احتراق، خطاهای آماری حداقل ۵ آزمایش تکراری هستند. نتایج نشان می‌دهد که با افزایش محتوای W، چگالی آلیاژ Al-xW به تدریج افزایش می‌یابد و آنتالپی احتراق جر‌می‌اندازه‌گیری شده در یک کالری‌سنج بمب اکسیژن به تدریج کاهش می‌یابد. این به این دلیل است که چگالی W بسیار بزرگتر از Al است، اما آنتالپی احتراق جر‌می‌نظری کمتر از چگالی Al است.

آنتالپی احتراق حجمی با ضرب چگالی بلوک و آنتالپی احتراق جر‌می‌اندازه‌گیری شده در کالری‌سنج بمب اکسیژن محاسبه می‌شود. بنابراین، با افزایش محتوای W، آنتالپی احتراق حجمی اندازه‌گیری شده در کالری‌سنج بمب اکسیژن پودر آلیاژ Al-xW ابتدا افزایش می‌یابد و سپس کاهش می‌یابد. پودر آلیاژ Al-20W دارای بزرگترین آنتالپی احتراق حجمی است که در کالریمتر بمب اکسیژن اندازه گیری شده است که نسبت به پودر Al خالص برتری دارد.

پودر آلیاژ Al-20W عملکرد آزاد سازی انرژی عالی را نشان ‌می‌دهد. با توجه به پیشرانه‌های جامد، آنتالپی احتراق حجمی سوخت فلزی به طور مستقیم بر تکانه‌های خاص تأثیر ‌می‌گذارد. بنابراین، پودر آلیاژ Al-20W چشم انداز کاربرد خوبی در پیشرانه‌های جامد دارد. در زیر، پودر آلیاژ Al-20W را برای تجزیه و تحلیل دقیق تر انتخاب ‌می‌کنیم.

Sample	Hgt (J/g)	Hg (J/g)	ρ (g/cm۳)	Hvt (J/cm۳)	Hv (J/cm۳)
Al	۳۱,۰۰۰	۲۹,۷۵۰ ± 160	۲.۶۶۷ ± 0.001	۸۳,۷۰۰	۷۹,۳۴۰ ± 430
Al–۱۰W	۲۸,۳۵۸	۲۷,۵۰۰ ± 270	۲.۹۵۴ ± 0.002	۸۳,۷۶۹	۸۱,۲۴۰ ± 800
Al–۲۰W	۲۵,۷۱۷	۲۵,۴۷۰ ± 240	۳.۲۷۶ ± 0.002	۸۳,۸۶۳	۸۳,۴۴۰ ± 790
Al–۳۰W	۲۳,۰۷۵	۲۱,۶۳۰ ± 230	۳.۶۵۴ ± 0.003	۸۳,۹۷۰	۷۹,۰۴۰ ± 840
Al–۴۰W	۲۰,۴۳۳	۱۸,۳۰۰ ± 260	۴.۱۳۴ ± 0.004	۸۴,۱۲۳	۷۵,۶۵۰ ± 1070
Al–۵۰W	۱۷,۷۹۲	۱۴,۳۶۰ ± 260	۴.۷۵۸ ± 0.003	۸۴,۳۱۶	۶۸,۳۲۰ ± 1240

۳.۲. انتقال ترکیب بین فلزی Al/W غیرپایدار در پودر آلیاژ Al-20W

تحت حفاظت از آرگون خالص، پودر آلیاژ Al-20W در یک کوره گرمایش لوله ای برای تهیه پودر آلیاژ Al-20W تثبیت ‌می‌شود. الگوهای XRD پودرهای آلیاژ Al-20W و Al-20W* در شکل ۳ نشان داده شده است. مشاهده ‌می‌شود که پودر آلیاژ Al-20W حاوی مقدار زیادی آلیاژ خالص است، اما سایر پیک‌های پراش زاویه مطابقت ندارند. سه فاز ترکیبی بین فلزی Al/W پایدار در دمای اتاق (Al4W، Al5W، Al12W). پودر آلیاژ Al-20W* فقط از دو فاز Al و Al12W تشکیل شده است که با نمودار فاز Al-W مطابقت دارد [۳۸]. نسبت ات‌می‌عناصر موجود در پودر آلیاژ Al-20W در جدول ۲ خلاصه شده است.

پودر آلیاژ Al-20W حاوی چندین عنصر ناخالصی است که ممکن است از مواد خام Al flakes مشتق شده باشد. محتوای عناصر ناخالصی بسیار کم است، برای تشکیل بسیاری از فازهای ناخالصی کافی نیست. بنابراین، ظهور پیک‌های پراش دیگر که در الگوی XRD پودر Al-20W در شکل ۳ مشخص نشده اند، هیچ ارتباطی با عناصر ناخالصی ندارد. در فرآیند تهیه پودر آلیاژ Al-20W با اتمیزه کردن گاز، سرعت خنک شدن قطرات آلیاژ بسیار سریع است (> 1000 K/s). در این حالت، اتم‌های مایع Al و W زمان کافی برای چیدمان و توزیع بر اساس نسبت ات‌می‌ترکیب بین فلزی Al/W (Al4W، Al5W، Al12W) که در دمای اتاق پایدار است، ندارند.

در نتیجه، در پودر آلیاژ Al-20W تهیه شده با روش اتمیزه کردن گاز، یک ترکیب بین فلزی Al/W متوالی تشکیل می‌شود که در آن نسبت ات‌می‌Al به W با سه ترکیب بین‌فلزی Al/W پایدار در فاز دمای اتاق متفاوت است. (Al4W، Al5W، Al12W). این همچنین منجر به ظهور برخی از پیک‌های پراش بدون علامت در طیف XRD پودر Al-20W در شکل ۳ شد.

Element	Al	W	Mg	Fe	Mo	Zn	Ni
Atomic Ratio (%)	۹۶.۱۶۷۶	۳.۶۳۹۹	۰.۰۶۷۸	۰.۰۵۷۱	۰.۰۳۲۷	۰.۰۲۱۷	۰.۰۱۳۲

عکس‌های SEM پودر آلیاژ Al-20W و Al-20W در شکل ۴ نشان داده شده است. همانطور که مشاهده ‌می‌شود، پودر آلیاژ Al-20W تهیه شده با روش اتمیزه کردن گاز، کروییت بالایی دارد و تجمع آشکاری ندارد. سطح ذرات پودر آلیاژ Al-20W و Al-20W∗ ناهموار است و کاملاً توسط Al خالص پوشانده نشده است. عکس‌های SEM و طیف EDS تک ذره ای از پودر آلیاژ Al-20W و Al-20W∗ در شکل ۵ نشان داده شده است. هر دو ذرات پودر آلیاژ ساختار فاز فضایی خاصی دارند.

فاز ترکیب بین فلزی Al/W در ماتریس Al خالص توزیع شده است. در مقایسه با پودر آلیاژ Al-20W، توزیع فاز در مقطع تک ذره پودر آلیاژ Al-20W∗ به طور قابل توجهی تغییر کرده است. محتوای ترکیب بین فلزی Al/W در پودر آلیاژ Al-20W* بیشتر است و توزیع در ماتریس Al خالص یکنواخت تر است. نتیجه آزمایش EDS نشان ‌می‌دهد که محتوای W فاز ترکیب بین فلزی Al/W در پودر آلیاژ Al-20W 10.36 at.٪ است که کاملاً با نسبت اتم W فاز Al4W، Al5W یا Al12W متفاوت است.

محتوای W فاز ترکیب بین فلزی Al/W در پودر آلیاژ Al-20W* 7.65 at.٪ است که بسیار نزدیک به نسبت ات‌می‌W در فاز Al12W است. این با شکل ۳ مطابقت دارد. تغییرات در ترکیب فاز و ساختار فاز فضایی ذرات پودر آلیاژ Al-20W و Al-20W* بیشتر ثابت ‌می‌کند که فاز بین فلزی Al/W غیر پایدار در پودر آلیاژ Al-20W به فاز Al12W پایدار در طول فرآیند تثبیت.

منحنی‌های آنالیز حرارتی DSC پودرهای آلیاژ Al-20W و Al-20W∗ در آرگون در شکل ۶ نشان داده شده است. از مقایسه منحنی‌های DSC، ‌می‌توان دریافت که با افزایش دما، پودر آلیاژ Al-20W گرمازا است. اوج نزدیک به ۵۹۲.۱ درجه سانتیگراد است، در حالی که پودر آلیاژ Al-20W∗ هیچ پیک گرمازایی مشابهی در شرایط یکسان ندارد. ظاهر این پیک گرمازا مشخصه نشان‌دهنده آرامش فاز پایدار در پودر آلیاژ Al-20W است. در مقایسه با فاز پایدار Al12W در پودر آلیاژ Al-20W*، فاز ترکیبی بین فلزی Al/W در پودر آلیاژ Al-20W از نظر ترمودینامیکی در سطح انرژی بالاتری قرار دارد و بخشی از انرژی اضافی را ذخیره ‌می‌کند.

زمانی که پودر تا دمای مشخصی گرم شود آزاد ‌می‌شود. این بدان معناست که در طول فرآیند تثبیت، اتم‌های Al و اتم‌های W در پودر آلیاژ Al-20W حرکت می‌کنند و دوباره مرتب می‌شوند و فاز بین‌فلزی Al/W غیرپایدار به فاز پایدار Al12W تبدیل می‌شود و انرژی را به بیرون آزاد می‌کند. بدیهی است که پودر آلیاژ Al-20W تهیه شده با روش اتمیزه کردن گاز دارای مزیت منحصر به فرد ذخیره انرژی فاز متمادی به عنوان سوخت فلزی است.

۳.۳. تبدیل فاز پودر آلیاژ Al-20W گرم شده در هوا

منحنی‌های DTA/TG پودر آلیاژ Al-20W در شکل ۷ نشان داده شده است. منحنی DTA دارای یک پیک گرماگیر در حدود ۶۵۹.۶ درجه سانتیگراد است که به دلیل ذوب گرماگیر Al خالص در پودر آلیاژ Al-20W است. اوج گرماگیر کوچک دیگری در حدود ۷۲۸.۲ درجه سانتیگراد وجود دارد که مربوط به انتقال فاز بین ترکیبات بین فلزی Al/W است. با افزایش دما، اکسیداسیون پودر آلیاژ Al-20W در حدود ۹۵۰ درجه سانتیگراد شروع ‌می‌شود و سپس یک پیک گرمازا متمرکز در منحنی DTA وجود دارد.

به همین ترتیب، منحنی TG نیز به سرعت شروع به افزایش وزن کرد، که نشان ‌می‌دهد پودر آلیاژ Al-20W در این زمان تحت اکسیداسیون شدید قرار گرفته است. سرعت اکسیداسیون پودر آلیاژ Al-20W در دمای ۱۱۰۷.۹ درجه سانتیگراد سریعترین است و حرارت کل اکسیداسیون ۱۰۱۶۳ J/g است. کل افزایش وزن اکسیداسیون در ۱۳۰۰ درجه سانتیگراد ۷۵.۶۴٪ است.

الگوی XRD محصول پودر آلیاژ Al-20W در هوا در دمای ۷۵۰ درجه سانتی گراد در شکل ۸ نشان داده شده است. نتایج نشان ‌می‌دهد که محصول پودر Al-20W در دمای ۷۵۰ درجه سانتی گراد حاوی Al و Al5W است. این بدان معنی است که پیک گرماگیر در حدود ۷۲۸.۲ درجه سانتیگراد در شکل ۷ به دلیل تجزیه گرماگیر Al12W به Al و Al5W خالص است. لازم به ذکر است که منحنی TG در شکل ۷ افزایش وزن بسیار ک‌می‌در ۷۵۰ درجه سانتیگراد دارد که نشان ‌می‌دهد پودر آلیاژ Al-20W در دمای ۷۵۰ درجه سانتیگراد در هوا ضعیف اکسید شده است. با این حال، مقدار محصول اکسیداسیون مربوطه بسیار کم است، که ممکن است کمتر از حد تشخیص XRD باشد.

بنابراین، پیک پراش آشکار محصول اکسیداسیون در الگوی XRD شکل ۸ وجود ندارد. عکس SEM و طیف EDS تک ذره سطح مقطع پودر آلیاژ Al-20W اکسید شده در هوا در دمای ۷۵۰ درجه سانتیگراد در شکل نشان داده شده است. ۹. همانطور که در شکل ۹ نشان داده شده است، ساختار فاز فضایی ذره از Al خالص و فاز غنی از تنگستن تشکیل شده است.

نتیجه آزمایش EDS نشان می‌دهد که محتوای اتم W در فاز غنی از تنگستن ۱۷.۰۷ درصد است که بسیار نزدیک به نسبت اتم W در ترکیبات بین‌فلزی Al5W است. این با نتایج در شکل ۸ مطابقت دارد. این ثابت ‌می‌کند که در فرآیند گرمایش از ۶۲۰ درجه سانتیگراد تا ۷۵۰ درجه سانتیگراد، فاز پایدار Al12W در پودر آلیاژ Al-20W گرماگیرتر ‌می‌شود و به Al و Al5W خالص تجزیه ‌می‌شود.

الگوهای XRD محصولات اکسیداسیون پودر آلیاژ Al-20W در هوا در دماهای مختلف در شکل ۱۰ نشان داده شده است. نتایج نشان ‌می‌دهد که محصول اکسیداسیون در دمای ۱۱۰۸ درجه سانتی گراد حاوی Al خالص نیست و فازهای اکسید نشده فقط Al4W و خالص هستند. W; محصول اکسیداسیون در دمای ۱۳۰۰ درجه سانتیگراد حاوی مقدار زیادی Al2O3 و مقدار ک‌می‌W خالص اکسید نشده است. محصول اکسیداسیون در دمای ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد فقط حاوی Al2O3 است و هیچ فاز واضحی حاوی W شناسایی نشده است. بر اساس تجزیه و تحلیل شکل ۷، شکل ۱۰، درجه اکسیداسیون پودر آلیاژ Al-20W به تدریج در فرآیند گرمایش از دمای اتاق تا ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد در هوا عمیق تر ‌می‌شود.

در دمای ۱۳۰۰ درجه سانتی گراد، پودر آلیاژ Al-20W افزایش وزن اکسیداسیون زیادی را نشان ‌می‌دهد. در این زمان، تمام اتم‌های Al به طور کامل اکسید شده اند، در حالی که اتم‌های W ک‌می‌اکسید ‌می‌شوند تا مقدار ک‌می‌WOx متراکم را تشکیل دهند، و اتم‌های W باقی مانده به طور موقت به شکل W خالص وجود دارند. با روش تست XRD، محدود شده است. مقدار WOx ممکن است در محصول اکسیداسیون در دمای ۱۳۰۰ درجه سانتیگراد قابل تشخیص نباشد.

شایان ذکر است که منحنی TG در دمای ۱۳۰۰ درجه سانتی گراد روند افزایشی پیوسته و آهسته دارد که نشان ‌می‌دهد پودر آلیاژ Al-20W در این زمان به طور کامل اکسید نشده است و هیچ WO3 گازی قبل از ۱۳۰۰ درجه سانتی گراد تولید ن‌می‌شود. با مقایسه الگوهای XRD محصول اکسیداسیون در دمای ۱۳۰۰ درجه سانتیگراد و ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد، ‌می‌توان مشاهده کرد که وقتی دمای اکسیداسیون بیشتر به ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد افزایش ‌می‌یابد، W خالص اکسید نشده بیشتر اکسید ‌می‌شود تا WO3 تولید کند و به شکل گازی تبخیر شود.

بنابراین، هیچ فاز واضحی حاوی W در محصول اکسیداسیون در دمای ۱۵۰۰ درجه سانتی گراد شناسایی نشد. محدود به روش آزمایش XRD، ن‌می‌توان رد کرد که هنوز تعداد بسیار ک‌می‌از فازهای حاوی W در محصول اکسیداسیون پودر آلیاژ Al-20W در دمای ۱۵۰۰ درجه سانتی گراد وجود دارد. اما غیر قابل انکار است که پودر آلیاژ Al-20W دارای فعالیت اکسیداسیون حرارتی عالی و کامل بودن اکسیداسیون در هوا است.

عکس‌های SEM درجا از محصول اکسیداسیون پودر آلیاژ Al-20W در هوا در دماهای مختلف در شکل ۱۱ نشان داده شده است. از شکل ۱۱ ‌می‌توان مشاهده کرد که با افزایش دما، درجه اکسیداسیون آلیاژ Al-20W مشاهده ‌می‌شود. پودر به تدریج عمیق ‌می‌شود و سوراخ‌ها و شکاف‌های روی سطح ذرات محصول اکسیداسیون به تدریج بزرگتر ‌می‌شوند. در نهایت، پس از اکسید شدن پودر آلیاژ Al-20W در هوا در دمای ۱۵۰۰ درجه سانتی گراد، مقدار زیادی از محصولات اکسیداسیون به شکل پوسته توخالی تولید ‌می‌شود. این پدیده که مورفولوژی محصول اکسیداسیون به صورت یک پوسته توخالی به نظر ‌می‌رسد با گزارش‌های ادبیات موجود مطابقت دارد [۳۹،۴۰]. تشکیل پوسته توخالی مربوط به انتشار آل به بیرون در طی فرآیند اکسیداسیون است.

بر اساس بحث فوق، ‌می‌توان دریافت که پودر آلیاژ بسیار کروی Al-20W تهیه شده با روش اتمیزه کردن گاز، دارای فعالیت اکسیداسیون حرارتی عالی و کامل بودن اکسیداسیون در هوا است.

۳.۴. محصول احتراق گازی پودر آلیاژ Al-20W

به منظور بررسی رفتار احتراق خشونت آمیز پودر آلیاژ Al-20W، مقدار زیادی پودر برای آزمایش بمب اکسیژن در اکسیژن خالص ۳ مگاپاسکال استفاده شد. عکس‌های براکت داخلی کارتریج قبل و بعد از احتراق شدید مقدار زیادی پودر آلیاژ Al-20W در شکل ۱۲ نشان داده شده است. در مقایسه، مشاهده ‌می‌شود که یک محصول پودر زرد رنگ در سطح بالایی داخلی ظاهر شده است.

براکت کارتریج پس از احتراق شدید الگوی XRD و عکس‌های SEM از محصول زرد به ترتیب در شکل ۱۳، شکل ۱۴ نشان داده شده است. نتایج نشان می‌دهد که پودر زرد حاوی تنها دو WO3 با اشکال کریستالی مختلف (m-WO3 و o-WO3) است. این با ظاهر دو ذره پودر با مورفولوژی‌های میکروسکوپی متفاوت در عکس‌های SEM مطابقت دارد.

هنگا‌می‌که مقدار زیادی پودر آلیاژ Al-20W به شدت ‌می‌سوزد، دما بسیار بالا است و باعث ‌می‌شود WO3 تولید شده به شکل گازی تبخیر شود. در یک محیط بسته کارتریج، WO3 گازی در نهایت در سطح بالایی نگهدارنده کارتریج متراکم ‌می‌شود و پودر زرد رنگی را تشکیل ‌می‌دهد. پدیده تجربی که احتراق پودر آلیاژ Al-20W محصول گازی WO3 تولید می‌کند و متراکم می‌شود، با نتایج تجربی مورد انتظار بر اساس محاسبات ترمودینامیکی مطابقت دارد. هنگا‌می‌که یک کوره با دمای بالا برای آزمایش‌های اکسیداسیون در دمای بالا استفاده ‌می‌شود، نمونه در یک محیط باز است و WO3 تولید شده توسط اکسیداسیون به صورت گازی در محیط اطراف تبخیر ‌می‌شود، بنابراین WO3 در محصولات اکسیداسیون جمع آوری شده شناسایی نمی‌شود.

لازم به ذکر است که احتراق سوخت جامد شدیدتر از پودر آلیاژی است و دمای محیط در موتور موشک سوخت جامد به مراتب بیش از ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد است. اگر پودر آلیاژ Al-20W به پیشران جامد اضافه شود، هنگا‌می‌که پیشران جامد سوزانده ‌می‌شود، اتم‌های W در پودر آلیاژ برای تولید گاز WO3 اکسید ‌می‌شوند. وجود محصولات احتراق گازی WO3 به افزایش فشار داخل موتور موشک سوخت جامد کمک ‌می‌کند.

۴. نتیجه گیری

برای اولین بار در این مقاله، آلیاژ Al-W مستقیماً به عنوان پودر سوخت فلزی تهیه ‌می‌شود. پودر آلیاژ Al-xW (x = 10، ۲۰، ۳۰، ۴۰، ۵۰ wt.%) به روش احیای ترمیت و روش اتمیزه کردن گاز تهیه شد. در میان پودر آلیاژ Al-xW، پودر آلیاژ Al-20W دارای بزرگترین آنتالپی احتراق حجمی است که در کالری‌سنج بمب اکسیژن اندازه‌گیری شده است (J/cm3 790 ± ۸۳۴۴۰)، که از آنتالپی احتراق حجمی نظری پودر Al خالص بیشتر است. پودر آلیاژ Al-20W عملکرد انرژی عالی را نشان ‌می‌دهد.

پودر آلیاژ Al-20W کرویت خوبی دارد و ساختار فاز فضایی خاصی را نشان ‌می‌دهد، که در آن ترکیب بین فلزی Al/W غیرپایدار در ماتریس Al خالص توزیع شده است. از طریق عملیات تثبیت، فاز بین فلزی Al/W متمایز به فاز پایدار Al12W تبدیل می‌شود و انرژی را به بیرون آزاد می‌کند. ساختار فاز فضایی پودر آلیاژ نیز تغییر خواهد کرد.

پودر آلیاژ Al-20W دارای فعالیت اکسیداسیون حرارتی عالی و اکسیداسیون کامل در هوا است. پودر آلیاژ Al-20W تقریباً به طور کامل در هوا در دمای ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد اکسید ‌می‌شود و تنها Al2O3 در محصول اکسیداسیون شناسایی ‌می‌شود. بیشتر اتم‌های W به شکل گاز WO3 تبخیر ‌می‌شوند و تنها مقدار زیادی از Al2O3 به شکل پوسته توخالی در محصول اکسیداسیون باقی ‌می‌ماند. احتراق پودر آلیاژ Al-20W مقدار زیادی محصول احتراق گازی WO3 تولید ‌می‌کند. پودر آلیاژ Al-20W دارای ویژگی‌های تولید محصول احتراق گازی است که به افزایش فشار داخل موتور موشک سوخت جامد کمک ‌می‌کند.

به طور خلاصه، پودر آلیاژ Al-20W که در این مقاله درباره آن بررسی‌هایی انجاد دادیم به عنوان یک سوخت فلزی، دارای فعالیت اکسیداسیون حرارتی عالی و اکسیداسیون و عملکرد انرژی کاملی است و ‌می‌تواند محصول احتراق گازی تولید کند که دارای چشم انداز کاربردی عالی برای مواد پر انرژی جامد مانند پیشران‌ها و مواد منفجره باشد.

منابع

SCIENCEDIRECT

گروه مجله صنعت فولاد