varianta scurta

29
Obținerea și caracterizarea aliajelor amorfe de tipul Fe 75 Si 20-x B 5 M x (M = Ti, Ta, Zr; x = 0, 2.5, 5) Conducător științific Masterand S.L.dr.ing. Bogdan Viorel NEAMȚU Ing. Horea-Florin CHICINAȘ

Upload: horea-chicinas

Post on 16-Aug-2015

127 views

Category:

Documents


6 download

TRANSCRIPT

Page 1: varianta scurta

Obținerea și caracterizarea aliajelor amorfe de tipul Fe75Si20-xB5Mx

(M = Ti, Ta, Zr; x = 0, 2.5, 5)

Conducător științific Masterand

S.L.dr.ing. Bogdan Viorel NEAMȚU Ing. Horea-Florin CHICINAȘ

Page 2: varianta scurta

OBIECTIVE

Schema de funcționare a unei mori planetare

Schema de funcționare a unei instalații de răcire rapidă

• Obținerea aliajelor amorfe de tipul Fe75Si20-xB5M5 (M= Ti, Ta sau Zr și x = 0, 2.5 sau 5) • Aliere mecanică • Răcire rapidă

Page 3: varianta scurta

STADIU ACTUAL

Principalele clase de materiale magnetice moi

Temperatura (°C)

Mom

ent m

agne

tic

H. Okumura et. all, J. Magn. Magn. Mater. 267 (2003) 347–356.

P. Kollar et. all, J. Magn. Magn. Mater., 215-216 (2000) 560-562.

Difractograma corespunzătoare aliajului FINEMET supus tratamentului termic.

Detaliu asupra celor două maxime caracteristice superstructurii DO3

Curbe termomagnetice înregistrate la diferite durate de măcinare

Page 4: varianta scurta

Fe75Si20-xB5MxM = Ti M = Ta M = Zr

X = 0 x x x

X= 2.5 x x x

X = 5 x x x

Aliere mecanică

BPR – 16:1

Grad de umplere – 60%

Atmosferă de măcinare – Ar

Turație – 350 rpm

Mediu de măcinare – umed (benzen – C6H6)

Răcire rapidă (IFT Iași)

Atmosferă de lucru - Ar

Disc răcire - Cu

Viteză disc – 25 si 32 m/s

Dimensiune orificiu duză – 200 μm

Distanța duză – disc – 200 μm

METODICA EXPERIMENTALĂ

Page 5: varianta scurta

Caracterizarea aliajelor

• Caracterizarea structurală (UTCN) : Difracție de raze X (DRX) – (2 theta = 20 – 110 °; λ = 1.788965 Å)

• Caracterizarea morfologică și compozițională (UTCN)Distribuții granulometriceMicroscopie electronică de baleiaj (SEM)Microanaliză chimică de raze X (EDX)

• Stabilitatea termică (UTCN) :Analize calorimetrice diferențiale (DSC) – (20 – 900 °C; 20 °C/min; flux de Ar)Analize termogravimetrice (TG) – (20 – 700 °C; 20 °C/min; flux de H2)

• Proprietăți magnetice (CNRS Grenoble, stagiu de măsurători)Măsuratori de magnetizare - M=f(H) – ( 0 – 7 T, 300 K)Măsuratori termomagnetice - M=f(T) (20 – 900 °C; 10 °C/min; Ar)

METODICA EXPERIMENTALĂ

Page 6: varianta scurta

OBȚINEREA ALIAJELOR AMORFE PRIN ALIERE MECANICĂ UMEDĂ

Page 7: varianta scurta

REZULTATE ȘI DISCUȚII Pulberi amorfe

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

40 h

20 h

10 h

5 h

2 h

SS

2theta ()

Inte

nsi

tate

(u.a

.)

Si

60 h

FeFe75

Si20

B5

Difractogramele corespunzătoare aliajului Fe75Si20B5 măcinat până la 60 de ore.

Aliaj Referință - Fe75Si20B5

CARACTERIZARE STRUCTURALĂ ȘI COMPOZIȚIONALĂ

B.V. Neamţu, H.F. Chicinaş, et al. Powder Technology (under review)

Page 8: varianta scurta

REZULTATE ȘI DISCUȚII Pulberi amorfe

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

40 h

20 h

10 h

5 h

2 h

SS

2theta ()

Inte

nsi

tate

(u.a

.)

Si

60 h

FeFe75

Si20

B5

Difractogramele corespunzătoare aliajului Fe75Si20B5 măcinat până la 60 de ore.

Aliaj Referință - Fe75Si20B5

CARACTERIZARE STRUCTURALĂ ȘI COMPOZIȚIONALĂ

B.V. Neamţu, H.F. Chicinaş, et al. Powder Technology (under review)

AMORF DUPĂ 20 h DE ALIERE MECANICĂ UMEDĂ

Page 9: varianta scurta

Pulberi amorfe

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

40 h

20 h

10 h

5 h

2 h

SS

2theta ()

Inte

nsita

te (

u.a.

)

Si

60 h

FeFe75

Si20

B5

CRISTALIZAREA INDUSĂ MECANIC

FORMAREA BORURILOR

Difractogramele corespunzătoare aliajului Fe75Si20B5 măcinat până la 60 de ore.

Deconvoluția maximelor de difracție pentru aliajul ternar Fe75Si20B5 măcinat 60 de ore.

CARACTERIZARE STRUCTURALĂ

REZULTATE ȘI DISCUȚII

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Fe3Si

Fe2B

2theta ()

Inte

nsi

tate

(u.a

.)

Fe75

Si20

B5

Difractograma corespunzătoare aliajului Fe75Si20B5 amorf supus

tratamentului termic B.V. Neamţu, H.F. Chicinaş, et al. Powder Technology (under review)

Page 10: varianta scurta

Pulberi amorfe

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

40 h

20 h

10 h

5 h

2 h

SS

2theta ()

Inte

nsita

te (

u.a.

) 60 h

Fe75

Si15

B5Ti

5

SiTiFe

Difractogramele corespunzătoare aliajului Fe75Si15B5Ti5 măcinat până la 60 de ore.

CARACTERIZARE STRUCTURALĂ

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Si

Ta

60 h

40 h

20 h

10 h

5 h

2 h

Inte

nsita

te (

u.a.

)

2theta ()

SS

FeFe75

Si15

B5Ta

5

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Inte

nsita

te (

u.a.

)

2theta ()

SS

2 h

5 h

10 h

20 h

40 h

60 h

Fe75

Si15

B5Zr

5

Si

ZrFe

Difractogramele corespunzătoare aliajului Fe75Si15B5Ta5 măcinat până la 60 de ore.

Difractogramele corespunzătoare aliajului Fe75Si15B5Zr5 măcinat până la 60 de ore.

Fe75Si15B5Ti5Fe75Si15B5Ta5 Fe75Si15B5Zr5

ALIAJELE CUATERNARE AMORFIZEAZĂ LA DURATE MAI MARI DE PROCESARE

REZULTATE ȘI DISCUȚII

B.V. Neamţu, H.F. Chicinaş, et al. Powder Technology (under review)

Page 11: varianta scurta

Pulberi amorfeCARACTERIZAREA MORFOLOGICĂ

REZULTATE ȘI DISCUȚII

B.V. Neamţu, H.F. Chicinaş, et al. Powder Technology (under review)

Page 12: varianta scurta

Pulberi amorfe

1. Detensionare2. Tx – Cristalizarea aliajului3. TC – Fe3Si

Curba DSC la încălzire înregistrată pe proba amorfă de Fe75Si20B5 obținută prin

aliere mecanică umedă. Proba a fost încălzită cu 20 °C/min sub atmosferă de

argon.

B.V. Neamţu et al. J. Alloys Compd., 600 (2014) 1–7.

J. Füzer et al. J Magn. Magn. Mater, 316 (2007) e834-e837.

STABILITATEA TERMICĂ

REZULTATE ȘI DISCUȚII

Page 13: varianta scurta

Pulberi amorfe

540 °C

485 °C

în intervalul de temperatură 100 – 250 °Care loc detensionarea probelor

Cristalizarea aliajelor amorfe are loc la : 485 °C – Fe75Si20B5

540 °C – Fe75Si15B5Ti5

Curbele DSC la încălzire înregistrate pe probele amorfe de Fe75Si15B5M5 (M=Si

sau Ti) obținute prin aliere mecanică umedă. Probele au fost încălzite cu 20

°C/min sub atmosferă de argon.

STABILITATEA TERMICĂ

H.F. Chicinaş et al. Adv. Eng. Forum 13 (2015) 54–58.B.V. Neamţu, H.F. Chicinaş et al. Powder Technology (under review)

REZULTATE ȘI DISCUȚII

Page 14: varianta scurta

Pulberi amorfe

485 °C

540 °C

590 °C

în intervalul de temperatură 100 – 250 °Care loc detensionarea probelor

Cristalizarea aliajelor amorfe are loc la : 485 °C – Fe75Si20B5

540 °C – Fe75Si15B5Ti5

590 °C – Fe75Si15B5Ta5

Curbele DSC la încălzire înregistrate pe probele amorfe de Fe75Si15B5M5 (M=Si,

Ti sau Ta) obținute prin aliere mecanică umedă. Probele au fost încălzite cu 20

°C/min sub atmosferă de argon.

STABILITATEA TERMICĂ

REZULTATE ȘI DISCUȚII

H.F. Chicinaş et al. Adv. Eng. Forum 13 (2015) 54–58.B.V. Neamţu, H.F. Chicinaş et al. Powder Technology (under review)

Page 15: varianta scurta

Pulberi amorfe

485 °C

540 °C

590 °C

600 °C

în intervalul de temperatură 100 – 250 °Care loc detensionarea probelor

Cristalizarea aliajelor amorfe are loc la : 485 °C – Fe75Si20B5

540 °C – Fe75Si15B5Ti5

590 °C – Fe75Si15B5Ta5

600 °C – Fe75Si15B5Zr5

Curbele DSC la încălzire înregistrate pe probele amorfe de Fe75Si15B5M5 (M=Si,

Ti, Ta sau Zr) obținute prin aliere mecanică umedă. Probele au fost încălzite cu 20

°C/min sub atmosferă de argon.

STABILITATEA TERMICĂ

REZULTATE ȘI DISCUȚII

H.F. Chicinaş et al. Adv. Eng. Forum 13 (2015) 54–58.B.V. Neamţu, H.F. Chicinaş et al. Powder Technology (under review)

Page 16: varianta scurta

Pulberi amorfe

485 °C

540 °C590 °C

600 °C

Curba DSC încălzire/răcire înregistrată pe proba amorfă de Fe75Si15B5Zr5 în

intevalul de temperatură 480 – 690 °C, obținută prin aliere mecanică umedă.

Curbele DSC la încălzire înregistrate pe probele amorfe de Fe75Si15B5M5 (M=Si,

Ti, Ta sau Zr) obținute prin aliere mecanică umedă.

STABILITATEA TERMICĂ

REZULTATE ȘI DISCUȚII

ΔTX – INTERVAL OPTIM DE TEMPERATURĂ

PENTRU SINTERIZARE ÎN PLASMĂ

H.F. Chicinaş et al. Adv. Eng. Forum 13 (2015) 54–58.B.V. Neamţu, H.F. Chicinaş et al. Powder Technology (under review)

Page 17: varianta scurta

Pulberi amorfe

485 °C

540 °C

590 °C

600 °C

Cristalizarea aliajelor amorfe are loc la: 485 °C – Fe75Si20B5

540 °C – Fe75Si15B5Ti5

590 °C – Fe75Si15B5Ta5

600 °C – Fe75Si15B5Zr5

De ce?Curbele DSC la încălzire înregistrate pe probele amorfe de Fe75Si15B5M5 (M=Si,

Ti, Ta sau Zr) obținute prin aliere mecanică umedă. Probele au fost încălzite cu 20

°C/min sub atmosferă de argon.

STABILITATEA TERMICĂ

REZULTATE ȘI DISCUȚII

H.F. Chicinaş et al. Adv. Eng. Forum 13 (2015) 54–58.B.V. Neamţu, H.F. Chicinaş et al. Powder Technology (under review)

Page 18: varianta scurta

Pulberi amorfe

reprezentare schematică - structura amorfă

Relația dintre temperatura de cristalizare a aliajelor amorfe și valorile razelor

atomice, legătură de valenței și configurația electronică pentru aliajele cuaternare

Fe75Si15B5M5 (M=Ti, Ta sau Zr)M.D. Dolan et al. J. Membr. Sci. 285 (2006) 30–55.

STABILITATEA TERMICĂ

REZULTATE ȘI DISCUȚII

Page 19: varianta scurta

Pulberi amorfe

reprezentare schematică - structura amorfă

Relația dintre temperatura de cristalizare a aliajelor amorfe și valorile razelor

atomice, legătură de valenței și configurația electronică pentru aliajele cuaternare

Fe75Si15B5M5 (M=Ti, Ta sau Zr)M.D. Dolan et al. J. Membr. Sci. 285 (2006) 30–55.

STABILITATEA TERMICĂ

REZULTATE ȘI DISCUȚII

Page 20: varianta scurta

Pulberi amorfe

reprezentare schematică - structura amorfă

Relația dintre temperatura de cristalizare a aliajelor amorfe și valorile razelor

atomice, legătură de valenței și configurația electronică pentru aliajele cuaternare

Fe75Si15B5M5 (M=Ti, Ta sau Zr)M.D. Dolan et al. J. Membr. Sci. 285 (2006) 30–55.

STABILITATEA TERMICĂ

REZULTATE ȘI DISCUȚII

Page 21: varianta scurta

Pulberi amorfe

0 10 20 30 40 50 60

90

120

150

180

Ms (A

m2 /k

g)

Durata de macinare (h)

Fe75

Si15

B5Ta

5

Fe75

Si15

B5Zr

5

Fe75

Si15

B5Ti

5

Fe75

Si20

B5

1.5 μB/atom de Fe (aliaj amorf)

1.56 μB/atom de Fe (aliaj amorf)

1.3 μB/atom de Fe (aliaj amorf)

1.37 μB/atom de Fe (aliaj amorf)

Variația valorii magnetizării la saturație a aliajelor cuaternare și a aliajului de

referință în funcție de durata de măcinare.

PROPRIETĂȚI MAGNETICE – M = f(H) DIZOLVAREA METALOIZILOR Si, B ȘI C DIMINUEAZĂ INTERACȚIUNEA MAGNETICĂ

.

C. Chacon et al. J. Appl. Phys. 89 (2001) 71–75.

O. Isnard et al. J. Alloys Comp. 205 (1994) 1–15

REZULTATE ȘI DISCUȚII

Page 22: varianta scurta

Pulberi amorfe

analiza termomagnetică realizată pe proba

amorfă de referință încălzită până la 900 °C

Difractograma corespunzătoare probei

Fe75Si20B5 încălzite până la 900 °C

PROPRIETĂȚI MAGNETICE – M = f(T)

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

M = Zr

M = Ta

TiB

Fe2B

FeTi

- Fe(Si)Fe

3Si

Fe3B

0.7C

0.3

TaC

Fe3B

ZrB

M = Ti

Inte

nsita

te (

u.a.

)

2theta ()

În cazul substituțiilor cristalizează și alte faze:FeTi, TiB, TaC, ZrB si Fe2B0.7C0.3

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Fe3Si

Fe2B

2theta ()

Inte

nsi

tate

(u.a

.)

Fe75

Si20

B5

REZULTATE ȘI DISCUȚII

B.V. Neamţu, H.F. Chicinaş, et al. Powder Technology (under review)

200 300 400 500 600 700 800 900

Sem

nal(u.a

.)

Temperatura()

TC faza amorfa

TC Fe

3Si

Tc Fe

2B

TC aliaj cristalizatFe

75Si

20B

5

incalzire

racire

TC Fe3Si

TC Fe2B

TC Fe3Si

TC aliaj amorf

Page 23: varianta scurta

OBȚINEREA ALIAJELOR AMORFE PRIN RĂCIRE RAPIDĂ

Page 24: varianta scurta

Benzi amorfe

Difractogramele corespunzătoare benzilor obținute prin răcire rapidă din topitură

pentru amestecul din pulbere elementală, notat cu SS, la diferite viteze de rotație

ale discului (32, 25 m/s).

VITEZE MAI MARI DE RĂCIRE

ORDONARE PREFERENȚIALĂ

29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39

SS 25 m/s

SS 32 m/s

2theta ()

Inte

nsita

te (

u.a.

)

Fe75

Si20

B5

CARACTERIZARE STRUCTURALĂ

REZULTATE ȘI DISCUȚII

B.V. Neamţu, H.F. Chicinaş, et al. Powder Technology (under review)

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

SS 25 m/s

SS 32 m/s

Fe3Si

Fe2B

2theta ()

Inte

nsita

te (

u.a.

) Fe75

Si20

B5

Al

Page 25: varianta scurta

Benzi amorfe

Difractogramele corespunzătoare benzilor obținute prin răcire rapidă din topitură

pentru aliajul amorf sub formă de pulbere (20 h MA) și pentru amestecul din

pulbere elementală de aceeași compoziție, notat cu SS, la diferite viteze de rotație

ale discului (32, 25 m/s).

CARACTERIZARE STRUCTURALĂ

REZULTATE ȘI DISCUȚII

B.V. Neamţu, H.F. Chicinaş, et al. Powder Technology (under review)

ALIERE MECANICĂ UMEDĂ

DESCOMPUNEREA PCA

CANTITATE ADIȚIONALĂ DE CARBON

BANDA AMORFĂ

pulbere elementală

topită

pulbere măcinată

topită

Page 26: varianta scurta

CONCLUZII ȘI CONTRIBUȚII PERSONALE

• Au fost obținute aliaje de tipul Fe75Si20-xB5Mx în stare amorfă, unde M poate fi Ta, Ti sau Zr, iar x poate fi 0, 2.5

sau 5, prin aliere mecanică umedă pornind de la pulberi elementale.

• Substituția Si cu oricare din metalele de tranziție menționate anterior, duce la o creștere a duratei de măcinare

necesară pentru a obține amorfizarea aliajului.

• Temperatura de cristalizare a aliajelor cuaternare în care x=5, a crescut cu 12 % pentru M=Ti (540 °C), cu 21 %

pentru M=Ta (590 °C) și cu 24% pentru M=Zr (600 °C)

• S-au obțintut benzi amorfe din probele măcinate mecanic

• A fost cuantificată cantitatea adițională de metaloid (CARBON) necesară pentru a obține amorfizarea aliajelor

• 1 ISI – (Sub recenzie) Powder Technology

• 2 ISI proceedings - Advanced Engineering Forum

• Rezultatele obtinute au facut obiectul a 3 lucrari stiintifice

Page 27: varianta scurta

CONCLUZII ȘI CONTRIBUȚII PERSONALE

• Au fost obținute aliaje de tipul Fe75Si20-xB5Mx în stare amorfă, unde M poate fi Ta, Ti sau Zr, iar x poate fi 0, 2.5

sau 5, prin aliere mecanică umedă pornind de la pulberi elementale.

• Substituția Si cu oricare din metalele de tranziție menționate anterior, duce la o creștere a duratei de măcinare

necesară pentru a obține amorfizarea aliajului.

• Temperatura de cristalizare a aliajelor cuaternare în care x=5, a crescut cu 12 % pentru M=Ti (540 °C), cu 21 %

pentru M=Ta (590 °C) și cu 24% pentru M=Zr (600 °C)

• S-au obțintut benzi amorfe din probele măcinate mecanic

• A fost cuantificată cantitatea adițională de metaloid (CARBON) necesară pentru a obține amorfizarea aliajelor

• Rezultatele obtinute au facut obiectul a 3 lucrari stiintifice

• 1 ISI – (Sub recenzie) Powder Technology

• 2 ISI proceedings - Advanced Engineering Forum

VĂ MULȚUMESC PENTRU ATENȚIE !

Page 28: varianta scurta

PCA

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60-1

0

1

2

3

4

5

6

7

pier

dere

de

mas

a (%

)

Benzen Acid Oleic Etanol

durata de macinare(h)

2.3 %

0 10 20 30 40 50110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

MS (A

m2 /k

g)

durata macinare (h)

Etanol Acid Oleic Benzen Macinare uscata

Pierderea de masă înregistrată în urma încălzirii până la 750 °C în

atmosferă decarburantă (H2) în funcție de durata de măcinare pentru

diferiți agenți de control ai procesului.

Variația valorii magnetizării la saturație a aliajului de referință în funcție

de durata de măcinare pentru diferiți agenți de control ai procesului.

REZULTATE ȘI DISCUȚII

Page 29: varianta scurta

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Carbon Echivalent

Benzen

20 h

15 h

10 h

5 h

Inte

nsita

te (u.

a.)

2 theta ()

Carbon Echivalent

Benzen

Carbon Echivalent

Benzen

Carbon Echivalent

Benzen

PCA

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60-1

0

1

2

3

4

5

6

7

pier

dere

de

mas

a (%

)

Benzen Acid Oleic Etanol

durata de macinare(h)

2.3 %

0 10 20 30 40 50110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

MS (A

m2/k

g)

durata macinare (h)

Etanol Acid Oleic Benzen Macinare uscata

Difractogramele corespunzătoare probelor măcinate umed folosind benzen ca și PCA (culori deschise) și

a probelor măcinate uscat la care a fost adăugată cantitatea de carbon echivalent calculată.

Pierderea de masă înregistrată în urma încălzirii

până la 750 °C în atmosferă decarburantă (H2) în

funcție de durata de măcinare pentru diferiți

agenți de control ai procesului.

Variația valorii magnetizării la saturație a aliajului de referință în

funcție de durata de măcinare pentru diferiți agenți de control ai

procesului.

REZULTATE ȘI DISCUȚII