فهرست مطالب

مجله مواد نوین
سال چهاردهم شماره 1 (پیاپی 51، بهار 1402)

  • تاریخ انتشار: 1402/12/01
  • تعداد عناوین: 6
|
  • هادی رضازاده، مازیار آزادبه* صفحات 1-16
    مقدمه

    هدف از این پژوهش، بازیافت حالت جامد ضایعات آلیاژ آلومینیوم سری 3000 و 5000 و تولید پودر نانوکریستالی آلومینیوم با روش آسیاکاری مکانیکی بدون استفاده از عامل کنترل کننده فرآیند است. در این راستا قوطی های آلومینیومی مستعمل نوشیدنی که از سه قسمت سر با آلیاژ 5182، قسمت یکپارچه بدنه (نازک) و پایه (ضخیم تر) از آلیاژ 3004 تشکیل شده اند، به عنوان مواد اولیه استفاده شدند.

    روش

    قسمت سر و قسمت یکپارچه ی بدنه و پایه با توجه به آلیاژهای سازنده شان از هم مجزا شده اند و بدنه و پایه ی قسمت یکپارچه نیز علیرغم ترکیب شیمیایی یکسان بدلیل  ضخامت متفاوتشان  از هم جداشدند تا بتوان با در نظر گرفتن دو متغیر ترکیب شیمیایی و ضخامت، مکانیزمی برای خردایش شان تعیین کرد. هر سه قسمت به صورت جداگانه پس از عملیات رنگ زدایی توسط قیچی صنعتی به صورت چیپس های ریز با اندازه کمتر از 8 میلی متر خرد  شدند. سپس با استفاده از دستگاه آسیای سیاره ای تحت اتمسفر گاز آرگون، در حضور گلوله هایی از جنس فولاد بلبرینگی 52100، با نسبت وزنی گلوله به پودر 10 به 1 ، در مدت زمان های مختلف آسیاکاری تا 104 ساعت به ذرات پودری تبدیل شدند. 

    یافته ها

    چیپس های قسمت سر قوطی سریع تر از چیپس های قسمت یکپارچه بدنه و پایه خردشده و پودر حاصل از آن نیز ریزتر است. با توجه به نتایج آزمون PSA، 90D پودر تولیدشده قسمت سر قوطی کمتر از اندازه 150 میکرومتر است؛ درحالی که برای 90D پودرهای تولیدشده قسمت یکپارچه بدنه و پایه قوطی این مقدار بیشتر از 150 میکرومتر است که از این دستاورد می توان در مقیاس صنعتی برای جداسازی ذرات ریزتر آلیاژ آلومینیوم 5000 از ذرات درشت تر آلیاژ آلومینیوم 3000 به کمک الک با اندازه مش 150 میکرومتر استفاده کرد.

    نتیجه گیری

    با استفاده از داده های آزمون PSA، مدت زمان بهینه آسیاکاری که منجربه تولید ریزترین اندازه پودر می شود برای سه قسمت سر، بدنه و پایه قوطی به ترتیب 72، 80 و 80 ساعت با 90D پودرهای حاصله مساوی با 109، 258 و 391 میکرومتر به دست آمد. همچنین سیالیت پودرهای قسمت سر، بدنه و پایه به ترتیب برابر با 8/57، 3/59 و 50g/s 1/61 و چگالی ظاهری نیز به ترتیب برابر با 38/1، 43/1 و cm3/g 46/1 به دست آمد.

    کلیدواژگان: بازیافت حالت جامد، ضایعات آلیاژ آلومینیوم، آسیاکاری مکانیکی، پودر نانو کریستالی آلومینیوم
  • بررسی اثر منابع مختلف اکسید منیزیم بر ساختار و خواص نهایی بدنه های کاشی دیوار حاوی CaO با استفاده از روش پخت سریع
    غلامرضا خلج، ابوالحسن نجفی*، امیرحسین محمودحسینی صفحات 17-38
    مقدمه

    در این پژوهش اثر منابع مختلف اکسید منیزیم و تاثیر نسبتCaO/MgO  به عنوان اصلی ترین اکسیدهای فعال کننده واکنش ها در حین پخت کاشی دیواری بر مسیر تحولات و تشکیل فازهای مفید مانند آنورتیت، دیوپساید و ولاستونیت و کاهش فاز مخرب ژلنیت و کوارتز آزاد مطالعه شد.

    روش

    سه گروه آمیز با 12 درصد وزنی کربنات کلسیم - به عنوان اصلی ترین منبع تامین CaO- و درصدهای وزنی گوناگون (5، 7 و 10 درصد) از خاک های محلی تامین کننده MgO در ایران (تالک زنجان، تالک بروجرد و دولومیت عبدل آباد) ساخته شدند. آمیزها پس از شکل دهی با پرس، در فرایندی کاملا صنعتی و در کوره پخت سریع، زینتر  شدند. به وسیله آزمون پراش اشعه ایکس و به کمک روش پالایش Rietveld که در نرم افزار Maud انجام شد، درصد وزنی فازهای تشکیل دهنده ریز ساختار نهایی به صورت کمی محاسبه شد.

    یافته ها

    در نمونه های حاوی تالک، با افزایش درصد وزنی تالک وکاهش نسبتCaO/MgO ، درصد وزنی فاز آنورتیت و ژلنیت افزایش و فاز دیوپساید کاهش یافت.  همچنین ضریب انبساط حرارتی و آزمون انبساط رطوبتی با کاهش نسبتCaO/MgO ؛کاهش یافت. در نمونه های حاوی دولومیت افزایش درصد وزنی اکسید CaO علی رغم درصد وزنی قابل قبول اکسید MgO، تمایل ساختار را به سمت تشکیل بیش تر آلومینوسیلیکات های کلسیم مثل آنورتیت و ژلنیت سوق داد.

    نتیجه گیری

    افزایش افراطی فاز ژلنیت (6%  وزنی)، موجب افزایش زیاد ضریب انبساط حرارتی (6-10×35/8 واحد بر درجه سانتیگراد) و درصد انبساط رطوبتی (12/0%) در نمونه با 10% وزنی دولومیت شد.

    کلیدواژگان: دیلاتومتری، جذب آب، انبساط حرارتی، انقباض پخت، استحکام خمشی
  • بابک هاشمی*، افسر نوروزیان صفحات 39-57
    مقدمه

    در این تحقیق ابتدا شیشه سرامیکی با ترکیبی مشابه با شیشه سرامیک 45S5 به روش حالت جامد از ضایعات شیشه سود-لایم سنتز شد. سپس با جایگزینی فلوراید کلسیم به جای اکسید کلسیم با درصدهای وزنی مختلف، رفتار زیست فعالی این شیشه ها و همچنین استحکام مکانیکی آنها بررسی شد.

    روش

    آنالیز فازی نمونه ها پس از کلسینه کردن با آزمون پراش اشعه ایکس انجام شد. زیست فعالی نمونه ها با غوطه وری آنها در محلول شبیه سازی شده بدن برای در مدت زمانی مختلف و سپس اسکن سطح نمونه ها با میکروسکوپ الکترونی روبشی برای مشاهده و بررسی و مقایسه رسوبات تشکیل شده انجام گرفت. رسوبات تشکیل شده بر سطح نمونه ها همچنین توسط آنالیز پراش اشعه ایکس در زاویه های کوچک شناسایی گردیدند. چگالی و استحکام فشاری نمونه ها پس از عملیات تف جوشی به ترتیب به روش ارشمیدسی و آزمون فشار تعیین شد.

    یافته ها

    نمودارهای پراش اشعه ایکس نمونه های شیشه ای که در دماهای مختلف تحت کلسیناسیون، قرار گرفته بودند فازهای بلوریNa2Ca2Si3O9  و CaNaPO4   را نشان دادند که دلالت بر تبدیل نمونه های کلسینه شده به شیشه سرامیک می باشد.آنالیز پراش پرتو ایکس نمونه های شیشه سرامیک با درصدهای مختلف کلسیم فلوراید که در دمای c°800 کلسینه شده بودند علاوه بر فازهای بلوری قبلی  فاز Ca5F (PO4) 3 را نیز نشان دادند در واقع با افزوده شدن کلسیم فلوراید به نمونه ها، فاز فلویورآپاتیت در نمونه ها تشکیل شده است.انالیز فازی رسوبات تشکیل شده بر روی سطح نمونه ها پس از قرارگیری در مایع شبیه سازی شده بدن فازهای فلویورآپاتیتCa5F (PO4) 3 ، هیدروکسی آپاتیت Ca5 (PO4) 3 (OH) و کلسیم اولترا فسفاتCa2P6O17  را مشخص نمودند که خاصیت زیست سازگاری مناسبی با بدن دارند

    نتیجه گیری

    . نتایج نشان دادند که ساخت شیشه سرامیک ها به روش حالت جامد از شیشه ضایعاتی موفقیت آمیز بوده و با جایگزینی کلسیم فلوراید بجای اکسید کلسیم خواص زیست فعالی و استحکام فشاری نمونه ها افزایش یافته است.

    کلیدواژگان: شیشه سرامیک 45S5، زیست سازکاری، استحکام فشاری، شیشه سودا لایم
  • حسن قربانی، حسن فرهنگی، مهدی ملکان* صفحات 58-69
    مقدمه

    سوپرآلیاژهای پایه نیکل رسوب سخت شونده به دلیل خواص مکانیکی دمای بالا منحصربفردشان، دارای قابلیت کارکرد در شرایط دما- فشار بالا در محیط های خورنده هستند. یکی از کاربردهای این آلیاژها استفاده در بخش داغ توربین های گازی است که می توانند به عنوان پره های متحرک و ثابت مورداستفاده قرار گیرند. به دلیل زمان بالای کارکرد این قطعات در دمای نسبتا بالا (800 الی 950 درجه سانتی گراد)، خواص این آلیاژها پس از مدتی تغییر کرده و همچنین احتمال ایجاد آسیب های مختلفی از قبیل اکسیداسیون، تغییر شکل های شدید موضعی، خزش و خستگی در آن ها وجود دارد. این تغییرات و آسیب های بیان شده روی قابلیت اطمینان کارکرد این قطعات حساس و همچنین عملکرد آنها به شدت تاثیر می گذارند.

    روش

    در این تحقیق به بررسی مکانیزم های آسیب و خواص ریزساختاری سوپرآلیاژ GTD-111 به عنوان یک سوپرآلیاژ پایه نیکل رسوب سخت شونده، پرداخته می شود. لذا در این تحقیق از ایرفویل پره 75000 ساعت کارکرده به عنوان منطقه تحت حرارت بالا و از ریشه به عنوان ریزساختار شاهد استفاده شده است. مشخصه یابی آلیاژ کارکرده به کمک میکروسکوپ نوری، میکروسکوپ الکترونی روبشی، میکروسکوپ الکترونی عبوری، آنالیز طیف نگار تفکیک انرژی پرتو ایکس انجام شد. به منظور بررسی های آسیب های ناشی از کارکرد، پره مورد نظر توسط آزمون های غیر مخرب پرتو ایکس و آزمون مایع نافذ فلورسنتی مورد بررسی قرار گرفته شد.

    یافته ها

    طبق تحلیل المان محدود، بخش ایرفویل پره دمای بالایی را تجربه می کند که در محدود 800-925 درجه سانتی گراد است. براساس نتایج بدست آمده از آزمون های غیر مخرب، سطح پره فقط دارای عیوبی از قبیل کندگی پوشش سد حرارتی، تغییر فرم های پلاستیک موضعی در نوک پره است. براساس بررسی های ریزساخاری، تغییرات شدیدی ریزساختاری ازقبیل درشت شدن و تغییر مورفولوژی از مکعبی  به کروی فازهای رسوب سخت اولیه γ′، انحلال فازهای رسوب سخت ثانویه γ′ که در زمینه γ قرار داشتند، تجزیه فازهای کاربیدی MC به فازهای M23C6، پیوستگی فازهای کاربیدی M23C6 در مرزدانه و ایجاد فازهای TCP در مناطق بین دندریتی ناشی از کارکرد طولانی مدت، دیده شده است. براساس نتایج بدست آمده از میکروسکوپ الکترونی عبوری، نابجایی هایی در زمینه γ و فصل مشترک γ-γ′ مشاهده شده است. قابل ذکر است به دلیل پایین بودن سطح تنش، مقدار نابجایی های موجود در فاز γ′ که میتواند به صورت SFE و APB باشد، محدود است.

    نتیجه گیری

    نتایج ریزساختاری حاکی از وجود زوال ساختاری شدید پس از 75000 ساعت کارکرد توربین است. زوال ساختاری اصلی که میتواند منجر به کاهش شدید خواص مکانیکی در دمای بالا و به تبع آن کاهش شدید قابلیت اطمینان شود عبارتند از تغییر اندازه و مورفولوژی فازهای رسوب سخت γ′ و پیوستگی فازهای کاربیدی ترد در مرزدانه های آلیاژ GTD-111. اکسیداسیون در مرزدانه و ایجاد ترک در سوراخ هوا خنک پره در ارتفاع 50 درصد ایرفویل نیز به عنوان دیگر مکانیزم آسیب تعیین شده است.

    کلیدواژگان: سوپرآلیاژهای پایه نیکل، زوال ساختاری، الگوی نابجایی، کارکرد طولانی مدت
  • لیلا قاسمی، سید حسین سیدین*، ماندانا عادلی، محمدرضا ابوطالبی صفحات 70-88
    مقدمه

    ایلمنیت به عنوان مهم ترین منبع استخراج تیتانیوم و اکسید آن با به کارگیری فرآیندهای سولفاتی، کلریدی و گدازش فرآوری می شود. در این روش ها، حذف ناقص آهن همراه تیتانیوم، دستیابی به رنگدانه سفید را با مشکل مواجه می کند. به منظور بهبود حذف آهن، پیش فرآوری ایلمنیت توسط فرآیندهای احیای کربوترمی با هدف تبدیل آهن به شکل قابل انحلال و قابل گدازش مانند آهن فلزی، راه کاری است که در صنعت مورد استفاده قرار می گیرد. با توجه به مشکلات فنی و زیست محیطی احیاء کربوترمی، جایگزین کردن کک توسط هیدروژن روشی نوین است که مزیت های قابل توجهی را در فرآیندهای جداسازی بعدی به همراه دارد.

    روش

    در این پژوهش ابتدا کنسانتره ایلمنیت کهنوج مورد مشخصه یابی مینرالوژیکی، شیمیایی و ساختاری قرار گرفت. سپس احیاء غیر هم دما گندله ها توسط گاز هیدروژن در بازه دمایی 500- 1100 درجه سانتی گراد انجام گرفت. درجه احیا بر اساس کاهش وزن رخ داده پس از احیا محاسبه شد. مشخصه یابی نمونه ها به کمک میکروسکوپ نوری، میکروسکوپ الکترونی، آنالیز فازی پراش پرتو ایکس و طیف سنجی پراش انرژی پرتو ایکس انجام شد.

    یافته ها

    کنسانتره ایلمنیت کهنوج از فاز اصلی FeTiO3 تشکیل شده است که هماتیت به همراه مقدار جزیی فاز اسفن در آن دیده می شود. همچنین Mg و Mn نیز در آنالیز شیمیایی به مقدار محدودی یافت می شود. در این تحقیق حداکثر درجه احیاء معادل 76% در دمای 1100 درجه سانتی گراد بدست آمد. با افزایش دمای احیا، آهن از ساختار ایلمنیت به بیرون نفوذ و در اطراف ذره تجمع کرده است. TiO 2 به صورت لایه ه ای در اطراف هسته احیا نشده قرار گرفته است. با افزایش زمان احیا تجمع فاز فروسودوبروکیت در مرکز ذرات ایلمنیت مشاهده شد. جدایش عناصر ناخالصی Mg و Mn به سمت مرکز ذره باعث گیر افتادن آهن باقیمانده در مرکز ذره می شود و می تواند جداسازی کامل اکسیدهای آهن همراه ایلمنیت را با مشکل مواجه کند.

    نتیجه گیری

    احیاء گندله های ایلمنیت کهنوج توسط گاز هیدروژن می تواند باعث احیاء اکسیدهای آهن موجود در ساختار ایلمنیت و جداسازی موثر Fe و TiO2 از همدیگر شود. تشکیل ذرات آهن فلزی پس از احیا و به دنبال آن جدایش موثر آن از ساختار ایلمنیت، رسیدن به میزان بالای درجه احیا معادل 76 درصد را فراهم می کند.

    کلیدواژگان: کنسانتره ایلمنیت کهنوج، کانی شناسی، احیاء هیدروژنی، میکروساختار
  • عبدالرضا دبیری*، محمد افخمی کرایی صفحات 89-101
    مقدمه

    سیلابزنی آب سازند یکی از روش های ازدیاد برداشت نفت است که در آن آب سازند به درون مخزن نفتی تزریق می شود. رسوب کربنات کلسیم یکی از مشکلات در زمینه سیلابزنی آب سازند و تولید نفت است که بدلیل رسوب روی سنگ مخزن و مسیر حرکت نفت، باعث کاهش تولید نفت می شود. استفاده از افزودنی های شیمیایی، مخصوصا پلیمرهای آبدوست، برای جلوگیری از رسوب کربنات کلسیم به طور گسترده ای مورد مطالعه قرار گرفته است.

    روش

    در این تحقیق از یک پلیمر سه گانه ی اسید آیتاکونیک-سدیم پی استایرن سولفونات-آکریل آمید آبدوست برای بررسی میزان بازدارندگی رسوب کربنات کلسیم در آب سازند یکی از مخازن نفتی ایران استفاده شده است. غلظت بهینه این پلیمر با توجه به ضریب عملکرد بازدارندگی در آب سازند، براساس غلظت یون کلسیم، 800 میلی گرم بر لیتر تعیین شد و در ادامه برای انجام آزمایشات بعدی، این غلظت بهینه بکار برده شد. بررسی دمایی در میزان بازدارندگی این پلیمر نشان داد که در دمای مخزن (75 درجه سانتی گراد) 800 میلی گرم از این پلیمر سه گانه، عملکرد خوبی را از خود نشان می دهد. همچنین برای مطالعه ی مکانیسم های فیزیکی دخیل در جلوگیری از رسوب کربنات کلسیم از میکروسکوپ الکترونی روبشی و آنالیز پراش اشعه X استفاده شد.

    یافته ها

    نتایج میکروسکوپ الکترونی روبشی نشان داد که بلورهای کربنات کلسیم، پایدارترین حالت کلسیت با ساختار منظم یکنواخت قبل از حضور بازدارنده بودند که پس از افزودن پلیمر، کریستال های کربنات کلسیم، از نظر اندازه ناهمگون و کوچک شدند و ساختار آن ها به شدت بهم ریخت. از طرف دیگر، تجزیه و تحلیل پراش اشعه X نشان داد که افزودن این پلیمر سه گانه به طور قابل ملاحظه ای می تواند از رشد کریستال های کربنات کلسیم ممانعت و از تبدیل واتریت به کلسیت جلوگیری کند. از طرف دیگر کریستال های آراگونیت در آب پراکنده و توسط جریان آب شسته می شوند.

    نتیجه گیری

    نتایج نشان دادند که پلیمر سه گانه ی اسید آیتاکونیک-سدیم پی استایرن سولفونات-آکریل آمید اثر قابل توجهی بر رشد و مورفولوژی کریستال کربنات کلسیم داشت و کربنات کلسیم را از کریستال کلسیت پایدار به واتریت ناپایدار تغییر می دهد.

    کلیدواژگان: سیلابزنی آب سازند، رسوب کربنات کلسیم، ضریب عملکرد بازدارندگی، کریستال کلسیت
|
  • Hadi Rezazadeh, Maziyar Azadbeh * Pages 1-16
    Introduction

     The purpose of this research is solid state recycling of 3000 and 5000 series aluminum alloy scrap to produce aluminum nano-crystalline powder by mechanical milling without using process controlling agent. In this regard, aluminum used beverage cans (UBCs) which consist of lid (alloy 5182) and the monolith part (alloy 3004) of the body (thin) and bottom (thicker).

    Methods

    To achieve disintegration mechanism, lid part, body and bottom of monolith part are separated each other because of diverse constituent of Al series and different thickness. The three parts individually were decoated then cut into the small chips (app. 8 mm). The chips were mechanically ball milled at different times up to 104 hours under argon atmosphere. The ratio of ball to powder was 10 to 1.   

    Findings

    The lid part chips are crushed faster than the monolith part chips, and, resulting in a finer powder. According to the PSA results, the D90 of the lid powder is less than 150 micrometers; while D90 of the body and bottom powders are more than 150 micrometers. This result can be used on an industrial scale to separate the constituent elements of crushed UBCs from each other. The smallest D90 values of lid, body and bottom powders, which obtained after 72, 80 and 80 h as optimum milling time, are 109, 258 and 391, respectively. Also, their flowability were 57.8, 59.3 and 61.1 s/50 g, as well as the apparent density were 1.38, 1.43 and 1.46 g/cm3, respectively.

    Keywords: Solid state recycling, Aluminum alloy scrap, Mechanical milling, Aluminum nanocrystalline powder
  • Investigating the effect of different sources of magnesium oxide on the structure and final properties of wall tile bodies containing CaO using rapid firing method
    Gholamreza Khalaj, Abolhassan Najafi *, AmirHossein Mahmoud Hosseiny Pages 17-38
    Introduction

    In this research, the effect of different sources of magnesium oxide and the effect of CaO/MgO ratio, as the main oxides that activate the reactions during wall tile firing, on the path of transformations and the formation of useful phases such as Anorthite, Diopside, and Wollastonite, and the reduction of the destructive phase of Gehlenite and free quartz was studied.

    Methods

    Three groups with 12% wt. of calcium carbonate - as the main source of CaO supply - and different weight percentages (5, 7 and 10%) from local soils supplying MgO in Iran (Zanjan talc, Boroujard talc and Abdol-Abad dolomite) were built. After forming with a press, the mixtures were sintered in a fully industrial process and in a fast firing furnace. By means of X-ray diffraction test and with the help of Rietveld refinement method which was carried out in Maud software, the weight percentage of the forming phases of the final microstructure was quantitatively calculated.

    Findings

    In the samples containing talc, with the increase of the weight percentage of talc and the decrease of CaO/MgO ratio, the weight percentage of Anorthite and Gehlenite phase increased and the Diopside phase decreased. Also, the coefficient of thermal expansion and moisture expansion test decreased by decreasing the ratio of CaO/MgO. In samples containing dolomite, increasing the weight percentage of CaO oxide, despite the acceptable weight percentage of MgO oxide, led the tendency of the structure towards the formation of more calcium aluminosilicates such as Anorthite and Gehlenite. The extreme increase of Gehlenite phase (6% wt.) caused a large increase in thermal expansion coefficient (8.35 x 10-6 units/degree Celsius) and moisture expansion percentage (0.12%) in the sample with 10%wt. dolomite.

    Keywords: Wall tiles, dilatometry, water absorption, thermal expansion, firing shrinkage, Flexural Strength
  • Babak Hashemi *, Afsar Norozian Pages 39-57
    Introduction

    In this research, at first, glass ceramic with the same composition as 45S5 glass ceramic was synthesized by solid state method from soda lime glass waste. Then, by substituting calcium fluoride instead of calcium oxide with different weight percentages, the bioactivity behavior of these glasses and also their mechanical strength were investigated

    Methods

    Phase analysis of the samples after calcination was done by X-ray diffraction. The bioactivity of the samples was investigated by immersing them in the simulated body solution for different periods of time and then scanning the surface of the samples with a scanning electron microscope to observe and compare the sediments formed. The sediments formed on the surface of the samples were also identified by X-ray diffraction analysis at small angles. After that, the density and compressive strength of the samples after sintering were determined by Archimedes method and pressure test, respectively.

    Findings

    X-ray diffraction diagrams of glass samples subjected to calcination at different temperatures showed the crystalline phases of Na2Ca2Si3O9 and CaNaPO4, which indicates the transformation of the calcined samples into glass-ceramics. X-ray diffraction analysis of the samples with different percentages of calcium fluoride that were calcined at a temperature of 800°C showed the Ca5F(PO4)3 phase in addition to the previous crystalline phases. In fact, with the addition of calcium fluoride to the samples, the fluorapatite phase has been formed.Phase analysis of sediments formed on the surface of the samples after placing them in simulated body fluid determined the phases of fluorapatite Ca5F(PO4)3, hydroxyapatite Ca5(PO4)3 (OH) and calcium ultra-phosphate Ca2P6O17 which have the characteristic of biocompatibility with the body.The results showed that the synthesis of glass ceramics by the solid-state method from waste glass was successful and by substituting calcium fluoride instead of calcium oxide, the bioactive properties and compressive strength of the samples increased.

    Keywords: Glass Ceramic 45S5, Bioactivity, Compression Strength, Soda- lime Glass
  • Hassan Ghorbani, Hassan Farhangi, Mehdi Malekan * Pages 58-69
    Introduction

    Due to the outstanding high-temperature mechanical properties, precipitation-hardening nickel-based superalloys are capable of working in high-temperature conditions in the harsh environment. One of the applications of these alloys is the use in the hot part of gas turbines, which can be used as rotor and stator blades. The properties of these alloys after high-temperature (800-950°C) long-term operation have changed dramatically, including oxidation, severe local deformations, creep and fatigue, and microstructure. The mentioned damages can strongly affect the reliability of the operation of these components.  

    Methods

    In this research, damage mechanisms and microstructural properties of GTD-111 superalloy as a precipitation-hardening nickel base superalloy are investigated. Hence, the blade airfoil operated for 75,000 hours was used as the alloy under high-temperature conditions and the root section was used as the unexposed alloy. Characterization of the exposed alloy was carried out by optical microscope (OM), scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscope (TEM), and X-ray energy dispersive spectroscope (EDS). In order to assess the damage mechanism, the radiography X-ray test (RT) and fluorescence penetration inspection (FPI) were used.   

    Findings

    Based on the finite element analysis results, the blade airfoil experienced a high temperature condition about 800-925°C. The non-destructive tests results showed that some damages such as spallation of thermal barrier coating, local deformation, local oxidation, tip rubbing and discoloration. The microstructure observation results demonstrated that there are considerable changes in the microstructure features such as the decomposition of MC carbide, coarsening and spheroidization of primary γ′, dissolution of secondary γ′, and formation of huge deleterious topological closed packed (TCP) phases located in interdendritic regions which profoundly impact its mechanical properties. Based on the results obtained from the transmission electron microscope (TEM), dislocations have been observed in the γ channels and the γ-γ' interface. It is worth mentioning that due to the low stress level, the density of dislocation in the γ′ phase, which can be in the form of SFE and APB, is limited. Microstructural observations indicated severe structural deterioration after 75,000 hours of turbine operation. The main structural degradation that can lead to a sharp decrease in mechanical properties at high temperature and consequently a sharp decrease in reliability is the change in the size and morphology of precipitation hardening phases γ' and the continuity of brittle carbide phases in the grain boundaries of GTD-111 alloy.

    Keywords: Nickel based superalloys, microstructural degradation, Dislocation, long-term exposure
  • Leila Ghasemi, Seyed Hossein Seyedein *, Mandana Adeli, MohammadReza Aboutalebi Pages 70-88
    Introduction

    Ilmenite is considered the most important source of titanium and its oxide and is usually processed by sulfate, chloride, and smelting processes. In all these processes, incomplete removal of iron combined with titanium is the main problem. In order to improve iron removal, pre-processing of ilmenite by carbothermic reduction processes is a solution used in the industry. Considering the technical and environmental problems of carbothermic, replacing coke by hydrogen, is a new method that brings significant advantages in the subsequent separation processes.

    Methods

    In this research, Kahnuj ilmenite concentrate is first characterized through physical, chemical, and structural analysis techniques. Gas reduction of the ilmenite pellets using pure hydrogen gas was performed, and then reduction products subjected to further characterization. The reduction degree was calculated based on the weight loss after the reduction process. Samples were characterized using optical microscopy, electron microscopy, X-ray diffraction analysis, and energy-dispersive X-ray spectroscopy.

    Findings

    The Kahnuj ilmenite concentrate is composed of the FeTiO3 as the main phase, hematite, and a partial sphene phase within the ilmenite grains. Mn and Mg found in the chemical analysis of the concentrate led to incomplete separation of iron oxides in ilmenite.In this research, a maximum reduction degree of 76% is achievable at a reduction temperature of 1100 °C. With an increase in the reduction temperature, metallic iron diffused out the ilmenite structure and accumulated around the particles. With an increase in the reduction time, the aggregation of the pseudobrookite phase, occurred in the center of the ilmenite particles.

    Keywords: Kahnuj ilmenite concentrate, Mineralogy, Hydrogen reduction, Microstructure
  • Adolreza Dabiri *, Mohammad Afkhami Karaei Pages 89-101
    Introduction

    Water flooding is one of the methods of enhanced oil recovery in which formation water is injected into the oil reservoir. Calcium carbonate deposition is one of the challenges in the field of water flooding and oil production. It leads to a reduction in oil production due to deposition on reservoir rocks and the path of oil movement.

    Methods

    The use of chemical additives, especially hydrophilic polymers, has been widely studied to prevent calcium carbonate deposition. In this study, a ternary hydrophilic polymer was used to investigate the inhibitory effect on calcium carbonate scale in the formation water of an Iranian oil reservoir. The optimal concentration of this polymer, considering its inhibitory performance coefficient in formation water, was determined to be 800 milligrams per liter based on the calcium ion concentration. This optimal concentration was then used for subsequent experiments. Temperature studies on the inhibitory performance of this polymer showed that at reservoir temperature (75 degrees Celsius), 800 milligrams/lit of this ternary polymer demonstrated good performance. Scanning Electron Microscopy (SEM) and X-ray Diffraction (XRD) were used to study the physical mechanisms involved in preventing calcium carbonate deposition.

    Findings

    SEM results showed that calcium carbonate crystals, in the form of stable calcite with a regular uniform structure before the presence of the inhibitor, became heterogeneous and smaller in size after adding the polymer, disrupting their structure. On the other hand, XRD analysis indicated that adding this ternary polymer could significantly inhibit the growth of calcium carbonate crystals and prevent the transformation of vaterite into calcite. Additionally, aragonite crystals are dispersed in the water and washed away by the water flow.

    Keywords: Formation water flooding, calcium carbonate deposition, inhibition performance coefficient, calcite crystal