ارزیابی ساختاری و رفتار تریبولوژیکی پوشش های نوین پاشش حرارتی آمورف-نانوکریستال پایه آهن
چکیده
یکی از روش های بهبود کیفیت سطوح استفاده از پوشش هایی با خواص مطلوب است که در این راستا کاربرد پوشش هایی با ساختار آمورف، نانوکریستال و پوشش هایی با ساختار دوگانه آمورف/نانوکریستال در چند سال اخیر مورد توجه واقع شده است. این پوشش ها با جمع خواص منحصر بفردی نظیر استحکام تسلیم بالا، سختی بالا، مقاومت سایشی عالی و تافنس مطلوب، شرایط مناسبی را در راستای بهبود کیفیت سطوح فراهم می کنند. در این پروژه ابتدا با اضافه کردن عناصر فلزی و شبه فلزی مختلف مانند کرُم، مولیبدن، بُر، کربن، فسفر و سیلیسیم به پودر آهن ترکیب مناسبی طراحی شد تا قابلیت تشکیل ساختار آمورف در فرایند آلیاژسازی مکانیکی و فرایند پاشش حرارتی را دارا باشد. سپس پودر حاصل با ترکیب بهینه توسط فرایندهای نوین پاشش حرارتی نظیر پاشش شعله ای با سرعت بالا (hvof) و پاشش پلاسمایی در اتمسفر (aps) بر زیرلایه های فولادی تحت شرایط مختلف اعمال شد تا ساختاری متشکل از درصدهای مختلف فازهای آمورف و نانوکریستال حاصل شود. سپس ساختار و خواص پوشش ها با آزمون های سایش، سختی سنجی، تافنس شکست، استحکام چسبندگی، آنالیز فازی، آنالیز حرارتی (dsc) و بررسی های میکروسکوپ الکترونی عبوری (tem) و روبشی (sem) مطالعه شد. همچنین ثوابت سینتیکی تبلور فاز آمورف مانند توان آورامی و انرژی اکتیواسیون جوانه زنی و رشد توسط مدل های مختلف محاسبه و مکانیزم رشد تعیین گردید. این نتایج نشان دادند که آلیاژ آهن با ترکیب fe-18cr-5mo-5p-1.5c-1.5si-3b (درصد وزنی) بهترین قابلیت آمورف شدن را دارد و بعلاوه از پایداری حرارتی بالایی نیز برخوردار است. از طرف دیگر توان آورامی برای این سیستم به شدت تابع دما بود و عدد صحیحی را نشان نداد که حاکی از آن است که فرایند جوانه زنی و رشد پیچیده است و به طور هم زمان چندین مکانیزم رشد دو یا سه بعدی در این فرایند دخیل می باشند. بالا بودن میزان انرژِی اکتیواسیون جوانه زنی ( kj/mol29/405) و رشد ( kj/mol04/386) برای این آلیاژ نشان دهنده مشارکت تعداد زیادی از عناصر آلیاژی در تشکیل ساختارهای کریستالی است. نتایج بررسی خواص مکانیکی پوشش ها گویای آن هستند که بالاترین میزان ریزسختی پوشش ها مربوط به ساختارهای دو گانه آمورف/نانوکریستال در حدود hv 1200، پایین ترین میزان ضریب اصطکاک و نرخ سایش برای پوشش هایی با ساختار آمورف به ترتیب در حدود 18/0 و mm3/n.m 6-10*26/0 و بالاترین میزان تافنس شکست در حدود mpa.m1/2 10 برای پوشش هایی با ساختار دو گانه آمورف/نانوکریستال است. در این پروژه همچنین نقشه هایی ارائه شد که با استفاده از آن ها می توان آلیاژ مورد نظر را بر پایه آهن طراحی و پوشش هایی با ساختارهای متنوع را بدست آورد. در این نقشه ها با کنترل ساختار اولیه پودر و پارامترهای پاشش حرارتی، پوشش هایی ایجاد می شود که ریز ساختار آن قابل کنترل بوده و به تبع آن می توان خواص مورد نظر را بر اساس تابعی از ریزساختار بدست آورد. همچنین مدل های نقشه های مکانیزم سایش برای پوشش های آمورف و نانوکریستال بر پایه آهن ارائه شد که با استفاده از آن ها می توان شرایط تریبولوژیکی برای سایش آرام و شدید را بدست آورد.