مقالات مهندسي سطح و عمليات حرارتي

اندازه گيري ميزان انبساط و انقباض پوششهاي پاشش حرارتي شده در دماهاي مختلف و تعيين ضريب انبساط حرارتي (CTE) آنها از اهميت ويژه اي برخوردار است. وجود اختلاف يا عدم تطابق ضرايب انبساط حرارتي بين پوشش و زمينه و يا بين لايه هاي مختلف در پوششهاي چند لايه و چند جنسي، در سيكل هاي حرارتي باعث ايجاد كرنشهاي قابل توجه در فصل مشترك ها مي شود كه اگر اين كرنشها از حد تحمل پوشش بي شتر باشد منجر به شروع و اشاعه ترك و در نهايت انهدام و جدايش پوشش مي گردد. با اندازه گيري ضريب انبساط حرارتي هر يك از لايه ها و سعي در نزديك كردن اين مقادير به همديگر، امكان طراحي پوششهايي مقاومتر و با طول عمر بيشتر فراهم مي گردد.
در تحقيق حاضر پس از بررسي فعاليت هاي محققين ديگر براي تهيه نمونه هاي ديلاتومتري از پوششهاي پاشش حرارتي با روشهاي مختلف، روشي بهينه جهت ساخت نمونه هاي مناسب طراحي و اجرا گرديد در اين روش ابداعي، طي مراحل مختلف، چند نمونه از پوششهاي NiCrAlY و زيركونياي جزيي پايدارشده با ايتريا  (P-YSZ)با ابعاد 25×5×1 mm از پوشش موردنظر و بصورت مجزا از زير لايه با استفاده از روشهاي ماشينكاري و شيميايي، و مطابق با استاندارد مورد نياز براي دستگاه ديلاتومتري ساخته شد اندازه گيريCTE پوششهاي NiCrAlY و YSZ به ترتيب برابر با 16.1×10^-6 (1/^oC) و 9.5×10^-6 كه تطبيق خوبي با مقادير اعلام شده در منابع مرجع دارد، صحت نمونه ها و فرايند انجام شده را اثبات نمود.

مواد و پوشش ها با ساختار نان و به واسطه كاهش اندازه، قابليت اصلاح خواص فيزيكي و مكانيكي را دارا مي باشند. استفاده از مواد با ساختار نانو مزاياي مختلفي دارد در فلزات با كاهش اندازه دانه، به سختي و استحكام بالاتري مي توان دست يافت در سراميك ها به علت كاهش مقدار عيوب و افزايش آزادسازي تنش در مرز دانه ها، سختي و تافنس بالاتري به دست مي آيد همچنين در نتيجه افزايش مرزهاي دانه نفوذپذيري و ضريب انبساط حرارتي (CTE) افزايش، هدايت حرارتي و مدول يانگ كاهش مي يابد. در نتيجه اين ويژگي ها، مواد نانو ساختار مي توانند در پوشش هاي سد حرارتي كاربرد داشته باشند.
پوشش هاي سد حرارتي به صورت وسيع در توربين هاي گازي براي عايق كردن قطعات توربين، از گاز داغ استفاده مي شود. براي راندمان بالاتر توربين، پوشش هاي سد حرارتي پايدارتر نياز است در پوشش هاي سد حرارتي عيب پوسته شدن در فصل مشترك سراميك - فلز اتفاق مي افتد. با اصلاح ساختار به وسيله ريز كردن دانه، افزايش استحكام مرزها امكان پذير مي باشد. در اين پژوهش قابليت كاربرد مواد نانو ساختار در پوشش هاي سد حرارتي توربين هاي گازي مورد بحث قرار مي گيرد. در ابتدا به معرفي مكانيزم هاي تخريب پوشش هاي TBC پرداخته خواهد شد و سپس قابليت بهبود پوشش هاي TBC و راندمان توربين با استفاده از مواد نانو مورد بررسي قرار مي گيرد.

كاربرد مدل سازي و شبيه سازي كامپيوتري در سيستم هاي مهندسي سطح و عمليات حرارتي مورد تحقيق و بررسي قرار گرفته است بدين منظور، انتشارات پژوهشي معتبر در اين زمينه مورد تحليل و ارزيابي قرار گرفته و مواردي از شبيه سازي هاي انجام شده به صورت مطالعه موردي ارايه شده است يك سيستم كامل طراحي در مهندسي سطح داراي سه ركن اساسي شامل شبيه سازي فرايند، شبيه سازي خواص و شبيه سازي رفتار در شرايط كاربري است كه در اين مقاله مورد توجه قرار گرفته اند در زمينه شبيه سازي فرايندهاي عمليات حرارتي، تحقيقات عمدتا بر شبيه سازي فرايند كوئنچ متمركز بوده و در خصوص كربوره و نيتروره كردن فعاليت كمتري صورت گرفته است با وجود آنكه فعاليت هاي تحقيقاتي گسترده اي در زمينه نيتراسيون پلاسمايي صورت گرفته ولي تعداد مقاله هاي مرتبط با مدل سازي اين فرايند محدود است مدل هاي ارايه شده در زمينه سختي پوشش ها عموما تحليلي هستند و تاكنون مدل عددي مناسبي براي شبيه سازي اين خاصيت مهم ارايه نشده است با توجه به ضرورت انجام شبيه سازي در سيستم هاي مهندسي سطح و تحقيقات محدودي كه در اين خصوص صورت گرفته است، زمينه هاي گسترده اي براي انجام فعاليت هاي تحقيقاتي در اين حوزه وجود دارد.

در اين پروژه نانوذرات TiO2 روي زير لايه استيل لايه نشاني شده و خاصيت فوتوكاتاليستي آن مورد بررسي قرار گرفت. از محلول %1 (W/V) نانو پودر TiO2 با سايز ذرات 18 نانومتر و سطح موثر50m2/gr  در حلال هاي استون، متانول و استيل استون استفاده شده است ولتاژ اعمالي 10 ولت و زمان لايه نشاني 2 دقيقه و زير لايه استيل مي باشد. اكسيد تيتانيوم در استيل استون بهتر از متانول و استون حل مي شود، هر سه محلول تحت شرايط فوق قرار گرفتند ولي تنها در استيل استون لايه نشاني اتفاق افتاد. در مرحله بعد به هر سه محلول مقدار 0.04 گرم يد اضافه كرده و مجددا در شرايط اوليه يكسان لايه نشاني شدند اين بار در استيل استون و استون لايه نشاني صورت گرفت ولي در متانول لايه ايجاد نگرديد و لايه نشاني در استيل استون و يد بسيار يكنواخت تر از محلول استنون و يد حاصل شد با استفاده از نمودار جريان - زمان در حين لايه نشاني روند لايه نشاني كنترل مي شد. نمونه ها بعد از لايه نشاني در دماي 400 درجه حرارت دهي شدند، طيف  XPSبعد از حرارت دهي عدم نفوذ مواد زيرلايه به سطح لايه را نشان مي دهد. نمونه ها جهت تست فوتوكاتاليستي در راكتور گاز آمونيا تحت نور UV قرار گرفتند كه غلظت گاز آمونيا در مدت 80 دقيقه به 30% مقدار اوليه رسيده است همچنين بررسي هاي SEM روي نمونه ها صورت گرفت كه تخلخل لايه را نشان مي دهد.

امروزه، لايه هاي نازك نيتريدي كاربرد زيادي در صنايع پيدا كرده اند. اما در شرايط خاص به تنهايي تمام مشكلات را برطرف نمي كنند. به همين دليل پوشش دو يا چندلايه، اخيرا بسيار مورد توجه واقع شده و خصوصيات منحصر به فردي از خود نشان داد ه اند. در اين مقاله پوشش دولايه اي از Cr+TiN به روش PVD و به وسيله دستگاه لايه نشاني يوني مجهز به تفنگ تخليه الكتريكي كاتد توخالي (HCD-Gun) روي زيرلايه هاي فولاد 420 و شيشه ايجاد شد مطالعات ساختاري اين پوشش با استفاده از تكنيك پراش اشعه ايكس(XRD)  و بررسي هاي ميكروسكوپي سطح به وسيله ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM) انجام گرديد. ريزسختي سنجي ويكرز در شرايط مختلف عمليات حرارتي با هم مقايسه شد آزمايش سايش پين روي ديسك و آزمايشهاي خوردگي نيز انجام گرديد و نتايج بسيار بهتري نسبت به TiN تك لايه از خود نشان داد.

ياتاقان هاي بابيتي از جمله اجزاي مهم پمپ ها و توربين ها مي باشد كه كيفيت مناسب آنها ميتواند نقش به سزايي را در كاهش دفعات تعمير و خاموشي اين تجهيزات ايفا كند بابيت ريزي اين ياتاقان ها عمدتا به روشهاي ريخته گري ثقلي و ريخته گري گريز از مركز صورت مي پذيرد. در اين پژوهش سعي شده است اهميت فرآيند پاشش حرارتي در بابيت نشاني به ياتاقان ها مورد بررسي قرار گيرد و با بابيت ريزي سنتي مقايسه گردد قطعات پس از بابيت نشاني و آزمايش عملي در ميدان واقعي، تحت بررسي هاي متالورژيكي و تريبولوژيكي قرار گرفتند يافته هاي حاكي از آن است كه لايه بابيتي در روش پاشش حرارتي از استحكام چسبندگي بالاتري به زيرلايه برخودار است همچنين به نظر مي رسد با بالا رفتن اندازه ياتاقان، روش پاشش حرارتي اهميت بيشتري نسبت به روش هاي ذوبي پيدا كند بدين لحاظ از روش هاي آناليز شيمي تر، آناليز EDAX، ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM) و آزمايش هاي مايعات نافذ و امواج مافوق صوت بهره لازم حاصل گرديد.

در اين مقاله خواص تريبو لوژي و فيزيكي برنز سرب دار (Cu-7Sn-15Pb) در مقايسه با همين خواص در كامپوزيت ريختگي برنز گرافيت دار (Cu-7Sn-3-7%G) مورد بررسي قرار گرفته است كامپوزيت برنز گرافيت دار از طريق ريخته گري گردابي توليد شد بر اساس مشاهدات ميكروسكوپي روي قطعات توليدي از اين روش، گرافيت به طور يكنواخت در زمينه آلياژ توزيع شده است، كه اين امر مبين عملكرد خوب فرآيند توليد در طي تهيه كامپوزيت مي باشد. در اين حالت درصد گرافيت مصرفي در كامپوزيت 3، 5 و 7 درصد حجمي بود. نتايج نشان مي دهند كه ضريب اصطكاك كامپوزيت ريختگي حدود دو سوم و ميزان سايش آن حدود يك سوم مقادير مربوطه در برنز سرب دار مي باشد علاوه بر اين چگالي چنين كامپوزيت هايي، بستگي به درصد گرافيت، حدود 20-10% كمتر از چگالي برنز سرب دار بوده و ضريب انبساط حرارتي كامپوزيت ها هم حدود 4% كمتر از برنز سرب دار مي باشد كه هر دو بر مزيت هاي استفاده از چنين كامپوزيتي مي افزايد.

آببند مكانيكي (كاسه نمد مكانيكي) وسيله اي است كه از تراوش سيال بين شافت در حال گردش و محل قرارگيري شافت در پمپ جلوگيري مي كند. كاربيد سيليسيم از جمله تركيبات كاربيدي مهم است كه در پمپها به عنوان واشر در آب بندهاي مكانيكي به كار برده ميشود. يكي از روشهاي مهم توليد آن، روش سينترينگ است، كه روشي هزينه بر و زمان بر مي باشد. سنتز احتراقي دما بالا از جمله روش هايي است كه براي توليد كامپوزيت هاي مختلف از جمله TiB/Ti به كار برده مي شود. واشرهاي مصرفي در آب بندهاي مكانيكي بايستي خصوصيات سختي و مقاومت به سايش بالا و روانكاري بالا داشته باشند از اين رو در اين مقاله خواص تريبولوژيكي كامپوزيت TiB/Ti توليد شده به روش سينترينگ و SiC توليد شده به روش سينترينگ مورد مقايسه قرار گرفته است ضريب اصطكاك و كاهش وزن نمونه هاي TiB/Ti و SiC از طريق آزمون پين روي ديسك مقايسه شد رد سايش توسطSEM مورد مطالعه قرار گرفت و تركيبات تشكيل شده در حين سايش از طريق EDX شناسايي گرديد نتايج آزمايش ها نشان داد كه TiB/Ti ضريب اصطكاك كمتر در مقايسه با SiC نشان مي دهد. همچنين سايش غالب در نمونه TiB/Ti از نوع چسبان و در SiC از نوع نوساني بود نتايج ماكروسختي نشان داد كه TiB/Ti سختي قابل قبول در مقايسه با SiC دارد.

در اين پژوهش ذوب و آلياژسازي چدن داكتيل آستمپر با فروموليبدن پركربن توسط فرآيند TIG مورد بررسي قرار گرفت در اين راستا ساختارهاي ايجاد شده در ناحيه ذوب سطحي و متاثر از حرارت، تغييرات ميكروسختي اين ساختارها و اثر همپوشاني خطوط جوش مورد مطالعه قرار گرفتند.
نتايج نشان مي دهند كه پس از ذوب سطحي ADI، يك ساختار لدبوريتي در منطقه ذوب و منجمد شده سطحي تشكيل مي گردد كه با افزايش گرماي ورودي اين ساختار درشت تر شده كه موجب كاهش سختي ميگردد. از طرف ديگر آلياژسازي سطحي اين چدن با فروموليبدن موجب ايجاد يك ساختار لدبوريتي به همراه كاربيدهاي (Fe, Mo)3C در منطقه ذوب سطحي شده مي گردد كه با افزايش گرماي ورودي ضخامت لايه آلياژي ا فزايش و درصد موليبدن در اين ناحيه كاهش پيدا كرده و در نتيجه مقدار اين كاربيدها كم مي شود. مقايسه لايه هاي مختلف ايجاد شده توسط آلياژسازي و ذوب سطحي حاكي از آن بود كه لايه هاي ايجاد شده توسط عمليات ذوب سطحي سختي بالاتر اما عمق كمتري نسبت به آلياژسازي داشتند. به علاوه در اثر هم پوشاني خطوط جوش تغيير قابل ملاحظه اي در ساختار و سختي لايه هاي آلياژي مشاهده نشد در حاليكه سختي لايه ذوب سطحي از 868 به 630 ويكرز كاهش يافت.

از برهم كنش ليزرهاي پالسي فوق كوتاه با هدف هاي رسانا و جذب آنها در سطح اين هدف ها، مي توان براي ايجاد اشعه X استفاده نمود آزمايش ها نشان داده است كه قرار دادن سطح ناصاف فلزي به جاي سطح صاف مي تواند ميزان اشعه X توليد شده را به ميزان قابل توجهي افزايش دهد اين افزايش را مي توان ناشي از افزايش ميدان هاي الكترومغناطيسي در نقاط خاصي از سطح نانوذرات فلز هدف دانست تغييرات سطح مقطع جذب و پراكندگي معياري براي افزايش ميدان هاي الكترومغناطيسي است در اين مقاله سطح هدف هاي فلزي ناصاف به صورت نانوذرات كروي و بيضوي مدل شده اند در محاسبه سطح مقطع پراكندگي و جذب از تئوري Rayleigh و در تعيين پاسخ ماده هدف به موج الكترومغناطيسي تابشي جهت محاسبه تابع دي الكتريك هدف، مدل Drude به كار رفته است نتايج به دست آمده نشان مي دهد كه سطح مقطع هاي جذب و پراكندگي با تغيير فركانس موج تابشي رفتار رزونانسي دارند و به اندازه و شكل نانوذرات هدف نيز وابسته اند.

مدل سازي و شبيه سازي سختي پوشش ها به روش هاي تحليلي و عددي مورد بررسي قرار گرفته است بدين منظور، ابتدا مدل هاي تحليلي ارايه شده توسط محققين مختلف مورد تجزيه و تحليل قرار گرفت و يكي از آنها به عنوان مدل عمومي مورد بهره برداري قرار گرفته است. براي پوشش هاي آبكاري نيكل روي زيرلايه مسي، نمودارهاي سختي پوشش بر حسب بار اعمالي و همچنين برحسب نسبت عمق فرورونده (h) به ضخامت پوشش (t) كه يك پارامتر بدون بعد (h/t) است رسم گرديده و بهترين معادله خطي منطبق بر منحني ها به عنوان مدل هاي تحليلي پيشنهادي ارايه گرديده است از طرف ديگر، براي پوشش هاي نفوذي نيكل و نيكل- فسفر بر زيرلايه فولادي (حاصل از كارهاي تحقيقاتي انجام شده) يك سري معادله لگاريتمي به عنوان بهترين مدل هاي قابل انطباق ارايه گرديده است در اين تحقيق همچنين شبكه هاي عصبي و نرم افزارMATLAB  به كار گرفته شده و با استفاده از آنها مدل سازي عددي سختي پوشش ها انجام گرفته است بررسي هاي انجام شده نشان مي دهد كه در صورت توجه و دقت در انتخاب نوع شبكه، اجزا و توابع آن، تعداد لايه ها و به خصوص تعداد نرون ها، مدل سازي سختي پوشش ها با اين روش منجر به جواب هاي دقيق با كمترين خطاي ممكن مي گردد.

آلياژ حافظه دار نيكل - تيتانيم داراي خواص منحصر به فردي نظير سوپر الاستيسيتي و حافظه داري بوده و مادهاي مناسب جهت كاربردهاي پزشكي مي باشد. با اين حال، وجود درصد بالاي نيكل در اين آلياژ (بالاي 50 درصد) و سمي بودن اين عنصر براي بدن انسان نگراني مهمي به شمار مي رود. در اين آلياژ همانند آلياژهاي پايه تيتانيم، لايه پسيو اكسيد تيتانيم (رتيل) تشكيل مي گردد، كه از آزاد شدن نيكل به محيط ممانعت مي كند، با اين وجود در آلياژهايي كه سطح آنها آماده سازي نشده است، لايه فوق بسيار نازك و ناپايدار بوده و احتمال نفوذ نيكل به صورت مولكولي از اين لايه به محيط اطراف وجود دارد همچنين پا سخ بيولوژيكي به يك ماده ايمپلنت شده در بدن نيز مستقيما به خواص سطحي آن نظير تركيب شيميايي، بلوري بودن، هتروژن بودن، زبري و ترشوندگي برمي گردد.
از آنجايي كه جهت كاربرد مناسب اين آلياژ در صنعت پزشكي به ماده اي نياز داريم، كه علاوه بر كمترين ميزان رهايش نيكل از آن در محيط هاي فيزيولوژيكي، بهترين پاسخ بيولوژيكي در بدن را نيز دارا باشد، آماده سازي سطح اين آلياژ بسيار حايز اهميت است به همين دليل امروزه در دنيا تحقيقات زيادي روي آماده سازي سطحي و پوشش دهي سطحي اين آلياژ در حال انجام است در اين مقاله ابتدا مروري بر خواص سطحي اين آلياژ انجام گرفته است و سپس فرآيندهاي آماده سازي سطحي و پوشش دهي نظير سطوح اكسيدايز شده، پسيو شده، استفاده از منابع انرژي و بخارهاي شيميايي جهت آماده سازي سطح، عمليات كاشت يوني، سطوح بيواكتيو و ... كه در تحقيقات اخير انجام گرفته اند، بررسي و مرور گرديده است همچنين ميزان كارآيي هر فرآيند و عمليات سطحي بر عملكرد اين آلياژ بررسي و ارزيابي شده است.

اخيرا آلياژ هويسلر Co2MnSi به علت داشتن خاصيت نيم فلزي براي كاربرد در صنعت اسپينترونيك كه در آن كميت اصلي در ترابري، اسپين حامل ها مي باشد، مورد توجه قرار گرفته است بررسي اثرات سطح مشترك و طراحي سطوح مشترك ايده آل با نيم رسانا كه در آنها ماهيت نيم فلزي Co2MnSi حفظ شود براي اهداف صنعتي بسيار حايز اهميت است در اينجا خواص الكتروني و مغناطيسي Co2MnSi/GaAs(001) با محاسبات اوليه كوانتومي در چارچوب نظريه تابعي چگالي اسپيني و با استفاده از روش شبه پتانسيل و با تقريب GGA براي انرژي تبادلي - همبستگي ارايه شده است در اين محاسبات تنها پيوندگاه MnMn-As در نظر گرفته شد كه در آن با جايگزين كردن Mn به جاي Si يك لايه اضافي MnMn در پيوندگاه ايجاد كرديم در نمودار نوارهاي انرژي و منحني چگالي حالت ها تعداد كمي ازحالت هاي سطح مشترك درگاف حالت اقليت اسپيني مشاهده شد كه روي اتم هاي واقع در پيوندگاه جايگزيده مي باشند. با اين وجود قطبش اسپيني بالايي، 90%، در سيستم وجود دارد كه نسبت به مقدار تجربي، 12%، به ميزان قابل توجهي افزايش يافته است همچنين ناپيوستگي نواري و نمودار سد شاتكي در محل پيوندگاه براي دو كانال اسپيني اكثريت و اقليت بدست آمد.

فولاد 16MnCr5 از خانواده فولادهاي سمانتاسيون و يكي از فولادهاي پركاربرد در ماشين سازي و ساخت قطعات مي باشد. فرآيندهاي نيتراسيون گازي به طور معمول نتايج مناسبي در بهبود سطح اين فولاد ندارند روند تحقيقات اخير نشان مي دهد با استفاده از فرآيندهاي پلاسمايي، نيتراسيون اين فولاد با خواص مطلوب تر امكان پذير شده است. در اين تحقيق لايه هاي سطحي اين فولاد تحت دو فرآيند نيتراسيون گازي و نيتراسيون پلاسمايي مورد مطالعه قرار گرفتند براي ارزيابي خواص لايه هاي سطحي از ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM)، پراش پرتو ايكس (XRD)، ميكروسكوپ نوري، دستگاه سنجش ميكروسختي و زبريسنج استفاده گرديد. در نتيجه گيري از اين پژوهش تفاوت خواص لايه هاي سطحي در اين دو فرآيند مشخص گرديد در فرآيند نيتراسيون پلاسمايي نسبت به نيتراسيون گازي، سختي سطح و عمق نفوذ نيتروژن بيشتر و ضخامت لايه تركيبي و افزايش زبري سطح كمتر بود.

نمونه ها به صورت لايه هاي نازك تركيبي از دو اكسيد V2O5-SiO، باروش تبخير حرارتي در فشار حدود6-10 torr ساخته و جهت بررسي و تحقيق لبه جذب نوري اين لايه ها، طيف هاي جذبي آنها در طول موجهاي 200 تا 800 نانومتر توسط اسپكتروفوتومتر UV-VIS تهيه گرديد مشاهده مي شود كه مكان لبه جذب نوري با كاهش درصد وزني V2O5 در تركيب، به سمت طول موج هاي يبيشتر (انرژي هاي كمتر) انتقال پيدا مي كند.شكاف انرژي نوري (Eopt) نمونه ها با برون يابي از قسمت خطي (جذب بالا) روي محور ħw (انرژي فوتون ورودي) بدست آمده و معلوم شد كه مقدار آن با كاهش درصد وزني V2O5 در تركيب از 4.14 به 3.94 كاهش نشان ميدهد و براي مطالعه ESR روي اين سيستم پيشنهاد ميشود.