مقالات مهندسي سطح و عمليات حرارتي

پوششي با تركيب اسمي WC-17Co با استفاده از تكنيك اسپري حرارتي (HVOF) تهيه شد و در دماها و زمانهاي مختلف تحت عمليات حرارتي قرار گرفت مطالعات ميكروسكوپي با ميكروسكوپ الكتروني روبشي(SEM)  و آناليزهاي انجام شده توسط تفرق پرتو (XRD) X و تفرق نگاري دما بالاي پرتو(HTK) X  نشان داد كه فاز آمرف توليد شده در مرز اسپلت ها كه در اثر سرد شدن سريع هنگام پوشش كاري توليد شده اند در حين عمليات حرارتي در دماهاي بالا تبديل به فازهاي كريستالي مشهور به اتا مي شوند وجود اين فازها موجب سخت تر و تردتر شدن پوشش ها پس از عمليات حرارتي در دماهاي بالا مي گردد نتايج آزمايش سايش خراشي با استفاده از دستگاه پين روي ديسك مجهز به ديسك هاي ساينده الماس نشان داد كه در شرايط آزمايش پوشش كاربيد تنگستن عمليات حرارتي نشده مقاومت بيشتري در برابر سايش از خود نشان مي دهد و مكانيزم سايش در آن خراش برشي است ليكن عمليات حرارتي خصوصا در دماهاي بالا و زمان هاي طولاني موجب كاهش مقاومت به سايش و تغيير مكانيزم سايش از خراش برشي به خراش همراه با قلوه كن شدن ميشود.

در اين تحقيق شاخص هاي كيفي پوشش اكسيدي سخت براي آلومينيم آلياژي 2024 كه از پركاربردترين آلياژهاي مستحكم آلومينيم و درعين حال مشكل سازترين آنها در فرايندهاي پوشش هاي تبديلي است، دسته بندي شده و مورد بررسي و مقايسه با آلومينيم خالص تجاري (1100) قرار گرفته است.
پوشش مزبور براي هر دو آلياژ به روش آندايزينگ سخت و در محلول هاي منتخب، در چگالي جريان 3.5A.dm-2 و درجه حرارت -10^oC ساخته شد. با توجه به شرايط مختلف نوع و غلظت الكتروليت هاي مورد استفاده و نمونه هاي ساخته شده، تفاوت در رفتار ولتاژي فرايند آن دكاري و مشخصه هايي از پوشش چون ساختار، نرخ رشد، ضخامت، سختي و كيفيت پوشش با كمك ميكروسكوپ و استريوسكوپ نوري، ميكروسكوپ هاي الكتروني روبشي و ميكروسختي سنج، مورد ارزيابي قرار گرفت شاخصها و دسته بندي هاي ارايه شده مي تواند به عنوان الگويي براي مطالعه چنين پوشش هايي مطرح باشد.

در اين تحقيق تاثير دماي اكسيژن دهي بعدي، بر خواص سطحي فولاد AISI5115 نيتروژن -كربن دهي شده مورد مطالعه قرار گرفته است به اين منظور فولاد مذكور پس از عمليات حرارتي اوليه كوئنچ و تمپر، در دماي 550^oC و در فشار 3 تور، به مدت 5 ساعت و در مخلوط گازي حاوي 80%N2+13%H2+7%CO2 تحت عمليات نيتروژن - كربندهي پالس پلاسمايي قرار گرفت بلافاصله پس از عمليات نيتروژن - كربندهي عمليات اكسيژن دهي در دماهاي 500^oC و 450^oC و 400^oC در فشار 3 تور و به مدت يك ساعت، در مخلوط گازي حاوي 75%O2+25%H2 انجام شد خواص لايه هاي سطحي توسط ميكروسكوپ نوري و پراش سنجي پرتو ايكس مطالعه شد نتايج مطالعه فازهاي تشكيل شده در لايه اكسيدي نشان مي دهد كه با كاهش دماي اكسيژن دهي بعدي، پايداري فازFe3O4  نسبت به فاز Fe2O3 در لايه اكسيدي افزايش مي يابد. در ضمن در هنگام فرايند اكسيژن دهي فاز ε در لايه تركيبي به فاز g’ استحاله مي يابد، كه با كاهش دماي اكسيژن دهي از شدت آن كاسته مي شود. بررسي ضخامت لايه اكسيدي نشان ميدهد كه با كاهش دماي اكسيژندهي، ضخامت لايه اكسيدي كاهش مي يابد.

در اين تحقيق فولاد AISI H13 به روش پلاسما نيتروژن دهي شد. شرايط نيتروژن دهي پلاسمايي از جمله دما و زمان، ثابت در نظر گرفته شد ولي فشار جزيي نيتروژن در اتمسفر پلاسما به منظور حذف لايه سفيد تغيير داده شد ساختار نمونه هاي نيتروژن دهي شده توسط ميكروسكوپ نوري مورد بررسي قرار گرفتند همچنين پروفيل سختي نمونه هاي نيتروژن دهي شده توسط ميكروسختي سنج اندازه گيري شد بررسي ها نشان داد كه تغيير فشار جزيي نيتروژن در اتمسفر پلاسما تا مقدار %4 N2، در دماي 53^oC و زمان ثابت، باعث حذف لايه سفيد نشده و فقط ضخامت آن را كاهش مي دهد، بدون آنكه تاثيري روي ضخامت لايه نفوذي داشته باشد همچنين رفتار سايشي نمونه هاي نيتروژن دهي شده با به كارگيري روش پين روي ديسك در دماي محيط و اعمال نيروهاي 10 و 30 نيوتن بررسي و مقدار كاهش وزن نمونه ها اندازه گيري شد. مشخص گرديد كه مقاومت به سايش نمونه ها نيتروژن دهي شده بسيار بيشتر از نمونه هاي عمليات نشده است. همچنين نمونه هايي كه حاوي يك لايه سفيد با ساختار همگن و سختي سطح بالا بودند، مقاومت به سايش بيشتري از خود نشان دادند.

لايه هاي نازك منگنايت La_0.75Sr_0.25Mno₃ با استفاده از دستگاه لايه نشاني تپش ليزري(PLD)  ساخته شد. سپس تاثير افزودن MgO بر مغناطو مقاومت اين لايه ها مورد بررسي قرار گرفته است مطالعات نشان ميدهد كه MgO به عنوان فاز جداگانهاي در بين دانه ها قرار مي گيرد مقاومت الكتريكي نمونه ها در ميدانهاي 0.0، 0.3، 0.7 و 1.0 تسلا اندازه گيري شد نتايج اين اندازه گيري حاكي از آن است كه مغناطو مقاومت لايه هاي نازك مورد مطالعه تحت تاثير قرار گرفتن MgO در مرز دانه ها به صورت قابل توجهي افزايش مي يابد. مقدار بيشينه مغناطو مقاومت براي نمونه آلاييده به MgO در ميدان مغناطيسي 1 تسلا حدود32  درصد به دست آمد در حالي كه اين مقدار براي نمونه خالص حدود 18 درصد است تونل زني وابسته به اسپين و پراكندگي در مرز دانه ها توجيهي براي افزايش مغناطو مقاومت در نمونه آلاييده نسبت به نمونه خالص است.

در اين پژوهش با استفاده از روش رسوب دهي الكتروشيميايي، چندلايه اي هاي كبالت - نيكل / مس (60% كبالت و 40% نيكل) از محلول سولفاتي-سيتراتي با تعداد زوج هاي 5، 10، 15، 20 و 30 روي زير لايه اي مركب از تك لايه طلا روي شيشه رسوب دهي الكتروشيميايي شد ند. ضخامت هاي اسمي لايه هاي كبالت - نيكل و مس به ترتيب 10nm و2nm  انتخاب شد بررسي مرفولوژي سطح پوشش ها با ميكروسكوپ الكتروني SEM نشان مي دهد كه با افزايش تعداد لايه ها، در ضخ امت هاي بيشتر از 10 زوج لايه ساختار زيرلايه حذف مي شود. تغييرات زبري سطح رويي نسبت به افزايش تعداد زوج لايه ها به وسيله ميكروسكوپ نيرواتمي (AFM) با قدرت تفكيك 256×256 نشان داد كه مقدار زبري سطح پوشش ها از 5 تا 30 زوج به طور متوسط از4.448nm  تا13.98nm  افزايش مي يابد. نتايج مشاهدات و محاسبات آماري نشان مي دهد زبري از مقياسبندي غير عادي و رابطه W(l,t)=l^Ht^b_loc f(^t/_l^z) پيروي مي كند و نماهاي مستقل H، b_loc، b و a به ترتيب برابر 0.55، 0.63 و 0.06 و 6.32 محاسبه گرديد.

چدن نشكن به دليل خواص مهندسي بسيارخوب كاربرد وسيعي در صنعت دارد ولي در بعضي كاربردها براي مقابله با سايش زياد، سطوح سخت تر لازم است دو روش ذوب سطحي و آلياژسازي سطحي، جهت گيري نسبتا جديد تحقيقات در زمينه سخت كاري سطحي چدن ها هستند در اين پژوهش، ذوب سطحي وآلياژسازي سطحي به وسيله قوس الكتريكي با الكترود تنگستني و گاز محافظ آرگون ( TIGيا GTAW) روي نمونه هايي از چدن نشكن انجام شد جهت آلياژسازي سطحي از پودر فروكرم پركربن به عنوان ماده آلياژي استفاده گرديد بررسي هاي ميكروسكوپي و پراش سنجي پرتو X از لايه هاي سطحي ايجاد شده، تشكيل ميكروساختارهايي مشابه با چدن سفيد را در نمونه ذوب سطحي و چدن سفيد پركرم را در نمونه آلياژسازي شده نشان داده اند. مقاومت سايشي نمونه ها بوسيله دستگاه سايش پين روي ديسك مورد بررسي قرار گرفت نتايج نشان مي دهند كه نمونه هاي ذوب و آلياژسازي سطحي شده از سختي و مقاومت به سايش بالاتري نسبت به نمونه هاي عمليات سطحي نشده برخوردار هستند مكانيزم سايش در نمونه هاي سختكاري شده، غالبا اكسيداسيون بوده كه به نظر مي رسد در نمونه آلياژسازي شده، اكسيدها سطح را بهتر پوشش داده اند.

مطالعات براي هر دو مواد به صورت نوع p پلي كريستالي بوده كه اثر افزوني (درصدي) انديم به استيوكيومتري اين مواد نشان داده كه قابليت هدايتي اين گونه لايه ها بالا رفته و با استفاده از تغييرات ضريب هال RH، حرك هال m_H، در دماهاي مختلف و ميدان هاي مختلف دريچه مورد بررسي قرار گرفته درp-CuInTe2  مشاهده شده است RH با افزايش دما را مي توان به اين واقعيت نسبت داد كه سهم ناشي از پتانسيل مرز دانه ها 170^ko به بالا شروع شده در حالي كه با افزوني درصد انديم اين لايه ها مقادير ضريب هال به ترتيب در گستره هاي دمايي پايين 77-200 ^ko ثابت باقي مي ماند. و در مواد p-CuInSe2 مشاهده شده كه نوع لايه هايي كه استيوكيومتري هستند اثر هال ديده نشده اما با فزوني انديم به اين مواد مقادير RH به بالاي ^ko 150 سهم ناشي از پتانسيل مربوط به دانه ها همواره ديده شده و همچنين مقادير تحرك هال  m_Hدر لايه هاي فوق مورد مطالعه قرار گرفته اند.

تاثير پوشش هاي بدون برق نيكل - فسفر در شرايط مختلف عمليات حرارتي بر پروفيل سختي و بارپذيري استاتيك فولاد ساده كربني مورد بررسي قرار گرفته است بدين منظور، محلول آبكاري بدون برق نيكل فسفر با استفاده از مواد نيمه صنعتي موجود در بازار كشور ساخته شد و پوششي از Ni-P بر سطح نمونه هايي از فولاد ساده كم كربن اعمال گرديد نمونه هاي پوشش داده شده تحت دو نوع عمليات حرارتي 1- عمليات حرارتي در درجه حرارت 400^oC به مدت يك ساعت و 2- عمليات حرارتي در درجه حرارت 900^oC به مدت چهار ساعت، قرار گرفتند.
نتايج حاصل از اين فرآيندها با روش هاي متالوگرافي، ميكروسختي سنجي از سطح مقطع نمونه ها (تهيه پروفيل سختي ) و انجام آزمايش هاي با رپذيري استاتيك مورد ارزيابي قرار گرفته است نتايج حاصل نشان ميدهد كه اعمال پوشش Ni-P بر سطح فولاد ساده كم كربن باعث افزايش سختي سطح و بارپذيري استاتيك زيرلايه مي گردد. با اعمال عمليات حرارتي الف، اين افزايش سختي و همچنين افزايش ظرفيت بارپذيري فوق العاده زيادتر است انجام عمليات حرارتي ب (آنيل نفوذي) گرچه سختي سطح را كمي كاهش مي دهد، ليكن عمق افزايش سختي را تا حدي افزايش داده و شيب پروفيل سختي را كاهش ميدهد. اين موضوع بيانگر بهبود خواص تريبولوژيكي سطح زير لايه است.

اكثر قطعات سرچاهي نفت از جنس فولاد AISI 4130 است و مطابق استاندارد API بعضا بايستي خواص مكانيكي بالايي پس از سخت كاري و تمپر داشته باشند در اين خصوص بهينه كردن عناصر آلياژي جهت حصول خواص فوق الذكر حايز اهميت است در اين پژوهش 5 ذوب با عناصر آلياژي متفاوت كه همگي در محدوده فولاد AISI 4130 هستند تهيه گرديد و پس از شمش ريزي و آهن گري از هركدام 6 عدد نمونه جاميني تهيه شد تمام نمونه هاي جاميني پس از نرماله، تحت تست جاميني قرار گرفته و نمودارهاي مربوطه ترسيم گرديد نتايج نشان مي دهد انتخاب تركيب شيميايي با وجودي كه در محدوده استاندارد آن فولاد است، تاثير مهمي بر سختي پذيري فولاد داشته و بنابراين تهيه فولادهايي با تركيب شيميايي حداكثر جهت توليد قطعات سرچاهي با ابعاد بزرگتر ضرورت دارد.

پوشش هاي سپر حرارتي YSZ/MCrAlY داراي پيچيده ترين ساختار در بين پوشش ها يي هستند كه براي حفاظت از خوردگي، سايش، فرسايش و يا به منظور عايق سازي حرارتي استفاده مي شوند توسعه و بهبود خواص اين پوشش ها مستلزم درك بهتر تغييرات پيچيده ايست كه تحت شرايط كاري در ساختار و خواص آنها رخ مي دهد و منجر به انهدام آنها مي شود در اين تحقيق پس از بررسي ريز ساختارها و تركيب شيميايي، چگونگي شكل گيري فصل مشترك در پوشش هاي متداول به صورت دولايه و پوشش هاي نوين FGC، و تاثير آن بر استحكام چسبندگي لايه هاي مختلف به روش Pull of test مورد بررسي قرار گرفت.
نتايج نشان مي دهد كه ريز ساختار، درصد تخلخل و تركيب شيميايي، در پوشش هاي FGC بر خلاف پوشش هاي دو لايه بصورت تدريجي درطول ضخامت و در حوالي فصل مشترك تغيير مي كند به طوريكه با افزايش مقدار فاز فلزي NiCrAlY، درصد تخلخل از 11.4 درحالت بدون فاز فلزي به 4.3 درصد در حالت 70 درصد فاز فلزي مي رسد اصلاح ساختار فصل مشترك تيز بين لايه NiCrAlY با ماهيت فلزي و لايه YSZ با ماهيت سراميكي، باعث بهبود قابل ملاحظه اي در خواص كاربردي پوشش هاي سپر حرارتي شده و استحكام چسبندگي آنها را در اين تحقيق به ميزان 52.5 درصد نسبت به پوشش هاي دو لايه افزايش داده است

اصولا ذرات در مقياس نانومتري دو ويژگي مهم دارند كه عبارتند از: 1- از قوانين فيزيك كلاسيك در مورد اغلب پديده هاي مربوط به آنها ديگر تبعيت نمي كنند بلكه از قوانين مكانيك كوانتمي استفاده مي نمايند. لذا خواص اپتيكي، الكتريكي و مغناطيسي آنها در مقايسه با توده (bulk) همان ماده تغيير مي كند. 2- با كاهش اندازه ذرات، نسبت سطح به حجم (A/V) سيستم زياد مي شود كه اين خاصيت از ويژگي هاي مهم و بارز كليه سيستمهاي متكامل نظير مغز انسان، مدارات مجتمع (IC)، كاتاليستها و غيره است.
در اين مقاله، ابتدا اصول و مباني علوم و فناوري نانو در سيستم هاي دوبعدي مشخصا لايه هاي نازك توصيف مي گردد. سپس به كاربردهاي مختلف نانوتكنولوژي در حوزه هاي گوناگون اشاره خواهد شد در ادامه، تكنيك هاي مختلف ساخت لايه هاي نازك به روش هاي فيزيكي و شيميايي در مقياس نانومتري ذكر مي گردد.
به منظور بررسي خواص سيستم هاي نانومتري به بعضي از نتايج تحقيقات اخير گروه ما در زمينه ساخت لايه هاي نازك سيستم هاي نانومتري WO3/SiO2، Au/SiO2، CuOx/SiO2، Cu/SiO2،Ag/SiO2  و سيستمهاي چند لايه اي نانومتري Co/Wx-Ta1-x/Si(100)، Ag/Ti/Co/Si(100)،Ag/W/Co/Si(100)  و Ni(Pt 5% at.)/Si(100) اشاره خواهد شد. در خاتمه، نتايج بكارگيري تكنيك هاي آناليز مواد شامل اسپكتروسكوپي الكترونهاي اوژه، اسپكتروسكپي فتوالكترونهاي اشعه X، ميكروسكوپ الكتروني عبوري، ميكروسكوپ الكتروني رويشي، پراش اشعه ايكس، اسپكترومتري پس پراكندگي راترفورد براي سيستمهاي مزبور ارايه مي گردند.

هدف از اين تحقيق، طراحي و توليد يك پوشش نوين كامپوزيتي بيوسراميك - فلزي بر زيرلايه فلزي بوده است تا به طور هم زمان زيست سازگاري ايمپلنت هاي دنداني و ارتوپدي فلزي و همبندي با استخوان بهبود يابد.
فولاد زنگ نزن 316 ال به عنوان زيرلايه فلزي استفاده شد و پوشش نوين دولايه اي هيدروكسي آپاتيت - تانتاليوم روي آن آماده گرديد پوشش تانتاليوم با استفاده از فرآيند رسوب فيزيكي بخار تهيه گرديد و هيدروكسي آپاتيت به روش پاشش پلاسمايي روي آن پوشش داده شد پراش پرتو ايكس و ميكروسكوپ الكتروني روبشي براي مطالعه خصوصيات سطح مورد استفاده قرار گرفت آزمون هاي پلاريزاسيون الكتروشيميايي در دو نوع محلول فيزيولوژيكي و در دماي 37±1^oC، براي ارزيابي رفتار خوردگي نمونه هاي با و بدون پوشش به عنوان شاخصي براي زيست سازگاري، انجام پذيرفت.
نتايج نشان مي دهد كه كاهش چگالي جريان خوردگي براي نمونه هاي با پوشش هيدروكسي آپاتيت - تانتاليوم بسيار چشم گير بوده و بسيار كم تر از نمونه هاي فولادي بدون پوشش است پوشش دو لايه هيدروكسي آپاتيت - تانتاليوم موجب بهبود مقاومت به خوردگي شده و متعاقب آن زيست سازگاري نيز ارتقا مي يابد.

در رابطه با پاشش حرارتي روش هاي متنوعي ابداع شده است در اين ميان روش HVOF با توجه به اعمال حرارت زياد و سرعت بسيار بالا، پوشش هايي با كيفيت بسيار خوب از بعد خواص فيزيكي، مكانيكي و شيميايي مي تواند ايجاد كند به عنوان مثال، در رابطه با خواص مكانيكي، پوشش هاي بسيار سخت(900HV₁₀₀₀) از اين طريق بدست آمده اند. اما در مقابل محدوديت هايي از بابت چقرمگي ايجاد ميشود. بر اساس برخي تحقيقات با نانو ساختار شدن چنين پوشش هايي نه تنها چقرمگي بهبود مي يابد، بلكه سختي نيز افزايش خواهد يافت در اين مقاله سعي شده است با مروري بر تحقيقات صورت گرفته بر پوششهاي نانو ساختار كه بدين روش (HVOF) بدست آمده اند، تاثيرات نانو ساختار شدن چنين پوشش هايي و نقش پارامترهاي فرآيند در اين رابطه بيان شود.