مقالات مهندسي سطح و عمليات حرارتي

خواص متنوع و گوناگون چدن هاي خاكستري، همراه با قيمت ارزان، ريخته گري آسان و قابليت ماشين كاري عالي، باعث كاربرد وسيع و صنعتي اين دسته از چدن ها گرديده است به گونه اي كه قطعات ساخته شده از چدن خاكستري بيش از قطعات فولادي و آلياژهاي غيرآهني، در صنعت توليد و مصرف مي شوند. در بسياري از كاربردهاي صنعتي نياز است كه قطعات درمعرض درجه حرارت هاي بالا قرار گرفته و در اين دماها خواص خود را حفظ كنند در چنين مواردي خواصي همچون حفظ سختي در دماي بالا، مقاومت در برابر تغييرات ابعادي و پوسته اي شدن، مقاومت به خزش و خستگي حرارتي و ... كه همگي تحت تاثير ريزساختار و خواص مكانيكي قرار دارند به عنوان پارامترهاي مهم در انتخاب ماده موردنظر مورد توجه قرار مي گيرند. در اين تحقيق تغييرات سختي چدن خاكستري آلياژي حاوي تيتانيم و واناديم در اثر نگهداري در دماهايي پايين تر از دماي انجام استحاله يوتكتوئيد مورد مطالعه و بررسي قرار گرفته است.

در اين تحقيق از حمام اسيدي سولفاتي در دماي 25^oC و pH=2 براي به دست آوردن پوشش روي-كبالت به روش گالوانواستاتيك روي فولاد كم كربن استفاده شده است اثر دانسيته جريان تا 200mA/cm² و نحوه آماده سازي سطح (الكتروپوليش، پوليش مكانيكي وas-received ) روي بافت كريستالوگرافي، مرفولوژي و تركيب شيميايي پوشش بررسي شد.
نتايج به دست آمده نشان مي دهد كه افزايش دانسيته جريان باعث افزايش درصد كبالت در هر سه سطح الكتروپوليش، پوليش مكانيكي و as-received ميشود. تغيير دانسيته جريان در سطوح as-received بر شدت نسبي صفحات قاعده (002) پوشش تاثير چنداني ندارد و در اين سطوح شدت نسبي صفحات قاعده (002) پوشش تقريبا ناچيز است در حالي كه بافت پوشش روي سطح الكتروپوليش و پوليش مكانيكي به دانسيته جريان رسوب دهي بستگي دارد به طوري كه افزايش دانسيته جريان باعث كاهش شدت نسبي صفحات قاعده (002)، در پوشش مي شود.
همچنين مرفولوژي پوشش روي هر سه سطح كاملا متفاوت است در سطوح الكتروپوليش كريستال هاي روي-كبالت پوشش در يك جهت خاص روي هر دانه ترتيب يافته اند و به صورت اپي تكسي رشد كرده اند در حاليكه در سطوح پوليش مكانيكي و as-received كريستال هاي روي-كبالت به صورت تصادفي رشد كرده اند، لذا در جهات مختلف جهت گيري نموده اند.

در اين تحقيق اثر سرعت سرد شدن پس از عمليات حرارتي حل سازي جزيي در1120^oC  بر ريز ساختار سوپر آلياژGTD-111 مورد بررسي قرار گرفته است به منظور بررسي اين فاكتور، نمونه هايي با 4 سرعت مختلف سرد كردن 3^oC/min و 47^oC/min و 69^oC/min و 105^oC/min سرد شدند و سپس با ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM) مورد بررسي قرار گرفتند.
نتايج نشان دادند كه با افزايش سرعت سرد كردن اندازه فاز g’ اوليه در زمينه g كاهش مي يابد از طرفي با افزايش سرعت سرد كردن در صد حجمي فاز g’ اوليه كاهش يافته است نتيجه ديگري كه بدست آمد، اثر افزايش سرعت سرد كردن بر مرفولوژي مرزدانه ها مي باشد.

لايه هاي نازك دوتايي و پودرهاي نانوساختار شده و نانومتخلخل TiO2-Ga2O3 با نسبت هاي موليGa2O3:TiO2  مختلف داراي منطقه سطح ويژه بالا با روشي نوين و ساده سل-ژل ذره اي تهيه شدند تترا ايزوپروپوكسيد تيتانيم و نيترات گاليم به عنوان آغازگرها و هيدروكسي پروپيل سلولز به عنوان عامل پليمري فرار (PFA) به منظور افزايش منطقه سطح ويژه استفاده شدند آناليز XRD نشان داد كه پودرها حاوي فازهاي a-Ga2O3 رمبوهدرال و b-Ga2O3 منوكلينيك و همچنين فازهاي آناتاز و روتيل است مشاهده شد كهGa2O3  تشكيل شده از آغازگر نيتراتي، استحاله فازي آناتاز به روتيل را به تاخير انداخت آناليز TEM نيز آشكار ساخت كه Ga2O3 كريستاليزاسيون و رشد ذرات پودرها را كند نمود منطقه سطح ويژه پودرها، اندازه گيري شده با آناليز BET، با معرفي Ga2O3 افزايش يافت اكسيد دوتايي TiO2-Ga2O3 با نسبت مولي يكسان آنيل شده در دماي 500^oC كوچكترين اندازه كريستاليت (2nm)، كوچكترين اندازه دانه (18nm) و بيشترين منطقه سطح ويژه(327m²/g)  را دارا بود اكسيد دوتايي TiO2-Ga2O3 با نسبت مولي Ga2O3:TiO2 برابر با 75:25 آنيل شده در دماي 800^oC كوچكترين اندازه كريستاليت (2.4nm) با اندازه متوسط دانه32nm  و منطقه سطح ويژه40m²/g  را نشان داد اكسيد دوتايي TiO2-Ga2O3 با نسبت مولي Ga2O3:TiO2 برابر با 25:75 آنيل شده در دماي 800^oC بالاترين منطقه سطح ويژه(57m²/g)  با اندازه كريستاليت4.4nm  و اندازه دانه32nm  را دارا بود. يكي از كوچكترين اندازه كريستاليت و يكي از بالاترين منطقه سطح ويژه گزارش شده در مقالات در اين تحقيق به دست آمد كه مي تواند در بسياري از كاربردها از دستگاه هاي الكترونيك نوري گرفته تا حسگرهاي گازي، مورد استفاده قرار گيرد.

در تحقيق حاضر به سفارش شركت صنايع هواپيمايي ايران، نمونه هايي از پره متحرك توربين گازي هوايي از جنس ابرآلياژ پايه نيكلي B1900+HF به منظور تعيين نوع پوشش و فرايند پوشش دهي مورد ارزيابي متالورژيكي قرار گرفته است. بررسيهاي متالوگرافي نوري و الكتروني نشان دهنده شاخص هاي پوشش هاي نفوذي در ريزساختار پوشش بود آناليز عنصري طيف سنجي پراكندگي انرژي و آناليز فازي پراش پرتو ايكس حضور عناصر آلومينيوم و سيليسيم و فازهاي آلومينايد نيكل را در پوشش نشان داد. با توجه به نتايج آزمونهاي انجام شده نوع پوشش به صورت آلومينايد نفوذي اصلاح شده با سيليسيم تعيين گرديد و فرايند اعمال و مكانيزم رشد آن مورد تحليل قرار گرفت.

آزمايش خراش براي بررسي چسبندگي پوشش هيدروكسي آپاتيت نشانده شده به روش پلاسما اسپري روي پايه هايي از جنس آلياژ تيتانيوم انجام شده است بر اساس نتايج حاصل از اين تحقيق بررسي هاي ميكروسكوپي الكتروني مفيدتر و موثرتر از بررسي اطلاعات ثبت شده از نيروي اصطكاك و نشر آكوستيك براي تعيين نيروي بحراني پاييني و بالايي مي باشد. چسبندگي پوشش به پايه هاي فلزي كه از پارامتر عمق متوسط زبري (Ra) برابر2.29mm  برخوردارند بهتر از پايه هاي فلزي داراي Ra=1.23mm مي باشد. علاوه بر اين، آزمايش خراش نشان داد در مورد پوشش هايي با ضخامت بيش از 150 ميكرون، كيفيت اتصال مطلوب نمي باشد. در اين نمونه ها، فصل مشترك پايه فلزي و پوشش ترك دار بوده و نيروي بحراني براي جدا شدن پوشش از پايه در آزمايش خراش از مقادير اندكي برخوردار است بر اساس نتايج اين تحقيق و با ملاحظه ديدگاه پزشكي در مورد انحلال سريع تر پوشش هاي نازك در بدن و ديدگاه تجربي جراحان بافت سخت، چسبندگي پوشش هيدروكسي آپاتيت با ضخامت 90mm به پايه هاي فلزي از جنس آلياژ Ti6Al4V با زبريRa=2.29mm  بهينه مي باشد.

استحكام اتصال پوششهاي هيدروكسي آپاتيت پلاسما اسپري شده از جمله خواص با اهميت و تاثيرگذار بر پايداري بلندمدت كاشتني هاي پوشش دار در بدن مي باشد. در اين تحقيق، به منظور ارزيابي استحكام پيوستگي (داخل پوشش) و استحكام چسبندگي (زيرلايه-پوشش)، روش نويني بر اساس اعمال فرورونده ويكرز در پوشش و همچنين در فصل مشترك زيرلايه -پوشش به كار برده شد چقرمگي شكست پوشش توسط اندازه گيري طول ترك راديال ايجاد شده در اثر اعمال فرورونده ويكرز بر سطح مقطع پوشش مشخص گرديد مقادير چقرمگي شكست فصل مشترك از طريق تعيين مقدار بار بحراني و طول ترك بحراني به دست آمد مطالعه درجه بلورينگي سطح و فصل مشترك پوشش توسط پراش پرتو ايكس نشان داد كه منطقه فصل مشترك از درجه بلورينگي پايين تري نسبت به سطح پوشش برخوردار است بررسي خواص مكانيكي پوشش حاكي از آن بود كه درجه بل ورينگي و درصد تخلخل، خصوصياتي همچون سختي، پاسخ الاستيك، مدول يانگ و چقرمگي شكست پوشش (معرف خواص پيوستگي پوشش) را كنترل مي نمايند. بالاترين ارقا م چقرمگي شكست فصل مشترك (معرف خواص چسبندگي پوشش) در مقادير مشخصي از درجه بلورينگي فصل مشترك حاصل گرديد به طوري كه در بيشتر يا كمتر از اين مقادير، چقرمگي با كاهش روبرو شد بررسيهاي انجام شده نشان داد كه خواص اتصالي پوشش هاي هيدروكسي آپاتيت پلاسما اسپري شده به ويژگيهاي ساختاري و ريزساختاري بالك پوشش و همچنين فصل مشترك پوشش-زيرلايه وابسته است.

اسپكتروسكوپي امپدانس الكتروشيميايي (EIS) يك روش الكتروشيميايي است كه در آن يك پتانسيل با دامنه تغييرات كم اعمال مي شود و جريان عكس العمل آن اندازه گيري مي شود و با استفاده از رابطه بين ولتاژ و جريان مي توان در خصوص سرعت خوردگي و يا ديگر عوامل الكتروشيميايي قضاوت كرد به منظور درك بهتر خواص الكتروشيميايي و خوردگي فولاد H13 پوشش داده شده توسط فرايند PEB آزمايش پلاريزاسيون خطي(PDS)  نيز روي نمونه ها انجام شد. سطحي كه خورده مي شود داراي هر دو واكنش اكسيداسيون و احيا است هر يك از اين واكنش ها توليد يك جريان مي كنندi_c براي واكنش كاتدي و i_a براي واكنش آندي اندازه گيري شد. عامل مهم در تعيين سرعت خوردگي i_a است چرا كه طبق اصول الكتروشيميايي، فقط  inet يعني اختلاف i_c و i_a قابل اندازه گيري است مطالعات الكتروشيميايي و خوردگي فولادهاي بوردهي شده، در محلول 3.5% كلرور سديم توسط اسپكتروسكوپي امپدانس الكتروشيميايي (EIS) و پلاريزاسيون پتانسيو ديناميك (PDS) انجام شد اندازه گيري امپدانس امكان بررسي لحظه اي تغييرات سطحي نمونه هاي بوردهي شده را فراهم مي سازد به طور كلي، نتايج آزمايش نشان دهنده عدم تغيير محسوس مقاومت به خوردگي نمونه هاي مورد عمليات قرار گرفته به واسطه فازهاي سطحي تشكيل شده است در اين تحقيق نتايج بدست آمده از آزمايش هاي اسپكتروسكوپي امپدانس الكتروشيميايي (EIS) پلاريزاسيون پتانسيو ديناميك(PDS)  مورد ارزيابي و مقايسه نيز قرار گرفت.

در اين پژوهش اثر عمليات نيتراسيون پلاسمايي بر رفتار تربيولوژي رينگ هاي پيستون از جنس چدن خاكستري مورد ارزيابي قرار گرفته است به اين منظور رينگ ها پس از نمونه سازي تحت اتمسفر گازي حاوي %20H2+%80N2 در دماي 500 درجه سانتي گراد به مدت 8 ساعت تحت عمليات نيتراسيون پلاسمايي قرار گرفتند ارزيابي ساختاري توسط ميكروسكوپ الكتروني روبش و شناسايي فازها با استفاده از پراش پرتو ايكس انجام شد در نهايت رفتار سايشي نمونه ها توسط آزمون سايش رفت و برگشتي متناسب با پروفيل حركتي رينگ پيستون در بوش مورد مطالعه قرار گرفت چنانكه از نتايج پژوهش بر مي آيد نيتراسيون پلاسمايي را مي توان به عنوان يكي از گزينه هاي مطرح براي مقاله سازي رينگ هاي پيستون به شمار آورد سايش كم اين نمونه و نيز جفت سايشي آن به دليل افزايش سختي سطح و مقاومت سايشي در نتيجه بمباران سطح توسط نيتروژن يونيزه شده و نفوذ آن، رسوب ذرات بسيار ريز نيتريد و ايجاد تنش هاي فشاري در لايه هاي سطحي است در حالي كه مطالعات گذشته نشان مي دهد مكانيزم سايش چسبان به عنوان يكي از مكانيزم هاي اصلي تخريب در رينگ هاي پيستون است، مقاومت به سايش چسبان به عنوان يكي از مزاياي استفاده از اين تكنيك در مقاوم سازي و بهبود رفتار تربيولوژيكي رينگ هاي پيسنون چدني به شمار مي آيد.

فرايند نيتروژن-كربن دهي در محيط پلاسماي الكتروليتي روي فولادهاي كربني CK35 و زنگ نزن 304 انجام شد و رفتار الكتروشيميايي و مقاومت خوردگي نمونه ها مورد مطالعه قرار گرفت. مطالعات الكتروشيميايي و خوردگي فولادهاي نيتروژن -كربن دهي شده، در محلول 3.5% كلرورسديم توسط اسپكتروسكوپي امپدانس الكتروشيميايي (EIS) و پلاريزاسيون پتانسيودايناميك (PDS) انجام شد.
اندازه گيري امپدانس امكان بررسي لحظه اي تغييرات سطحي نمونه هاي نيتروژن -كربن دهي شده را فراهم مي سازد. دستيابي به نقطه بهينه مقاومت در برابر خوردگي نمونه هاي نيتروژن -كربن دهي شده، از نظر فاكتورهاي مختلف موثر بر فرآيند سخت كاري مورد بررسي قرار گرفت همچنين در اين مطالعه مشخص شد كه مقاومت به خوردگي فولادهاي زنگ نزن، پس از نيتروژن -كربن دهي پلاسمايي الكتروليتي بستگي زيادي به ولتاژ اعمالي حين فرآيند و زمان عمليات دارد در ضمن ظاهرا تاثير اين عمليات بر مقاومت خوردگي فولادهاي زنگ نزن بيش از فولادهاي كربني ساده است كه دليل آن ايجاد فازهاي كروم دار در لايه تركيبي و افزايش پايداري لايه پسيو است.

در اين تحقيق سطح آلياژ آلومينيوم 356 با استفاده از پوشش الكترولس نيكل-فسفر به كمك يك ليزر پالسيNd:YAG تحت عمليات آلياژسازي سطحي ليزري قرار گرفت در بهترين شرايط عملياتي (ضخامت پوشش اوليه: 18 ميكرون، انرژي خروجي ليزر 400 ميلي ژول، سرعت حركت پرتو ليزر 37 ميليمتر بر دقيقه و دبي خروجي گاز محافظ 5 ليتر بر دقيقه)، يك پيوند م تالورژيكي مناسبي بين لايه آلياژي شده و زمينه آلومينيومي ايجاد شد ريزساختار، تركيب شيميايي و تعيين فازهاي موجود در لايه آلياژي شده با استفاده از ميكروسكوپ نوري، الكتروني روبشي و آناليز تفرق اشعه (XRD) X مورد بررسي قرار گرفت. همچنين رفتار خوردگي لايه آلياژي شده در محلول 3.5% كلريد سديم با استفاده از روش الكتروشيميايي مورد مطالعه قرار گرفت نتايج نشان داد كه پس از عمليات سطحي ليزري لايه آلياژي شده داراي يك ريزساختار دندريتي و حاوي تركيبات بين فلزي نيكل آلومينيومي است همچنين نتايج آزمون خوردگي نشان داد كه پتانسيل هاي خوردگي و حفره دار شدن لايه آلياژي شده از مقادير نجيب تري نسبت به آلياژ و پوشش خام قبل از عمليات ليزري برخوردار است همچنين سرعت خوردگي پس از عمليات ليزري نسبت به حالت قبل از آن از مقادير كمتري برخوردار است.

يكي از راه هاي متداول جهت كاهش تخريب پره هاي توربين گاز با توجه به شرايط تنش و دماي بالا، اعمال پوششهاي MCrAlX بر سطح آنها توسط روش LPPS مي باشد. با توجه به اين كه اعمال پوشش هاي روكشي از اين طريق مواجه با هزينه بالا در تجهيز و نگهداري دستگاه LPPS است، امروزه رويكرد تازه اي در جهت جايگزيني روش مناسب تر خصوصا به لحاظ اقتصادي مورد توجه قرار گرفته است يكي از اين روشهاHVOF مي باشد كه از نظر كيفيت و از نظر اقتصادي قابل رقابت با LPPS مي باشد. در شركت پروژه اي جهت بررسي كاربرد و اعمال پوشش توسط اين سيستم تعريف و انجام شد، در اين مقاله كيفيت پوششMCrAlX  شامل ميزان تخلخل، اكسيدها، چسبندگي فصل مشترك بين لايه پوشش و فلز پايه، صافي سطح حاصل از اين روش با روش LPPS جهت اعمال پوشش روي پره هاي متحرك و ثابت توربين MHI701D بررسي و مقايسه گرديده است.

با استفاده از تكنيك جريان ثابت، پوشش پليمري پلي پيرول روي زمينه فولاد كربني اعمال شد پوشش هاي حاصل بسيار چسبنده و يكنواخت بود براي بهبود مقاومت به خوردگي پوشش از بازدارنده هاي خوردگي به صورت آنيون هاي دوپ شده در ساختار آن، در زمان تشكيل پوشش استفاده شد عملكرد حفاظتي اين پوشش ها و نقش آنيون هاي دوپ شده در ساختار آن در محلول NaCl0.1 M با روش هاي پلاريزاسيون، پتانسيل مدار باز و امپدانس الكتروشيميايي مورد بررسي قرار گرفت نتايج حاصل بهبود مقاومت به خوردگي فولاد كربني با پوشش پلي پيرول را نشان مي دهد.

عمليات حرارتي ذوب مجدد جزيي در تبديل ساختارهاي غيرتعادلي به ساختار گلبولي با خواص تيكسوتروپيك كاربرد دارد سرعت هاي سرد كردن بالا و يا اعمال تنش در شبكه كريستالي از طريق كار مكانيكي سرد و گرم از جمله فرايندهايي هستند كه قابليت توليد ساختارهاي غيرتعادلي را دارند در اين تحقيق مذاب آلياژ آلومينيوم A356 در آب كونچ شد و سپس در مدت زمان ها و دماهاي مختلف تحت عمليات حرارتي ذوب مجدد جزيي قرار گرفته است نتايج نشان مي دهد جهت حصول ساختار گلبولي با كيفيت مطلوب در اين آلياژ نياز به يك حداقل زمان (8 دقيقه) و يك حداقل درجه حرارت (580 درجه سانتيگراد) مي باشد.

در اين كار به كمك شبيه سازي كامپيوتري، يكنواختي لايه هاي نازك انباشتي در خلا به روش تبخير حرارتي را روي بستره هاي شيش هاي بررسي مي كنيم. در اين فرآيند سيستمي در اختيار داريم كه در آن فرآيند تبخير از چشمه گسيلي با مساحت كوچك اتفاق مي افتد. از آن جايي كه ممكن است آهنگ گسيل بخار براي تمام نقاط چشمه يكسان نباشد و همچنين تابع توزيع به صورت توزيع فوق كسينوسي يا زير كسينوسي باشد، چشمه با مساحت كوچك را به چشمه هاي نقطه اي تقسيم كرده و تابع توزيع ضخامت لايه را به صورت مجموع توابع توزيع هر يك از اين چشمه ها كه از قانون توزيع كسينوسي پيروي مي كنند، در نظر مي گيريم. نهايتا انتگرال تابع توزيع كل براي تمام حالت ها را به كمك روش مونت كارلو حل كرده و يكنواختي ضخامت لايه يا لايه هاي تشكيل شده روي سطح بستره ها را به دست مي آوريم.