بررسی ایجاد پوشش کامپوزیتی NiAlCr اعمال شده به روش HVOF بر
روی زیر لایه فولاد 37St

مهران روستایی1، کامران امینی* 2 و3، احسان صائب نوری4
کارشناس ارشد، مرکز تحقيقات مواد پيشرفته ،دانشكده مهندسي مواد، واحد نجف آباد، دانشگاه آزاد اسلامي، نجف آباد ،ايران
دانشيار، مرکز تحقيقات مواد پيشرفته، دانشكده مهندسي مواد، واحد نجف آباد، دانشگاه آزاد اسلامي، نجف آباد، ايران
3-دانشيار، دانشكده مكانيک، واحد تيران ،دانشگاه آزاداسلامي، تيران، ايران
4- استاديار، مرکز تحقيقات مواد پيشرفته، دانشكده مهندسي مواد، واحد نجف آباد، دانشگاه آزاد اسلامي، نجف آباد، ايران
*kamran_amini1978@hotmail.com
)تاريخ دريافت: 11/04/1395، تاريخ پذيرش: 23/06/1395(

چکیده
ترکيبات بين فلزي نيكل- آلومينيم- کروم (Ni-Al-Cr) بدليل خواص منحصر بفرد مانند افزايش مقاومت سايشي، خوردگي و اکسيداسيون بالا در سالهاي اخيرمورد توجه مهندسين مواد و طراحان صنعتي به عنوان پوشش قطعات قرارگرفتهاند. در اين تحقيق به بررسي مورفولوژي و همچنين رفتار سايشي پوششهاي کامپوزيتي NiAlCr اعمال شده بر روي زيرلايه فولادي به روش پاشش حرارتي سوخت اکسيژن سرعت بالا )HVOF( پرداخته شده است. بدين منظور از پودرهاي آلومينيوم، کروم و نيكل با نسبت استكيومتري 25Al50Cr25Ni استفاده شده و پس از فرايند آلياژ سازي مكانيكي به مدت 50 ساعت، پودر حاصله با استفاده از فرايند HVOF بر روي زير لايه فولادي اعمال شد. جهت بررسي فازهاي ايجاد شده از آزمايش پراش پرتوايكس )XRD( و ميكروسكوپ الكتروني روبشي )SEM( استفاده شده است. نتايج نشان مي دهد که پس از انجام 50 ساعت فرايند آلياژ سازي مكانيكي، ترکيب بين فلزي (NiAl)Cr بصورت کامل با اندازه دانه هاي کريستالي 10 نانومتر تشكيل مي گردد که پس از انجام فرايند HVOF اندازه دانه هاي کريستالي پوشش توليدي به کمتر از30 نانومتر مي رسد .همچنين نتايج نشان مي دهد با اعمال پوشش کامپوزيتي، سختي و سايش به ترتيب در حدود 3 برابر و 4برابر مقدار اوليه خود رسيده اند .همچنين مكانيزم سايش از نوع سايش چسبان، خراشان و کندگي با ضريب اصطكاکي در حدود
2/0 مي باشد.

کلمات کلیدی:
HVOF، ترکيب بين فلزي (NiAl)Cr، سايش.

1- مقدمه
ترکيبات بين فلزي بدليل دارا بودن خصوصيياتي ماننيد مقاوميتسايشي و مقاومت اکسيداسيون بالا، اسيتحكام مناسيب در دمياي بالا و دانسيته معمولاً پايين براي کاربرد در دماي بالا در سالهاي اخير بسيار مورد توجه مهندسين مواد قرار گرفته اند. برخي از اين مواد مانند برنج زرد از زمان باستان شناخته شده و براي مصيار تزييني و يا به صورت سكه بكار ميرفته است. به علاوه آمالگام ه اي دن داني ک ه در چن د ق رن پ يش در دندانپزش كي اس تفاده
ميشدند ترکيبات بين فلزي مانند Sn8Hg و يا 3CuHg بودند] 1[. ترکيبات بين فلزي منظم معمولاً نسبتهاي استوکيومتري سادهاي دارند و در محيدوده نسيبتاً بياريكي از ترکييب شييميايي تشيكيلميشوند هرچنيد کيه درجيه نظيم شيبكه بيا افيزايش انحيرا ازترکيب استوکيومتري کاهش مييابد ]2[. تياکنون ترکيبيات بيينفل زي متع ددي ب ا دم اي شوا ب الا ش ناخته ش ده اس ت، ام ا در سالهاي اخير آلومينايدها به عنوان مواد ساختماني، ميورد توجيهبيشتري قرار گرفتهاند. آلومينايدها بطور کلي دانسيته نسبتاً پايين و نسبت استحكام به وزن بالايي دارند. به علاوه اين ترکيبات بدليل دارا بودن آلومينيوم و تشكيل پوسته اکسييدي محيافد در دميايبالا اغلب مقاومت اکسيداسيون مناسبي از خيود نشيان مييدهنيد]3[. با اين وجود اين ترکيبات عموماً در دماي محيي چقرمگييپاييني دارند و اين مشكل باعث محدوديت اسيتفاده از ايين ميواددر س اخت قطع ات ص نعتي گردي ده اس ت. در س اله اي اخي ر تحقيقات وسيعي براي غلبه بر مشكل تردي ترکيبيات بيين فليزيانج ام ش ده اس ت. کنت رل ريزس اختار، ک اهش ان دازه دان هه ا، تصحيح ترکيب شييميايي و همچنيين تيييير و کنتيرل فراينيدهايتوليد، از جمله راه حلهاي ارائه شده ميباشند] 1-2 و 4[. تولييدترکيبات بين فلزي مختليف از عناصير اولييه آنهيا بيا اسيتفاده از روش آلياژسازي مكانيكي، در سالهاي اخيير ميورد توجيه قيرارگرفته است. پنج ترکيب بين فلزي مشاهده شده در دياگرام فازي
Ni-Al شياملNi2Al3 ، NiAL3، Ni3Al ،NiAl و 3Ni5Al مييباشند که در بين اين ترکيبات دو ترکيب NiAl و Ni3Al به دليل خييواص ويييژه اي همچييون مقاومييت سايشييي بييالا، مقاومييتاکسيداس يون ب الا، اس تحكام، نقط ه شوا، س ختي و مقام ت ب ه خوردگي بالا کياربرد وسييعي در صينايخ مختليف دارنيد. هميينترکيبات ويژه آلومينايي باعث گرديده که در سال هاي اخيير بيهعنوان مواد ساختماني ميورد توجيه بيشيتري قيرار گيرنيد. بيا ايينوجود اين ترکيبات عموما در دماي محي چقرمگي پاييني داشته و اين مشكل باعث محي دوديت اسيتفاده از ايين ميواد در سياختقطعات صنعتي گرديده است. در سال هاي اخير تحقيقات وسيعي براي غلبه بر مشكل تردي دو ترکيب NiAl و Ni3Al انجام شيدهاست. کنترل ريز ساختار، کاهش اندازه دانه ها و تصحيح ترکيب شيميايي از جمله راه حل هاي ارائه شده مي باشند. يكي از روش ه اي تولي د م واد ن انو کريس تال اس تفاده از روش آلي اژ س ازيمكانيكي) MA( بوده کيه بيراي تولييد ترکيبيات بيين فليزي نييزاستفاده مي گردد. آلياژسازي مكانيكي روش جديدي اسيت کيهدر آن از آسياا کردن مخلوط پودر عناصر سازنده بيراي تولييدآلي اژ ب ا س اختار مطل وا اس تفاده م يش ود .فراين د آلياژس ازي مكانيكي معمولاً در آسيااهاي گلولهاي پرانرژي و تحيت ييکگاز خنثيي انجيام مييشيود ] 5[. از پيودر حاصيل از آليياژ سيازيمكانيكي مي توان در روشهايي مانند پاشش حرارتي براي تولييدپوشش اسيتفاده نميود. فراينيدهاي پاشيش حرارتيي، فراينيدهاييهستند که در آنها قطرات ريز ميذاا ييا نيميه- ميذاا بيه رويسطح پاشيده شده و تشكيل يک پوشش را ميدهنيد. مياده اولييهميتواند به شكل سيم يا پودر و جينس آن مييتوانيد سيراميكي،فلزي، آلياژي، پليمري و يا کيامپوزيتي باشيد. از بيين فراينيدهايپاشش حرارتي، فرايند پاشش حرارتي سوخت اکسيژن با سرعت بالا1 )HVOF(، فرايندي اسيت کيه در آن از ترکييب اکسييژن ويک سوخت ) مايخ ييا گياز( بيه هميراه ييک گياز حاميل) ماننيدنيتروژن يا هيدروژن( استفاده ميشود. ايين مخليوط توسي ييکجرقه منفجر شده و گاز حامل، پودر تيذيه شده به داخل محفظيهرا با سرعتي بيش از سرعت صوت به سطح قطعه پرتاا مي کنيد ]6-8[.
بر روي توليد آليياژ هيايNi-Al بيه وسييله فراينيد آليياژ سيازيمكانيكي پودر عناصر نيكل و آلومينيوم تحقيقات مختلفي انجيامشده است و اثر عوامل مختلف بر نوع و ساختار محصول نهايي و سرعت تشكيل آلومينايدهاي نيكل مورد مطالعيه قيرار گرفتيهانيد]9-10[. آزمايشها نشان داده است ترکيب بيين فليزيNi3Al را ميتوان با تنظيم نسبتهاي مناسب پودرهياي نيكيل و آلومينييومبوسيله آلياژسازي مكانيكي توليد نمود. به عنوان مثيال مشيرقي و همكاران ]11[ مخلوط پودرهايAl و Ni با ترکييب 25Ni75Al رابا استفاده ازآسياا گلولهاي سيارهاي با سرعت چرخش محفظيهrpm300 مييورد آلياژسييازي مكييانيكي قييرار دارنييد. براسيياسمشاهدات موردي با افزايش زمان آسياا کردن پيکهاي نيكيلبه سمت زواياي کمتر جا به جا شدهانيد، درحاليكيه در موقعييتپيکهاي آلومينيوم تيييري ديده نميشود .اين مطلب بدليل نفوش تدريجي آلومينيوم در نيكل توجيه شده است، در حاليكيه نيكيلنفوش قابل ملاحظهاي درآلومينييوم نيدارد و در نتيجيه پييکهيايمربوط به آلومينيوم بدون تييير باقي مانيده اسيت. در زميانهيايطولانيتر از 20 سياعت موقعييت پييکهياي موجيود در الگيويپراش پرتو ايكس ثابت باقي ميماند و اثري از آلومينيوم مشاهده نش ده اس ت. بن ابراين س اختار تش كيل ش ده پ س از 20 س اعت آلياژسييازي مكييانيكي را ترکيييب بييين فلييزيNi3Al نييامنظم2 تشخيص داد. اين محققين بر اساس اين نتايج پيشنهاد کردند کيهترکيب بين فلزي Ni3Al بتدريج در اثر نفوش آلومينييوم در نيكيلدر حين آلياژسازي مكانيكي تشكيل ميشود] 12-15[.
همچنين تا بحال تحقيقات زيادي بر روي پودر ترکيبات -Al-NiX انجام نگرفته است. اما لي و همكارانش ]8[ در تحقيقي که بيرروي آلياژ سازي Al-Ni-Ti انجام شد، نشان دادند که وجود -AlNi باعث بوجود امدن فاز آمور شده و نانو کريسيتال هياي از
جنس Ni(Al, Ti), Ni2AlTi و Ni3(Al, Ti) تشكيل ميي دهيد.همچنين آنها نشان داند کيه انعطيا پيذيري پيايين ايين ترکييببدليل وجود فاز 2B و گير افتادن پنج سيسيتم ليزشيي در آن مييباشد که بوسيله اضافه کردن ماده سوم بيه ترکيبياتAl-Ni مييتوان اين مشكل را بهبود بخشيد. در تحقييق ديگيري کيه توسي ش يراني و همك ارانش انج ام ش د]17[ ب ه بررس ي ويژگ ي ه اي ترموديناميكي سيستم سه فيازيNi-Cr-Al پرداختيه شيده اسيت.
آنه ا ب ه بررس ي دو ترکي ب 25Al50Cr25Ni و 50Al25Cr25Ni در زمانهاي مختلف آسياا کاري و تحت عمليات حرارتي پرداخته و دريافتند که پس از گذشت 100 ساعت آسياا کياري در هيردو ترکييب ، ترکي ب بيين فل زي تشيكيل ش ده اسيت و ب ا انج ام عملي ات حرارت ي تش كيل اي ن ترکي ب ب ين فل زي در زمانه ايکمتري اتفاق مي افتد. همچنين آنها نشان دادند که ترکييب بيينفلزي (Ni-Cr)3Al پس از انجيام عملييات حرارتيي در 80 درجيهسانتي گراد تشكيل مي گردد.
در تحقيق ديگري که توس ماهيش و همكاران ]18[ انجام شد. به بررسي تاثير فرايند HVOF در توليد پوشش NiCrAl بر روي سوپر آلياژ پرداخته شد. آنها از پودر آلياژي -NiCrAl(MEC(1047 با ترکيب شيميايي –Ni–17.92Cr–6.66Al–0.29FeMn–0.054C–0.90Si (wt.%)0.66 جهت فرايند پاشش حرارتي استفاده کردند. پوشش بدست آمده با درصد تخلخل کمتر از 7/1% بدست آمده و زبري سطح پوشش در حدود 10-12 ميكرو متر گزارش شده است. همچنين اين محققان نشان دادند که استحكام چسبندگي پوشش با زير لايه در حدود 57MPa بوده که چسبندگي بسيار مناسبي با زير لايه ايجاد کرده است. همچنين مشاهده شد که بر روي سطح پوشش اسپليت هاي از جنس کروم وجود داشته که لايه اکسيد آلومينيوم در اطرا آن وجود دارد. در تحقيق ديگري که توس ماهيش و همكاران ]19[ انجام گرفت، به بررسي مقاومت به خوردگي داغ پوشش NiCrAl در محي نمكي (5Na2SO4–60% V2O) در دماي 900 درجه سانتي گراد پرداخته شد. مقاومت به خوردگي فلز پايه با پوشش اعمالي تفاوت چنداني نداشته و بيشترين محصولات خوردگي عمدتا از جنس 3Cr2O و 3Al2O بوده است. ميزان کاهش وزن ناشي از خوردگي در نمونه داراي پوشش و سوپرآلياژ بسيار نزديک به هم بوده و تفاوت چنداني ندارند.
هد از اين تحقيق توليد آلياژ NiCrAl به وسيله پودر اين عناصر به وسيله فرآيند آلياژ سازي مكانيكي با بهترين نسبت استوکيومتري و اعمال آن بر روي يک زير لايه فولادي جهت ايجاد يک پوشش کامپوزيتي و در نهايت بررسي خواص سايشي و مورفولوژي پوشش حاصل شده مي باشد.

مواد و روش انجام تحقیق
2-1- تولید آلیاژ NiCrAl به روش آلیاژ سازی مکانیکی جهت توليد آليياژNiCrAl از پيودر آلومينييوم بيا خليوص 7/99 درصد از شرکت متالورژي پودر خراسان و انيدازه شرات حيدود10-70 ميكرومتر و پودر نيكل و کروم خالص )9/99 درصيد( از شرکت مرک با اندازه شرات حدود 100 ميكرومتر استفاده شيده است. تصويري از مرفولوژي اين پودرهيا در شيكل 1 نشيان داده شده است.
جدول )1(: شراي مورد استفاده در حين آسياا کاري
اتمسفر نسبت وزني گلوله به پودر عامل کنترل کننده فرايند سرعت چرخش آسياا )rpm(
آرگون 10 به 1 3/0 درصد وزني 350

568401-3432400

آلومينيوم

پودر

نيكل

پودر

آلومينيوم

پودر

نيكل

پودر

پودر کروم
شكل)1(: تصوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي از مرفولوژي شرات پودر هاي مصرفي

به منظور توليد آلياژ NiCrAl از يک دسيتگاه آسيياا گلوليهاي سيارهاي )مدل 100Retsch PM( استفاده شد .محفظه آسيياا از
جنس فولاد پرکرم سخت شده و جنس گلوليه هياي آسيياا نييزفولاد پرکربن مي باشد. فراينيد آلياژسيازي مكيانيكي در اتمسيفرگ از خنث ي )آرگ ون( و در دم اي مح ي انج ام ش د. در هم ه آزمايشيات س رعت چ رخش دس تگاه آس ياا rpm 350، تع داد گلولهها 16 عدد و نسبت وزني گلوليه بيه پيودر 10 بيه 1 انتخيااشدند. شيراي آلياژسيازي مكيانيكي در جيدول1 ارائيه گردييدهاست.

آزمايشهاي پراش پرتوايكس با دستگاه پرتو ايكس Philipsمدل XPERT به منظور تعيين فازهاي بوجود آمده و همچنين اندازه گيري اندازه دانه هاي پودر توليدي انجام گرديد. به منظور بررسي مرفولوژي شرات پودرهاي مواد اوليه و محصول توليدي پس از زمانهاي مختلف آلياژسازي مكانيكي از دستگاه ميكروسكوپ الكتروني روبشي )مدل 30Philips XL( استفاده گرديد.

جدول )2(: پارامترهاي پوششدهي مورد استفاده در اين پروژه.
820 سرعت جريان گاز اکسيژن )ليتر بر دقيقه(
220 سرعت جريان سوخت )ATK( )ميليليتر بر دقيقه(
0/27 نسبت سوخت به اکسيژن
360 فاصله پاشش )ميليمتر(
80 سرعت تيذيه پودر )گرم بر دقيقه(
3 تعداد پاس پاشش
2-2- اعمال پوشش با پاشش حرارتی HVOF
در اين مطالعه از فولاد ساده کربني 37-St با ترکيب –C0.17Si–0.35Mn–BaseFe0.28 به عنوان زير لايه براي اعمال پوشش استفاده شده است. براي عمليات پاشش نمونه هاي مستطيلي شكل با ابعاد 3×10×5/0 سانتي متر انتخاا شد. پيش از انجام عمليات پاشش حرارتي لازم است، يک مرحله شن پاشي بر روي سطح انجام شود. پس از انجام آزمونهاي اوليه پاشش و ارزيابي اوليه پوششهاي حاصل و همچنين استفاده از منابخ اطلاعاتي موجود، شراي پوشش دهي مناسب تعيين شد. شراي پوشش دهي مورد استفاده در اين تحقيق در جدول2 ارائه شده است

مورفولوژي شرات پودر و پوششهاي توليدي و همچنين بررسي هاي مربوط بيه سيطوس سيايش توسي ميكروسيكوپ الكترونييروبشي مورد بررسي قرار گرفت. آزمون سيختي سينجي )ميكيروهاردنس( با بار 50 گيرم انجيام شيد و هير سيختي حيداقل 3 بيارتكرار شده و مييا نگين آنهيا گيزارش شيده اسيت. آزميايش هيايسايش با استفاده از يک دستگاه سيايش رفيت و برگشيتي انجيامگرفت. در اين آزمون از يک پين فولاد بلبرينگ52100 AISI به عنوان پين استفاده شد. طول مسير رفت و برگشت پيين 80 ميليي متر و سرعت خطي معادل 08/0 متر بر ثانيه تعيين شد. بر روي هر نمونه سه آزميايش سيايش تحيت بارهياي 50، 80 و 110 تييوتنانجام گرفت.

3- نتایج و بحث
همانگونه که شکر گرديد ابتدا براي تهيه پودر کامپوزيتي از روش آلياژ سازي مكانيكي استفاده گرديد. ابتدا به نسبت استكيومتري 25Al50Cr25Ni از پودر آلومينيوم، نيكل و کروم وارد محفظه آسياا گرديد و فرايند آلياژ سازي مكانيكي در زمانهاي مختلف 10، 30 و 50 ساعت بر روي نمونه ها انجام گرديد. در حين آلياژسازي مكانيكي شرات پودر آلومينيوم ،نيكل و کروم که هر سه فلزات نرمي هستند طي برخورد مكرر گلولهها به شكل ورقه اي )لايهاي( در ميآيند .با ادامه فرايند و تكرار برخورد گلولهها، اتصال بين لايههاي نيكل، آلومينيوم و کروم برقرار شده و در ادامه ضخامت اين لايهها کم و کمتر ميشوند .اين مسأله باعث ميشود مساحت سطح تماس شرات با يكديگر افزايش يابد. شكل2 الگوهاي پراش پرتوايكس نمونه پودرهاي اوليه و پودر توليدي پس از گذشت زمان هاي مختلف
10، 30 و 50 ساعت را نشان مي دهد.
همانگونه که مشاهده مي شود پس از گذشت 50 ساعت پيک هاي مربوط به پودر عناصر حذ و پيک مربوط به ترکيب بين فلزي (Ni,Cr)Al در ساختار مشاهده ميگردد. واکنش آلومينيوم، نيكل و کروم به منظور تشكيل ترکيب Ni-Al-Cr مطابق با واکنش زير انجام مي گيرد .
Al + Ni + Cr  NiAl + Cr  (Ni,Cr)Al

پس از گذشت 0، 10، 30 و 50 ساعت آلياژ سازي مكانيكي
شكل)2(: الگوهاي پراش پرتو ايكس مخلوط پودري آلومينيوم، کروم و نيكل با نسبت 25Al50Cr25Ni

Al + Ni + Cr  NiAl + Cr2Al  (Ni,Cr)Al

در اولين ساعات عمليات آلياژسازي مكانيكي ساختار لايهاي از آلومينيوم و نيكل ايجاد ميشود. تشكيل ساختار لايهاي باعث ميشود مساحت فصل مشترک بين آلومينيوم و نيكل افزايش يابد. با ادامه فرآيند آلياژسازي مكانيكي و بدليل جوش سرد و شكستن مكرر شرات پودر ساختار لايهاي ظريف تر شده و مساحت فصل مشترک آلومينيوم و نيكل بيشتر مي شود.

اين عامل بعلاوه افزايش چگالي نواقص کريستالي و افزايش مساحت مرزدانهها باعث افزايش انرژي سيستم مي شود. به دليل ايجاد چگالي بالايي از مسيرهاي نفوش سريخ مانند مرزدانهها و نابجاييها در شرات آلومينيوم و نيكل در حين آلياژسازي مكانيكي و کوتاه بودن طول مسيرهاي نفوش در لايههاي بسيار نازک آلومينيوم و نيكل و افزايش موضعي دما در شرات پودر ،انتقال جرم به صورت ديفوزيون و در نتيجه واکنش بين آلومينيوم و نيكل انجام ميشود. با افزايش زمان آلياژ سازي مكانيكي تا 50 ساعت مشاهده مي گردد که پيک ها به دليل نفوش Cr به داخل زمينه NiAl و تشكيل ترکيب بين فلزي (Ni,Cr)Al جابجا مي گردد.
همانگونه که در شكل 2 ديده مي شود پهناي پيکهاي پراش پرتو ايكس پس از انجام عمليات آلياژسازي مكانيكي افزايش عمدهاي از خود نشان ميدهد. پهناي پيکهاي پراش پرتو ايكس پس از گذشت 30 و 50 ساعت از عمليات آلياژسازي مكانيكي تيييرعمدهاي از خود نشان ميدهد. اين افزايش پهنا به دليل ريز شدن اندازه دانهها و افزايش کرنشهاي الاستيکداخلي ميباشد ولي به مرور زمان، نرخ افزايش پهناي پيکها کاهش يافته و بتدريج به يک حد مشخص وثابتي ميرسند.

333451-3588720

)
الف
(

)
ا
(



قیمت: تومان


پاسخ دهید