بررسي رفتار زيست تخريبي و تر شوندگي پوششهاي سيليكاتي ايجاد
شده بر روي آلياژ منيزيم AZ31 به روش اكسيداسيون ريِز جرقه

امير صيفوري*١، شمس الدين ميردامادي2 ،عليرضا خاوندي3، مقداد يزداني 4
كارشناس ارشد مهندسي پزشكي، دانشگاه علم و صنعت، تهران، ايران
استاد، دانشگاه علم و صنعت، تهران، ايران
دانشيار، دانشگاه علم و صنعت، تهران، ايران
كارشناس مهندسي مواد، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد علوم و تحقيقات، تهران، ايران
* Seyfoori@metaleng.iust.ac.ir
(تاريخ دريافت: 13/06/91، تاريخ پذيرش: 21/10/91)

چكيده
در اين پژوهش با هدف بهينه سازي پارامترهاي فرايند پوشش دهي اكسيداسيون ريز جرقه بر روي آلياژ AZ31 و بررسي خواص آن، از تكنيك طراحي آزمايشات تاگوچي استفاده شده و در نهايت از طريـق محاسـبه آنـاليز واريـانس، دادههـاي آزمـايش نحـوه ي اثـربخشي 4 فاكتور دانسيته جريان، غلظت 3Na2SiO، غلظت NaF و زمان بر روي 2 پاسخ مقاومـت پلاريزاسـيون و ميـزان تـر شـوندگيسطح نمونهها مورد مطالعه قرار گرفت. نتايج محاسبات آمـاري حـاكي از ايـن بـود كـه جهـت دسـتيابي بـه بيشـترين ميـزان مقاومـتپلاريزاسيون وكمترين ميزان زاويه تماس قطره آب (تر شوندگي)، به ترتيب فاكتورهاي غلظت 3Na2SiO و زمان، بيشتربن ميـزان اثـربخشي را داشتهاند. نحوه اثر بخشي غلظت 3Na2SiO بر روي مقاومت پلاريزاسيون بر اساس تغيير ميزان فاز 4Mg2SiO داخـل پوشـشتوجيه شد و همچنين پارامتر زمان نيز از طريق تاثيرگذاري بر روي ميزان زبري نمونهها و نيز ميزان فاز فورستريت سطح منجر به تغيير آبدوستي پوششهاي سيليكاته شده است.

واژه هايكليدي:
اكسيداسيون ريز جرقه، مقاومت پلاريزاسيون، زاويه تماس، فورستريت

1- مقدمه
ك اربرده اي مختل ف مهندس ي م ورد اقب ال ق رار گرفت ه اس ت قطره آب با سـطح پوشـش بـ ه دسـت آورد . طراحـي آزمايشـات
منيــزيم و آلياژهــاي آن امــروزه كاربردهــاي بســيار وســيعي در زمينههاي مختلف مهندسي مانند حمل و نقل، هوافضا و بـ ه ويـژهمهندسي پزشكي يافته اند [1-3]. آلياژهاي منيزيم دركنار بسياري از مزاياي منحصر به فرد مانند استحكام ويژه مناسب، وزن كـم وخ واص مك انيكي مطل وب، از مقاوم ت ب ه خ وردگي پ ايين در بسياري از محيطهاي آبي با pH زير 11 رنج ميبرند [4-5]. بدين منظور اعمال روشهاي مختلف عمليات سـطحي جهـت افـزايشمقاومت به خوردگي منيزيم و آلياژهاي آن و نيـز بهبـود خـواصفيزيكي و شيميايي آنها جهـت كاربردهـاي مختلـف از اهميـتبسيار زيادي برخوردار است. تا كنون روشهاي مختلفـي جهـتانجام عمليات سطحي برروي آلياژهاي منيزيم پيشنهاد شدهاند كه از جمل ه آنه ا م يت وان ب ه اعم ال پوش ش ه اي پليم ري [6]، پوششهاي سـراميك ي [7] و كـامپوزيتي [8] اشـاره كـرد. جهـتاعمال پوششهاي سـراميكي نيـز تكنيـكهـاي مختلفـي پيشـنهادشــدهانــد كــه از جملــه آن هــا روشهــاي الكتروشــيميايي [9] وشيميايي[10] ميباشند. تكنيك اكسيداسـيون ريـز جرقـه در ايـنبين يـك روش الكتروشـيميايي مـيباشـد كـه بـه تـازگي جهـتب ه خ وردگي و ض خامت نمون هه اي پوش ش داده ش ده اس توار بودهاند [17]. در ايـن تحقيـق بـا چشـم انـداز كـاربرد ايـن گونـهپوششها در زمينه ايمپلنتهاي بافت استخواني، سعي شده كه بـاروش طراحـ ي آزمايشـ ات تـ اگوچي بتـ وان اثـ رات ترتيبـ يفاكتورهاي موجود در آزمايش را بر خوردگي و نيز زاويه تماس
[11-12]. توس ط اي ن تكني ك م يت وان يكس ري پوش شه اي چسبنده سراميكي را جهت افزايش مقاومت به خـوردگي منيـزيمو نيز تغيير بسـياري از خـواص سـطحي آن توليـد كـرد. يكـي ازمهمترين كاربردهـاي منيـزيم بـا ايـن گونـه پوشـشهـا در زمينـهساخت ايمپلنتهاي استخواني جهت تثبيت استخوانهاي شكسته م يباش د [13]. ب هط وري ك ه در تحقيق ات گذش ته جه ت اي ن كاربرد، هرسه پـارامتر خـوردگي [14]، زبـرِي سـطح [15] و نيـزآبدوستي سطح [16] به عنـوان عوامـل اساسـي در بحـث زيسـتسازگاري آنها ذكر شده است.

جدول (1): آرايه ارتوگونال 9L تاگوچي به همراه نتايج مربوط به هرآ زمايش
زاويه تماس قطره آب مقاومت پلاريزاسيون Rp)(KΩ.cm2)) زمان (دقيقه) غلظت NaF
(g/L) غلظت
(g/L)Na2SiO3 دانسيته جريان
(mA/cm2) شماره
آزمايش
64/68 1/0268 10 4 7 0/02 1
22/21 0/64194 20 5 10 0/02 2
20/6 4/9265 30 6 13 0/02 3
43/31 225/28 30 5 7 0/05 4
29/72 15/497 10 6 10 0/05 5
24/06 6/976 20 4 13 0/05 6
12/82 73/463 20 6 7 0/07 7
9/81 17/23 30 4 10 0/07 8
33/98 10/63 10 5 13 0/07 9

تــاكنون در زمينــه بهينــه ســازي پارامترهــاي مــوثر بــر فرآينــداكسيداس يون ري ز جرق ه آلياژه اي تيت انيوم و مني زيم تحقيق ات چندي صورت گرفته است كه اكثر آنها بر بهينه سازي مقاومت
ت اگوچي ي ك روش آم اري نس بتا ارزان قيم ت و س اده جه ت ك اهش تع داد آزمايش ات ب ه ط ور هدفمن د و ب ه دس ت آوردن آزمايشات بهينه براي نتايج درنظر گرفته شده ميباشـد . تـا كنـوندر فرآيند پوشش دهي اكسيداسيون ريز جرقه با جريـان مسـتقيمدانسيته جريان، غلظت الكتروليت و زمان از جمله عوامل موثر بـرمورفولوژي و تركيب شـيميايي پوشـش بـرآورد شـده انـد. بـدينمنظور در اين تحقيق، بـا انتخـاب چهـار فـاكتور دانسـيته جريـان،
غلظت 3Na2SiO و NaF و زمـان فرآينـد بـه عنـوان پـارامترهـايتاثيرگذار بر نتايج آزمـايش و انتخـاب 3 سـطح بـراي هـر كـدامسعي شده است كه بتوان آزمايشات و فاكتورهاي بهينه در جهت دستيابي به بالاترين ميـزان مقاومـت خـوردگي و كمتـرين زاويـهتماس را به دست آورد.
مواد و روش تحقيق
محدوده پتانسـيل 6/0 ولـت بـالاي پتانسـيل مـدارباز و 3/0 ولـت روبشي مدل Vega Tscan مورد مطالعه قرار گرفت.

جدول (2): غلظت يوني محلول شبيه ساز بدن (r-SBF)
SO4-2 Cl- HCO3- HPO4-2 Ca+2 Mg+2 K+ Na+ غلظت يوني (ميلي مولار)
0/5 125 27 1 2/5 1/5 5 142 r-SBF

772673-206043

در اي ن پ ژوهش، نمون ه ه اي مكع ب مس تطيل ش كل ب ه ابع اد(mm3×30×60) از ورق نــورد و آنيــل شــده آليــاژAZ31 بــاتركيـــــب(554/2% -Si %0/014 -Mn %0/366-Zn %1/119-Al 014/0% Cu و بقيه منيزيم )جهت انجام فرآيند پوششدهي مورد استفاده قرار گرفت. نمونههاي آزمايش همگي در ابتدا تا سمباده 1000 تحـت آم اده س ازي قـرار گرفت ه ان د و س پس در حم ام التراسونيك الكل و استون، چربي زدايي شدهاند. جهـت طراحـيآزمايش تاگوچي و با در نظر گـرفتن 4 فـاكتور دانسـيته جريـان، غلظت 3Na2SiO، غلظت NaF و زمان و 3 سطح براي هر فاكتور از آرايه اورتوگونال 9L استفاده شد بهطوري كـه در جـدول (1) نح وه ترتي ب انج ام آزمايش ات آورده ش ده اس ت. ب راي انج ام فرآيند پوشش دهي از يك منبـع تغذيـهDC بـا ولتـاژ 600 ولـت و20 آمپر استفاده شده است. همچنين دماي الكتروليت در تمامي 9 آزمايش در محدوده 23-50 درجه سانتيگراد ثابت نگه داشـتهشده و نيز بعد از اتمـام فرآينـد تمـام نمونـههـا توسـط آب مقطـرشسته شده و در دماي محيط خشك شدند. مقاومت به خوردگي نمونـ ههـ اي آزمـ ايش بـ ا اسـ تفاده از آ زمـ ون پلاريزاســيون پتانس يودايناميك و توس ط دس تگاه EG&G م دل 273 آمپ ر در پ ـايين پتانس يل م ـدارباز و ب ا ن ـرخ روشmV S 5/0 محاس به گرديد. همچنين جهت تعيـين بهتـر رفتـار خـوردگي نمونـههـايآزمايش و نيـز نقـش هـر يـك از بخـشهـاي پوشـش در ايجـادمقاومت به خوردگي، آزمون طيف سنج امپدانس الكتروشيميايي در محدودهي فركانس 100ميلـي هرتـز الـي 10 كيلـو هرتـز، درپتانسيل مدار باز نمونهها و با دامنهي تغييرات ولتاژ 10 ميلـيولـتانجام گرديد. سل مورد استفاده در تمـامي آزمايشـات خـوردگي شامل الكترود كالومل اشباع به عنوان مرجـع و پلاتـين بـه عنـوانالكترود كمكي بوده است به طـوري كـه بـراي تمـام آزمايشـاتخ وردگي 9گان ه در اي ن تحقي ق از محل ول r-SBF ب ا تركي ب موجود در جـدول (2) در دمـاي 37 درجـه سـانتيگـراد اسـتفادهگرديد [18]. جهت سنجش زبـري سـطحي نمونـههـا از دسـتگاهتست زبري تماسـي بـا دقـت 01/0 ميكرومتـر اسـتفاده گرديـد وزاويه تماس قطره آب با سطح نمونهها نيـز توسـط سيسـتم انـدازهگي ري زاوي ه تم اس م دل QCA-15Plus م ورد بررس ي ق رار گرفت. مطالعه تركيب شـيميايي سـطحي نمونـههـا بـا اسـتفاده ازدستگاه طيف سنج پراش پرتو ايكس و توسط اشـعهCu Kα و در محدوده زاويه 20 تا 90 درجه انجام گرديـد . در ادامـه هـمچنـينمورفولوژي سطحي پوششها نيز توسط ميكروسكوپ الكترونـي
نتايج و بحث
همانگونه كه در جدول شماره (2) مشاهده ميشود، چگـونگيچي دمان پارامتره اي آزم ايش ب راي ه ر ي ك از 9 آزم ـايش تاگوچي و نتايج مربـوط بـه هـر يـك از آنهـا نشـان داده شـدهاس ت. چگ ـونگي رون ـد پاس ـخ فاكتوره ـاي مختل ف ب ـر روي خوردگي و زاويه تماس سطحي از طريق محاسبه متوسط نتـايجمربوط به هر فاكتور براي يك سـطح مشـخص بـه دسـت آمـدهاست. همچنين در شكل (1) ميزان سهم مشـاركت واثـر بخشـيهر فاكتور از طريق محاسبه ماكزيمم اختلاف بين دو سـطح هـرفاكتور براي يك نتيجه مورد نظر نشان داده شده است.
3-1 بررسي رفتار خوردگي
همانگونه كه در شكل (1) مشاهده ميشود موثرترين فاكتور بر
روي مقاومت پلاريزاسيون (Rp)1 نمونـه هـاي آزمـايش، غلظـت3Na2SiO ميباشـد بـه طـوري كـه سـهم مشـاركت فاكتورهـايديگر به ترتيب براي دانسيته جريان، زمان و غلظت NaF كاهشمييابد. در بين آزمايشات انجام شده نمونه 4 كه داراي بيشترين ميزان مقاومـت پلاريزاسـيون مـيباشـد ، حـاوي كمتـرين ميـزانغلظت 3Na2SiO بوده به طوري كه با توجه به نتـايج آمـاري بـهدست آمده، با افزايش ميـزان غلظـت 3Na2SiO، ميـزان متوسـطRp، كاهش خواهد يافت. مطابق شـكل (2)، اثـرات فاكتورهـاي دانس يته جري ان و غلظ ت NaF ب ر روي مقاوم ت پلاريزاس يون تقريباً يكسان بوده بهطوري كه با افزايش سطح اين فاكتورهـا از1 به 2 ابتدا مقاومت افزايش يافته و سپس با افـزايش سـطح از 2 به 3، ميزان آن كاهش خواهد يافت. اثر فاكتور زمان نيز بر روي مي زان مقاوم ت پلاريزاس يون ب ا اف زايش س طح آزمايش ات ب ه صورت صعودي ميباشد.

Na2SiO3
Current
Time
NaF
پلاريزاسيون

مقاومت
شوندگي

تر
27.13
21.181
39.098
12.589
38.393
22.984
20.528
18.093
0
10
20
30
40

مشــاركت

ســهم

تاگوچي

آزمايش

هاي

متغير

Na2SiO3

Current

Time

NaF

پلاريزاسيون

مقاومت

شوندگي

تر

27.13

21.181

39.098



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید