19401

۱۹۴۰۱

ارزيابي سينتيكي و خواص سطحي پوشش نيتريدي ايجاد شده به روش نيتروژندهي پلاسمايي با توري فعال روي آلومينيم

دكتري

مواد و متالورژي

۱۳۹۲

۱۳۹۷/۰۶/۱۸

دكتر منصور سلطانيه

مواد و متالورژي

در اين پژوهش، از روش نيتروژن¬دهي پلاسمايي با استفاده از توري فعال آهني براي ايجاد لايه نيتريدي تركيبي روي آلومينيم استفاده‌ شده است. سينتيك رشد لايه¬ تركيبي و ذرات نيتريدي ايجاد شده در سطح پوشش در حين فرآيند نيتروژن¬دهي پلاسمايي و هم¬چنين مكانيزم تشكيل پوشش مورد ارزيابي قرارگرفته است. بدين منظور 12 نمونه از جنس آلومينيم خالص كار شده 1050، در سه دماي 450، 500 و 550 درجه سانتي¬گراد و چهار زمان 2، 5، 10 و 15 ساعت در شرايطي ثابت با تركيب گازي N280%+ H220%، فشار 5 ميلي¬بار، چرخه¬كاري 80% و فركانس 10 كيلوهرتز تحت عمليات پوشش¬دهي با روش نيتروژن‌دهي پلاسمايي با توري فعال قرار گرفت. هم¬چنين نمونه‌ها با استفاده از روش نيتروژن¬دهي پلاسمايي معمولي در شرايط عملياتي بهينه نيز مورد عمليات قرار گرفت، تا مقايسه‌اي از نظر خواص سطحي با پوشش تركيبي جديد ايجاد شده انجام شود. براي بررسي مشخصات پوشش از جمله تركيب شيميايي پوشش، اندازه ذرات سطحي، ضخامت لايه تركيبي، توپوگرافي سطح و سختي سطح از دستگاه¬هاي آناليز اشعه ايكس (GIXRD)، آناليز طيف¬نگاري فوتوالكترون اشعه ايكس (XPS)، طيف‌سنجي رامان (Raman)، طيف‌سنجي (GD-OES)، ميكروسكوپ نيروي اتمي (AFM)، ميكروسكوپ الكتروني روبشي گسيل ميداني (FE-SEM)، نانوسختي سنجي¬ و اندازه‌گيري سختي خراشي استفاده شد. نتايج بررسي سينتيكي نشان داد كه احتمال نفوذ مرزدانه‌اي بيشتر از نفوذ حجمي است. هم¬چنين در بررسي سينتيك رشد لايه تركيبي، مقادير Q و K0 به ترتيب 37337 ژول بر مول و 8-10×646/3 متر بر ثانيه محاسبه شد. با توجه به نتايج به دست آمده از بررسي مكانيزم تشكيل پوشش، مكانيزم جديدي براي تشكيل لايه تركيبي نيتريدي پيشنهاد شد كه مطابق آن لايه تركيبي به دو بخش مجزاي ذرات نيتريد سطحي (ذرات نيتريد آهن) و بخش نفوذي (لايه تركيبي مخلوطي از فازهاي AlNو ε:Fe2-3N) تقسيم مي¬شود. در نهايت با بررسي خواص سطحي پوشش¬هاي ايجاد شده مشخص شد كه استحكام چسبندگي و خراشي پوشش تك لايه نيتريدي AlN ايجاد شده به روش نيتروژن¬دهي پلاسمايي معمولي (LC3=12N) بيشتر از استحكام چسبندگي و خراشي پوشش تركيبي ايجاد شده به روش نيتروژن¬دهي پلاسمايي با توري فعال (LC3=10N) است. شكست¬هاي ايجاد شده در اثر آزمون خراش روي پوشش نيتريدي از نوع ترك¬هاي Tensile-type hertzian وForward chevron هستند و با افزايش بار، شكست¬ها ايجاد شده به سمت شكست¬هاي Interfacial spallation and chipping پيش مي¬روند.

1397/07/03

Evaluation of the Kinetic and Surface Properties of Nitride Coatings Created Using Active Screen Plasma Nitriding on Aluminum

9/29/2019 12:00:00 AM

This study investigated the effect of nitriding time and temperature on the mechanical properties of the composite AlN/Fe2-3N coating deposited on the pure aluminium substrate using the novel Active Screen Plasma Nitriding (ASPN) method. ASPN treatment was performed for 2, 5, 10, 15 hours at temperatures of 450,500, and 550°C and Conventional Plasma Nitriding (CPN) treatment was carried out for 5 hours at 500°C. All treatments were performed at the 10KHz frequency with 80% duty cycle on the Al1050 substrate under 20%H2+80%N2 atmosphere. Phase and microstructure studies were performed using, respectively, the grazing incidence x-ray diffraction (GIXRD) system and the field emission - scanning electron microscopy (FE-SEM) system equipped with energy-dispersive spectroscopy (EDS) analyzer. The mechanical strength of the coating was evaluated by the roughness, nano-hardness, nano-scratch, and adhesion strength tests performed on coated and uncoated specimens. According to the results, the uncoated Al1050 specimen, the CPN-treated specimen, and the ASPN-treated specimen had a mean nano-hardness of 0.7±0.1GPa, 10.9±0.6GPa, and 9.6±0.5GPa, respectively. It was also found that the single-phase AlN coating has a better adhesion strength and scratch strength (LC3 = 12N) than the composite AlN/Fe2-3N coating (LC3 = 10N). Examination of scratch mechanisms in hard AlN and AlN+Fe2-3N coatings deposited on a soft aluminium substrate showed that the failures in these coatings are due to tensile-type Hertzian cracks. However, as the load increases, the substrate undergoes increasing deformation and failures shift to chipping and interfacial spallation.