19766

۱۹۷۶۶

مطالعه تجربي و شبيه‌سازي ميدان فازي سينتيك تشكيل تركيبات بين‌فلزي Ni-Ti در پوشش ايجاد شده به روش پاشش سرد

دكتري تخصصي

مهندسي مواد و متالورژي

۱۳۹۷

۱۳۹۷/۰۸/۱۳

دكتر سيدحسين سيدين - دكتر شهرام خيرانديش

دكتر حميد اسدي - دكتر برتراند ژادوئن

مواد و متالورژي

پوشش‌هاي NiTi با هدف بهبود خواص مقاومت به سايش تيتانيم، آلياژهاي تيتانيم و فولاد زنگ‌نزن مورد استفاده قرار مي‌گيرد. در اين پژوهش سينتيك رشد تركيبات بين‌فلزي در پوشش‌هاي Ni-Ti ايجاد شده به روش پاشش سرد و شبيه‌سازي ميدان فازي رشد تركيبات بين‌فلزي مورد توجه قرار گرفته است. براي بررسي سينتيك رشد تركيبات بين‌فلزي، تك ذرات و پوشش‌هاي نيكل بر تيتانيم (Ni/Ti)، تيتانيم بر نيكل (Ti/Ni) و پوشش‌‌هاي كامپوزيتي Ni-Ti پاشش شدند و مكانيزم پيوند ذرات/زيرلايه در روش پاشش سرد با مدل‌سازي المان محدود و رشد تركيبات بين‌فلزي مطالعه شد. سينتيك رشد تركيبات بين‌فلزي و اثر متقابل استحكام پيوند بر رشد تركيبات بين فلزي در زوج هاي نفوذي Ni/Ti و Ti/Ni مورد بررسي قرار گرفت. در ادامه سينتيك رشد تركيبات بين‌فلزي با هدف رسيدن به پوشش تركيبات بين‌فلزي متراكم در نمونه‌هاي كامپوزيتي با كنترل شرايط عمليات حرارتي انجام شد. شبيه‌سازي ميدان فازي در رويكردي جديد، براي مدل‌سازي نفوذ درهم و تشكيل تركيبات بين‌فلزي (در حالت جامد و در حضور فاز مذاب) در زوج‌هاي نفوذي و نمونه‌هاي كامپوزيتي Ni-Ti پلي‌كريستال استفاده شد. مطالعه تجربي رشد تركيبات بين‌فلزي فصل مشترك تك ذرات/زيرلايه و مدل‌سازي تغيير شكل المان محدود تك ذرات پاشش شده نشان داد كه تركيبات بين‌فلزي عمدتاً در نواحي محيطي فصل مشترك ذرات/زيرلايه تشكيل مي‌شود كه اين نواحي بالاترين كرنش پلاستيك معادل را دارند و وجود پيوند فلزي در اين نواحي محتمل‌تر‌است. مطالعه‌ي رشد تركيبات بين‌فلزي بعد از عمليات حرارتي پوشش‌هاي نيكل بر تيتانيم و تيتانيم بر نيكل نشان داد كه سه لايه تركيب بين فلزي Ni3Ti، NiTi و Ti2Ni به ترتيب از سمت نيكل به تيتانيم زوج‌هاي نفوذي تشكيل مي‌شود و زوج Ni/Ti نسبت به زوج Ti/Ni تركيبات بين‌فلزي پيوسته‌تر و يكنواخت‌تري دارد. در شرايط مشابه پاشش سرد، استحكام چسبندگي پوشش Ni/Ti حدودا سه برابر استحكام پيوند پوشش Ti/Ni است (به ترتيب MPa 31/64 و MPa 82/22) كه اين موضوع به شكل‌پذيري و چگالي بالاتر ذرات نيكل در زوج Ni/Ti نسبت به ذرات تيتانيم در زوج Ti/Ni مرتبط است. همچنين مشاهده شد كه تركيب بين‌فلزي Ni3Ti در پوشش Ni/Ti لاية ضخيم‌تر و يكنواخت‌تر نسبت به پوشش Ti/Ni دارد‌. مطالعه سينتيك رشد تركيبات بين‌فلزي نشان داد كه رشد تركيبات بين‌فلزي با سرعت نفوذ اجزاء از فصل مشترك كنترل مي‌شود و فاز NiTi بالاترين سرعت رشد را در بين تركيبات بين‌فلزي داراست. محاسبه ثابت زماني رشد تركيبات بين‌فلزي نشان داد كه در فرآيند رشد تركيبات بين‌فلزي، نفوذ مرزدانه‌اي بر نفوذ حجمي غلبه دارد. بررسي سينتيك تشكيل فاز در نمونه‌هاي كامپوزيتي در كنار آناليز DSC نشان داد كه فاز Ni3Ti و Ti2Ni در مراحل ابتدايي تشكيل مي‌شوند و سپس فازNiTi در فصل مشترك اين تركيبات تشكيل و به سمت فاز Ti2Ni رشد مي‌كند. نتايج مطالعات ريزساختار نشان داد كه تركيب غير تعادلي Ni3Ti2 در زمان‌هاي طولاني آنيل و در طي زمان سرمايش، در مناطق غني از نيكل فاز NiTi به وجود مي‌آيند و شرايط را براي تشكيل فاز Ni3Ti فراهم مي‌كند. نتايج مطالعات ريزساختار نشان داد كه حفراتي طي فرآيند عمليات حرارتي در نمونه‌هاي كامپوزيتي متراكم ايجاد مي‌شوند كه با شناخت منشاء تشكيل حفرات و كنترل آنها پوشش متراكم از تركيبات بين فلزي حاصل مي‌شود. با استفاده از شبيه‌سازي ميدان فازي اثر سرعت گرمايش، اثر نفوذ مرز‌دانه‌اي و اثر تشكيل فاز مذاب بر رشد تركيبات بين‌فلزي مدل‌سازي شد كه گام موثري در شناخت مكانيزم انجام واكنش‌ها مخصوصا در سرعت‌هاي گرمايش بالا مي‌باشد. واژه‌هاي كليدي: پاشش سرد، Ni-Ti، پاشش تك ذرات، پاشش زوج نفوذي، زوج Ni/Ti، زوج Ti/Ni، پيوند، استحكام چسبندگي، عمليات حرارتي، تركيبات بين‌فلزي، سينتيك، شبيه‌سازي ميدان فازي، مدل پلي‌كريستال

1397/09/20

An experimental study and phase field simulation of intermetallics formation in cold sprayed Ni-Ti coatings

12/10/2018 12:00:00 AM

Owing to various special properties such as super-elasticity, good wear resistance, and corrosion resistance, NiTi alloy has been used as a coating material for protection of Ti, Ti alloys and stainless steel. In this research, intermetallics phase formation kinetics of cold sprayed (CS) single particles and coatings of Ni onto Ti and Ti on Ni substrates and Ni-Ti composite coatings after post spray heat-treatment (PSHT) were investigated. Phase formation kinetics were simulated using a thermodynamic phase field model. Intermetallics growth of cold sprayed single particles in combination with finite element simulations of particle deformation were employed to investigate bonding mechanism in cold spraying. Characterisation of the samples after a brief heat treatment at 700°C indicated that intermetallic formation, and hence metallurgical bonding of the pairs is more likely to occur at the particle peripheries where the interface areas are highly strained, and rarely achieved at the particle base. Results also reveal that bonding extends from peripheries toward the central part of the interfaces with increasing the impact velocity. CS of dissimilar build-up coatings has been addressed to understand the role of the deposition sequence on the characteristics of the coating/substrate interface. Nickel and titanium coatings were sprayed onto the substrates of the opposite material. Interface morphologies of as-sprayed and heat treated dissimilar pairs showed that the bonding characteristics of the Ni/Ti pairs are significantly different from those of the Ti/Ni pairs. Mechanical interlocking and intermixing instabilities were observed only at the interfaces of the Ni/Ti pairs, which also showed a more uniform and higher fraction of intermetallics compared to the Ti/Ni pairs in similar spraying conditions. This was attributed to higher degrees of particle/substrate deformation in the Ni/Ti pair. Also, the bond strength of the Ni/Ti pair appeared to be almost three folds of the Ti/Ni pair (64.31 MPa vs. 22.8 MPa). DSC analyses in combination with PSHT were employed to investigate interfacial intermetallic components growth at 700, 800, 900, 945 and 982 ̊C for 5, 60,180 and 360 minutes. The findings of these studies showed that Ti2Ni and Ni3Ti are the first phases respectively form at Ni-rich and Ti-rich sides of the Ni/Ti pairs while NiTi phase forms after these phases at the interface of them. β Ti phase forms at annealing temperature higher than 765 ̊C after the mentioned phases. Investigation of the phase formation kinetics showed that growth of intermetallics is controlled by diffusion. It has been found that the NiTi phase has a higher growth rate over two other intermetallics at all annealing temperature. Dense, Ni-Ti composite coating with well-dispersed ingredients, were sprayed using physically blended elemental precursors with equiatomic and equivolume ratios of Ni-Ti powders. Microstructural investigation of heat treated composite coating showed that all three equilibrium intermetallics of binary Ni-Ti phase diagram including Ni3Ti, Ti2Ni and NiTi phases were formed at all heat-treatment experiments even at annealing temperature and time as low as 700 ̊C for 5 minutes which means CS composite coatings had fast intermetallics formation and growth kinetics. It was observed that Kirkendall porosities were formed at composite coatings after PSHT at Ni/Ni3Ti interfaces. A two-step annealing regime including a long annealing step under the eutectoid temperature of 765 ̊C and a short annealing time higher than the eutectic temperature of 942 ̊C were employed to control porosities formation during heat treatment. Three equilibrium intermetallics evolution including NiTi, Ti2Ni and Ni3Ti phases in addition to liquid phase formation during PSHTs was modelled using the phase field model. This phase field model was successfully used in combination with experimental data to further understand the microstructural evolution and intermetallics formation of Ni-Ti system during heat treatment. Keywords: Cold spray coating, Dissimilar bonding, Ni/Ti pair, Ti/Ni pair, NiTi Intermetallics, Bond strength, Finite Element Modelling, Deformation Enhanced Interdiffusion, Metal matrix composite, Phase field simulations, Polycrystal model.