عنوان

بررسی خواص خوردگی پوشش آلیاژبا انتروپی بالای (AlCrCoFeMnNi)N ایجاد شده به روش رسوب‌دهی جرقه الکتریکی(ESD) و نیتروژن دهی پلاسمایی بروی فولادAISI 1045

پ۲۹۳۰۹

per

بررسی خواص خوردگی پوشش آلیاژبا انتروپی بالای (AlCrCoFeMnNi)N ایجاد شده به روش رسوب‌دهی جرقه الکتریکی(ESD) و نیتروژن دهی پلاسمایی بروی فولادAISI 1045

فرهاد عبدی

مهندسی مکانیک

۱۴۰۲

۱۱۳ص.

سی دی

دکتری

مهندسي مواد-گرایش مواد و متالورژی

۱۴۰۲/۰۴/۱۳

آلیاژهای با آنتروپی بالا به عنوان آلیاژهایی تعریف می شود که دارای پنج یا بیش از پنج عنصر اصلی می باشند. هر یک از این عناصر اصلی میتواند غلظتی بین (35-5) درصد داشته باشد. این آلیاژ ها به این دلیل آنتروپی بالا نامیده شده اند که در حالت مایع یا حالت جامد نسبت به آلیاژهای رایج، به طور عمده بالاترین آنتروپی مخلوط را دارند. آنتروپی بالای مخلوط در این آلیاژها، سبب کاهش تعداد فازها و تشکیل فازهای محلول جامد در این آلیاژها میشود. آلیاژهای با آنتروپی بالا (HEAs) بدلیل ترکیب عناصر چند گانه منحصر بفرد، دارای خواص استحکام و سختی بالا، مقاومت به سایش عالی، استحکام ویژه دما بالا، ثبات ساختاری خوب ، مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون عالی می باشند. از اینرو کاربردهای گسترده‌ای در صنعت به‌خصوص در سه زمینه هوا- فضا و دریایی، کاربردهای دما بالا و صنایع استراتژیک دارند. اما به دلیل نیاز به خواص فوق العاده عالی در زمینه مقاومت به سایش و خوردگی، به این آلیاژ ها عناصر جدید مناسب اضافه نموده واین آلیاژها به صورت پوشش بروی زیرلایه رسوب داده شده و تحت عملیات سطحی مجدد قرار می گیرند. فرایندهای مختلف ایجاد پوشش بروی زیر لایه از قبیل اسپاترینگ مگنترون، لایه نشانی به کمک لیزر، نیتروژن‌دهی دما بالا، پوشش‌دهی توسط فرایند‌های رسوب‌دهی فیزیکی از فاز بخار، رسوب‌دهی شیمیایی از فاز بخار، به منظور افزایش و بهبود مقاومت به سایش و خوردگی بروی زیر لایه های متفاوت اعمال شده است. روش رسوب‌دهی جرقه الکتریکی (ESD) یک روش قابل اطمینان برای ایجاد پوشش جهت بهبود و افزایش مقاومت به سایش و خوردگی درموارد مختلف است. با توجه به مزایای گسترده روش رسوب‌دهی جرقه الکتریکی و کارایی بالای آن در اعمال پوشش‌های مقاوم به سایش و خوردگی، گمان می‌رود با استفاده از این فرآیند و ایجاد پوشش و نیتروژن دهی پلاسما، می‌توان یک لایه مقاوم به خوردگی برروی زیر لایه از جنس فولاد 1045 ایجاد نموده و مقاومت بخوردگی آنرا به‌طور قابل ملاحظه‌ای افزایش داد. امروزه الکترودهای مختلف فلزی و کاربیدی در روش رسوب‌دهی جرقه الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرند.در این تحقیق ابتدا آلیاژ ا نتروپی بالا AlCoCrFeMnNi از طریق آلیاژسازی مکانیکی و تف جوشی جرقه پلاسما بشکل الکترود ساخته شد. سپس از طریق پوشش دهی از طریق جرفه الکتریکی برروی زیر لایه پوشش داده می شود. سپس پوشش آلیاژ با انتروپی بالا(HEAs) AlCoCrFeMnNi تحت نیتروژن دهی پلاسمایی قرار می گیرد. پوشش نهایی می‌تواند به دلیل ساختاری ساده و سختی بالا، مقاومت به سایش و خوردگی مناسب داشته باشد. در این پژوهش ابتدا پودرهای عناصر Al ، Co ، Cr ، Ni ، Fe ، Mn با اندازه متوسط پودر‌های 30 میکرومتر و 50 نانومتر با نسبت مساوی و به روش آسیا کردن مکانیکی با یکدیگر مخلوط و در قالب مخصوص جهت تهیه الکترود پرس و سپس تف جوشی شد. ابتدا پودرهای عناصر آلومینیم(Al)، کبالت(Co)، کروم(Cr)، اهن(Fe)، منگنز(Mn)، نیکل(Ni) با استفاده از روش آلیاژ سازی مکانیکی (Mechanical alloying) وآسیا کردن (Ball Milling) در زمان های مختلف 12، 36، 48 ساعت(hr)، باهم مخلوط و پودر آلیاژ با آنتروپی بالا (HEAs)AlCoCrFeMnNi تولید شد. این آلیاژ دارای ساختار کریستالی BCC است. سپس پودر آلیاژ تولید شده بشکل یک الکترود، با پرس فشرده شده و با روش تف جوشی جرقه پلاسما (SPS) تف جوشی گردید. ساختار کریستالی الکترود زینتر شده FCC+BCC است. پوشش نازکی از آلیاژ آنتروپی بالای (HEAs)AlCoCrFeMnNi با استفاده از روش ترکیبی پوشش دهی از طریق رسوب دهی جرقه الکتریکی (ESD) و نیتروژن دهی پلاسما بر روی نمونه هایی از جنس فولاد کربن متوسط 1045 IASI پوشش داده شد. هدف ایجاد پوشش به ضخامت 5 میکرومتر از جنس آلیاژ با آنتروپی بالای (HEAs)AlCoCrFeMnNi و از طریق رسوب دهی جرقه الکتریکی در شرایط مختلف پارامترهای فرایند ESD است. فرکانس (f) 5، 8 و11 کیلو هرتز و سیکل کاری(D) 50، 60 و70 درصد و حد جریان (A) 15 ،25 و35 آمپر بر دسی متر مربع نعیین شده است. روش پوشش دهی دستی است. با توجه به تغییر شرایط فرایند پوشش دهی، ضخامت پوشش از 4 میکرومتر تا 18 میکرومتر بروی زیر لایه متغیر است. مشخصه یابی و تعیین فازها ی موجود در ساختار پودر آسیای مکانیکی شده و همچنین پوشش، بوسیله XRD انجام شد. سپس بررسیهای توپوگرافی سطح پوشش بوسیله میکروسکوپ الکترونی SEM و همچنین تست خوردگی جهت ارزیابی مقاومت خوردگی پوشش بدست آمده، انجام شد. زبریRa پوشش درکمترین مقدار4/3میکرومتر و در بیشترین مقدار 7/8 میکرومتر می باشد. سختی پوشش به طور متوسط به 650 ویکرز رسیده است، که می توان مقدار بالای سختی را به سریع سرد شدن پوشش و همچنین حضور عناصر آلیاژی مانند Cr وCo نسبت داد. مقاومت به خوردگی پوشش آلیاژ انتروپی بالا نسبت به زیر لایه فولادی کربن متوسط بهبود یافته است. مقاومت به خوردگی زیر لایه از 354 اهم به 1453 اهم افزایش یافته است. خوردگی پوشش، عمدتا از نوع خوردگی یکنواخت است. پس از عملیات پوشش دهی با جرقه الکتریکی، عملیات نیتراسیون پلاسمایی دردمای 500 درجه سانتیگراد و به مدت 8 ساعت برروی تعدادی نمونه هایی که مقاومت به خوردگی کمترین و متوسط و بیشترین را دارا بودند، انجام شد. سختی لایه پلاسما نیترایدیتگ شده در نمونه های عملیات شده در بیشترین مقدار 1100 ویکرز می باشد. دلیل سختی بالا می تواند ناشی از حضور عناصر نیترید ساز مانند Al باشد. آزمون خوردگی مجددا جهت مقایسه مقاومت به خوردگی نمونه های دارای پوشش و پلاسما نیترایدینگ شده با نمونه زیر لایه انجام گرفت. نتایج نشان می دهد که خوردگی نسبت به نمونه زیر لایه و نمونه دارای پوشش جرقه الکتریکی در حدود 26 درصد بهبود یافته است. نرخ خوردگی در نمونه دارای پوشش آلیاژ با انتروپی بالا شماره 24(FDA110825)، 149/0mm/y می باشد در حالیکه در همان نمونه با عملیات نیتراسیون شده 017/0 و در نمونه زیر لایه 44/1 mm/y است. در برخی از نمونه ها خوردگی حفره ای مشاهده گردید. همچنین وجود زوج گالوانیکی متشکل از پوشش و زیر لایه بر روی سطح، عاملی دیگر برای کاهش مقاومت به خوردگی شناسایی شد. در تحقیقات انجام یافته عمدتاً ساختار پوشش با جرقه پلاسما بصورت لایه ای ذکر شده است. در پژوهش حاضر، با استفاده از موضوع چسبیدن قطره به سطوح (Drop Let) و قرار گرفتن بروی سطح زیر لایه، مکانیزم تشکیل ساختار پوشش به صورت ترکیبی از اسپری به همراه کروی تایید گردید. با استفاده از نرم افزار Minitab تغییرات سختی و ضخامت و نرخ خوردگی پوشش با تغییر شرایط پوشش دهی یعنی فرکانس (f)، سیکل کاری(D) وحد جریان(A) بررسی شد. در این نرم افزار با تغییر شرایط مرزی، بهترین و بهینه ترین خروجی برای سختی، مقاومت به خوردگی و ضخامت محاسبه شد.

sidering the wide advantages of the electric spark deposition method and its high efficiency in applying wear and corrosion resistant coatings, it is believed that by using this process and creating a coating and plasma nitrogenization, a corrosion resistant layer can be formed on the 1045 steel substrate.created and thereby significantly increased its corrosion resistance. Different metal and carbide electrodes are used in spark deposition method.In this research, high entropy AlCoCrFeMnNi alloy was made in the form of electrode through mechanical alloying and plasma spark sintering. Then it is coated on the substrate through electrophoretic coating. Then the AlCoCrFeMnNi high entropy alloy (HEAs) coating is subjected to plasma nitriding. The final coating can have good wear resistance and corrosion resistance due to its simple structure and high hardness. In this research, Al, Co, Cr, Ni, Fe, and Mn elements powders with an average size of 30 micrometers and 50 nanometers were mixed with each other in equal proportions by mechanical grinding method and pressed in a special mold to prepare the electrode and then sintered. .First, the powders of aluminum (Al), cobalt (Co), chromium (Cr), iron (Fe), manganese (Mn), nickel (Ni) using mechanical alloying and ball milling in Different times of 12, 36, 48 hours (hr) were mixed and high entropy alloy powder (HEAs) AlCoCrFeMnNi was produced. This alloy has a BCC crystal structure. Then, the produced alloy powder was pressed in the form of an electrode and sintered by the plasma spark sintering (SPS) method. The crystal structure of sintered electrode is FCC+BCC. A thin coating of high entropy alloy (HEAs) AlCoCrFeMnNi was coated using the combined method of coating through electric spark deposition (ESD) and plasma nitriding on samples of medium carbon steel 1045 IASI.AbstractHigh entropy alloys are defined as alloys that have five or more main elements. Each of these main elements can have a concentration between (5-35) percent. These alloys are called high entropy because they generally have the highest entropy of the mixture in the liquid or solid state compared to common alloys. The high entropy of the mixture in these alloys causes the number of phases to decrease and the formation of solid solution phases in these alloys. High entropy alloys (HEAs), due to the unique combination of multiple elements, have high strength and hardness properties, excellent wear resistance, high temperature specific strength, good structural stability, corrosion resistance, and excellent oxidation resistance. Therefore, they have wide applications in the industry, especially in the three fields of air-space and marine, high temperature applications and strategic industries.But due to the need for excellent properties in the field of wear resistance and corrosion resistance, suitable new elements are added to these alloys and these alloys are deposited as a coating on the substrate and subjected to surface treatment again. Different processes of creating a coating on the substrate, such as magnetron sputtering, laser marking, high temperature nitriding, coating by physical deposition processes from the vapor phase, chemical deposition from the vapor phase, in order to increase and improve the wear and corrosion resistance of the substrate.different have been applied. The electric spark deposition (ESD) method is a reliable method to create a coating to improve and increase wear and corrosion The aim is to create a 5 micrometer thick coating of high entropy alloy (HEAs) AlCoCrFeMnNi through spark deposition in different conditions of ESD process parameters. The frequency (f) is 5, 8, and 11 kHz, the duty cycle (D) is 50, 60, and 70 percent, and the current limit (A) is 25, 15, and 35 amperes per decimeter square. The coating method is manual. Due to the change of the conditions of the coating process, the thickness of the coating varies from 4 to 18 micrometers on the sub layer. Characterization and determination of the phases in the structure of mechanical milled powder as well as the coating was done by XRD. Then, the topography of the coating surface was carried out by SEM electron microscope, the corrosion test to evaluate the corrosion resistance of the obtained coating. The roughness Ra of the coating is at the minimum value of 3.4 micrometers and at the maximum value of 7.8 micrometers. The average hardness of the coating has reached 650 Vickers, which can be attributed to the rapid cooling of the coating and the presence of alloy elements such as Cr and Co. The corrosion resistance of the high entropy alloy coating is improved compared to the medium carbon steel substrate. The corrosion resistance of the substrate has increased from 354 ohms to 1453 ohms. Corrosion of the coating is mainly uniform corrosion. After coating with electric spark, plasma nitriding was performed at 500 degrees Celsius for 8 hours on a number of samples that had the lowest, medium and highest corrosion resistance. The hardness of the plasma nitriding layer in the processed samples is at the highest value of 1100 Vickers. The reason for the high hardness can be due to the presence of nitriding elements such as Al. The corrosion test was done again to compare the corrosion resistance substrate sample. The results show that the corrosion has improved by about 26% compared to the sample under the layer and the sample with electric spark coating. The corrosion rate in the sample covered with high entropy alloy number 24 (FDA110825) is 0.149 mm/y, while it is 0.017 mm/y in the same sample with nitrate treatment and 1.44 mm/y in the sample under the layer. In some samples, pitting corrosion was observed. Also, the presence of a galvanic couple consisting of the coating and the substrate on the surface was identified as another factor for reducing corrosion resistance. In the conducted researches, the layer structure of plasma spark coating is mainly mentioned. In the present research, by using the issue of droplet sticking to surfaces (Drop Let) and being placed on the surface of the substrate, the mechanism of the formation of the coating structure was confirmed as a combination of spray and spherical. Using Minitab software, changes in hardness, thickness and corrosion rate of the coating were investigated by changing the coating conditions, i.e. frequency (f), duty cycle (D) and current limit (A). In this software, by changing the boundary conditions, the best and most optimal output for hardness, corrosion resistance and thickness was calculated.of the coated and plasma nitrided samples with the resistance in various cases. Cons

Investigating the corrosion properties of high entropy alloy coating (AlCrCoFeMnNi) N created by electric spark deposition (ESD) and plasma nitriding on AISI 1045 steel

‏عبدی‏،

فرهاد ‏

تهیه کننده

‏آقاجانی‏،

‏خامنه اصل،

حسین ‏

شاهین ‏

استاد راهنما

استاد مشاور

‏تبریز