فصلنامه علوم و مهندسی سطح ایران
پیاپی 41 (پاییز 1398)

در پژوهش حاضر پوشش های نوین هیبریدی نیکل-فسفر با تغییر تدریجی ضخامت، به روش الکترولس بر روی زیرلایه فولادی ایجاد شدند. به منظور ایجاد پوشش با ضخامت متغیر، از روش خارج کردن نمونه از حمام آبکاری در حین فرآیند استفاده شد. جهت هدفمند کردن آزمایش ها از روش سطح پاسخ (RSM) استفاده شد. برای مشخصه یابی پوشش ها از میکروسکوپ نوری، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، آنالیز تفکیک انرژی (EDS) و سختی سنجی ویکرز استفاده شده است. نتایج تحلیل واریانس مدل های بدست آمده برای پیش بینی سختی و تغییرات ضخامت پوشش ها نشان داد که مدل ها از دقت و اعتبار بالایی برخوردار هستند. بررسی مجموع مربعات نشان داد که pH مهم ترین عامل تاثیرگذار بر سختی پوشش است. همچنین مقدار تاثیرگذاری pH بر تغییرات ضخامت پوشش حدود 5/1 برابر نرخ خروج نمونه از حمام الکترولس و 5/2 برابر دما است. تصاویر SEM و نتایج آنالیز EDS نشان دادند که pH و دما دو عامل مهم و تاثیرگذار در مورفولوژی سطحی و میزان فسفر پوشش ها هستند، بطوریکه میزان فسفر پوشش ها از 8/7 تا 1/10 درصد وزنی متغیر است. نتایج نشان داد که پوشش ایجاد شده در pH  برابر 4/5 و دمای 84  دارای بیشترین سختی حدود HV650 می باشد و پوشش ایجاد شده در pH برابر 2/5 ، دمای 86   و نرخ خارج کردن mm/min11/0 دارای بیشترین تغییرات ضخامت، برابر با µm/mm3 می باشد.

بهبود مقاومت به محیط کلسیم-منیزیم آلومینوسیلیکات (CMAS: CaO-MgO-Al2O3-SiO2) یکی از اهداف نوین و اصلی در صنایع توربینی و به ویژه در پوشش های سد حرارتی است. هدف از این تحقیق بهبود کیفیت و کارایی پوشش های سد حرارتی زیرکونیایی پایدار شده با ایتریا (YSZ) در محیط کلسیم-منیزیم آلومینوسیلیکات از طریق اعمال پوشش های دولایه با استفاده از زیرکونیای پایدار شده با سریا (CSZ) است. برای این منظور، پوشش های تک لایه YSZ و دو لایه YSZ/CSZ دارای لایه میانی CoNiCrAlY بر روی زیرلایه هایی از جنس IN738LC توسط روش پاشش پلاسمای اتمسفری اعمال شدند. رفتار خوردگی داغ پوشش ها در محیط CMAS به روش کوره ای و در دمای °C1150، با سیکل های 4 ساعته مورد بررسی قرار گرفت. بررسی های ریزساختاری و فازی پوشش ها به وسیله ی آنالیزهای میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی (FESEM/EDS) و پراش پرتو ایکس (XRD) قبل و بعد از آزمون خوردگی داغ نشان دهنده ی عملکرد بهتر پوشش دو لایه YSZ/CSZ در جلوگیری از نفوذ ذرات مخرب CMAS در مقایسه با پوشش تک لایه YSZ است. همچنین تخریب پوشش های سد حرارتی در محیط CMAS ناشی از نفوذ سیلیکات های مذاب از طریق تخلخل ها و میکروترک های لایه سرامیکی به پوشش و سپس خروج پایدار کننده زیرکونیا و در نهایت انجام استحاله فازی تتراگونال به منوکلینیک است.

کاهش ضریب اصطکاک از اهمیت زیادی در صنایع مختلف برخوردار است. در این پژوهش اثر افزودن الگوی سطح بر سطح نمونه در آزمون های اصطکاک و همچنین حجم روانکار بررسی شده است. آزمون های مختلفی به کمک دستگاه آزمون پین روی دیسک انجام شده است و عملکرد اصطکاکی سطوح بررسی شده است. از میان روش های مختلف الگودهی، الگوی سطح به روش مکانیکی روی سطح دیسک ها ایجاد شده است. نتایج نشان می دهد که برای دیسک های با الگوی سطح نیز تغییرات ضریب اصطکاک با سرعت رفتاری مشابه رفتار نمودار استرایبک دارد. به عبارت دیگر مرز بین رژیم های مختلف روانکاری مشخص می شود. همچنین ایجاد الگوی سطح می تواند باعث کاهش ضریب اصطکاک شود اما این کاهش در بارهای زیاد ملموس تر است. همچنین در حالتی که حجم روانکار تامینی کم باشد، افزایش نیرو سبب افزایش سرعت جدایش می شود. مقایسه ضریب اصطکاک در حالت های مختلف نشان می دهد که در سطوح با الگوی سطح بارهای کم، روغن کم عملکرد بهتری دارد.

در این پژوهش دو عملیات پوشش دهی اکسایش الکترولیتی پلاسمایی و نیتروژن دهی گازی مورد بررسی قرار گرفته است. در مرحله اول از اکسید تیتانیوم با فرایند پوشش دهی اکسایش الکترولیتی پلاسمایی به عنوان یک پوشش میانی بر سطح تیتانیوم استفاده شد؛ در این مرحله تیتانیوم خالص تجاری با چگالی جریان mA/cm2 1000 به مدت 10 دقیقه در محلول کربناتی پوشش داده شد. در مرحله دوم، ایجاد پوشش دولایه با عملیات تکمیلی نیتروژن دهی گازی صورت پذیرفت؛ در این مرحله فلز تیتانیوم به همراه پوشش اکسید تیتانیوم درون کوره لوله ای با دمای  1000 به مدت 6 ساعت نیتروره شدند تا خواص تریبولوژیکی پوشش ها با هم مقایسه شوند. از تفرق اشعه ایکس برای فازیابی، از میکروسکوپ الکترونی روبشی برای ارزیابی ریزساختار سطحی و مقطع و از آزمون سایش پین روی دیسک برای ارزیابی مقاومت به سایش پوشش ها استفاده شد. نتایج حاصل از آزمون های به عمل آمده نشان داد که در مرحله اول فرآیند پوشش دهی، فاز روتیل تشکیل شده است. بررسی ریزساختار و بافت سطحی نشان داد که پوشش ها دارای ریزحفراتی مشهور به ساختار پنکیکی هستند؛ خروجی های آزمون سایش نشان داد که عملیات اکسایش پلاسمای الکترولیتی یک رفتار سایشی ایده آل با ضریب اصطکاک پایین در حدود 2/0 را بوجود آورده است. در مرحله دوم فرآیند پوشش دهی فازهای تشکیل شده به صورت نیتریدی و بعضا اکسید تیتانیوم نیتروره شده می باشند. ریخت سطحی پوشش اکسید تیتانیوم نیتروره شده تلفیقی از ساختار نمونه های TiO2 و TiN می باشد بطوری که در کنار حفرات موجود در ساختار نمونه TiO2، ذرات کروی شکل پدید آمده است که دلیل آن نفوذ نیتروژن در پوشش اکسید تیتانیوم است. بررسی رفتار سایشی نشان داد که مقاومت به سایش پوشش های نیتریدی افزایش قابل توجهی نسبت به پوشش اکسید تیتانیوم و نمونه بدون پوشش دارد؛ بدین معنا که ضریب اصطکاک از 65/0 برای نمونه بدون پوشش به 25/0 برای نمونه TiO2-N کاهش یافته است.

بهبود راندمان توربین ها، توسط افزایش دمای ورودی توربین صورت می پذیرد که مستلزم افزایش مقاومت به اکسیداسیون پوشش های MCrAlY می باشد. مقاومت به اکسیداسیون پوشش MCrAlY وابسته به ترکیب شیمیایی و ریزساختار پوشش است که می تواند از طریق بهینه سازی پارامترهای پوشش دهی بهبود یابد. هدف از این پژوهش بررسی پارامترهای فرایند LPPS بر ریزساختار پوشش NiCoCrAlY و مقایسه آن با ریزساختار ایجاد شده به روش HVOF است. بدین منظور، از میکروسکوپ نوری و الکترونی (SEM) و نرم افزار آنالیز تصویری جهت بررسی ریزساختار پوشش و از طیف سنجی تفکیک انرژی (EDS) و پراش پرتو ایکس (XRD) جهت آنالیز عنصری و فازی استفاده شد. نتایج بررسی ها نشان دادند، ریزساختار بهینه پوشش در ماکزیمم دما و سرعت ذرات در برخورد بر سطح زیرلایه حاصل می شود؛ بنابراین در بهینه سازی پارامترها، با افزایش نرخ گاز اولیه پلاسما (Ar) تا SLPM 75، سرعت کم ذرات در اثر کاهش دانسیته جت پلاسما در فشار پایین محفظه جبران شد. افزایش نرخ گاز ثانویه پلاسما (H2) تا SLPM 16 با افزایش آنتالپی جت پلاسما، کاهش دمای ذرات در اثر کاهش مدت زمان ماندگاری ذرات در اثر افزایش سرعت جت پلاسما (افزایش نرخ گاز اولیه) را جبران می نماید. همچنین جریان قوس نیز جهت فراهم نمودن انرژی لازم جهت یونیزاسیون گازهای پلاسما، تا A 650 در فاصله پاشش cm 12، افزایش یافت. نتایج آنالیز عنصری و فازی نشان داد پوشش NiCoCrAlY شامل زمینه محلول جامد نیکل γ به همراه فازهای پراکنده β-(Ni, Co)Al و مقدار بسیار جزئی فاز اکسیدی می باشد.