بررسی اثر عملیات نیتروژن‌دهی گازی بر ریخت و رفتار سایشی پوشش TiO2 ایجادشده به روش اکسایش الکترولیتی پلاسمایی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 مرکز تحقیقات مواد پیشرفته، دانشکده مهندسی مواد، واحد نجف آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف‌آباد، ایران.

2 مرکز تحقیقات مواد پیشرفته، دانشکده مهندسی مواد، واحد نجف آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف آباد، ایران.

چکیده

در این پژوهش دو عملیات پوشش­دهی اکسایش الکترولیتی پلاسمایی و نیتروژن­دهی گازی مورد بررسی قرار گرفته است. در مرحله اول از اکسید تیتانیوم با فرایند پوشش­دهی اکسایش الکترولیتی پلاسمایی به­عنوان 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 نیتروژن­دهی گازی صورت پذیرفت؛ در این مرحله فلز تیتانیوم به همراه پوشش اکسید تیتانیوم درون کوره لوله­ای با دمای  1000 به­مدت 6 ساعت نیتروره شدند تا خواص تریبولوژیکی پوشش­ها 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 پوشش­ها استفاده شد. نتایج حاصل از آزمون­های به­عمل آمده نشان داد که در مرحله اول فرآیند پوشش­دهی، فاز روتیل تشکیل شده است. بررسی ریزساختار و بافت سطحی نشان داد که پوشش­ها دارای ریزحفراتی مشهور به ساختار پنکیکی هستند؛ خروجی­های آزمون سایش نشان داد که عملیات اکسایش پلاسمای الکترولیتی یک رفتار سایشی ایده­آل با ضریب اصطکاک پایین در حدود 2/0 را بوجود آورده است. در مرحله دوم فرآیند پوشش­دهی فازهای تشکیل شده به­صورت نیتریدی و بعضاً اکسید تیتانیوم نیتروره­شده می­باشند. ریخت سطحی پوشش اکسید تیتانیوم نیتروره شده تلفیقی از ساختار نمونه­های TiO2 و TiN می­باشد 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 پوشش­های نیتریدی افزایش قابل­توجهی 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.

کلیدواژه‌ها


. م. شکوه­فر، چ. دهقانیان، م. منتظری، اعمال پوشش به روش اکسیداسیون الکترولیتی پلاسمایی روی تیتانیوم در دو الکترولیت مختلف و بررسی رفتار خوردگی آن، چهارمین همایش مشترک انجمن مهندسین متالورژی و جامعه علمی ریخته­گران ایران، (1389)، 2602-2616.
2. D. Quintero, O. Galvis, J.A. Calder´on, J.G. Casta˜no, F. Echeverr´ıa, Effect of electrochemical parameters on the formation of anodic films on commercially pure titanium by plasma electrolytic oxidation, Surface & Coatings Technology, 258(2014), 1223-1231.
3. ت. احمدی، س.ر. حسینی، تاثیر فرآیند دوتایی نیتروژن­دهی پلاسمایی و  رسوب فیزیکی بخار بر ساختار آلیاژ Ti6Al4V، علوم و مهندسی سطح، 13(1391)، 1-13.
4. Ch. Fei, Zh. Hai, Ch. Chen, X. Yangjian, Study on The Tribological Performance of Ceramic Coatings on Titanium Alloy Surfaces Obtained Through Microarc Oxidation, Progress in Organic Coatings, 64(2009), 264–267.
5. ا. دانش­پژوه، آ. زارع بیدکی، م. حاجی صفری، بررسی تأثیر زمان فرآیند اکسیداسیون الکترولیتی پالسمایی بر رفتار خوردگی آلیاژ 13Zr-13Nb-Ti  در محلول رینگر هوازدایی شده، فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، (1396)2، 147-155.
6. A.L. Yerokhin, X. Nie, A. Leyland, A. Matthews, S.J. Dowey, Review: Plasma electrolysis for surface engineering, Surface and Coatings Technology, 122(1999), 73–93.
7. Q. Li, J. Liang, Q. Wang, Plasma Electrolytic Oxidation Coatings on Lightweight Metals, Modern Surface Engineering Treatments, ed. By M. Aliofkhazraei, 75-99(Intech, 2013).
8. ا. دانش­مسلک، بررسی ساختار و رفتار خوردگی پوشش­های ایجاد شده در سطح آلومینیوم به روش اکسیداسیون الکترولیتی پلاسمایی(PEO)، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه تربیت مدرس، تابستان 1386.
9. م. اسدی زارچ، خصوصیات فیلم­های اکسیدی تشکیل شده روی تیتانیوم خالص تجاری به روش اکسیداسیون الکترولیتی پلاسما(PEO) تحت اثر نسبت آلومینات/فسفات، دانشکده فنی و مهندسی گروه مهندسی متالورژی، دانشگاه باهنر کرمان، شهریور 1386.
10. م. علی­اف خضرایی، بررسی پوششهای ایجاد شده به روش نیتروکربوراسیون پلاسمایی الکترولیتی و مطالعه مقاومت به خوردگی آنها، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه تربیت مدرس، زمستان 1385.
11. C. Alves Jr, C.L.B. Guerra Neto, G.H.S. Morais, C.F. da Silva, V. Hajek, Nitriding of titanium disks and industrial dental implants using hollow cathode discharge, Surface and Coatings Technology, 200(2006), 3657-3663.
12. H. Maleki-Ghaleh,  J. Khalil-Allafi, E. Aghaie, M. H. Siadat, Effect of TiO2–Ti and TiO2–TiN composite coatings on corrosion behavior of NiTi alloy, Surface and Interface Analysis, 47(2015), 99–104.
13. C. Albayrak, i. Hacısalihoglu, S. Yenal vangol u, A. Alsaran, Tribocorrosion behavior of duplex treated pure titanium in Simulated Body Fluid, Wear, 302(2013), 1642–1648.
14. Y. Han, S.H. Hong, K.W. Xu, Porous nanocrystalline titania films by plasma electrolytic oxidation, Surface and Coatings Technology, 154(2002), 314–318.
15. D. Bok Lee, I. Pohrelyuk, O.  Yaskiv, J.C. Lee, Gas nitriding and subsequent oxidation of Ti-6Al- 4V alloys, Nanoscale Research Letters, 7(2012), 1-5.
16. P.M. Perillo, Corrosion Behaviour of Titanium Nitride Coating on Titanium and Zircaloy-4, American Journal of Materials Science and Application, 2(2015), 18-25.
17. A. Zhecheva, S. Malinov, W. Sha, Surface gas nitriding of Ti-6Al-4V and Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si alloys, Z. Metallkd, 94(2003), 19-24.
18. A. Zhecheva, S. Malinov, W. Sha, Microstructure and microhardness of gas nitrided surface layers in Ti–8Al–1Mo–1V and Ti–10V–2Fe–3Al alloys, Surface Engineering, 21(2005), 269-278.
19. H. Li, Z. Cui, Z. Li, X. Yang, Effect of gas nitriding treatment on cavitation erosion behavior of commercially pure Ti and Ti−6Al−4V alloy, Surface & Coatings Technology, 221(2013), 29–36.
20. م. علی­اف خضرایی، ر. بخشی، م. ح. مرادی، ع. صبور روح­اقدم، پوشش­های اکسیدی نانو ساختار، 1394، فدک ایساتیس، تهران.
21. ح. فدائی، م. جاویدی، اکسایش الکترولیتی پلاسمایی آلیاژ آلومینیم T3-2024 و بررسی مقاومت به خوردگی و خصوصیات سطحی آن، مهندسی متالورژی و مواد، 26(1393) 1-12.
22. S. Sarbishei, M.A. Faghihi Sani, M.R. Mohammadi, Effects of alumina nanoparticles concentration on microstructure and corrosion behavior of coatings formed on titanium substrate via PEO process, Ceramics International, 42(2016), 8789-8797.
23. H. Li, Z. Cui, Z. Li, S. Zhu, X. Yang, Surface modification by gas nitriding for improving cavitation erosion resistance of CP-Ti, Applied Surface Science, 298(2014), 164–170.
24. A. Zhecheva, A. Sha, S. Malinov, A. Long, Enhancing the microstructure and properties of titanium alloys through nitriding and other surface engineering methods, Surface & Coatings Technology, 200(2005), 2192 – 2207.
25. ح. بختیاری زمانی، بررسی خواص پوشش نانوکریستال TiN و TiO2-XNX بر روی تیتانیوم به کمک روش پلاسما الکترولیتی، دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه آزاد اسلامی واحد نجف­آباد، زمستان 1396.
26. J.T. Oden, and J.A.C.Martins, Models and computational methods for dynamic friction phenomena, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 52(1985), 527-634.
27. م.ص. مهدی­پور، ف. محبوبی، ش. آهنگرانی، م. رئوفی، ح. علم­خواه، تاثیر عملیات نیتروژن­دهی پلاسمایی فولاد گرمکار H11 AISI بر رفتار سایشی TiN ایجاد شده به روش PACVD، مهندسی متالورژی، (1389)39، 20-26.
28. K. Venkateswarlu, N. Rameshbabua, D. Sreekanth, A.C. Bose, V. Muthupandi, N.K. Babu, S. Subramanian,  Role of electrolyte additives on in-vitro electrochemical behavior of micro arc oxidized titania films on Cp Ti, Applied Surface Science, 258(2012), 6853–6863.
29. N. Hosseini, F. Karimzadeh, M.H. Abbasi, M.H. Enayati, Tribological properties of Al6061-Al2O3 nanocomposite  prepared  by milling and hot pressing, Materials and Design, 31(2010), 4777–4785.
30. B. Zahmatkesh, M.H. Enayati, F.Karimzadeh, Tribological and microstructural evaluation of friction stir processed Al2024 alloy, Materials and Design, 31(2010), 4891–4896. 
31. H. Rana, V. Badheka, Influence of friction stir processing conditions on the manufacturing of Al-Mg-Zn-Cu alloy/boron carbide surface composite,  Journal of Materials Processing Technology, 255(2018795-807.
32. G.I. Marinina, M.S. Vasilyeva, A.S. Lapina, A.Y. Ustinov, V.S. Rudnev, Electroanalytical properties of metal–oxide electrodes formed by plasma electrolytic oxidation, Journal of Electroanalytical Chemistry, 689(2013), 262–268.
33. س. یزدانی، ف. محبوبی، اثر نانولوله­های کربنی روی مقاومت به سایش پوشش­های نیکل- بور- نانولوله کربنی، مواد پیشرفته و پوشش­های نوین، 27(1397)، 1917-1924.
34. م. زادعلی محمدکوتیانی، خ. رنجبر، ارزیابی ریزساختاری و رفتار سایشی کامپوزیت سطحی درجای Al3Ti/3003  Alتولید شده توسط فرآیند اصطکاکی اغتشاشی، علوم و مهندسی سطح، (1397)36، 65-78.
35. د. صالحی دولابی، م. احتشام­زاده، م. اسدی زارچ، مکانیزم تاثیرگذاری سود بر مورفولوژی، ضخامت و ترکیب شیمیایی پوشش­های PEO ایجاد شده روی آلومینیوم در الکترولیت سیلیکاتی، علوم و مهندسی سطح، (1389)9، 29-41.