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

دكتري تخصصي

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

192136

دانشگاه علم و صنعت ايران

دكتر حميد اسدي - دكتر برتراند ژادوئن

مهندسي مواد و متالورژي

دكتر سيدحسين سيدين - دكتر شهرام خيرانديش