بخشی از مقاله
-1 مقدمه
کامپوزیتهای زمینه فلزی موادی هستند که در آنها خواص میزبان فلزی با افزودن ذره دومی (معمولاسرامیک) اصلاح میشود. ذرات دوم می توانند اکسیدها (Al2O3 ,TiO2 ,SiO2)، کاربیـــــدها (SiC, WC)، الماس، روانسازهای جامد ( PTFE, MoS2 ،گرافیت) و یا حتی میکروکپسولهای حاوی مایع باشند.کامپوزیتهای پایه فلزی با ذرات تقویت کننده اکنون از چنان کارایی زیادی در صنایع مختلف برخوردار شده اند که جزیی اجتناب ناپذیر از این صنایع به شمار میروند.[1]
از آنجا که تولید یک قطعه صنعتی بطور کامل از یک کامپوزیت پایه فلزی ممکن است دشواری های خاصی داشته یـا اساسا نیاز به این کار نباشد، اعمال این کامپوزیتها در قالب یک پوشش سطحی بسیار رایج است، بطوریکه بدنه قطعه صنعتی از یک آلیاژ معمولی با خواص متداول فنی برخوردار بوده و سطح آن، بدلیل نیاز به دارابودن خواصـی متفـاوت از پوششـی خـاص پوشانده می شود. قطعات صنعتی که در معرض سایش یا خوردگی هستند، مثالهای خوبی از قطعاتی هستند کـه لایـه سـطحی آنها که در معرض محیط ساینده یاخورنده قرار دارد، نیاز به مقاومت به خوردگی، مقارمت به سایش و ضریب اصـطکاک پـایین دارد. در این گونه موارد، اعمال یک پوشش سطحی کارامد که خواص مورد نظر را دارا باشد بهترین و مقـرون بـه صـرفه تـرین راهکار است .[2] یکی از مهمترین کاربردهای پوششهای کامپوزیتی، پوشش دادن ولوهای فشار بالا در صنایع نفت و گـاز اسـت که باعث افزایش مقاومت به خوردگی آنها می شود.[3]
بنابراین پوششهای کامپوزیتی زمینه فلزی نسل جدیدی از کامپوزیتها هستند که دارای مزایایی چون نگهداری آسان، دمای کاری پایین، قیمت ارزان و مهمتر از همه داشتن ترکیبی از خواص متنوع میباشد.[4] بعلاوه، این پوششها دارای خواصی چون رسوب سختی، خود روانکاری، مقاومت به اکسیداسیون در دمای بالا، مقاومت به خوردگی و مقاومت به سایش عالی میباشند.[3]
از سوی دیگر، مواد با ساختار نانو بدلیل ساختار بسیار ریزشان بطور گسترده ای برای بهبود خواص تکنولوژیکی مورد استفاده قرار می گیرند. با توجه به روابط پیچ- هال با کاهش اندازه دانه مواد تا حد نانومتر، بسیاری از خواص مکانیکی و فیزیکی آنها نظیر سختی و استحکام بهبود مییابد.[4] ذرات نانو در مرزدانه ها از حرکت نابجاییها و فرایند تبلور مجدد در دمای بالا جلوگیری میکنند، بنابراین سختی و پایداری حرارتی افزایش مییابد.[3] پوششهای نانو کریستالی با اندازه ذرات در حد نانومتر نیز سختی و استحکام بالایی از خود نشان میدهند. توانایی دستیابی به نانوذرات مختلف در سالهای اخیر، انگیزه تولید پوششهای نانوکریستالی را بمنظور رسیدن به سختی، استحکام و مقاومت به سایش و خوردگی بالا افزایش داده است.[2]
بمنظور دستیابی به پوششهای کامپوزیتی پایه فلزی روشهای مختلفی نظیر آبکاری الکتریکی، رسوبدهی الکتریکی، الکترولس نیکل، لحیم کاری[5]، آبکاری با برس[6]، پوششدهی با لیزر[7] و ... معرفی شدهاند.
در این مقاله سعی شده است پژوهشهای مختلف انجام شده بر روی خواص مقاومت به سایش، ضریب اصطکاک، سختی، استحکام و مورفولوژی پوششهای کامپوزیتی پایه نیکل با ذرات تقویت کننده آلومینا گردآوری و نتایج بدست آمده با یکدیگر مقایسه شوند. نیکل بدلیل سازگاری بالایی که با اکثر مواد پایه دارد و همچنین بدلیل سختی بالا، مقاومت به خوردگی و سایش خوب و خنثی بودن از نظر شیمیایی بعنوان ماده مناسبی برای پوششها شناخته شده است9] و .[8
-2 نتایج مطالعات انجام شده
فاز تقویت کننده آلومینا بدلیل دارابودن سختی بالا، به منظور افزایش سختی، استحکام و مقاومت به سایش پوشش کامپوزیتی بسیار مورد توجه است. از مهمترین روشهای تولید پوشش کامپـــــــــوزیتی Ni-Al2O3 رسوبدهی الکتریکی می باشد. در اتمسفر غنی از اکسیژن پوششهای کامپوزیتی Ni-Al2o3 دارای مقاومت به اکسیداسیون بهتری از نیکل خالص هستند.[1] همچنین دمای تبلور با ورود ذرات نانو آلومینا کاهش می یابد.[3] بنابراین ذرات نانو آلومینای رسوب یافته در
دومین همایش ملی هیدرات گازی ایران 25-26 اردیبهشت 1392، دانشکده مهندسی شیمی، نفت و گاز دانشگاه سمنان
زمینه نیکل به ریز دانه شدن نیکل و تغییرجهتگیری ترجیحی پوشش کامپوزیتی کمک می کند.[10] در این بخش خلاصه برخی مطالعات انجام شده بر روی این پوشش بررسی می شود.
-2-1 تاثیر سرفکتانت بر غلظت آلومینا در پوشش
گول و همکارانش [3] پوشش نیکل-آلومینا را با ذرات آلومینا با اندازه 80 نانومتر و روش رسوبدهی الکتریکی DC با دمای حمام 45 c بر روی پایه فولاد اعمال کرد. در شکل 1 تغییرات غلظت آلومینا در پوشش با تغییر در غلظت سرفکتانت آلی HPB (هگزا دسیل پیریدینیوم برومید) نشان داده شده است. همانگونه که در این شکل ملاحظه می شود بیشترین غلظت آلومینا در پوشش که معادل 9 درصد حجمی است در غلظت 300 میلی گرم بر لیتر از سرفکتانت اتفاق افتاده است. هنگامیکه غلظت HPB (سرفکتانت) افزایش یافته و به 300 میلی گرم بر لیتر میرسد، مقدار ذرات رسوب یافته آلومینا و یکنواختی آن نیز افزایش می یابد. وی از این نتایج چنین استنباط کرده است که افزودن 100mg/l سرفکتانت برای افزایش تنش سطحی مابین ذرات و الکترولیت که برای رسوبدهی بر سطح مورد نیاز است، کافی نمی باشد و تاثیر قابل ملاحظه ای بر افزایش آلومینا در پوشش ندارد.[3] شایان ذکر است که این نتایج برای جریان اعمالی 3 آمپر بر دسیمتر مربع و غلظت 10 گرم بر لیتر ا ز آلومینا در محلول بدست آمده است.
در شکل 2 تصاویر میکروسکوپ الکترونی برای محلولهای با غلظتهای مختلف از سرفکتانت مورد مطالعه گول و همکارانش نشان داده شده است. نقاط تاریک نمایان در شکل2 ذرات آلومینا را نشان میدهد و بیان کننده افزایش درصد حجمی ذرات آلومینا با افزایش غلظت سرفکتانت در الکترولیت می باشد .[3]
چن و همکارانش [11] در مطالعه ای کامل تنها به بررسی تاثیر سرفکتانت بر پارامترهای مختلف، از جمله غلظت آلومینا در پوشش پرداخته اند. آنها پوشش نیکل آلومینا با اندازه ذرات 80 نانومتر را برروی فولاد 1045 به روش آبکاری با جریان مستقیم با جریان 3 آمپر بر دسیمتر مربع و دمای حمام 45 درجه اعمال کردند.
شکل - 1 تغییرات غلظت آلومینا در پوشش با تغییر در غلظت سرفکتانت آلی HPB (هگزا دسیل پیریدینیوم برومید.[ 3 ]
همانطور که در شکل 3 مشاهده می شود که در ابتدا مقدار آلومینای راسب در پوشش کامپوزیتی در حضور 100mg/l سرفکتانت و بدون حضور آن تقریبا برابر می باشد و سپس جزء حجمی ذرات آلومینا با افزایش غلظت سرفکتانت در الکترولیت افزایش می یابد.[11]
در نتیجه می توان استنباط کرد که مقدار سرفکتانت اضافه شده به حمام رسوبدهی بر جزء حجمی ذرات آلومینا در ترکیب پوشش موثر است. این افزایش درصد حجمی ذرات آلومینا در پوشش با افزایش غلظت سرفکتانت، به تغییر در بار سطحی ذرات مربوط است. بار سطحی ذرات تقویت کننده بوسیله یونها یا مولکولهای جذب شده تغییر کرده و منجر به
پوششهای نانو کامپوزیتی نیکل-آلومینا
افزایش مهاجرت ذرات معلق آلومینا در محلول به سطح کاتد میشود. از سوی دیگر، بطور طبیعی ذرات سرامیکی احاطه شده با مولکولهای HPB با افزایش غلظت HPB در الکترولیت افزایش می یابند و از آگلومراسیون نانو ذرات جلوگیری می شود.[11] از مقایسه شکلهای 2 و 3 می توان رفتار مشابهی را برای حضور آلومینا در محلول با تغییر در غلظت سرفکتانت مشاهده کرد.
شکل -2 سطح مقطعی از کامپوزیت زمینه فلزی با ذرات آلومینا که توزیع این ذرات را با غلظتهای مختلف سرفکتانت نشان می دهد. 0 mg/l (a)، 100 mg/l (b)، 200 mg/l (b) و .[3] 300mg/l (c)
شکل -3 درصد حجمی آلومینای راسب در پوشش با غلظتهای مختلف سرفکتانت .[11]
دومین همایش ملی هیدرات گازی ایران 25-26 اردیبهشت 1392، دانشکده مهندسی شیمی، نفت و گاز دانشگاه سمنان
-2-2 تاثیر غلظت ذرات داخل الکترولیت بر غلظت آلومینا در پوشش
از دیگر پارامترهای تاثیرگذار بر غلظت آلومینا در داخل پوشش کامپوزیتی، غلظت این ذرات در محلول آبکاری است. افزایش غلظت ذرات آلومینا داخل الکترولیت باعث افزایش غلظت ذرات نانو آلومینا در ترکیب می شود که در شکل 4 بصورت آخالهای تیره ای بدون اینکه آگلومره شود نمایان شده است.[3]
شکل -4 توزیع ذرات آلومینا با غلظتهای متفاوت ذرات ( 10 g/l Al2O3(b) 5g/l Al2O3 (a
.[3] 30 g/l Al2O3(G) , 20g/l Al2O3 (C)
رسوب همزمان آلومینا همراه با نیکل بوسیله تکنیک رسوبدهی الکتریکی منجر به جذب ذرات آلومینا روی سطح کاتد می شود. مطابق با نظریه Guglielmi دو مرحله جذب وجود دارد. به محض اینکه ذره جذب شد، فلز به آهستگی شروع به رشد اطراف کاتد می کند بطوریکه ذره را در بر می گیرد.[3] از منحنیهای ارائه شده در مطالعه گول و همکارانش [3] چنین بر میآید که در غلظت حدود 30 گرم بر لیتر آلومینا در محلول آبکاری، غلظت حداکثری در پوشش که معادل %11 حجمی آلومیناست حاصل شده است. البته روال افزایش غلظت آلومینا در پوشش با افزایش غلظت آن در محلول، روالی افزایشی است که حداکثر آن مقدار یادشده است.
-2-3 تاثیر دانسیته جریان بر ترکیب
شکلهای 5 و 6 تاثیر دانسیته جریان بر درصد حجمی ذرات آلومینا در پوشش را نشان می دهند. به منظور تعیین دانسیته جریان و خواص سایشی پوشش، سرفکتانت و غلظت ذرات داخل الکترولیت بترتیب در 200 mg/l و 20 g/l ثابت نگه داشته شده است. همچین ذرات آلومینا با اندازه 80 نانومتر، روش رسوبدهی الکتریکی DC با دمای حمام 45 c بر روی پایه فولاد، جریان اعمالی 3 آمپر بر دسیمتر مربع و غلظت 10 گرم بر لیتر ا ز آلومینا در محلول بوده اند.[3]
پوششهای نانو کامپوزیتی نیکل-آلومینا
شکل - 5 توزیع ذرات آلومینا در دانسیته جریان مختلف ذرات آلومینا با اندازه 80 نانومتر، روش رسوبدهی الکتریکی DC با دمای حمام 45 c بر روی پایه فولاد و غلظت 10 گرم بر لیتر ا ز آلومینا در محلول (F) ,3 A/dm2 (E),1 A/dm2 (D)
[3]9A/dm2 (G),6A/dm2
در شکل 6 مشاهده میشود که درصد حجمی ذرات آلومینا در پوشش با افزایش دانسیته جریان افزایش یافته و به مقدار ماکزیمم در 3 A/dm2 (معادل 0,03 آمپر بر سانتیمتر مربع) می رسد و در بیشتر از این مقدار ثابت میماند. دراین مطالعه دلیل ثابت ماندن غلظت آلومینا در پوشش با افزایش شدت جریان بیش از حد بحرانی، به تغییر در مکانیزم رسوبدهی این ذرات نسبت داده شده است. با افزایش شدت جریان بیش از حد بحرانی که در این مطالعه 3 آمپر بر دسیمتر مربع بدست آمده است، رسوب دهی ذرات آلومینا از طریق فرایند نفوذ آنها به سطح کنترل می شود، به این معنی که هر چه نیروی محرکه افزایش یابد، زمان مشخصی صرف خواهد شد که ذرات آلومینا نفوذ کرده و به سطح برسند. از آنجا که این سرعت مستقل از نیروی محرکه است، سرعت رسوبدهی تحت کنترل نفوذ این ذرات است.[3]
شکل -6 تغییرات درصد حجمی آلومینای رسوب داده شده در پوشش با دانسیته جریان .[3]
دومین همایش ملی هیدرات گازی ایران 25-26 اردیبهشت 1392، دانشکده مهندسی شیمی، نفت و گاز دانشگاه سمنان
ساها و همکارانش در مطالعات خود تاثیر دانسیته جریان اعمالی بر غلظت آلومینا در پوشش را بررسی کردند. آنها پوشش کامپوزیتی نیکل -آلومینا با اندازه 50 نانومتر را بر روی پایه فولادی AISI 1018 با روش DC اعمال کرده و جریان بهینه معادل 0,01 آمپر بر سانتیمتر مربع را بدست آوردند.[12] تفاوت مطالعه آنها با این مشاهدات آن است که در جریانهای بیش از جریان بهینه (معادل 0,01 آمپر بر سانتیمتر مربع) غلظت آلومینا در پوشش کاهش یافته است. نکته جالب آن است که با افزایش شدت جریان بیش از جریان بهینه، جذب یونهای نیکل بر روی سطح با سرعت بیشتری نسبت به یونهای نیکل در جریانهای پایین تر و همچنین نسبت به آلومینا انجام شده و لذا سبب کاهش غلظت آلومینا در پوشش شده است (شکل . [12](7
شکل -7 تغییرات درصد حجمی آلومینای رسوب داده شده در پوشش با دانسیته جریان در پوشش کامپوزیتی نیکل-آلومینا با اندازه 50 نانومتر را بر روی پایه فولادی AISI 1018 با روش .[12] DC
-2-4 ریزسختی پوشش کامپوزیتی
از مهمترین خواص یک پوشش کامپوزیتی، سختی آن است که ارتباط مستقیمی با مقاومت به سایش نیز دارد. لذا مقدار سختی یک پوشش، قبل و بعد از اعمال تغییرات لازم، نظیر تبدیل یک پوشش آلیاژی معمولی به پوشش کامپوزیتی، بایستی مورد ارزیابی قرار گیرد. در شکل 8 ریزسختی پوشش نیکل خالص و پوشش کامپوزیتی Ni-Al2O3 بر حسب غلظت سرفکتانت، غلظت ذرات آلومینا در پوشش و شدت جریان اعمالی در فرایند رسوبدهی نشان داده شده است. بطور کلی ریزسختی پوشش با افزایش غلظت ذرات نانو پراکنده شده افزایش می یابد11]و.[3 بهبود سختی پوشش کامپوزیتی به رسوب سختی حاصل از ذرات آلومینا که مانع از حرکت نابجاییها در زمینه کامپوزیت می شود، مرتبط می شود.[3] همانگونه که در شکل 8 ملاحظه می شود با افزایش سرفکتانت به میزان 200 گرم بر لیتر (که حد بهینه سرفکتانت معرفی شده است) افزایشی معادل %92 در ریز سختی پوشش مشاهده می شود. همچنین حضور 20 گرم بر لیتر آلومینا در محلول سبب افزایش 90 در صدی در میزان ریزسختی پوشش شده است. از سوی دیگر با اعمال جریان 3 آمپر بر دسیمتر مربع که جریان بهینه اعمال این پوشش دانسته شده است، افزایش تقریبی %90 در سختی پوشش حاصل شده است.
