بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش سطح سوپرهیدروفوب پایدار با خاصیت مقاومت به خوردگی بسیار بالا روی سطح آلیاژ آلومینیم 6020 با استفاده از عملیات شات پین کردن اولیه و اچ کردن شیمیایی و بلافاصله عملیات اصلاح با سیلان ایجاد گردید. و تاثیر عملیات شات پین کردن بر روی ترشوندگی و مقاومت به خوردگی نمونههای ایجاد شده مطالعه گردید. مقاومت به خوردگی سطوح سوپرهیدروفوب ایجاد شده با استفاده از آزمون غوطهوری، پلاریزاسیون پتانشیوداینامیک و طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی - EIS - در محلول 3 5wt% NaCl مورد ارزیابی قرار گرفت. همچنین پایداری شیمیایی سطوح ایجاد شده با غوطه وری در محلول 3 5wt % NaCl مورد مطالعه قرار گرفت.
نتایج حاصله نشان دهنده بالاترین زاویه تماس 153°- 2 برای نمونههایی که شات پین شده بودند مشاهده شد. نتایج آزمونهای خوردگی نیز نشان دهنده مقاومت به خوردگی بسیار بالای سطوح سوپرهیدروفوب شده که قبلا شات پین شده بودند، میباشد. که این مقاومت به خوردگی بالا بع علت خاصیت سوپرهیدروفوبی سطح میباشد. نرخ خوردگی نمونههای سوپرهیدروفوب شده غوطه ور شده نیز حدود %94 کاهش یافت. همچنین نتایج آزمون پایداری شیمیایی نمونه های سوپرهیدروفوب شده نشان دهنده پایداری شیمیایی خوب نمونه ها در محیط مورد نظر برای نمونه های شات پین شده بود، زاویه تماس قطره آب نیز برای این نمونه بعد از گذشت 3 روزتغییرات ناچیزی را نشان داد.
کلمات کلیدی: سطح سوپر هیدروفوب، شات پین کرردن، مقاومت به خوردگی، پایداری شیمیایی
.1 مقدمه
آلومینیم و آلیاژهای آن به عنوان یکی از مواد مهندسی پراهمیت روزافزون میباشد که به طور گستردهای در زمینههای مختلف صنعتی شامل کشتی سازی، مهندسی اقیانوس شناسی، تجهییزات غواصی، معماری و ساخت ماشین آلات مورد استفاده قرار گرفته است .[1-3] گروه 6000 از آلیاژهای آلومینیم حاوی منیزیم و سیلیکون به عنوان عنصر آلیاژی اصلی میباشند.[4] آلیاژهای آلومینیم سری 6xxx معمولا برای کاربردهای دریایی که مواد با دانسیته پایین، خواص مکانیکی مناسب و مقاومت به خوردگی مناسب موردنظر است، مورد استفاده قرار میگیرد6]،[5 و ماده مهمی به دلیل نسبت وزن به استحکام به حساب میآیند. چرا که دارای قیمت کم، قابلیت ماشینکاری عالی، مقاومت به خستگی بالا، دانسیته کم، دسترسی آسان و خواص دوستدار محیط زیست بودن میباشد8]،.[7 مقاومت به خوردگی این آلیاژها مربوط به لایه اکسیدی - پسیو - است که به طور طبیعی بر روی سطح آلیاژی که تحت شرایط اتمسفری نرمال قرار دارد، تشکیل میشود. [ 9] فیلم اکسیدی تشکیل شده بر سطح آلیاژهای آلومینیم ، غیریکنواخت، نازک و غیر منسجم می-باشد.
بنابراین این لایه بیان کننده سطح معینی از حفاظت میباشد. گرچه، با توجه به لایههای اکسیدی سطحی محافظ تشکیل شده طبیعی در آب دریا و محیطهای حاوی یون کلریدی 11]،[10 به آسانی نفوذ کرده و پوسته شان جدا میشود - . - peeled که عمر سرویس دهی آنها را کاهش داده و موجب ایجاد تاثیرات نامناسب بسیاری در کاربرد آنها مخصوصا در صنعت دریایی میشود. بهبودمقاومت به خوردگی آلیاژهای آلومینیم به موضوع مهمی برای کاربردهای این آلیاژ در صنعت مبدل شده است [12] برخلاف مقاومت به خوردگی بالای آلیاژهای آلومینیم در محیطهای کلریدی، خوردگی موضعی و ترک برداری ناشی از تنش - stress corrosion - cracking اغلب رخ میدهد[13]تاکنون نیز روشهای مختلفی برای حفاظت آلومینیم و آلیاژهای ان برای حفاظت در برابر خوردگی در اب دریا، توسعه یافته است.[14]
با این وجود، دستاوردهای حاصل به طور اجتناب ناپذیری، موجب آلودگیهای محیطی شده و فرایند ساخت پیچیده با هزینههای بالا داشته و غیرقابل کنترل میباشد. بنابراین دستیابی به روشی مناسب برای بهبود مقاومت به خوردگی آلومینیم هم اکنون به عنوان چالشی بزرگ مطرح است.[15] همچنین با توجه به گسترهی وسیعی از پتانسیلهای کاربردی سطوح ابرآبگریز، نیاز به درک عمیقتری از نهتنها نحوه ساخت با استفاده از روشهای ساده، بلکه همچنین چگونگی تغییرات خواص سطحی، مانند مورفولوژی، زبری، و شیمی سطح، که روی ترکنندگی و پایداری سطحی موثر است، میباشد.[15-18] یکی از کاربردهای بسیار مهم برای سطوح ابرآبگریزمقاومت به خوردگی فلزات و آلیاژها میباشد پوششهای ابرآبگریز روی فلزات طی دو دههی اخیر مقاومت به خوردگی قابل ملاحظهای در محیط های بسیار خورنده از خود نشان داده است20]،[19
برخلاف سطح جامد هیدروفوب، سطوح سوپرهیدروفوب فصل مشترک تماس زیرلایه – هوا - آب کاملا جدیدی را نشان میدهند، که امکان ایزوله کردن زیرلایه فلزی از محیط خورنده را داشته و موجب بهبود مقاومت به خوردگی آنها میشود. از این جهت، این دستاوردها برای بهبود مقاومت به خوردگی آلومینیم و آلیاژهای آن با استفاده از ساخت ساختار میکرو / نانو مقیاس در ابتدا با استفاده از چند اچانت و سپس اصلاح سطحی روی زیرلایهها مورد استفاده قرار گرفته است.] 22،. [ 21 اچ کردن روشی ساده و برای مثال Escobar و همکارانش [23]سطوح سوپرهیدروفوب با مقاومت به خوردگی بهبودیافته بر زیرلایه آلومینیم خالص تجاری با استفاده از محلول اچینگ اتانول هیدروکلریک اسید و عملیات اصلاح لوریک اسید ایجاد کردند. Feng و همکارانش[25] سطوح سوپرهیدروفوب با مقاومت به خوردگی بالا روی الیاژ آلومینیم LD6063 با عملیات اچینگ آب جوش و عملیات اصلاح استاریک اسید ایجاد کردند. گرچه، چندین دستاورد درباره مقاومت به خوردگی مهم سطوح آلومینیم و آلیاژهای آن با استفاده از فرایند دو مرحلهای کلاسیک ساخته شده است.
با اعمال شات پینیگ روی سطح قطعه دندانههای کوچک شبه کروی ایجاد میشود، با توجه به تداخل دندانهها لایهی یکنواختی از تنش فشاری روی سطح فلز ایجاد میشود. شات پین کردن باعث ایجاد عیوب و تغییر شکل در نزدیکی سطح شده و بنابراین موجب تغییر ریزساختار میشود. و به منظور بهبود مقاومت به خوردگی و مقاومت به خستگی اجزای فلزی انجام شده و میتواند طول عمر آنها را افزایش دهد 26]،.[ 25 گرچه فرایند شات پینینگ به تنهایی هیچ پیشرفتی در خوردگی را نشان نمیدهد [27] ولی اعمال فرایند شاتپینیگ همراه با سوپر هیدروفوب کردن سطح میتواند منجر به بهبود خواص خوردگی سطح در مقایسه با سطح صاف و زبرنشده و سطح شاتپین شده به تنهایی شود. چرا که زبری پارامتر مهمی هم بر روی مقاومت به خوردگی و هم روی پارامترهای ترشوندگی و سوپرهیدروفوبی میباشد و ترکیب بهینه زبری و مورفولوژی سطحی میتواند منجر به ایجاد خواص خوردگی و ترشوندگی مناسب قطعه ها شود. که در این پژوهش نیز هدف بررسی تاثیر شات پین کردن بر روی خوردگی و بهبود خواص خوردگی نمونهها بعد از سوپرهیدروفوب کردن نمونههای شات پین شده میباشد. تاکنون نیز مطالعاتی که تاثیر شات پین کردن - نانو ساختارکردن - سطح بر روی خاصیت سوپر هیدروفوبی سطوح فلزات و متعاقبا تاثیر آن روی مقاومت به خوردگی باشد بررسی نشده است. به همین دلیل در این پژوهش تمرکز بر روی شات پین کردن و بررسی تاثیر آن روی خاصیت ترشوندگی و مقاومت به خوردگی بوده است.
.2 مراحل تجربی
-1-2 مواد و تجهییزات
ورق آلیاژ آلومینیم تجاری 6020 تهیه شد. که ترکیبات اصلی آن 97,63 wt% آلومینیم و 1 wt % منیزیم و 0,52 wt%سیلیسم میباشد. متیل تری کلرو سیلان - - %97 - - methyle trichloro silane از شرکت مرک خریداری شد. مواد شیمیایی دیگر مانند NaCl از شرکت دکتر مجللی خرداری شد.
-2-2آماده سازی نمونهها
نمونههای آلومینیمی در ابعاد 3×2 cm2 و ضخامت 1mm آماده شدند. نمونهها به دو دسته تقسیم بندی شدند. دسته اول نمونهها با سمبادههای 400، 800، 1200 سمباده زنی شدند. دسته دوم به منظور ایجاد زبری بیشتر و تغییر ساختار سطح نمونهها تحت فرایند شات پینینگ قرار گرفتند. تمامی نمونهها در مرحله بعد با استفاده از دستگاه التراسونیک با آب مقطر و اتانول شستشو و چربی گیری شدند. بعد از خشک کردن تمامی نمونهها در محلول distilled water 190 ml, nitric acid 5 ml, hydrochloric acid 3 ml , hydrofluoric - - keller - acid 2 ml - کلر، در مدت زمانهای اچ مختلف ، در دمای اتاق اچ شدند و مدت زمان بهینه اچ برای بدست آوردن زبری مناسب برای نمونهای شاتپین شده و پولیش بدست آمد - 65 ثانیه برای نمونههای پولیش شده و 45 ثانیه برای نمونههای شات پین شده بدست آمد - . اچ کردن فلزات در اسید منجر به ایجاد ساختار زبر مورد نیاز برای دستیبابی به سطوح سوپرهیدروفوب بعد از عملیات اصلاح شیمیایی سطح میشود. که این متد به طور گستردهای برای ایجاد خاصیت سوپرهیدروفوبیسیتی در فلزاتی مانند فولاد، آلومینیم، و روی استفاده شده است.
تعداد زیادی از مکانهای نابجایی پرانرژی در فلزات کریستالی وجود دارد که مستعد خورده شدن در مواجهه با اچنتهای شیمیایی هستند که منجر به ایجاد سطح زبر در مقیاس میکرو میشود.[19] همانطور که در کتاب Vander Voortʼs مشاهده میشود [28] اچانتهای نابجایی مخصوصی برای دیتکت کردن نابجایی ها در کریستال گسترش یافته است. وقتی که کریستالی در محلول اچانت نابجاییها فروبرده میشود، حفرههایی روی سطح تشکیل میشود. و تحرک monatomic steps در کل سطح میباشد. و سرعت نسبی جوانه زنی و تحرک اتمها شکل هریک از حفرات را تعیین میکند.[19] بعد از مرحله اچ کردن، نمونههای حاصل بلافاصله با آب مقطر شستشو شده تا از هرگونه واکنش اضافی دیگر و همچنین ذرات آلودگی تمییز گردد. نمونهها بعد از شستشو بطور کامل خشک شدند.
-3-2 عملیات اصلاح شیمیایی نمونهها
نمونههای پولیش شده و شات پین شده، اچ شده در مرحله بعد با استفاده از غوطه وری در محلول %10 حجمی متیل تری کلروسیلان در هگزان به مدت 210 دقیقه غوطه ور شدند تا لایه نازک و متخلخل ارگانوسیلیکایی روی سطح دردمای اتاق تشکیل شود. سپس نمونهها در دمای 150 درجه سانتیگراد در کوره به مدت 120 دقیقه خشک شدند. برای راحتی بحث، نمونهها مطابق جدول زیر نامگذاری شدند.
-4-2مشخصه یابی
زاویه تماس - CAs - قطرهها روی هر نمونه حداقل در 4 نقطه از سطح اندازهگیری شده و میانگین مقدار زاویه تماس برای هر نمونه با زاویه تماس سنج - Fiji.app - اندازهگیری شده و گزارش میشود. از قطره آب دی آیونیزه 6 l ~ در حین اندازهگیری زاویه تماس استفاده شد. مورفولوژی سحطی نمونهها نیز با میکروسکوپ الکترونی روبشی - XL-30 - SEM مورد مطالعه قرار گرفته، پروفیل زبری نمونهها با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی مشاهده شد.
تستهای الکتروشیمیایی با استفاده از منحنیهای پلاریزاسیون پتانشیوداینامیک - pds - و امپدانس الکتروشیمیایی - EIS - مورد ارزیابی قرار گرفت. که الکترود کاری آلیاژ آلومینیم 6020 با سطح مقطع 0,785 سانتیمتر مربع و الکترود کمکی مورد استفاده پلاتین ، و الکترود مرجع، کالومل - SCE - میباشد. محلول کای ما نیز NaCl 3,5wt% میباشد. برای اندازهگیری پلاریزاسیون پتانشیوداینامیک، پتانسیل بین 300میلی ولت زیر OCP تا 1 ولت بیشتر از OCP با زمان پایداری و مشاهده OCP 45 دقیقه با اسکن ریت 2 میلی ولت بر ثانیه میباشد. EIS نیز تحت شرایط مدار باز در محدوده فرکانس 10mHz تا kHz65 میباشد.
تست غوطه وری جهت ارزیابی پایداری طولانی مدت نیز برای نمونههای شات پین شده و پولیش شده به مدت 96 ساعت 5 - روز - در محلول NaCl 3,5wt% انجام شد و از روی تغییر وزن نمونهها سرعت خوردگی نمونهها بر حسب MPY محاسبه شد. همچنین در طی 5 روز تست پایداری نمونههای سوپرهیدروفوب پولیش شده و نمونههای شات پین شده سوپرهیدرفوب شده مورد ارزیابی قرار گرفت و مقاومت به خوردگی آنها نیز طی این 5 روز با استفاده از آزمون امپدانس الکتروشیمیایی مورد ارزیابی قرار گرفت.
