عنوان پایان‌نامه
بررسی رفتار تریبولوژیکی آلیاژ اکسید حرارتی شده Ti-۶Ai-۴V در محیط سازگار با بدن تحت نیروهای اعمالی مختلف
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: TN 1044;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 59804
- تاریخ دفاع
- ۲۴ مرداد ۱۳۹۱
- دانشجو
- محسن شمس الدینلو
- استاد راهنما
- حمیدرضا قاسمی منفردراد
- چکیده
- آلیاژهای تیتانیم به دلیل تمایل زیاد به واکنش با اکسیژن، به سرعت اکسید شده و یک لایه اکسیدی متراکم، چسبنده و سخت را تشکیل می دهند که آلیاژ را غیرفعال می کند. اکسیداسیون حرارتی روی آلیاژ Ti-6Al-4V، در یک کوره با اتمسفر طبیعی در دو مرحله انجام گرفت. ابتدا برای تعیین دمای بهینه، اکسیداسیون در محدوده دمایی 550 تا 700 درجه سانتی گراد و محدوده زمانی 12 تا 60 ساعت انجام گرفت و 650 درجه سانتی گراد به عنوان دمای بهینه انتخاب شد. در مرحله بعدی برای تعیین زمان بهینه، اکسیداسیون در 650 درجه سانتی گراد برای محدوده زمانی 12 تا 48 ساعت انجام گرفت و 24 ساعت به عنوان زمان بهینه انتخاب شد. با انجام اکسیداسیون حرارتی در دمای 650 درجه سانتی گراد و برای مدت زمان 24 ساعت به عنوان شرایط بهینه، لایه اکسیدی و لایه نفوذی به ترتیب با ضخامت های 1/4 و 8/0 میکرومتر تشکیل شد. برای آلیاژ اکسید حرارتی شده سختی سطحی حدود 810 ویکرز (HV0.1) بدست آمد. به علاوه آزمون پراش پرتو ایکس (XRD) این آلیاژ، مشخص کرد که لایه اکسیدی دارای ترکیب TiO2 با ساختار کریستالی روتایل است. رفتار تریبولوژیکی نمونه های دیسکی آلیاژ پایه و اکسید حرارتی شده Ti-6Al-4V در مقابل گلوله های آلومینایی به وسیله آزمون پین بر روی دیسک، تحت نیروهای 1، 2، 4 و 8 نیوتن و سرعت های لغزش 0/1 و 0/2 متر بر ثانیه در محیط محلول 0/9 درصد وزنی نمک کلرید سدیم مورد بررسی قرار گرفت. عمر و پایداری لایه اکسید حرارتی شده تحت نیروها و سرعت های مختلف تخمین زده شد. نتایج نشان دادند، با افزایش نیرو و سرعت، عمر لایه اکسیدی کاهش پیدا می کند. عمر لایه اکسیدی از بیش از 300 متر تحت نیروی 1 نیوتن و سرعت 0/1 متر بر ثانیه به حدود 50 متر تحت نیروی 8 نیوتن می رسد. همچنین نتایج نشان دادند که نرخ سایش آلیاژ اکسید حرارتی شده بیش از 60 درصد کمتر از نرخ سایش آلیاژ پایه بود. ضریب اصطکاک آلیاژ اکسید حرارتی شده در مقایسه با آلیاژ پایه حدود 30 درصد بیشتر شده است. با افزایش سرعت لغزش از 0/1 به 0/2 متر بر ثانیه، نرخ سایش و ضریب اصطکاک افزایش یافت.
- Abstract
- The high affinity of titanium alloys for oxygen drastically increases the oxidation rate of the alloys, which leads to the passivation of titanium alloys due to the formation of a condense, adherent, and hard titanium oxide layer on the surfaces of the alloys. In the present work, the process of thermal oxidation was conducted on Ti-6Al-4V alloy in a furnace under atmospheric condition. The optimum temperature and time of thermal oxidation process were obtained. For this purpose, the oxidation of the alloy was carried out at temperatures of 550 to 700 ?C and oxidation times of 12 to 60 hours. The results revealed that the temperature of 650 ?C and oxidation time of 24 hours could be the optimum condition for thermal oxidation process. Carrying out the thermal oxidation at the optimum conditions resulted in an oxide layer and an oxygen diffused layer that were 1.4 µm and 8.0 µm in thicknesses, respectively. The X-ray diffraction (XRD) pattern indicated that the oxide layer could be a TiO2 compound with the rutile crystal structure. It was also revealed that the surface hardness could increase from 300 HV for the base material to 810 HV for the thermally oxidized alloy. Tribological behavior of Ti-6Al-4V disks against alumina balls was studied under normal loads of 1, 2, 4, and 8 N, at sliding speeds of 0.1 and 0.2 ms-1 in a 0.9 wt. % NaCl solution using a pin-on-disk tribometer. The stability and resistance of the oxide layer, formed on the surfaces of thermally oxidized alloy, at various sliding conditions was estimated. The results revealed that the stability of the oxide layer decreased as the normal load and sliding velocity increased. It was observed that the oxide layer could remain on the worn surface for 300 m of sliding under normal load of 1 N and sliding velocity of 0.1 ms-1. This layer lost its stability for sliding distances over 50 m under the normal load of 8 N. It was also shown that under all normal loads, the wear rates of thermally oxidized alloys were more than 60% lower than those of the base material. It was revealed that the coefficient of friction of the thermally oxidized alloy was about 30% higher than that of the base material. The results also showed that coefficient of friction and wear rate of the thermally oxidized alloy increased as the sliding speed increased from 0.1 to 0.2 ms-1.
