عنوان پایان‌نامه
آلیاژ سازی سطحی تیتانیوم با کروماز طریق ذوب سطحی رر محیطهای آرگون ونیتروژن
- رشته تحصیلی
- مهندسی مواد-جوشکاری
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: TN 1228;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 71643
- تاریخ دفاع
- ۲۷ دی ۱۳۹۳
- دانشجو
- علیرضا واحدی نعمانی
- استاد راهنما
- احمدعلی آماده, محمود حیدرزاده سهی
- چکیده
- تیتانیم و آلیاژهای آن هم چون Ti-6Al-4V به دلیل خواص ویژه‌ای از جمله چگالی کم، استحکام بالا، مقاومت به خوردگی عالی و نیز قابلیت انطباق با شرایط زیستی بدن، کاربردهای زیادی در صنایع مختلف به‌خصوص صنایع هوایی و صنایع پزشکی پیدا کرده اند. یکی از مشکلات اصلی تیتانیم، خواص ضعیف تریبولوژیکی است که کاربرد آن را در صنایع انتقال نیروی محرکه و قطعاتی که تحت سایش کار می‌کنند، محدود می‌نماید. در این پژوهش به منظور بهبود خواص تریبولوژیکی، لایه‌های کامپوزیتی سطحی بر مبنای فازهای نیتریدی به همراه افزودن کروم به عنوان عنصر آلیاژی بر زیرلایه آلیاژ Ti-6Al-4V با به کارگیری روش GTAW ایجاد گردید. در این فرآیند ابتدا پودر کروم خالص، روی سطح زیرلایه پیش نشست شد و سپس عملیات ذوب سطحی در محیط محافظ مخلوط گازهای آرگون و نیتروژن به روش قوس تنگستن انجام گردید. هدف از دمیدن نیتروژن به داخل حوضچه مذاب، تشکیل فاز سخت نیترید تیتانیم و هدف از افزودن کروم علاوه بر نیتریدزایی، جلوگیری از استحاله مارتنزیتی و پایدار نمودن فاز نسبتاً نرم بتا در دمای محیط بوده است. بدین ترتیب با ایجاد لایه کامپوزیتی سطحی حاوی فاز تقویت کننده سخت TiN در زمینه نرم ?-Ti روی سطح نمونه می توان مقاومت به سایش قطعه را تا میزان قابل توجهی افزایش داد. ساختارهای لایه ها و فازهای حاصل از عملیات کامپوزیت سازی سطحی توسط میکروسکوپ نوری، میکروسکوپ الکترونی روبشی مجهز به طیف سنجی انرژی پرتو ایکس و پراش سنجی پرتو ایکس بررسی شدند. سختی حاصله در منطقه ذوب سطحی شده و ناحیه متأثر از حرارت نیز توسط ریزسختی سنجی به روش ویکرز محاسبه گردید. هم‌چنین مقاومت به سایش لایه‌های کامپوزیتی سطحی به‌کمک آزمون پین روی دیسک اندازه‌گیری شد. نتیجه انجام تحقیقات، نشان دهنده افزایش سختی سطح قطعات تا حداکثر 1200 ویکرز بود درحالی که سختی آلیاژ پایه Ti-6Al-4V حدود 280 ویکرز بوده است. هم چنین مقاومت به سایش لایه های سطحی نسبت به زیر لایه به طور قابل ملاحظه ای افزایش یافت به قسمی که نرخ سایش لایه های کامپوزیتی تا حداکثر حدود 14 برابر نسبت به آلیاژ پایه کاهش پیدا کرد. این بهبود سختی و مقاومت به سایش را می توان به تشکیل ترکیبات سخت TiN، TiCr2 و Cr2N در لایه کامپوزیتی سطحی نسبت داد. کلمات کلیدی: فرآیند قوس تنگستن، آلیاژ Ti-6Al-4V، کامپوزیت سازی، سختی، سایش.
- Abstract
- Titanium-based alloys such as Ti-6Al-4V have many desirable properties such as exceptional corrosion resistance, low density, good oxidation resistance and high strength to weight ratio. These advantages make them suitable for using in many industries such aerospace and biomaterials. However the main obstacle for the wide use of these alloys is their poor tribological properties. In this study, liquid phase surface alloying of Ti-6Al-4V was carried out by pre-placing of chromium powder on the substrate and subsequent tungsten inert gas (TIG) surface melting in a nitrogen containing atmosphere. The presence of nitrogen in the shielding gas causes the formation of hard and brittle titanium nitrides and the addition of chromium as the alloying element can stabilize the fairly ductile bcc-? phase in the matrix. Therefore a composite layer will form on the surface which is reinforced by hard titanium nitride dispersed in a matrix of tough and ductile bcc-? phase. The microstructures of treated layers were investigated by optical microscope, scanning electron microscope equipped with EDS, and phases formed were studied by X-ray diffraction analysis. The hardness of these layers was also evaluated using Vickers microhardness device. Dry wear tests were also carried out at ambient temperature by pin-on-disk method. The results showed that the hardness increased from 280 HV0.3 for the as-received material up to maximum 1200 HV0.3 for the fabricated layers and the wear rate of the treated layers was also reduced significantly as compared to the titanium based alloy. The weight loss of the alloyed layer at the best condition was 14 times lower than that of the base material. The enhancement in the hardness and wear properties was mainly due to the formation of fairly hard intermetallic compounds such as TiN, TiCr2 and Cr2Ndispersed in fairly ductile ? titanium in the surface alloyed layers. Keywords: Ti-6Al-4V, TIG, Liquid phase, Surface nitriding, Wear
