سنتز، ارزيابي خواص و سازوكار جدايش پوشش كربونيتريد تيتانيم ايجاد‌شده روي سطح آلياژ Ti-6Al-4V به روش نيتروژن-كربن دهي محفظه اي

Synthesis and Evaluation of Properties and Detachment Mechanism of Ti(C,N) Coatings Produced on the Surface of Ti-6Al-4V Alloy by Pack Nitro-Carburizing Process

در اين پژوهش پوشش كربونيتريد تيتانيم روي سطح آلياژ Ti-6Al-4V به­روش نيتروژن-كربن­ دهي نشانده شد و سازوكار جدايش پوشش از زيرلايه مورد بررسي قرار گرفت. به اين ­منظور نمونه ­هاي مكعبي از آلياژ مد­نظر درون محفظه حاوي گرافيت جاسازي شد و مجموعه درون كوره تيوبي حاوي گاز نيتروژن قرار گرفت. پس از سنتز پوشش در دماهاي1200 تا 1400 سانتي­گراد و زمان­ هاي 20، 40 و 60 دقيقه، بررسي­هاي ساختاري با استفاده از پراش ­سنج اشعه ايكس و رامان و ريزساختاري با استفاده از ميكروسكوپ الكتروني روبشي مجهز به طيف­ سنج تفكيك انرژي (EDS) انجام شد. همچنين، تاثير حضور پوشش بر مقاومت به خوردگي آلياژ در محلول آبي حاوي 5/2 مول اسيد كلريدريك، 3/2 مول اسيد نيتريك و3/2 مول اسيد فلوريدريك بررسي شد. نتايج نشان داد بيش­ترين ضخامت پوشش كربونيتريد تيتانيم ايجاد­شده در دماي 1400 سانتي­گراد و زمان 60 دقيقه در حدود 50 ميكرومتر بود. با افزايش دماي سنتز احتمال جدايش پوشش از زمينه بيش­تر شد كه اين پديده به حضور لايه غني از آلومينيوم در فصل­ مشترك پوشش و زيرلايه و در نتيجه تشكيل فازهاي ترد مانند Ti3Al و همچنين اختلاف ضريب انبساط حراراتي پوشش و زيرلايه مرتبط بود. نتايج آزمون خوردگي نشان داد كه تشكيل لايه كربونيتريد تيتانيم سبب كاهش سرعت خوردگي آلياژ Ti-6Al-4V از g.m-2.min-1130 براي نمونه بدون پوشش به حدود g.m-2.min-110 شد.

In this research, titanium carbo-nitride coatings were synthesized on the surface of Ti-6Al-4V alloy by nitro-carburizing route and the detachment mechanism of the coatings were investigated. For this purpose, rectangular blocks were embedded in a carbon containing graphite cup. Then, the cup was placed in a tubular furnace containing nitrogen gas. After coating in different temperatures between 1200 and 1400 ˚C for 20 to 60 min soaking times, structure and microstructure of the coatings were investigated by X-ray diffraction, Raman analysis and scanning electron microscope equipped with energy dispersive spectroscopy (EDS). Moreover, the effect of coatings on the corrosion resistance of the alloy in an aqueous solution containing 5.2 mol HCl, 3.2 mol HNO3 and 3.2 mol HF was investigated. Results showed that the maximum thickness of the titanium carbo-nitride coating for the sample treated at 1400 ˚C for 60 min was about 50 μm. However, the possibility of coating detachment increased with increasing the coating temperature. It was due to the formation of Al-rich layer at the interface of the coating and the substrate and the formation of Ti3Al brittle phases, as well as the difference between the thermal expansion coefficient of the coating and the substrate. Corrosion test results showed that the formation of the coatings decreased the corrosion rate of the Ti-6Al-4V alloy from 130g.m-2.min-1 for the bare alloy to 10g.m-2.min-1.