بررسي عددي و تجربي رفتار مكانيكي پوشش هاي سخت نانو ساختار TiAlN اعمال شده به روش PVD بر زيرلايه فولاد تندبر

Numerical and Experimental Investigations of Mechanical Behavior of Hard TiAlN Nanostructured Coatings Applied by PVD on HSS Substrate

هدف از اين تحقيق، ايجاد پوشش نانوساختار TiAlN بر زيرلايه فولاد تندبر HSS با استفاده از روش تبخير قوس كاتدي و نيز بررسي تاثير درصد چرخه كار بر خواص سطحي پوشش از جمله مورفولوژي و ساختار سطح، ضخامت پوشش و رفتارمكانيكي پوشش نانوساختار است. براي مشخصه يابي پوشش ها از دستگاه هاي پرتوي اشعه ايكس و ميكروسكوپ الكتروني روبشي بهره گرفته شد. همچنين براي ارزيابي رفتارمكانيكي از آزمون ميكروسختي استفاده شد. مطالعات نشان مي دهد كه با تغيير درصد چرخه كار در فرآيند لايه نشاني، مقدار و اندازه ماكروذراتي موجود در پوشش تغيير يافته كه اين امر در زبري سطح و مورفولورژي آن تاثيرگذار است. اين عامل به باردارشدن ماكروذراتي توليدشده در اتمسفر لايه نشاني مربوط مي شود. همچنين به دليل اينكه تغييرات اندازه دانه به تغييرات درصد چرخه كار وابسته است كه اين تغييرات نيز بر خواص مكانيكي پوشش اثرگذار خواهد بود كه با مكانيزم لايه نشاني در درصدهاي مختلف چرخه كار مرتبط است. بنابر آزمون هاي سختي گرفته شده هنگامي كه چرخه كار از 25% به 50% افزايش مي يابد سختي از 3168ويكرز به 3817ويكرز افزايش پيدا مي كند اما با افزايش چرخه كار از 50% به 75%، سختي به 3582 ويكرز كاهش پيدا مي كند. در نتيجه با تغيير چرخه كار مي توان، درصد بهينه آن براي خواص مكانيكي مطلوب را تعيين نمود. همچنين حداقل ضريب اصطكاك (0/44) و حداقل نرخ سايش، براي پوشش TiAlN با درصد چرخه كار 75% تعيين شد كه اين مي تواند به صافي بهتر و تراكم بالاتر اين پوشش نسبت داده شود.

In this research, nanostructured TiAlN coatings were applied on HSS substrate using cathodic arc evaporation method (CAE) in the different duty cycle values. Then the effect of duty cycle on the coating surface properties including surface morphology and structure, coating thickness and mechanical behavior of nanostructured coatings were investigated. X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) were used to characterize the surface coatings. Also, micro indentation and adhesion test were utilized to evaluate the mechanical behavior. The results show that by changing the duty cycle, the macro-particles size and amount change which is effective on the roughness and morphology of the coatings. It is attributed to the electrical charge of macro-particles that are produced in the process which can be influenced by the structure. Also, the changes in grain size depend on the changes of duty cycle value. Furthermore, the mechanical properties of the coatings are affected by altering the duty cycle related to the deposition mechanism. The hardness value of TiAlN coatings increases from 3168 HV to 3817 HV when the duty cycle increases from 25% to 50%. But whit an increase in duty cycle from 50% to 75%, hardness reduced to 3582 HV. Consequently, it can be possible to find an optimum duty cycle value to achieve the best mechanical properties. Also, the minimum friction coefficient (0.44) and the minimum wear rate were determined for the TiAlN coating with the duty cycle of 75%, which it can be attributed to better smoothness and higher density of the coating.