ارزيابي خوردگي و خواص تريبولوژي پوشش‌هاي دولايه نيتريدي اعمال‌شده به‌واسطه نيتروژن‌دهي پلاسمايي و تبخير قوس كاتدي روي آلياژ Ti-6Al-4V

Assessment of the Corrosion and Tribological Properties of Double Layer Nitride Coatings Performed by Plasma Nitriding and Cathodic Arc Evaporation on Ti-6Al-4V Alloy

آلياژ Ti-6Al-4V، به‌علت داشتن مقاومت بالا نسبت به خوردگي، خواص مكانيكي مطلوب و زيست‌سازگاري عالي، به‌طور گسترده در صنايع پزشكي (ايمپلنت‌هاي ارتوپدي و دنداني)، نظامي و الكترونيكي استفاده مي‌شود. مشكل اصلي اين آلياژ خواص سايشي ضعيف، مقاومت خستگي كم و خواص تريبولوژي نامطلوب است. هدف از انجام اين پژوهش، ايجاد پوششي چسبنده و بهبود مقاومت به خوردگي و سايش آلياژ Ti-6Al-4V است. براي تحقق اين امر، اصلاح سطح نمونه‌ها توسط نيتروژن‌دهي در دو محيط پلاسماي الكتروليتي و اتمسفري انجام گرفت. در نهايت، لايه TiN با استفاده از روش تبخير قوس كاتدي روي نمونه‌هاي اصلاح‌شده در مرحله قبل اعمال شد. ريزساختار، ضخامت پوشش‌ها و مورفولوژي سطح با استفاده از ميكروسكوپ الكتروني روبشي (FESEM) مجهز به آشكارساز EDS بررسي شد. شناسايي فازهاي تشكيل‌شده در پوشش توسط پراش اشعه ايكس خراشان (GIXRD) مورد بررسي قرار گرفت. مقاومت به خوردگي، توسط آزمون‌هاي پلاريزاسيون تافلي و امپدانس الكتروشيميايي مورد مطالعه قرار گرفت. بررسي مقاومت سايشي و ضريب اصطكاك پوشش‌ها توسط آزمون پين روي ديسك انجام شد. بررسي نتايج نشان داد كه با اعمال پوشش روي نمونه‌ها، مقاومت به خوردگي بهبود پيدا كرد و نمونه با پوشش دو لايه نيتريد پلاسمايي/نيتريد تيتانيوم با دانسيته جريان خوردگي 7-10×1/46آمپر بر سانتي‌متر مربع و پتانسيل خوردگي 0/3-ولت داراي مقاومت به خوردگي بهتري در مقايسه با ساير پوشش‌هاست. از طرفي خواص سايشي نمونه‌ها با اعمال پوشش‌هاي دولايه بهبود يافت؛ به‌طوري كه براي هر دو نوع پوشش دولايه ايجادشده، پس از طي مسافت 3متر كمترين كاهش ضخامت در حدود 4ميكرومتر به‌دست آمد.

High corrosion resistance, proper mechanical properties, and biocompatibility of Ti-6Al-4V alloy make it suitable for medical (dentistry and orthopedic implants), military and electronic industries. The greatest disadvantages of this alloy are poor wear resistance, low fatigue strength and poor tribological properties. The aim of this study was to apply an adhesive coating to improve both corrosion and wear properties of the Ti-6Al-4V alloy. Surface modification of alloy was done by nitrogen plasma nitriding in both electrolyte plasma and atmosphere plasma environment. Finally, the TiN layer was coated on the modified samples, using cathodic arc evaporation technique. The microstructural investigation, surface morphology, and coating thickness were studied by field emission scanning electron microscope (FESEM) equipped with energy dispersive spectroscopy. The grazing incidence X-ray diffraction (GIXRD) was applied to study the phases in the coatings. The corrosion resistance was studied with potentiodynamic polarization and electrochemical impedance spectroscopy. The wear resistance and the coating coefficient of friction were tested with pin-on-disc machine. The corrosion resistance of the samples was improved by applying the coatings and the plasma-nitride/TiN double-layer coating showed the best corrosion resistance with current density of 1.46×10-7A/cm2 and corrosion potential of -0.3V. On the other hand, the lowest thickness reduction in wear test was observed in double-layer coatings, so that the thickness reduction for both double-layer coatings, was less than 4μm, after 300m sliding.