تاثير فرآيند دوتايي نيتروژن دهي پلاسمايي و رسوب فيزيكي بخار بر ساختار آلياژ Ti 6Al 4V

Structural characterisation of Ti 6Al 4V alloy after plasma nitriding and duplex process comprised of physical vapor deposition

هدف از پژوهش حاضر ارزيابي و مقايسه مشخصه هاي ساختار سطحي آلياژ Ti 6Al 4V پس از انجام دو فرآيند مهندسي سطح شامل فرآيند نيتروژن دهي پلاسمايي و فرآيند دوتايي نيتروژن دهي پلاسمايي و لايه‌نشاني نيتريد تيتانيم به‌وسيله رسوب فيزيكي از فاز بخار است. عمليات نيتروژن دهي پلاسمايي در دماهاي 700، 750، 800 و °C850 به‌مدت 10 ساعت با تركيب گاز نيتروژن و هيدروژن با نسبت 4 به 1 انجام شد. جهت انجام فرآيند دوتايي، لايه‌TiN به-روش رسوب فيزيكي بخار به‌كمك پلاسماي قوس كاتدي، روي سطح نمونه هاي نيتروژن‌دهي پلاسمايي‌شده، نشانده شد. مشخصه‌يابي ساختار سطح و مقطع نمونه ها توسط ميكروسكوپ نيروي اتمي (AFM)، ميكروسكپ الكتروني روبشي (SEM)، طيف سنج تفكيك‌كننده انرژي (EDS)، پراش سنج پرتو ايكس (XRD) و سختي سنج ويكرز انجام شد. در حالي كه لايه‌نشاني نيتريد تيتانيم به‌تنهايي منجر به تشكيل فاز TiN-? شـده، نيتروژن دهي پلاسـمايي آلياژ Ti 6Al 4V، باعث ايجـاد لايه تركيبي، شامل فـازهاي -TiN? و -Ti2N?، ناحيه غني از آلومينيم و ناحيه نفوذي حاصل از نفوذ نيتروژن و تشكيل محلول جامد بين نشين، شده است. الگوهاي پراش پرتو ايكس مربوط به فرآيند دوتايي نشان‌دهنده‌ حضور هم‌زمان پيك‌هاي متعلق به فازهاي تشكيل‌شده در اثر هر دو فرآيند است. هرچند ساختارهاي حاصل از هركدام از دو فرآيند به‌تنهايي سختي سطح را افزايش داده است، سختي سطح خارجي در شرايط پوشش دوتايي در مقايسه با نمونه‌هاي نيتروژن‌دهي پلاسمايي شده به طور قابل توجهي افزايش يافته است. فصل‌مشترك ممزوج‌شده لايه TiN (حاصل از فرآيند PVD) با لايه تركيبي (حاصل از نيتروژن دهي پلاسمايي) نقش مهمي در كارايي پوشش دوتايي داشته است. با افزايش دماي نيتروژن دهي پلاسمايي نه‌تنها نرخ تشكيل لايه‌ TiN ايجاد‌شده با روش رسوب فيزيكي بخار افزايش يافته، بلكه پيوستگي لايه TiN به لايه تركيبي نيز بهبود يافته است.

The purpose of the present paper was evaluation and comparison of Ti 6Al 4V alloy structural surface characteristics after both surface engineering processes comprised of plasma nitriding (PN) and a PN process followed by TiN PVD deposition, duplex process. PN treatment performed under gas mixture of N2/H2=4; at temperatures of 700, 750, 800 and 850°C for 10 h. To perform duplex process, a TiN layer deposited by catholic are plasma PVD on the surface of pre plasma nitrided samples. Structural characterization of surface and cross section performed by scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), energy dispersive spectroscopy (EDS), X-ray diffraction (XRD) and microhardness testing methods. While TiN deposition was led to formation of only ?-TiN phase, three distinguished structure including of compound layer (constituted of ?-TiN and ?-Ti2N), aluminum-rich region and a diffusion zone, interstitial solid solution of nitrogen in titanium, were detected at the surface of plasma nitrided Ti 6Al 4V alloy. XRD patterns of duplex treated samples were indicated the simultaneous present of phases which formed during both processes. Although the structures obtained from each one of the processes alone were increased surface hardness, the hardness of outer surface produced by duplex process was significantly higher than plasma nitrided samples. Interdiffused interface of TiN layer (resulted of PVD process) with compound layer (caused by PN process) has been a significant role on the duplex coating performance. Increasing of plasma nitriding temperature, not only increased growth rate of TiN deposition by PVD process, but also improved homogeneity and continuity of TiN with compound layer.