مقالات

 ارزیابی ریزساختاری با استفاده از میکروسکوپ نوری (OM)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و پراش پرتو ایکس (XRD) انجام شد. استحکام پوشش با استفاده از روش استاندارد آزمون کشش (pull-off) اندازه‌گیری شد. مقاومت به خوردگی با آزمون پاشش نمک، پلاریزاسیون الکتروشیمیایی و طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS) بررسی شد.

پوشش‌های آلیاژی FeCr و CoCr به‌طور میانگین استحکام کششی 27.2 مگاپاسکال را نشان دادند. همه شرایط مهر و موم ‌شده (sealed) خوردگی پایینی داشتند و نمونه‌های دارای چسب رزین اپوکسی مقاومت بالایی در برابر خوردگی نشان دادند. نتایج پراش پرتو ایکس نشان داد که فازهای آلفا و گاما آلیاژهای FeCr و کرومیت پس از فرآیند پوشش‌دهی، در نمونه‌ها رسوب کرده‌اند.

مقدمه

فرآیند پاشش حرارتی (Thermal Spray) یا(TS)  یک فرآیند تولیدی پرمصرف از نظر انرژی و منابع است که در آن انرژی حرارتی از طریق پلاسما/قوس الکتریکی یا احتراق سوخت تولید می‌شود [1]. این منابع انرژی برای ذوب کردن ماده پوشش‌دهنده که به‌صورت پودر یا سوسپانسیون است، مورد استفاده قرار می‌گیرند [2,3].

سیستم‌های پوششی باید از ویژگی‌های مکانیکی مناسب، مقاومت در برابر شوک حرارتی، چسبندگی بالا و تطابق با کرنش برخوردار باشند تا نیازهای دوام و پایداری را برآورده کنند [4]. با این حال، وجود تخلخل‌ها و نقص‌های پوشش می‌تواند مقاومت در برابر خوردگی و سایش را کاهش دهد.

فرآیندهای مختلف پس از اعمال پوشش (Post-treatment) می‌توانند ویژگی‌های پوشش‌های پاششی حرارتی را بهبود دهند [3، 5–7]. علی و همکارانش [8] گزارش دادند که عملیات حرارتی یکی از روش‌های اساسی پس‌فرآیند برای پوشش‌های حرارتی است. اثر اصلی این عملیات، تغییر ترکیب فازی پوشش از حالت ناپایدار (غیربرابر) به سمت حالت تعادل است. علاوه بر این، پاشش حرارتی می‌تواند تنش باقی‌مانده را تغییر داده و موجب افزایش تراکم (densification) پوشش شود.

از طریق زینترینگ (sintering) و نفوذ متقابل عناصر بین پوشش و زیرلایه انجام می‌گیرد [9, 10].

چسبندگی عالی پوشش‌ها روی یک زیرلایه مشخص، برای عملکرد مناسب سیستم پوشش/زیرلایه، حیاتی است. به‌دلیل تنوع بالای سیستم‌های مواد پوشش/زیرلایه، دامنه ضخامت‌ها و کاربردهای نهایی محصولات، روش‌های مختلفی برای آزمون چسبندگی توسعه یافته‌اند [1]. از این‌رو، استفاده از پوشش‌های پاششی حرارتی افزایش یافته و مشخصه‌یابی این پوشش‌ها برای درک رفتار مکانیکی و بهبود عملکرد آن‌ها ضروری است [10].

از چسب رزین اپوکسی ها (sealants) می‌توان برای ایجاد سطوحی با ویژگی ضد چسبندگی مانند چسب رزین اپوکسی های مبتنی بر (PTFE) استفاده کرد. عملکرد سطوح مهر و موم‌شده (sealed) به‌طور کلی بهتر از سطوح بدون چسب رزین اپوکسی است؛ با این‌حال، ارزیابی مقاومت به خوردگی در یک محیط مشخص پس از این عملیات، همواره ضروری است .

پاشش حرارتی (TS) برای ایجاد سد محافظ در برابر سایش و چسبندگی در شرایط بارگذاری پایین و همچنین در برابر خوردگی استفاده می‌شود. اگر پوشش از همبستگی (cohesion) مناسبی برخوردار باشد و چسبندگی بالایی به زیرلایه داشته باشد، چنین پوششی برای استفاده در شرایط عملیاتی مناسب خواهد بود. در مقابل، اگر چسبندگی کافی نباشد، رایج‌ترین راه‌حل، تغییر در سیستم آلیاژی پوشش است.

در این تحقیق، استحکام چسبندگی برای پنج پوشش پاششی با قوس الکتریکی، مبتنی بر سیستم‌های فلزی FeCr و CoCr مورد ارزیابی قرار گرفت. استفاده از چسب رزین اپوکسی گزینه‌ای جذاب برای کاربرد در شرایط سخت به شمار می‌رود. بنابراین، اثر عملیات مهر و موم کردن بر مقاومت به خوردگی پوشش‌های پاششی حرارتی در محیط دریایی بررسی شده است. عامل چسب رزین اپوکسی سطح پوشش را پوشش داده و به درون نقص‌های اولیه موجود در پوشش اعمال‌شده نفوذ کرده است. افزون بر این، جنبه‌های ریزساختاری، چسبندگی و مقاومت به خوردگی پوشش‌های اعمال‌شده بر زیرلایه‌های فولاد کربنی نیز مورد مطالعه قرار گرفته‌اند.

شکل ۱  – سطح پوشش داده‌شده با و بدون چسب رزین اپوکسی ، پیش از انجام آزمون چسبندگی و پاشش نمک:
الف) نمونه صفحه‌ای (Plate sample)
ب) لوله دارای پوشش (Tube with coating)
ج) سطح پوشش داده‌شده لوله که ماشین‌کاری شده است (Machined tube coating) surface)

جدول ۱ –ترکیب شیمیایی (% وزنی) سیم‌های مورد استفاده در فرآیند قوس الکتریکی

جدول ۲ – شرایط و ترکیب سیم‌ها. تمام لایه‌های میانی دارای ترکیب یکسان 95Ni5Al هستند.

فقط یک لایه میانی انتخاب شد، یک آلیاژ معمولی Ni5Al95 که چسبندگی خوبی را فراهم می‌کند و شناخته‌شده است. برای ساده‌سازی، هر ترکیب از سیم و لایه میانی با عناوین “شرایط 1 تا 6” نام‌گذاری شد، همان‌طور که در جدول 2 نشان داده شده است.

تخلخل پوشش و ضخامت لایه با استفاده از میکروسکوپ نوری همراه با پردازش تصویر ارزیابی شدند. میانگین درصد تخلخل با تحلیل ده قاب تصویری که در سه ناحیه مختلف از هر نمونه گرفته شده بودند، با استفاده از نرم‌افزار Fiji-Image J به‌دست آمد.

آزمون کشش چسبندگی (pull-off) با اعمال تنش کششی عمود بر سطح انجام شد و مطابق با استاندارد ASTM D4541-17 [13]  صورت گرفت. این آزمایش‌ها به‌صورت دو تکرار برای هر نمونه انجام شدند. نمونه به نگهدارنده بار متصل شده و سپس تراز (align) شده و سپس تنش عمودی اعمال شد. بار به‌صورت تدریجی افزایش می‌یابد و این روند تا لحظه شروع جدایش پوشش یا تا رسیدن به مقدار تنش اسمی از پیش تعیین‌شده ادامه پیدا می‌کند. بررسی‌های شکست ‌شناسی (fractography) و ریزساختاری با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) انجام شد. برخی نمونه‌ها با استفاده از ماده باکلیت (Bakelite) برای آزمایشات متالوگرافی آماده‌سازی شدند.

ویژگی‌های ریزساختاری و مورفولوژیکی مقاطع عرضی پوشش‌ها با استفاده از میکروسکوپ نوری Olympus BX60MF و میکروسکوپ الکترونی روبشی CamScan 3200LS مورد بررسی قرار گرفتند. میکروسکوپ SEM به سامانه تحلیل میکروآنالیز پرتو ایکس با تفکیک انرژی (EDX) مجهز بود که امکان نقشه‌برداری طیفی و تحلیل نقطه‌ای عناصر را فراهم می‌کرد. آماده‌سازی نمونه‌ها برای آزمایش‌های میکروسکوپی با استفاده از روش‌های استاندارد متالوگرافی انجام شد.

شناسایی فازی با استفاده از روش پراش پرتو ایکس (XRD) انجام شد. این آزمایش با دستگاه Panalytical X’Pert Pro و تابش Cu Kα انجام شد. گام اسکن ۰٫۰۵ درجه و زمان جمع‌آوری داده‌ها در هر گام ۳۰۰ ثانیه در نظر گرفته شد. محاسبات نیمه‌کمی ریتولد (Rietveld) با نرم‌افزار Topas Academic نسخه 4.1 انجام شد. در این محاسبات، پارامتر شبکه، اندازه بلور و مقیاس تنظیم شد و میزان فازهای بلوری تعیین گردید.

اندازه‌گیری‌های الکتروشیمیایی در یک سل سه‌الکترودی در دمای اتاق آزمایشگاه انجام شد. نمونه‌های فلزی به‌عنوان الکترود کاری (working electrode) استفاده شدند، الکترود مرجع، الکترود کالومل اشباع‌شده (SCE) بود و الکترود مقابل یک سیم پلاتین با سطح زیاد بود. الکترولیت مورد استفاده، محلول آبی کلرید سدیم ۳٫۵٪ وزنی تهیه‌شده با معرف گرید تحلیلی (Vetec Fine Chemicals Ltda, Brazil) و آب دیونیزه بود.

تمام آزمایش‌های الکتروشیمیایی با استفاده از پتانسیواستات Princeton Applied Research مدل VersaSTAT 3 و نرم‌افزار VersaStudio انجام شدند. آزمون‌های الکتروشیمیایی روی نمونه‌های تخت شرایط 1 و 2 (مطابق جدول 2) اعمال شد. در این آزمایش‌ها از الکترود کاری با سطح دایره‌ای بزرگ (23 سانتی‌متر مربع) استفاده شد، که سطح آن با روش پاشش حرارتی تولید شده بود.

تغییرات پتانسیل مدار باز (OCP) تا دو ساعت پایش شد. پس از این دوره، طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS) در بازه فرکانسی 20 کیلوهرتز تا 5 مگاهرتز انجام شد. اندازه‌گیری EIS در پتانسیل حالت پایدار با موج متناوب 10 میلی‌ولت RMS و ۱۰ نقطه در هر دهه انجام شد. سپس، منحنی‌های پلاریزاسیون از جهت کاتدی به آندی، از 100 میلی‌ولت پایین‌تر از پتانسیل مدار باز تا 1000 میلی‌ولت بالاتر از آن با نرخ روبش 1.0 میلی‌ولت بر ثانیه ثبت شد.

نمونه‌های فولاد کربنی پوشش‌داده‌شده در دمای 35 درجه سانتی‌گراد به‌مدت 36 ساعت در اتاق پاشش نمک مورد آزمایش قرار گرفتند. الکترولیت مورد استفاده در این آزمون، محلول آبی 5.0% کلرید سدیم بود. پس از اتمام دوره قرارگیری، نواحی خورده‌شده با استفاده از تصاویر SEM ارزیابی شد. برای محافظت از لبه‌های نمونه‌ها در طول آزمایش پاشش نمک، از رزین اپوکسی استفاده شد (شکل 1(a).

نتایج و بحث

تصاویر SEM از لایه پوشش ایجادشده توسط فرآیند پاشش حرارتی در شکل‌های 2 و 3 نمایش داده شده‌اند.
پوشش‌های فلزی با ترکیبات Co–Ni (کبالت-نیکل) و Cr–Ni (کروم-نیکل)، ساختارهای مشخصی از پاشه‌ها (splats) یا لایه‌های لملا (lamellae) را نشان می‌دهند که ناشی از ضربه ذرات در حین فرآیند پاشش حرارتی هستند.

برخی ترک‌های میکروسکوپی در پوشش‌ها مشاهده می‌شود، اما افزودن عناصر آلیاژی به‌طور قابل‌توجهی ویژگی‌های پوشش‌ها را بهبود داده است.
برای مثال، در لایه‌های پوشش حاوی کبالت، ترک‌های کمتری مشاهده می‌شود.

شکل 2  – تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) حضور ترک‌های میکروسکوپی، تخلخل و اکسیدها را نشان می‌دهند. تحلیل خط (شکل  2ب) با طیف‌ سنجی EDX حضور عناصر را آشکار می‌کند. شرایط 1