SUPERVISOR
Kaivan Raissi,Ahmad Saatchi
کيوان رئيسي (استاد راهنما) احمد ساعت چي (استاد راهنما)
STUDENT
Navid Fathollahzade Masoule
نويد فتح اله زاده ماسوله
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390
TITLE
Electrochemical evaluation of corrosion and tribocorrosion behaviors of amorphous and nanocrystalline Co-W electrodeposited coatings
Cobal-tungsten coatings were electrodeposited on copper substrates using a citrate-ammonia bath. The structure of resultant coatings were totally amorphous with 48 wt-% W, totally nanocrystalline with 35 wt-% W and mixed with 40 wt-% W respectively. All coatings had a nodular surface morphology, but a microcrack network was also observed in totally amorphous and mixed coatings. The cyclic voltammograms of both amorphous and nanocrystalline coatings revealed a low-current plateau around the open circuit potential, exhibiting a passive behavior. In each cycle, the redox features of Co were seen, but the copper features were only observed for totally amorphous coating. Mott-Schottky analysis exhibited an n-type semiconductivity for both amorphous and nanocrystalline coatings. By donor density calculation, using the slopes of Mott-Schottky curves, it was revealed that the passive film of amorphous coating had higher crystal defects. Potentiodynamic polarization and electrochemical impedance spectroscopy analyses showed that the amorphous coating had the highest corrosion resistance before and after tribocorrosion experiments. Moreover, at anodic potential of -0.05 V vs. Ag/AgCl, where a diffusion-controlled dissolution process surly occurs, the amorphous coating was the most corrosion resistant respect to other coatings. The plugging of microcracks by corrosion products were observed at SEM images of the amorphous coating after EIS measurements. This could prevent the build-up of galvanic microcells, and thus, eliminate the negative effects of microcracks on corrosion behavior of amorphous coatings. In tribocorrosion test at OCP and over the course of sliding, the potential of totally amorphous coating shifted to more active potentials due to widening of wear scar ,and thus, increasing in active surface areas. The responsible of this observation was the lowest hardness of totally amorphous coating compared to the other ones. However, during sliding of totally nanocrystalline coatings, there was no significant alteration in OCP values. On the other hand, during sliding of mixed coating, OCP values shifted to nobler values owing to the transition of coating structure from amorphous to nanocrystalline caused by exfoliation and approaching to the substrate surface in wear scar. In tribocorrosion tests under anodic polarization, at the start of sliding a sharp increase in current density readings occurred due to the effect of mass traort (MT) and coating depassivation phenomena. In tribocorrosion tests under cathodic polarization, it was found that the ball motion could eliminate the concentration polarization and enhance the rate of hydrogen evolution or water reduction reactions on the surface of coating. In all states of tribocorrosion experiments, the proportion of MT in the evolution of OCP and current density readings was higher than the proportion of wear-accelerated corrosion (WAC). Hence, the process of coating dissolution was considered to be mainly MT controlled process. In OCP condition, the volume loss of totally amorphous coating was the highest probably due to the lowest hardness. A surface-fatigue wear mechanism was observed for all coatings due to the formation of superficial microcracks in the vicinity of wear scars. Keywords: Co-W coatings; Amorphous; Nanocrystalline; Corrosion; Tribocorrosion; Cyclic voltammetry; Mott-Schottky; EIS
پوشش هاي کبالت-تنگستن به روش رسوبدهي الکتروشيميايي و با استفاده از يک حمام سيترات-آمونيا روي زيرلايه مسي توليد شدند. ساختار و ترکيب عنصري پوشش هاي حاصله به صورت کاملا آمورف حاوي 48 درصدوزني تنگستن، کاملا نانوکريستال حاوي 35 درصدوزني تنگستن با اندازه دانه 15 نانومتر و ساختار ترکيبي حاوي 40 درصدوزني تنگستن بودند. تمامي پوشش ها داراي مرفولوژي سطحي برآمده بودند، اما در پوشش هاي کاملا آمورف و ترکيبي، شبکه اي از ميکروترک ها نيز مشاهده شد. در ولتاموگرام هاي چرخه اي پوشش هاي کاملا آمورف و کاملا نانوکريستال، يک محدوده مسطح با دانسيته جريان کم و درحوالي پتانسيل مدارباز مشاهده شد که بيانگر رفتار رويين اين پوشش ها بود. در هر چرخه، پيک هاي مشخصه اکسايش و کاهش کبالت ديده شدند، اما پيک هاي مشخصه مس تنها در نمونه کاملا آمورف مشاهده گرديد. آناليز موت-شاتکي نشان داد که فيلم رويين تشکيل شده روي سطح پوشش ها داراي رفتار نيمه رساناي نوع n است. با محاسبه مقدار غلظت دهنده از شيب منحني موت-شاتکي مشخص شد که فيلم رويين تشکيل شده روي پوشش کاملا آمورف داراي غلظت عيوب کريستالي بيشتري است. آزمون هاي پلاريزاسيون پتانسيوديناميک و طيف نگاري امپدانس الکتروشيميايي نشان دادند که پوشش کاملا آمورف قبل و بعد از انجام آزمون هاي تريبوخوردگي داراي بيشترين مقاومت خوردگي مي باشد. همچنين در پتانسيل آندي ( V vs. Ag/AgCl 05/0- ) که واکنش انحلال پوشش با شدت زيادي تحت کنترل نفوذ انجام مي شود، مقاومت به انحلال پوشش کاملا آمورف نسبت به ساير پوشش ها بيشتر بود. تصاوير ميکروسکوپي الکتروني بعد از انجام آزمون طيف نگاري امپدانس الکتروشيميايي نشان دادند که ميکروترک هاي موجود در پوشش کاملا آمورف توسط محصولات خوردگي پر شده اند. اين امر موجب جلوگيري از برپايي ميکروسل هاي گالوانيکي و درنتيجه حذف اثر منفي ميکروترک ها بر رفتار خوردگي پوشش کاملا آمورف مي شود. در آزمون تريبوخوردگي در وضعيت مدار باز و در محدوده زماني سايش، پتانسيل پوشش آمورف بعلت افزايش عرض مسير سايش و بنابراين افزايش ناحيه فعال، به صورت تدريجي به مقادير فعال تر منتقل شد. اين پديده به کم بودن سختي پوشش آمورف نسبت به ساير پوشش ها نسبت داده شد. اما در نمونه کاملا نانوکريستال تغييرات عمده اي در محدوده زماني سايش ديده نشد. از طرف ديگر در نمونه با ساختار ترکيبي، مقادير پتانسيل مدار باز در زمان انجام سايش به مقادير نجيب تر منتقل گرديد که علت آن را مي توان تغيير ساختار در مسير سايش (از آمورف به نانوکريستال) دراثر لايه برداري پوشش عنوان کرد. در آزمون تريبوخوردگي و تحت پلاريزاسيون آندي، در لحظه شروع سايش يک افزايش ناگهاني در مقادير دانسيته جريان اتفاق افتاد که به اثر پديده هاي انتقال جرم و غير رويين شدن پوشش مربوط بود. با انجام آزمون تريبوخوردگي تحت پلاريزاسيون کاتدي مشخص گرديد که حرکت گلوله مي تواند منجر به حذف پلاريزاسيون غلظتي و درنتيجه افزايش نرخ فرايند آزادشدن هيدروژن (يا کاهش آب) در سطح پوشش شود. در تمامي وضعيت هاي انجام آزمون تريبوخوردگي، سهم پديده انتقال جرم در تغيير مقادير پتانسيل مدار باز و دانسيته جريان هاي آندي و کاتدي، بيشتر از سهم خوردگي تشديد شده با سايش بود. بنابراين واکنش انحلال پوشش اساسا يک فرايند کنترل شونده با انتقال جرم درنظر گرفته شد. در شرايط پتانسيل مدار باز مقدار اتلاف حجم در نمونه کاملا آمورف بعلت سختي کمتر، بيشتر بود. با توجه به تشکيل ميکروترک هاي سطحي در اطراف مسير سايش، مکانيزم خستگي سطحي براي سايش نمونه ها در آزمون هاي تريبوخوردگي، درنظر گرفته شد.