SUPERVISOR
Morteza Shamanian esfahani,Mohammad Hossei Enayati
مرتضي شمعانيان اصفهاني (استاد راهنما) محمدحسين عنايتي (استاد راهنما)
STUDENT
Parisa Ashtijoo
پريسا اشتي جو
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Fabrication and Characterization of Ti-Al Intermetallic Based Nanocomposite Coating on Ti Substrate by Mechanical Alloying
In the current investigation, mechanical alloying technique was utilized to produce a nanocomposite TiAl/TiC/TiAl 2 C coating on Ti substrate. Poor wear resistance and low hardness of Ti hinder its further application. Fabrication of high resistance coating on Ti substrate is one of the beneficial ways to improve its trybological properties. TiAl intermetallic compounds are noteworthy because of high oxidation resistance and good mechanical properties. One of the most promising methods recently utilized for coating is mechanical alloying. The coating process along with mechanical alloying was the results of repetitive cold welding and fracturing of powder particles with each other and with hard specimen surface due to ball-powder-substrate impacts. Three approaches were considered to fabricate TiAl/20 wt% stoichiometric composition. First, Mechanical alloying of Ti-Al-C; Second, Mechanical alloying of Ti-Al-TiC and at last Mechanical alloying of Ti-Al-C powder in planetary ball mill for 70 hours. In this study, milling time, ball to powder ratio (BPR) and ball size on thickness, hardness and coating morphology was examined. The samples milled for different time were subjected to heat treatment at 900°C for 90 min in vacuum furnace. In this regard, X-ray diffraction (XRD) analysis, scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) were employed to investigate phase transformation, microstructural and morphological evolutions. Microhardness and roughness were also used to characterize mechanical properties of the coating. As the result of first method, the best coating was formed by 4mm ball size and BPR of 10:1 which increasing in ball size and BPR led to formation of non-uniform coating. The final grain size of 12 h milled sample was estimated to be around 18 nm. Hardness and coating thickness was increased by increasing milling time which they reached 460 HV and 43 µm respectively. Roughness also decreased by milling time. Nano Scale AlTi 2 C, AlTi 2 , and TiC phases were detected after heat treatment. The approximate grain sizes of AlTi 2 C and AlTi 2 after 12 h of milling was 35 nm while that of TiC phase was about 20 nm. Hardness and roughness of coating surface also increased after heat treatment. In the second approach, TiC particles led to the formation of non dense coating, specially, in the first stages of milling. The roughness and hardness increased due to increasing in mechanical alloying time. Al 3 Ti/TiC/AlTi 2 C nanocomposite coating formed in the first stage of milling and AlTi 2 /TiC/AlTi 2 C nanocomposite coating was detected by increasing in milling time. In third method, Al-Ti-C powder was milled by planetary ball mill for 70 hours and then coated on Ti sub-layer. Because of the presence of brittle powder, coating morphology was non-uniform and dense. Keywords: Mechanical alloying, coating, intermetallic compounds, nanocomposite
چکيده : در اين تحقيق از روش آسيابکاري مکانيکي براي ايجاد پوشش نانو کامپوزيتي با ترکيبات بين فلزي TiAl/TiC/TiAl 2 C روي سطح تيتانيم استفاده شده است. تيتانيم داراي خواص تريبولوژيکي ضعيف و سختي پايين است. ايجاد پوششهاي مقاوم بر روي تيتانيم جهت بهبود خواص تريبولوژيکي آن راه حل مناسبي است. در اين راستا ترکيبات بين فلزي سيستم Ti-Al به دليل مقاومت اکسيداسيون بالا و خواص مکانيکي مطلوب، مورد توجه قرار گرفته اند. بعلاوه اضافه کردن ذرات تقويت کننده باعث تقويت خواص مکانيکي اين پوششها ميشود. آسيابکاري مکانيکي روش پوششدهي جديدي است که در اين تحقيق استفاده شده است. اساس اين روش قرار دادن زيرلايه و پودر همراه با تعداد زيادي گلوله در محفظه دستگاه آسيابکاري ارتعاشي ميباشد. در طول آسيابکاري مکانيکي، سطح قطعه با تعداد زيادي گلولههاي متحرک برخورد ميکند. در اثر برخورد گلوله و پودر با سطح قطعه، پودر روي سطح زيرلايه جوش سرد خورده و پوشش تشکيل ميشود. براي ايجاد پوشش از نسبت استوکيومتري TiAl/20 wt% TiC استفاده و سه روند دنبال شد. اول آسيابکاري مخلوطي از پودر Ti، Al و C، دوم آسيابکاري مخلوطي از پودر Ti، Al و TiC و در آخر، پودر Ti، Al و C آسيابکاري شده در دستگاه آسيابکاري گلوله اي به مدت 70 ساعت. در اين تحقيق تأثير زمان آسيابکاري، نسبت گلوله به پودر و قطر گلولهها بر روي ضخامت، زبري سطح، سختي و ساختار پوشش مورد بررسي قرار گرفت. عمليات حرارتي در دماي 900 درجه سلسيوس به مدت 90 دقيقه در کوره تحت خلأ روي نمونهها انجام گرفت. به منظور مشخصهيابي و بررسي مورفولوژيکي پوشش توليد شده، نمونهها تحت آزمايشهاي پراش پرتو ايکس (XRD)، ميکروسکوپ الکتروني روبشي (SEM)، آناليز تفکيک انرژي (EDS) قرار گرفتند. ميکرو سختي سنجي و زبري سنجي نيز براي بررسي خواص مکانيکي پوشش مورد بررسي قرار گرفتند. در روند اول، بهترين پوشش با نسبت گلوله به پودر 10:1 و قطر گلوله mm 4 حاصل شد که با افزايش نسبت گلوله به پودر و قطر گلوله، غير يکنواختي در پوشش افزايش يافت. بعد از 12 ساعت آسيابکاري اندازه دانه به nm 18 رسيد و سختي و ضخامت پوشش با افزايش زمان آسيابکاري افزايش و در 10 ساعت به ترتيب به HV 460 و µm 43 رسيد. زبري سطح نيز با افزايش زمان آسيابکاري کاهش يافت. همچنين عمليات حرارتي منجر به تشکيل نانو کامپوزيت با زمينه آلومينايد تيتانيم همراه با تقويتکننده TiC و AlTi 2 C شد.اندازه دانه فاز AlTi 2 و AlTi 2 C بعد از 12 ساعت آسيابکاري nm 35 بود در حالي که اندازه دانه فاز TiC حدود 20 نانومتر شد. سختي و زبري سطح پوشش نيز پس از عمليات حرارتي افزايش يافت. در روند دوم، حضور ذرات ترد TiC سبب نامتراکم شدن پوشش در زمانهاي اوليه آسيابکاري شد. سختي و زبري سطح با افزايش زمان آسيابکاري افزايش يافت. با انجام عمليات حرارتي روي نمونهها باعث تشکيل پوشش کامپوزيتي با زمينه Al 3 Ti/TiC/TiAl 2 C در زمانهاي پايين آسيابکاري و پوشش کامپوزيتي TiAl 2 /TiC/TiAl 2 C در زمانهاي بالاتر شد. بعد از عمليات حرارتي سختي افزايش و زبري سطح کاهش يافته است. در روند سوم، پودر Ti، Al و C در ابتدا در دستگاه آسيابکاري گلوله اي تا 70 ساعت آسيابکاري شد و سپس اين پودر روي زيرلايه تيتانيم پوشش داده شد. پوشش بدست آمده به دليل ترد بودن ساختار پودر داراي کندگي و غير يکنواختي بود. واژههاي کليدي: آلياژسازي مکانيکي، پوشش، ترکيبات بينفلزي، تيتانيم، کامپوزيت