SUPERVISOR
Kaivan Raissi,Mohammad Hossei Enayati
کيوان رئيسي (استاد مشاور) محمدحسين عنايتي (استاد راهنما)
STUDENT
Fatemehsadat Sayyedan
فاطمه سادات سيدان
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1393
TITLE
Evaluating thermal and oxidation behavior of amorphous -nanocrystalline aluminum phosphate coatings
The aim of the present study was to develop an amorphous-nanocrystalline aluminum phosphate coating by the simple and low-cost sol-gel process to increase the working temperature or extend the longevity of metal parts. In this regard, aluminum phosphate precursor solution was synthesized by sol-gel process and applied on stainless steel 304 substrate by dip coating technique. The micro structure of the coating material was studied by transition electron microscopy (TEM). Thermal analysis and study of amorphous to crystalline transformation were investigated by thermal-gravimetric and differential scanning calorimetry (TG-DSC). Molecular spectroscopy of the synthesized powder was studied by Raman spectroscopy. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) was used to identify differences between non-stoichiometric amorphous aluminum phosphate bonding with that of stoichiometric crystalline one. Topography and roughness of coated and un-coated surfaces were investigated by atomic force microscopy (AFM). The oxidation resistance of the coatings was evaluated in an electrical furnace at 1100°C for 100 h in air with weight measurements performed at regular ten-hour intervals. Phase composition analysis of the coatings before and after cyclic oxidation process was performed by X-ray diffractometer (XRD). The surface and cross section morphology of the coatings before and after oxidation test were observed using scanning electron microscopy (SEM) analysis equipped with energy dispersive spectroscopy of characteristic X-rays (EDS). Thermal analysis of the coating material showed that the onset temperature of the amorphous to crystalline transformation with 10°C.min -1 heating rate was around 1050°C. The presence of graphitic and amorphous carbon (I D :I G =0.97) in the coating material structure was confirmed by Raman spectroscopy. Based on the FTIR results, the amorphous aluminum phosphate owned Al?O?Al bonding besides Al?O?P groups caused by excess aluminum content present in the precursor solution. XRD patterns of the synthesized powder confirmed the amorphous structure of aluminum phosphate after drying at 150°C for 2h and after annealing at 500°C for 15 min and the amorphous-nanocrystalline structure after annealing at 1100 °C for 1h. These structures were further confirmed by TEM observations. According to SEM images a uniform, continuous and crack-free coating was achieved. Surface roughness of the coating was around 6.5 nm according to the AFM images. Weight change measurements after 100 h oxidation test revealed that the trace of weight gain against oxidation time for both coated and un-coated substrates were parabola in nature and the range of the weight change of the bare substrate was about 30 times greater than that of the coated one, namely 4 mg.cm -2 for coated substrate and 120 mg.cm -2 for the bare one. Also, formation of spinel oxides on the coated surface and hematite on the un-coated surface were dominant after oxidation test indicating the superior oxidation resistance of the coating. According to cross sectional studies the approximate thickness of the coating was around 300 nm which was capable to protect the substrate against oxidation up to 1100?C. In general, the results showed that the applied amorphous aluminum phosphate coating could provide surface protection of metals/alloys against degradation at elevated temperatures over 1000?C.
هدف از اجراي پژوهش حاضر، توليد پوشش آلومينيوم فسفات آمورف به روش ساده و کم هزينه سل- ژل براي افزايش دماي کاري و يا افزايش طول عمر قطعات فلزي در معرض اکسيداسيون دماي بالا مي باشد. بدين منظور، محلول آلومينيوم فسفات آمورف به روش سل – ژل ساخته و پوشش دهي به روش غوطه وري بر روي فولاد زنگ نزن 304 انجام شد. به منظور بررسي ريز ساختار پودر حاصل از فرايند سل- ژل، از ميکروسکوپ الکتروني عبوري (TEM) استفاده شد. آناليز حرارتي و مطالعه رفتار انتقال از فاز آمورف به ساختار کريستالي به کمک آناليز حرارتي وزن سنجي و گرماسنجي روبشي تفاضلي (TG-DSC) انجام شد. طيف سنجي مولکولي پودر سنتز شده توسط طيف سنجي رامان (Raman spectroscopy) و طيف سنجي تبديل فوريه فروسرخ (FTIR) انجام شد. زبري و توپوگرافي سطح پوشش به وسيله ميکروسکوپ نيروي اتمي (AFM) مورد بررسي قرار گرفت. رفتار اکسيداسيون سيکلي پوشش با استفاده از يک کوره الکتريکي قابل برنامه ريزي در دماي 1100 درجه سانتي گراد به مدت 100 ساعت در اتمسفر هوا و با اندازه گيري وزن نمونه ها در فواصل زماني مشخص مورد ارزيابي قرار گرفت. به منظور شناسايي ساختار فازي پوشش، از آزمون پراش پرتو ايکس (XRD) استفاده شد. مورفولوژي سطحي، سطح مقطع و نيز ترکيب شيميايي پوشش به وسيله ميکروسکوپ الکتروني روبشي (SEM) مجهز به آناليز عنصري با تفکيک انرژي پرتو ايکس (EDS) مورد بررسي قرار گرفت. بر اساس الگوهاي پراش پرتو ايکس و نيز تصاوير ميکروسکوپ الکتروني عبوري پودر آنيل شده در دماهاي مختلف، محصول فرايند سل- ژل پس از خشک شدن در دماي 150 درجه سانتي گراد و نيز پس از آنيل در دماي 500 درجه سانتي گراد کاملاً آمورف بوده در حالي که پس از آنيل در دماي 1100 درجه سانتي گراد، ساختار آمورف- نانوکريستال ظاهر شد. آناليز حرارتي ژل خشک شده در دماي 65 درجه سانتي گراد، دماي انتقال از فاز آمورف به ساختار کريستالي را در حدود 1050 درجه سانتي گراد نشان داد. طيف سنجي رامان، حضور کربن در ساختار پوشش را به صورت آمورف و گرافيتي تأييد نمود. نتايج آزمون طيف سنجي تبديل فوريه فروسرخ حضور پيوندهاي Al?O?Al را علاوه بر پيوندهاي Al?O?P در ساختار آلومينيوم فسفات آمورف نشان داد. تصاوير ميکروسکوپ الکتروني روبشي و نيروي اتمي، پوششي يکنواخت، متراکم و عاري از ريزترک با زبري 5 / 6 نانومتر را بر روي سطح زيرلايه فولادي آشکار ساخت. بر اساس نتايج اندازه گيري تغييرات وزن نمونه ها پس از گذشت 100 ساعت از آزمون اکسيداسيون، زيرلايه بدون پوشش و پوشش دار از قانون سرعت سهموي تبعيت کرده و زير لايه بدون پوشش، افزايش وزن قابل توجهي (120 ميلي گرم بر سانتي متر مربع) را در مقايسه با زير لايه پوشش دار (4 ميلي گرم بر سانتي متر مربع) از خود نشان داد که تأثير حفاظتي و مقاومت به اکسيداسيون پوشش آلومينيوم فسفات را به خوبي آشکار مي سازد. بر اساس تصاوير ميکروسکوپ الکتروني روبشي سطح مقطع پوشش، ضخامت پوشش در حدود 300 نانومتر بود که اين ميزان، حفاظت سطحي از زيرلايه را تا دماي 1100 درجه سانتي گراد فراهم نمود. در مجموع، نتايج نشان داد پوشش حاصل، قادر به حفاظت سطحي از فلز/آلياژ در برابر اکسيداسيون و تخريب در دماهاي بالا تا بيش از 1000 درجه سانتي گراد مي باشد.