ساخت، مشخصه¬يابي و بررسي رفتار الکتروشيميايي پوشش آنتروپي بالاي نانوکريستال TiNbMoMnFe

STUDENT

DEGREE

YEAR

High entropy alloys are alloys that have more than five major elements and the atomic percentage of each major element is between 5% and 35% atomic. The high positional entropy of these alloys prevents the formation of brittle and brittle intermetallic phases and stabilizes the solid solution phase. The presence of more than 5 main elements in the field of these alloys has caused special properties in these alloys. Studies have shown that high entropy alloys have good mechanical properties. In addition to mechanical properties, it has been determined that these alloys have a high corrosion resistance than conventional alloys. On the other hand, the expansion of biomaterials requires materials with special properties such as a combination of high strength and flexibility, good biocompatibility and high corrosion resistance. Recent research has shown that high entropy alloys are suitable materials for medical applications. Due to the unique properties of these alloys and the human need for biomaterial expansion, in this study we tried to evaluate the corrosion properties of a high entropy alloy with biocompatible elements. One of the objectives of this study was to create and evaluate the corrosion behavior of a high entropy coating based on titanium with biocompatible elements, preferably in the simulated environment of the human body. TiNbMoMnFe alloy system was selected for this purpose. To create a high entropy coating on AISI316L stainless steel, which is a common material as implant, spark plasma sputtering process was first used to make the target. Then, using the process of physical sediment coating from the vapor phase, the desired coating was created on 316L steel. Microstructural and corrosion characterizations were performed on the coating. The results of Berto X diffraction test and X-ray energy diffraction spectroscopy analysis showed that the microstructure of the coated coating had an acceptable agreement with the results of the rules of high entropy alloy formation.Comparing the behavior of coated and uncoated samples through cyclic potentiodynamic tests and electrochemical impedance spectrometer, it was found that high entropy coating increased the corrosion and corrosion potential of cavities. The corrosion current density also decreased. The Stern and Gray equations showed a twofold increase in the corrosion resistance of the coated specimens. By imaging the surface of the specimens after the dynamic potential polarization test, it was found that the diameter of the cavities for the coated specimens was reduced. Which showed an increase in corrosion resistance of the cavities of the coated samples. Also, increasing the wetting angle was another effect of high entropy coating. In this regard, the wetting angle increased from 60 degrees for uncoated samples to 90 degrees for coated samples.

آلياژهاي آنتروپي بالا به آلياژهايي گفته مي‌شود که بيش‌تر از پنج عنصر اصلي داشته باشند و درصد اتمي هرکدام از عناصر اصلي بين 5 درصد تا 35 درصد اتمي باشد. آنتروپي بالاي وضعيتي اين آلياژها مانع از به وجود آمدن فازهاي ترد و شکننده بين فلزي شده و سبب پايداري فاز محلول جامد شده است. وجود بيش از 5 عنصر اصلي در زمينهي اين آلياژها سبب بروز خواص ويژهاي در اين آلياژها شده است. طي پژوهش‌هاي انجام گرفته آلياژهاي آنتروپي بالا خواص مکانيکي مطلوبي از خود نشان داده‌اند. علاوه بر خواص مکانيکي مشخص شده است که اين دسته از آلياژها از مقاومت به خوردگي بالايي نسبت به آلياژهاي معمولي برخوردار هستند. از طرف ديگر گسترش بيومواد به موادي با خواص ويژه از قبيل تلفيقي از استحکام بالا و انعطاف پذير، زيست سازگاري مناسب و مقاومت به خوردگي بالا نيازمند است. پژوهشهايي که به‌تازگي انجام شدهاند، نشان دادهاند که آلياژهاي آنتروپي بالا مواد مناسبي براي کاربردهاي پزشکي هستند. با توجه به ويژگي‌هاي منحصربه‌فرد اين آلياژها و نياز انسان براي گسترش بيومواد، در اين پژوهش سعي بر ارزيابي خواص خوردگي يک آلياژ آنتروپي بالا با عناصر زيست سازگار بود. ايجاد و ارزيابي رفتار خوردگي يک پوشش آنتروپي بالا بر پايه تيتانيم به همراه عناصر زيست سازگار ترجيحاً در محيط شبيه سازي شدهي بدن انسان نيز از اهداف اين پژوهش بود. براي اين منظور سيستم آلياژي TiNbMoMnFe انتخاب شد. براي ايجاد پوشش آنتروپي بالا بر روي فولادزنگنزن AISI316L که از مواد رايج بهعنوان مواد کاشتني است، ابتدا ازفرآيند تف چوشي پلاسماي جرقهاي براي ساخت تارگت استفاده شد. سپس با استفاده از فرآيند پوششدهي رسوب فيزيکي از فاز بخار پوشش مورد نظر بر روي فولاد 316L ايجاد شد. مشخصه يابي هاي ريزساختاري و خوردگي بر پوشش صورت گرفت. نتايج حاصل از آزمون پراش برتو ايکس وآناليزطيف سنجي پراش انرژي پرتو ايکس نشان داد که ريزساختار پوشش اجاد شده تطابق قابل قبولي با نتايج حاصل از قوانين تشکيل آلياژ آنتروپي بالا داشت. از مقايسه رفتار نمونههاي پوشش دهيشده و بدون پوشش از طريق آزمونهاي پتانسيوديناميک چرخهاي و طيف سنج امپداش الکتروشيميايي مشخص شد که پوشش آنتروپي بالا سبب افزايش پتانسل خوردگي و خوردگي حفرهاي شده است. همچنين چگالي جريان خوردگي کاهش يافت. معادله استرن و گري افزايش دو برابر مقاومت به خوردگي نمونههاي پوشش دادهشده را نشان داد. با تصوير برداري از سطح نمونهها بعد از آزمون پلاريزاسيون پتانسيو ديناميک مشخص شد قطر حفرات براي نمونههاي پوشش دادهشده، کاهش يافته است. که نشان از افزايش مقاومت به خوردگي حفرهاي نمونههاي پوشش دهي شده بود. همچنين افزايش زاويه ترشوندگي از ديگر اثرات پوشش آنتروپي بالا بود. در اين خصوص زاويه ترشوندگي از 60 درجه براي نمونههاي بدون پوشش به 90 درجه براي نمونههاي پوششدهي شده افزايش يافت.