SUPERVISOR
Behzad Niroumand,Ali Ashrafi,Hamidreza Salimi jazi
بهزاد نیرومند (استاد مشاور) علی اشرفی (استاد راهنما) حمیدرضا سلیمی جزی (استاد راهنما)
STUDENT
Bahareh Ebrahimi Dinani
بهاره ابراهیمی دینانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393
TITLE
Synthesize and Corrosion Evaluation of Fe-based Metallic Glasses
Innovation of metallic glasses has been provided the ease of access to advanced properties and new horizons for their exclusive applications. Some of their excellent properties are high mechanical properties, good corrosion resistance and magnetic response. Fe-based metallic glasses have exceptional mechanical and corrosion resistance properties. Through different Fe-based metallic glasses, the Fe-Cr-Mo-B-C alloys have well glass-forming ability and high corrosion resistance. HVOF, electrochemical methods, sputtering and laser cladding are general methods for producing the amorphous metallic glass coatings. Among the various methods, the laser cladding has the features of low wasting of time and materials, automatic setup, high dissolution create capability, high cooling rate, and high precision. Weak plasticity at room temperatures is the main problem in Fe-based metallic glasses. This has been result in cracks and brittleness of the specimen. According to the abovementioned comments, in the current research, the copper and nickel has been used as alternatives for boron in a copper containing composition of Fe53.4Cr20Mo16Cu0.6C10 and nickel containing of Fe42Cr20Mo16Ni12C10 respectively for promoting the plasticity of the resulting coatings. The preplace compositions have been prepared using the elemental powder mixtures and polyvinyl alcohol as an adhesive and have been applied on 316L stainless steel substrates. The Nd:YAG laser with the scan speed of 4, 6, and 8 mm/s has been used for laser cladding of preplaced mixtures. Liquidation and solidification of the preplaced mixture on the 316L substrate has been resulted in producing a clad material. X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and field emission electron microscopy (FE-SEM) have been used for characterization of the resulting coatings. Corrosion resistance of the coatings has been evaluated in 3N HCl solution using the potentiodynamic polarization and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) methods. Mechanical properties of clads has been evaluated using the microhardness test. The results obtained revealed that, the minimum thickness of clads is 200 micrometer with high adhesion to the substrate. In addition, increasing the scan speed of laser would result in decreasing the surface inhomogeneity of clads. In copper containing composition of Fe53.4Cr20Mo16Cu0.6C10 , after the laser processing, combination of amorphous phase and crystalline network of ferrite has been created. The results have been shown that, using the laser scan speed of 8 mm/s, more than 90% of the structure has been transformed to the amorphous phase. In addition, in this scan speed, the ferrite crystal network has been broken and well distributed and the resulting microhardness has been reached to 824Hv. The corrosion current density of the resulting clads has been reduced 5 times the steel 316L and corrosion potential has been increased more than 50 mV. The EIS results revealed that the polarization resistance of the copper containing clads has been reached about more than 7 times of the substrate. The cladding using the nickel containing composition, Fe42Cr20Mo16Ni12C10, resulted in a ferritic/austenitic microstructure (50/50) using the scan speed of 6mm/s as a duplex stainless steel structure. The corrosion current density of the claddings has been reduced 9 times of the 316L stainless steel substrate and the corrosion potential has been increased more than 70 mV. The EIS results revealed that the polarization resistance of the nickel-containing clads has been reached about more than 13 times of the substrate. Overall it must be mentioned that, use of copper and nickel instead of boron in the composition of Fe-based metallic glass claddings, and use of laser cladding method with the proper laser scan speed, attainment of the minimum of 50% and maximum of 90% amorphous phase in the crack-free claddings, along with increasing the hardness and corrosion resistance would be conceivable. Keywords: Metallic glass, Amorphous coating, Laser cladding, preplace, Fe-based metallic glass, Corrosion
ابداع فلزات شیشه ای امکان دستیابی به مواد با خواص منحصر به فرد و ظهور چشم اندازهای جدید در زمینه کاربردهای منحصر به فرد این گروه از مواد پیشرفته را فراهم آورد. خواص مکانیکی عالی، مقاومت به خوردگی قابل توجه و قابلیت های مغناطیسی خوب از جمله ویژگی های مورد توجه این دسته از مواد می باشد. فلزات شیشه ای پایه آهن دارای خواص مکانیکی عالی و همچنین خواص خوردگی استثنایی هستند. از میان آلیاژهای مختلف پایه آهن دسته ی Fe-Cr-Mo-B-C دارای توانایی شیشه سازی خوب و مقاومت به خوردگی بالایی هستند. از جمله روش های مورد استفاده برای تشکیل پوشش آمورف می توان به روش HVOF، روش های الکتروشیمیایی، اسپاترینگ و لیزر اشاره کرد. از بین این روش ها استفاده از روکش کاری فلزی با لیزر به دلیل ویژگی هایی چون عدم هدررفت در زمان و ماده، قابلیت تنظیم خودکار، قابلیت ایجاد انحلال بالا، نرخ سرمایش بالا و دقت خوب مناسب تر از بقیه ارزیابی گردید. مشکلی که اغلب در فلزات شیشه ای پایه آهن به چشم می خورد پلاستیسیته ضعیف این مواد در دمای اتاق است که موجب تشکیل ترک در سطح نمونه و ایجاد خاصیت شکنندگی در ساختار خواهد شد. بنابر این توضیحات در این پژوهش، به عنوان جایگزین عنصر بور، از عناصر مس در یک ترکیب و نیکل در ترکیب دیگر و با هدف ارتقای پلاستیسیته استفاده شد. لذا ترکیب حاوی مس Fe53.4Cr20Mo16Cu0.6C10 و ترکیب حاوی نیکل Fe42Cr20Mo16Ni12C10 انتخاب شده و سپس خمیره های پودری مخلوط با آب و پلی وینیل الکل تهیه شده و بر روی زیرلایه ای از جنس فولاد زنگ نزن L316 پیش نشانی گردید. پس از آن از لیزرNd:YAG با سرعت های روبش لیزری 4 و 6 و 8 میلی متر بر ثانیه برای اجرای فرآیند روکش کاری فلزی بر روی سطح هر دو مخلوط پیش نشانی شده استفاده گردید. این عمل منجر به تشکیل پوششی ناشی از ذوب و انجماد مجدد مخلوط خمیری پیش نشانی شده، بر روی زیرلایه ی فولاد زنگ نزن گردید. برای فازیابی این پوشش ها از آزمون پراش پرتو ایکس (XRD) استفاده گردید. ساختار پوشش ها از سطح و همچنین سطح مقطع نیز با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی و گسیل میدانی مورد مطالعه قرار گرفت. آزمون های خوردگی شامل پلاریزاسیون پتانسیودینامیک و آزمون امپدانس الکتروشیمیایی نیز در محلولN HCl 3 انجام گرفت. به منظور بررسی خواص مکانیکی نیز آزمون میکروسختی از سطح پوشش ها انجام شد. نتایج حاصل از آزمون های انجام گرفته نشان داد پوشش های بدست آمده از این روش دارای حداقل ضخامت 200 میکرون و چسبندگی بالا به زیرلایه فولادی است، همچنین با افزایش سرعت روبش لیزری بی نظمی های سطح هر دو پوشش کاهش یافته و در مجموع پوشش با توپوگرافی یکنواخت تری حاصل گردید. در ترکیب حاوی مس Fe53.4Cr20Mo16Cu0.6C10) ) پس از اجرای فرآیند لیزر ساختاری مخلوط از فاز آمورف به همراه شبکه ی بلوری از فاز فریت (?-Fe) حاصل شد . نتایج نشان داد که مقدار فاز آمورف با افزایش سرعت روبش لیزری افزایش یافته تا اینکه در سرعت روبش لیزری8 میلی متر بر ثانیه مقدار فاز آمورف به بالای 90 درصد در ساختار رسیده است. همچنین شبکه ی بلوری فریت در سرعت روبش لیزری 8 میلی متر بر ثانیه کاملا شکسته و پراکنده شد و میکروسختی ساختار حاصل به مقدار 824 ویکرز ، در حدود گزارش شده برای فلزات شیشه ای پایه آهن، افزایش یافت. در آزمون خوردگی نیز چگالی جریان خوردگی تا بیش از 5 برابر نسبت به فولاد زنگ نزن L316 کاهش یافت و پتانسیل خوردگی نیز تا بیش از 50 میلی ولت افزایش نشان داد که بیان کننده ی کاهش تمایل به خوردگی این پوشش ها نسبت به زیرلایه ی فولاد زنگ نزن L316 می باشد. نتیجه ی آزمون امپدانس الکتروشیمیایی نیز نشان داد مقاومت پلاریزاسیون پوشش ها نسبت به زیرلایه فولادی تا نزدیک 7 برابر بیشتر شده است. نتیجه ی اجرای روکش کاری فلزی بر روی ترکیب حاوی نیکل Fe42Cr20Mo16Ni12C10 نیز ایجاد ساختاری حاصل از دو فاز فریت-آستنیت را دربرداشت که این ساختار در سرعت روبشی 6 میلی متر بر ثانیه به نسبت 50-50 رسیده و به عنوان یک پوشش فولاد دوفازی بهینه در این پژوهش معرفی گردیده است. خواص خوردگی این پوشش ها نیز ازنظر چگالی جریان خوردگی نزدیک به 9 برابر کاهش، از جهت پتانسیل خوردگی بیش از 70 میلی ولت مثبت تر و نیز از نظر مقاومت پلاریزاسیون پوشش در برابر محلول خورنده در آزمون امپدانس الکتروشیمیایی نزدیک به 13 برابر نسبت به زیر لایه افزایش داشته است . بنابراین استفاده از عناصر مس و نیکل به جای بور در ترکیب فلز شیشه ای پایه آهن و با استفاده از روش روکش کاری لیزر و با بهینه سازی پارامتر سرعت روبش، دستیابی به حداقل 50 درصد و حداکثر 90 درصد فاز آمورف در ساختار پوشش بدون وجود ترک و بهبود خواص مکانیکی و مقاومت به خوردگی امکان پذیر می باشد. کلمات کلیدی فلزات شیشه ای، پوشش آمورف،روکش کاری با لیزر، روش پیش نشانی، فلزات شیشه ای پایه آهن، خوردگی