SUPERVISOR
Behzad Niroumand,Ali Ashrafi,Hamidreza Salimi jazi
بهزاد نيرومند (استاد مشاور) علي اشرفي (استاد راهنما) حميدرضا سليمي جزي (استاد راهنما)
STUDENT
Bahareh Ebrahimi Dinani
بهاره ابراهيمي ديناني
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 شيشه اي امکان دستيابي به مواد با خواص منحصر به فرد و ظهور چشم اندازهاي جديد در زمينه کاربردهاي منحصر به فرد اين گروه از مواد پيشرفته را فراهم آورد. خواص مکانيکي عالي، مقاومت به خوردگي قابل توجه و قابليت هاي مغناطيسي خوب از جمله ويژگي هاي مورد توجه اين دسته از مواد مي باشد. فلزات شيشه اي پايه آهن داراي خواص مکانيکي عالي و همچنين خواص خوردگي استثنايي هستند. از ميان آلياژهاي مختلف پايه آهن دسته ي Fe-Cr-Mo-B-C داراي توانايي شيشه سازي خوب و مقاومت به خوردگي بالايي هستند. از جمله روش هاي مورد استفاده براي تشکيل پوشش آمورف مي توان به روش HVOF، روش هاي الکتروشيميايي، اسپاترينگ و ليزر اشاره کرد. از بين اين روش ها استفاده از روکش کاري فلزي با ليزر به دليل ويژگي هايي چون عدم هدررفت در زمان و ماده، قابليت تنظيم خودکار، قابليت ايجاد انحلال بالا، نرخ سرمايش بالا و دقت خوب مناسب تر از بقيه ارزيابي گرديد. مشکلي که اغلب در فلزات شيشه اي پايه آهن به چشم مي خورد پلاستيسيته ضعيف اين مواد در دماي اتاق است که موجب تشکيل ترک در سطح نمونه و ايجاد خاصيت شکنندگي در ساختار خواهد شد. بنابر اين توضيحات در اين پژوهش، به عنوان جايگزين عنصر بور، از عناصر مس در يک ترکيب و نيکل در ترکيب ديگر و با هدف ارتقاي پلاستيسيته استفاده شد. لذا ترکيب حاوي مس Fe53.4Cr20Mo16Cu0.6C10 و ترکيب حاوي نيکل Fe42Cr20Mo16Ni12C10 انتخاب شده و سپس خميره هاي پودري مخلوط با آب و پلي وينيل الکل تهيه شده و بر روي زيرلايه اي از جنس فولاد زنگ نزن L316 پيش نشاني گرديد. پس از آن از ليزرNd:YAG با سرعت هاي روبش ليزري 4 و 6 و 8 ميلي متر بر ثانيه براي اجراي فرآيند روکش کاري فلزي بر روي سطح هر دو مخلوط پيش نشاني شده استفاده گرديد. اين عمل منجر به تشکيل پوششي ناشي از ذوب و انجماد مجدد مخلوط خميري پيش نشاني شده، بر روي زيرلايه ي فولاد زنگ نزن گرديد. براي فازيابي اين پوشش ها از آزمون پراش پرتو ايکس (XRD) استفاده گرديد. ساختار پوشش ها از سطح و همچنين سطح مقطع نيز با استفاده از ميکروسکوپ الکتروني روبشي و گسيل ميداني مورد مطالعه قرار گرفت. آزمون هاي خوردگي شامل پلاريزاسيون پتانسيوديناميک و آزمون امپدانس الکتروشيميايي نيز در محلولN HCl 3 انجام گرفت. به منظور بررسي خواص مکانيکي نيز آزمون ميکروسختي از سطح پوشش ها انجام شد. نتايج حاصل از آزمون هاي انجام گرفته نشان داد پوشش هاي بدست آمده از اين روش داراي حداقل ضخامت 200 ميکرون و چسبندگي بالا به زيرلايه فولادي است، همچنين با افزايش سرعت روبش ليزري بي نظمي هاي سطح هر دو پوشش کاهش يافته و در مجموع پوشش با توپوگرافي يکنواخت تري حاصل گرديد. در ترکيب حاوي مس Fe53.4Cr20Mo16Cu0.6C10) ) پس از اجراي فرآيند ليزر ساختاري مخلوط از فاز آمورف به همراه شبکه ي بلوري از فاز فريت (?-Fe) حاصل شد . نتايج نشان داد که مقدار فاز آمورف با افزايش سرعت روبش ليزري افزايش يافته تا اينکه در سرعت روبش ليزري8 ميلي متر بر ثانيه مقدار فاز آمورف به بالاي 90 درصد در ساختار رسيده است. همچنين شبکه ي بلوري فريت در سرعت روبش ليزري 8 ميلي متر بر ثانيه کاملا شکسته و پراکنده شد و ميکروسختي ساختار حاصل به مقدار 824 ويکرز ، در حدود گزارش شده براي فلزات شيشه اي پايه آهن، افزايش يافت. در آزمون خوردگي نيز چگالي جريان خوردگي تا بيش از 5 برابر نسبت به فولاد زنگ نزن L316 کاهش يافت و پتانسيل خوردگي نيز تا بيش از 50 ميلي ولت افزايش نشان داد که بيان کننده ي کاهش تمايل به خوردگي اين پوشش ها نسبت به زيرلايه ي فولاد زنگ نزن L316 مي باشد. نتيجه ي آزمون امپدانس الکتروشيميايي نيز نشان داد مقاومت پلاريزاسيون پوشش ها نسبت به زيرلايه فولادي تا نزديک 7 برابر بيشتر شده است. نتيجه ي اجراي روکش کاري فلزي بر روي ترکيب حاوي نيکل Fe42Cr20Mo16Ni12C10 نيز ايجاد ساختاري حاصل از دو فاز فريت-آستنيت را دربرداشت که اين ساختار در سرعت روبشي 6 ميلي متر بر ثانيه به نسبت 50-50 رسيده و به عنوان يک پوشش فولاد دوفازي بهينه در اين پژوهش معرفي گرديده است. خواص خوردگي اين پوشش ها نيز ازنظر چگالي جريان خوردگي نزديک به 9 برابر کاهش، از جهت پتانسيل خوردگي بيش از 70 ميلي ولت مثبت تر و نيز از نظر مقاومت پلاريزاسيون پوشش در برابر محلول خورنده در آزمون امپدانس الکتروشيميايي نزديک به 13 برابر نسبت به زير لايه افزايش داشته است . بنابراين استفاده از عناصر مس و نيکل به جاي بور در ترکيب فلز شيشه اي پايه آهن و با استفاده از روش روکش کاري ليزر و با بهينه سازي پارامتر سرعت روبش، دستيابي به حداقل 50 درصد و حداکثر 90 درصد فاز آمورف در ساختار پوشش بدون وجود ترک و بهبود خواص مکانيکي و مقاومت به خوردگي امکان پذير مي باشد. کلمات کليدي فلزات شيشه اي، پوشش آمورف،روکش کاري با ليزر، روش پيش نشاني، فلزات شيشه اي پايه آهن، خوردگي