حسن علم خواه

در سال‌های اخیر استفاده از پوشش‌های لایه نشانی شده توسط روش Arc-PVD بر پایه نیترید فلزات واسطه به‌ صورت روزافزون در صنایع مختلفی رو به افزایش است. از این رو مطالعه تغییر و تحولات این پوشش‌ها در دماهای مختلف کاری، امری مهم تلقی می‌شود؛ بنابراین، در این پژوهش تأثیر عملیات آنیل‌کاری بر تحولات فازی و ریزساختاری پوشش نانوکامپوزیتی چندلایه CrN/CrTiSiN بر روی زیرلایه از جنس Ti6Al4V بررسی شد. پوشش‌ اعمال‌شده به مدت 1 ساعت در دماهای 500، 600، 700، 800، 900 و 1000 درجه سلسیوس در اتمسفر محیطی هوا مورد عملیات آنیل‌کاری قرار گرفت. به‌ منظور بررسی خواص حاصل‌شده از پوشش‌ها از الگو پراش پرتو ایکس (XRD)، طیف‌سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس (XPS)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدان (FESEM)، میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا (HR-TEM)، نانو دندانه گذاری، چسبندگی به روش راکول‌سی (Rockwell C) و درنهایت آزمون‌های سایش پین روی صفحه و خوردگی پلاریزاسیون انجام شد. بررسی‌های ریزساختاری از سطح مقطع پوشش نشان داد که پوشش لایه‌نشانی شده دارای ضخامت با اندازه 4 میکرون و لایه‌های متناوب CrN و CrTiSiN به ترتیب با سهم 5/62 و 5/37 درصد است. از سوی دیگر، بررسی‌های فازی نشان داد که پس از عملیات لایه‌نشانی فاز آمورف Si3N4 در کنار فازهای بلوری TiN و CrN با اندازه بلورک‌های 3 تا 6 نانومتر قرار گرفته شده و با اعمال عملیات آنیل‌کاری فازهای جدیدی نظیر SiO2، Cr2N، Cr2O3 و TiO2 در ساختار پوشش تشکیل خواهد شد. در شرایط لایه‌نشانی ساختار پوشش از فاز غالب CrN تشکیل شده و کسر حجمی این فاز با افزایش دمای آنیل‌کاری از 500 تا 800 درجه سلسیوس از 56 تا 29 درصد کاهش پیدا کرده و به فاز Cr2N تجزیه خواهد شد. با افزایش دمای آنیل‌کاری به دمای 800 درجه سلسیوس ساختار کاملاً یکنواخت از فاز Cr2N به دست آمد. ملاحظه شد که با افزایش دمای آنیل‌کاری به بیش دماهای 900 درجه سلسیوس تحول فازی Cr2N به Cr2O3 رخ داده به نحوی که با افزایش دمای آنیل‌کاری به 1000 درجه سلسیوس کسر حجمی فاز Cr2O3 تا 38 درصد افزایش پیدا خواهد کرد. تحول فازی Cr2N به Cr2O3 با افزایش حجم شبکه (حدود 4 برابر) همراه است. این افزایش حجم شبکه منجر به تشکیل و رشد ریزترک‌ها در لایه CrN شده و درنهایت منجر به تخریب پوشش‌ خواهد شد. نتایج به دست آمده از آزمون سختی سنجی نشان داد که پس از لایه‌نشانی بیشینه سختی با مقدار 49 گیگا پاسکال به دست آمد. اعمال عملیات آنیل‌کاری تا 600 درجه سلسیوس سختی را تا 39 گیگا پاسکال کاهش داده و سپس با افزایش دمای آنیل‌کاری به 800 درجه سلسیوس سختی تا 47 گیگا پاسکال مجدد افزایش پیدا می‌کند. درواقع افزایش اندازه بلورک‌ها، افزایش تنش پسماند کششی و کرنش شبکه موجب کاهش سختی و افزایش کسر حجمی فاز Cr2N موجب افزایش سختی به‌عنوان مکانیزم غالب تغییرات سختی معرفی شد. نتایج آزمون چسبندگی نشان داد که بهترین چسبندگی پوشش به زیرلایه در دمای آنیل‌کاری 600 درجه سلسیوس به دست می‌آید. به نظر می‌رسد تشکیل ساختاری متشکل از فازهای CrN و Cr2N با نسبت کسر حجمی 55 به 45 درصد به علاوه لایه محافظ Cr2O3 در دمای آنیل‌کاری 600 درجه سلسیوس خواص پوشش را نسبت به دیگر شرایط آنیل‌کاری بهبود می‌بخشد. نتایج آزمون‌های سایش نشان داد که مکانیزم غالب سایشی تا دمای آنیل‌کاری 500 درجه سلسیوس تغییرشکل پلاستیک بوده و با افزایش دما به بیش از 700 درجه سلسیوس مکانیزم سایشی به سایش اکسیداسیونی تغییر پیدا می‌کند. نتایج آزمون خوردگی نشان داد که همواره وجود ذارت ماکرو اندازه می‌تواند تأثیرات مخربی را در رفتار خوردگی پوشش بر جای بگذارد و اعمال عملیات آنیل‌کاری به علت تشکیل لایه اکسید سطحی به طرز مطلوبی رفتار خوردگی را بهبود خواهد بخشید. نتایج به دست آمده از آزمون‌های سایش و خوردگی به وضوح برتری خواص را در دمای آنیل‌کاری 600 درجه سلسیوس نشان می‌داد.