توصيفگر ها :
فولاد زنگ نزن آستنيتي , آلياژهاي آنتروپي بالا , روكش كاري جوشي , آزمون سايش , آزمون سختي , نيتريد آلياژ آنتروپي بالا , فاز لاوه , آزمون خوردگي
چكيده فارسي :
فولادهاي زنگ نزن آستنيتي به دليل خواصي از جمله جوشپذيري مطلوب، شكل‌پذيري عالي و رفتار خوردگي مطلوب كاربردهاي فراواني در محيط‌هاي گوناگون دارند. با اين حال اين فولادها ويژگي‌هاي مناسبي در دماي بالا نداشته و مقاومت به سايش در دماي بالا، سختي و استحكام ضعيفي از خود نشان مي‌دهند. جهت بهبود عيوب ذكر شده مي‌توان از روكش آلياژهاي آنتروپي بالا كه داراي خواص مطلوبي از جمله خواص سايشي مناسب، استحكام و سختي بالا و خوردگي مناسبي مي‌باشند، استفاده نمود. در اين پژوهش روكش‌هاي آلياژ آنتروپي بالاي CuFeNiMnTi بر سطح فولاد زنگ‌نزن آستنيتي 304 با روش جوشكاري GTAW پوشش داده شد. در فرايند جوشكاري GTAW از گاز محافظ در نسبت‌هاي مختلف آرگون و نيتروژن استفاده گرديد تا علاوه بر تشكيل محلول جامد، نيتريدهاي دوتايي نيز در ساختار تشكيل شده و و منجر به بهبود خواص مكانيكي و سايشي گردد. ريزساختار روكش‌ها با استفاده از آزمون پراش پرتو ايكس، ميكروسكوپ نوري و ميكروسكوپ الكتروني روبشي مجهز به طيف‌نگار تفكيك انرژي مورد بررسي قرار گرفت. همچنين جهت بررسي رفتار مكانيكي از آزمون سختي و چقرمگي شكست استفاده شد و جهت بررسي رفتار سايشي از آزمون سايش در دماي محيط (27 درجه سانتي‌گراد) و دماي بالا (400 درجه سانتي‌گراد) با استفاده از گلوله آلومينايي استفاده گرديد. نتايج اين پژوهش نشان داد كه در نمونه با گاز محافظ 100% آرگون، روكش آلياژ آنتروپي بالاي CuFeNiMnTi داراي دو فاز محلول جامد FCC، يك فاز محلول جامد BCC و فاز لاوه غني از آهن و تيتانيوم Fe2Ti مي‌باشد. بررسي تركيب شيميايي فازها توسط طيف‌نگار پرتو انرژي نشان داد كه فازهاي محلول جامد FCC غني از مس و نيكل هستند و فاز محلول جامد BCC غني از تيتانيوم مي‌باشد. در نمونه‌ها با گاز محافظ آرگون و نيتروژن، روكش آلياژ آنتروپي بالاي CuFeNiMnTi داراي يك فاز محلول جامد FCC غني از مس و نيكل، فاز لاوه غني از آهن و تيتانيوم Fe2Ti و فاز نيتريدي Ti2N مي‌باشد. در نمونه با گاز محافظ 60% آرگون 40 +% نيتروژن توزيع نسبتاً يكنواختي از ذرات Ti2N در ساختار مشاهده گرديد اما در نمونه‌هاي با گاز محافظ 80% آرگون 20 +% نيتروژن و 40% آرگون+60% نيتروژن تجمع اين فاز در سطح روكش قابل مشاهده بود. با فاصله گرفتن از فصل‌مشترك روكش و زيرلايه، فاز لاوه در تمام نمونه‌ها كاهش يافت كه دليل آن كاهش نفوذ آهن از زيرلايه به روكش مي‌باشد اما در نمونه‌هاي با گاز محافظ آرگون و نيتروژن فاز Ti2N در سطح روكش افزايش يافت. همچنين با نزديك شدن به سطح پوشش به دليل افزايش نرخ سرمايش اندازه دندريت‌ها كاهش يافت و مرفولوژي انجماد از سلولي به دندريتي ستوني و سپس دندريتي هم‌محور تغيير يافت. نتايج آزمون سختي، افزايش سختي نمونه‌هاي پوششدهي شده نسبت به فولاد 304 را نشان مي‌داد كه در بين نمونه‌ها، نمونه با گاز محافظ 60% آرگون 40+% نيتروژن با سختي 762 ويكرز داراي بيشترين سختي بود در حالي كه سختي فولاد 304، 224 ويكرز اندازه‌گيري شده بود. بررسي چقرمگي شكست نمونه‌ها نيز نشان داد كه نمونه با گاز محافظ 60% آرگون 40+% نيتروژن داراي بالاترين ميزان چقرمگي شكست مي‌باشد. با بررسي ذرات سايشي و سطوح سايش در آزمون سايش دماي محيط و دماي بالا نمونه‌ها مشخص شد كه اكثر نمونه‌ها داراي مكانيزم سايش خراشان، ورقه‌اي و تريبوشيمي مي‌باشند. نتايج ضريب اصطكاك نمونه‌ها در آزمون سايش دماي محيط نشان داد كه ضريب اصطكاك فولاد 304 تحت بار 10 نيوتن برابر 0/05± 0/49 و تحت بار 30 نيوتن برابر 0/05± 0/57 مي‌باشد در حاليكه اين مقدار براي نمونه با گاز محافظ 60% آرگون40+% نيتروژن تحت بار 10 نيوتن برابر 0/01± 0/32 و تحت بار 30 نيوتن برابر 0/01± 0/34 مي‌باشد. همچنين نتايج ضريب اصطكاك نمونه‌ها در آزمون سايش دماي بالا نشان داد كه ضريب اصطكاك فولاد 304 تحت بار 30 نيوتن برابر 0/02±0/46 مي‌باشد در حاليكه اين مقدار براي نمونه با گاز محافظ 60% آرگون 40+% نيتروژن تحت بار 30 نيوتن برابر 0/01± 0/28 مي‌باشد. بنابراين نمونه‌هاي پوششدهي شده ضريب اصطكاك به مراتب كمتري از فولاد 304 دارند. نمونه با گاز محافظ 60% آرگون 40+% نيتروژن داراي كمترين ميزان ضريب اصطكاك در بين نمونه‌ها مي‌باشد. همچنين به طور كلي ضريب اصطكاك نمونه‌ها در دماي بالا به دليل تشكيل سريع لايه محافظ اكسيدي بر روي سطح سايش، ضريب اصطكاك پايين‌تري داشتند و در نتيجه مقاومت به سايش نمونه‌ها در دماي بالا بهبود يافت.
چكيده انگليسي :
Austenitic stainless steels have many applications in various environments due to their properties such as good weldability, excellent ductility and good corrosion behavior.high entropy alloy coatings can be used, which have desirable properties such as good abrasion properties, high strength and hardness, and good corrosion. In this study, high entropy alloy coatings of CuFeNiMnTi were coated on the surface of 304 austenitic stainless steel by GTAW welding method. In the GTAW welding process, shielding gas was used in different ratios of argon and nitrogen, so that in addition to forming a solid solution, binary nitrides were also formed in the structure, leading to improved mechanical and abrasive properties. The microstructure of the coatings was investigated using X-ray diffraction test, light microscope and scanning electron microscope equipped with energy separation spectrograph. Also, the hardness and fracture toughness test were used to investigate the mechanical behavior, and the abrasion test at ambient temperature (27°C) and high temperature (400°C) were used to investigate the abrasion behavior using alumina pellets. The results of this study showed that in the sample with 100% argon shielding gas, the high entropy alloy coating of CuFeNiMnTi has two phases of FCC solid solution, one phase of BCC solid solution and a lave phase rich in iron and titanium Fe2Ti. Examination of the chemical composition of the phases by energy beam spectroscopy showed that the FCC solid solution phases are rich in copper and nickel and the BCC solid solution phase is rich in titanium. In samples with argon and nitrogen shielding gas, the entropy alloy coating above CuFeNiMnTi has a solid solution FCC phase rich in copper and nickel, a lave phase rich in iron and titanium Fe2Ti and a nitride phase Ti2N. In the sample with 60% argon + 40% nitrogen shielding gas, a relatively uniform distribution of Ti2N particles was observed in the structure, but in the samples with shielding gas 80% argon + 20% nitrogen and 40% argon + 60% nitrogen, the accumulation of this phase on the coating surface Was visible. By moving away from the interface between the coating and the substrate, the lavender phase decreased in all samples due to reduced iron penetration from the substrate to the coating, but in samples with argon and nitrogen shielding gas, the Ti2N phase increased at the coating surface. Also, dendrites decreased in size due to increasing cooling rate due to increasing cooling rate, and freezing morphology changed from cell to columnar dendrites and then coaxial dendrites. The hardness test results showed an increase in the hardness of the coated samples compared to 304 steels. Among the samples, the sample with 60% argon + 40% nitrogen shielding gas with 762 H.V hardness had the highest hardness while steel hardness 304, 224 H.V were measured. Examination of fracture toughness of samples also showed that the sample with 60% argon + 40% nitrogen shielding gas has the highest fracture toughness. By examining the wear particles and wear levels in the ambient temperature and high temperature wear test, it was found that most of the samples have abrasive, sheet and tribochemical wear mechanisms. The results of the friction coefficient of the samples in the ambient temperature wear test showed that the friction coefficient of 304 steel under 10 N load is 0.49 and under 30 N load is 0.57, while this value for example, with shielding gas, 60% argon + 40% nitrogen under a load of 10 Newtons equals 0.32 and under a load of 30 Newtons equals 0.34. Also, the results of the coefficient of friction of the samples in the high temperature wear test showed that the coefficient of friction of 304 steel under a load of 30 N is equal to 0.46, while this value for the sample with shielding gas is 60% argon + 40% nitrogen. Under load 30 N is equal to 0.28.
