فهرست مطالب

علوم و مهندسی سطح ایران - پیاپی 50 (زمستان 1400)

فصلنامه علوم و مهندسی سطح ایران
پیاپی 50 (زمستان 1400)

  • تاریخ انتشار: 1401/05/22
  • تعداد عناوین: 5
|
  • مرتضی ایلانلو*، رضا شجاع رضوی، پویا پیرعلی صفحات 1-16

    فرایند شوک دهی سطحی لیزری، پدیده ای پیچیده از اندرکنش پارامترهای گسترده در بازه زمانی نانوثانیه برای ایجاد تنش پسماند در سطح می باشد. در این تحقیق به بررسی توزیع تنش پسماند و تغییر شکل سطح ماده پس از فرایند شوک دهی سطحی لیزری، با استفاده از مدل المان محدود و تحلیل آماری پرداخته شده است. به منظور شبیه سازی فرایند، از حل صریح دینامیکی المان محدود آباکوس به همراه مدل ماده جانسون کوک برای تحلیل غیر خطی رفتار آلیاژ Ti-6Al-4V استفاده شده و نتایج با داده های تجربی مقالات مقایسه شد. از طراحی آزمایش برای بررسی حالت های مختلف فرایند با کمک شبیه سازی و تجزیه و تحلیل اثر پارامترها بر توزیع تنش پسماند و تغییر شکل سطح استفاده شده است. پارامترهای مذکورعبارتند از اندازه لکه لیزر، میزان همپوشانی نقطه اثر لیزر، چگالی توان لیزر، تعداد پاس های لیزر و عرض پالس لیزر. برای بدست آوردن رابطه میان پارامترها و خروجی های فرایند که میزان تنش پسماند و تغییر شکل سطح است، از رگرسیون خطی استفاده شد. برای بهینه سازی و بدست آوردن نتایج دقیق تر، روش بهینه سازی الگوریتم ژنتیک استفاده شده است. با تعریف متغیر ترکیبی برای پارامترهای موثر لیزر و اعمال الگوریتم ژنتیک، خطی سازی با دقت بالای 93 درصد برای پیش بینی تغییر شکل سطح و دقت بالای 94 درصد برای پیش بینی میزان تنش پسماند حاصل شد. نتایج شبیه سازی نشان داد که میزان تنش پسماند فشاری و همچنین میزان تغییر شکل سطح با افزایش توان، عرض پالس، میزان همپوشانی و تعداد تکرار افزایش یافتند. و در مقابل با افزایش قطر لکه، از مقادیر آن ها کاسته شد.

    کلیدواژگان: شوک دهی سطحی لیزری، مدل سازی المان محدود، مدل سازی آماری، تنش پسماند، تغییر شکل سطح
  • فرید کرمانی*، سید رضا شجاع رضوی، کریم زنگنه مدار، محمدرضا برهانی صفحات 17-27

    رسوب نشانی مستقیم لیزری یکی از فرایندهای مهم صنعتی جهت ساخت و بازسازی قطعات می باشد. در این روش هم زمان با تابش پرتو لیزر، پودر فلزی تزریق شده و رسوب نشانی انجام می شود. بدین ترتیب افزایش حجم قطعه در سه بعد امکان پذیر خواهدبود. سوپرآلیاژ اینکونل 718 از آلیاژهای استحکام بالا و مقاوم در برابر خوردگی است و کاربردهای زیادی در صنایع نظامی و هوافضا دارد. در این مقاله ارزیابی الگوی روبش بر بافت انجمادی اینکونل718 پس از ساخت افزایشی بررسی شده است. پس از انجام ساخت افزایشی با سه الگوی روبش دایره ای، یک جهت و رفت و برگشتی نمونه ها جهت بررسی، آماده سازی شدند. بافت نمونه ها توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی و دستگاه پراش پرتوایکس مجهز به زاویه یاب بررسی شد. نتایج نشان می دهد جهات <100> با حداکثر انتقال حرارت، بیشتر در جهت ساخت و عرضی تشکیل شده اند. میزان دندریت های بیشتری در الگوی دایره ای، جهت گیری مشابه داشتند و برای رسیدن به ساختار جهت دار، الگوی روبش دایره ای مناسب ترین حالت می باشد. مولفه های بافت اصلی در نمونه ها، مکعبی، مکعبی چرخیده و گوس هستند. حالت رفت و برگشتی ضعیف ترین شدت بافت را در نمونه ها داشته است. روبش دایره ای با اختلاف کمی نسبت به روبش یک جهت مناسب ترین شدت بافت را داشته است. نتایج سختی با تغییر در الگوی ساخت تغییرات معناداری را نشان نمی دهد. همچنین پس از انجام آنیل میزان سختی و نوسانات آن کم می شود.

    کلیدواژگان: بافت انجمادی، اینکونل 718، انجماد جهت دار لیزری، الگوی روبش، رسوب نشانی مستقیم لیزری
  • رحمان جعفرزاده حسنلویی، طاهر ربیع زاده، احسان شالچی، بهزاد آبشت، میرقاسم حسینی* صفحات 29-40

    نتایج تحقیقات مختلف نشان می دهد که پوششدهی یکی از راه های موثر در افزایش مقاومت به خوردگی و سایش زیرلایه های فلزی می باشد. همچنین کامپوزیت کردن پوشش اعمالی با استفاده از نانوذرات می تواند موجب محافظت هرجه بیشتر زیرلایه شود. در این پژوهش با استفاده از فرایند آبکاری الکتریکی و ذرات PTFE (با غلظت های 10، 20 یا 30 گرم بر لیتر)، پوشش های Ni-P-PTFE تهیه و خواص خوردگی و سایش آنها مورد بررسی قرار گرفته و با پوشش های Ni-P مقایسه شد. با استفاده از تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی (SEM) و روش پراش انرژی اشعه ایکس (EDS) به مطالعه مورفولوژی سطح و آنالیز عنصری پوشش های مذکور پرداخته و در نهایت با استفاده از تکنیک های پتانسیل مدار باز (OCP)، طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS) و پلاریزاسیون تافلی میزان مقاومت به خوردگی پوشش های حاصل در محلول NaCl wt.% 5/3 مورد ارزیابی قرار گرفت. میکرو سختی و آزمون پین روی دیسک نیز برای بررسی اثر غلظت PTFE بر روی خواص تریبولوژیکی پوشش ها مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاصل از مطالعات SEM و EDS تشکیل نانوکامپوزیت ها را به اثبات رساندند. مطالعات الکتروشیمیایی نیز نشان دادند که پوشش های Ni-P-PTFE، در غلظت g/L PTFE20 از لحاظ الکتروشیمیایی بیشترین مقاومت به خوردگی را دارند. میکروسختی نیز با افزایش ذرات PTFE در پوشش روند کاهشی داشته و به کمترین مقدار خود رسید. با استفاده از آزمون سایش کمترین ضریب اصطکاک بدست آمده در پوشش های کامپوزیتی در غلظت 20 گرم برلیتر حاصل شد که قابلیت کاربرد ذرات PTFE به عنوان یک روانکار جامد در پوشش های Ni-P را نشان می دهد.

    کلیدواژگان: آبکاری الکتریکی، پوشش کامپوزیتی، خوردگی، سایش، امپدانس
  • حسن علم خواه*، امیر عبدالله زاده، فرزاد محبوبی، مهدی رئوفی صفحات 41-50

    هدف از این پژوهش، بررسی ریزساختار و خواص سطحی پوشش نانوساختار نیترید تیتانیوم-آلومینیوم (TiAlN) اعمال شده در دماهای مختلف لایه نشانی است. برای این منظور پوشش های نانوساختار TiAlN با استفاده از روش رسوب گذاری شیمیایی از فاز بخار به کمک پلاسما با جریان مستقیم پالسی (DC-PACVD) بر سطح فولاد ابزار گرم کار (H11) نیتروژن دهی شده لایه نشانی شدند. پوشش ها در شرایط یکسان درصد چرخه کار، بسامد و نسبت گازی H2/Ar/N2 به ترتیب در 33 درصد، 10 کیلوهرتز و 50/150/400 سانتیمتر مکعب و در دماهای 470، 485، 500 و 515 درجه سانتیگراد به روش PACVD لایه نشانی شدند. برای بهبود استحکام چسبندگی پوششهای TiAlN به زیرلایه، از میان لایه پوشش TiN استفاده شد. برای مشخصه یابی پوششها از دستگاه های FESEM، SEM و XRD و همچنین برای ارزیابی خواص مکانیکی و چسبندگی پوششها از ریزسختی سنج ویکرز و آزمون خراش بهره گرفته شد. نتایج دلالت می کند بیشینه سختی پوشش TiAlN، اعمال شده در دمای 485 درجه سانتیگراد است که به عوامل مختلف از جمله ثابت شبکه، اندازه بلورک و مقدار کلر در ترکیب شیمیایی پوشش، نسبت داده می شود. همچنین تشکیل لایه نازک نانومتری Fe4N در فصل مشترک پوشش با زیرلایه در دمای بالاتر از 500 درجه سانتیگراد، موجب تضعیف چسبندگی پوشش TiAlN به زیرلایه می شود. با ارزیابی کمی میزان چسبندگی پوششها، مشخص شد که پوشش ایجادشده در دمای 485 درجه سانتیگراد بیشینه مقدار بار بحرانی خراش (23 نیوتن) را تحمل می کند.

    کلیدواژگان: دمای لایه نشانی، استحکام چسبندگی، پوشش TiAlN، نیتروژن دهی پلاسمایی، فرایند PACVD
  • بهروز موحدی*، مهفام ناصری صفحات 51-58

    در این مقاله هدف ساخت لایه نفوذی ابرآبگریز جهت حفظ نمای ساختمان است. در این پژوهش ابتدا سطح نانوذرات فیومدسیلیکا توسط پلیمر پلی دی متیل سیلوکسان اصلاح شد و سپس سوسپانسیونی از نانوذرات اصلاح شده بر پایه آب/اتانول و عامل پایدار کننده سدیم دو دسیل سولفات ساخته شد. لایه ی نفوذی ابر آبگریز بر سطح آجر نمای ساختمان با فرایند برس زنی و پاششی اعمال شد. نتایج نشان داد پتانسیل زتا برای سوسپانسیون حاوی نانوذرات فیومدسیلیکا آبدوست و سوسپانسیون حاوی نانوذرات فیومدسیلیکا آبگریز به ترتیب برابر mV4/25- و mV9/55- است. بر اساس آزمون طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه چون جابه جایی قابل توجه طیف ها مشاهده نگردید بنابراین مکانیزم اتصال مولکول های اصلاح کننده با سطح نانوذرات از نوع فیزیکی گزارش شد. حداقل و حداکثر مقدار پلیمر پلی دی متیل سیلوکسان برای آبگریز کردن سطح نانوذرات فیومدسیلیکا 5 و 15 درصد وزنی به دست آمد. زاویه تماس قطره آب بر سطح آجر که با لایه نفوذی آبگریز آغشته شده است، بیش از ◦150 و زاویه لغزش ◦4 است که نشان دهنده خاصیت ابرآبگریزی این لایه است. این خاصیت ابرآبگریزی طبق مکانیزم کسی- بکستر ناشی از ایجاد سطحی با زبری در مقیاس میکرو/نانو و انرژی سطحی بسیار پایین محقق شد. براساس آزمون رایلم، بعد از گذشت 20 دقیقه، نفوذ آب به داخل آجر آبگریز شده، صورت نگرفت. همچنین طبق آزمون شوره، بعد از گذشت 15 روز هیچ-گونه رسوب نمکی بر سطح آجر مشاهده نشد. علاوه بر این، لایه نفوذی ابرآبگریز قابلیت تنفس پذیری و نفوذپذیری آب مطلوبی را بر سطح آجر نمای ساختمان ایجاد کرد.

    کلیدواژگان: ابر آبگریزی، نانوذرات فیومدسیلیکا، پلی دی متیل سیلوکسان، لایه نفوذی
|
  • Morteza Ilanlou *, Reza Shoja Razavi, Pouya Pirali Pages 1-16

    Laser shock peening process is a complex phenomenon of interactions among various parameters in a nanosecond time frame with the goal of generating residual stress in the surface. In this research, the distribution of residual stress and surface deformations after the laser shock peening process has been investigated via finite element method (FEM) and statistical analysis. To simulate the process, ABAQUS explicit dynamic finite element method coupled with Johnson-Cook model to analyze the nonlinear behavior of Ti-6Al-4V alloy and the results were compared with experimental data from other articles. The design of experiment was used to investigate various process sates with the aid of simulation and analyzing the effect of process parameters on the distribution of residual stress and surface deformation. The aforementioned process parameters are laser spot size, laser spot overlap, laser power density, number of laser passes and laser pulse width. To achieve the correlation between the parameters and the process outcomes namely, the distribution of residual stress and surface deformation, linear regression was incorporated. Additionally, genetic algorithm was used to optimize the process and achieve more accurate results. Defining the compound variable for effective laser parameters and implementing the genetic algorithm resulted in linear regression with 93% accuracy for predicting the surface deformation and 94% accuracy for the prediction of the distribution of residual stress. A good correlation between the simulated model and other articles regarding shock peening in specific conditions was observed. The simulation results indicated that the value of compressive residual stress and surface deformation increase when power, pulse width, overlapping and the number of repetitions are increased. On the other hand, an increment in laser spot size has an opposite effect on the aforementioned parameters.

    Keywords: Surface laser shock peening, Finite element analysis, Design of Experiments (DoE), Residual stress, Surface Deformation
  • Fareed Kermani, Reza Shoja razavi, Karim Zangenemadar, Mohammadreza Borhani Pages 17-27

    Direct Laser Deposition (DLD) is among the important industrial processes for fabricating and repairing parts. In this method, injection of metallic powder subject to laser beam causes the power to melt and deposit, thus allowing the part to grow in volume in three dimensions. INCONEL 718 is a high-strength, corrosion-resistant superalloy widely employed in the military and aerospace industries. This study assesses the scanning pattern on solidification texture of Inconel 718 after additive fabrication. After performing additive fabrication, the specimens were prepared using three scanning patterns, namely circular, single direction raster, and bi-direction. The results indicated that directions <100> with maximum heat transfer are formed mostly along the fabrication and transverse directions. Using concentric circles pattern, a larger number of dendrites assumed a similar orientation, making circular scanning the most suitable choice for oriented structures. The components of the main texture in the specimens were cubic, rotated cubic, and Gauss. The bi-direction pattern produced the weakest texture intensities in the specimens, and circular scanning achieved the most suitable texture intensity, with SDRS in a close second. The hardness results showed no significant changes with changes in fabrication pattern. M oreover, the hardness and its variations decrease after annealing.

    Keywords: Solidification texture, Inconel 718, Laser directional solidification, Scanning pattern, Direct laser deposition
  • Rahman Jafarzadeh Hasanlooyi, MirGhasem Hosseini, Taher Rabizadeh, Ehsan SHalchi, Behzad Abasht Pages 29-40

    The results of various research activities show that coating is one of the effective ways to increase the corrosion resistance and wear of metallic substrates. Synthesizing composite coatings using nanoparticles can also further protect the substrate. In this study, using electroplating process and PTFE particles (with concentrations of 10, 20 or 30 g / l), Ni-P-PTFE coatings were prepared and their corrosion and abrasion properties were investigated and compared with Ni-P coating. Using scanning electron microscopy (SEM ) and X-ray diffraction (EDS) methods, the surface morphology and elemental composition of the coatings were studied and finally, using open circuit potential (OCP) techniques, electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and polarization techniques, the corrosion resistance of the resulting coatings were evaluated in NaCl solution. M icrohardness and pin on disk tests were also utilized to investigate the effect of PTFE concentration on the tribological properties of the coatings. The results of SEM and EDS studies confirmed the formation of nanocomposites. Electrochemical studies also showed that Ni-P-PTFE coatings, at a concentration of 20 g/L PTFE, had the highest electrochemical corrosion resistance. M icrohardness decreased with increasing PTFE particles in the coating and reached its lowest value in 20 g/l PTFE . Using the wear test, the lowest coefficient of friction obtained in composite coatings obtained at a concentration of 20 g/l, which shows the applicability of PTFE particles as a solid lubricant in Ni-P coatings.

    Keywords: electroplating, composite coatings, PTFE, wear, corrosion, EIS
  • Hasan Elmkhah, Amir Abdollah-zadeh, Farzad Mahboubi, Mehdi Raoufi Pages 41-50

    The purpose of this study is to investigate the microstructure and surface properties of titanium-aluminum nitride (TiAlN) nanostructured coatings produced at different deposition temperatures. The TiAlN nanostructured coatings were deposited on nitrided hot-work tool steel (H11) using pulsed direct current plasma assisted chemical vapor deposition method (DC- PACVD). The coatings were produced under the same conditions such as duty cycle, frequency and H2/Ar/N2 gas ratio at 33%, 10 kHz and 400/150/50 sccm, respectively. Also the specimens were deposited at temperatures of 470, 485, 500 and 515 °C by PACVD method. TiN coating interlayer was used to improve the adhesion strength of TiAlN coatings to the substrate. FESEM , SEM and XRD devices were used to characterize the coatings and Vickers micro-hardness and scratch test were used to evaluate the mechanical properties and adhesion strength of the coatings. The results indicated that the maximum hardness of TiAlN coating produced at 485 °C. It is attributed to various factors such as lattice parameter, crystallite size and amount of chlorine in the chemical composition of the coating. Also, due to the formation of a nanoscale- thin layer of Fe4N at the interface between the coating and the substrate at the temperatures above 500 °C, the adhesion strength of the TiAlN coating reduces. By quantitative evaluation of the adhesion of the coatings, it was found that the coating formed at the temperature of 485 °C withstands the maximum critical load (23 N) of the scratch.

    Keywords: Adhesion strength, PACVD, TiAlN nanostructured coating, Deposition temperature
  • Mahfam Naseri Borujeni, Behrooz Movahedi Pages 51-58

    In this article, the goal is to build a super-hydrophobic diffusion layer to preserve the facade of the building. In this research, first, the surface of fumed silica nanoparticles was modified by polydimethylsiloxane polymer, and then a suspension of modified nanoparticles was made based on water/ethanol and the stabilizing agent sodium dodecyl sulfate. The super- hydrophobic diffusion layer was applied on the brick surface of the buildings using brushing and spraying process. In order t o evaluate the properties of the super-hydrophobic diffusion layer on the brick surface, Rilem test, breathability, efflorescence, contact angle and water drop sliding angle were used. The results showed that the zeta potential for the suspension containing hydrophilic fumed silica nanoparticles and the suspension containing hydrophobic fumed silica nanoparticles is -25.4 mV and -55.9 mV, respectively. Based on the Fourier transform infrared spectrometry test, since no significant shift of the spectra was observed, therefore, the mechanism of connection of modifier molecules with the surface of nanoparticles was reported as physical. The minimum and maximum amount of polydimethylsiloxane polymer for hydrophobization the surface of fumed silica nanoparticles was 5 and 15% by weight. The contact angle of the water drop on the surface of the brick, which is coated with a hydrophobic diffusion layer, is more than 150◦ and the sliding angle is 4◦, which shows the super-hydrophobic property of this layer. This super-hydrophobic property was achieved according to the Cassie-Baxter mechanism due to the creation of a surface with micro/nano scale roughness and very low surface energy. According to Rilem test, after 20 minutes, water did not penetrate into the hydrophobic brick. Also, according to the efflorescence test, after 15 days, no salt deposits were observed on the surface of the brick. In addition, the super-hydrophobic diffusion layer created a favorable breathability on the brick surface of the building facade.

    Keywords: Super-hydrophobicity, Fumed silica nanoparticles, Polydimethylsiloxane, Diffusion layer