نشریه علمی پژوهشی مواد پیشرفته در مهندسی

با پیشرفت در زمینه توسعه مواد زیستی جایگزین بافت‌های بدن، توجه محققین به بهبود ویژگی‌های کاشتنی‌ها در زمینه پزشکی و کلینیکی افزایش یافته است. در این راستا، با وجود ویژگی‌‌های قابل قبول فولاد زنگ‌‌نزن، کاربرد این ماده به‌عنوان کاشتنی به‌دلیل رفتار خوردگی به نسبت ضعیف، محدود شده است. هدف از این پژوهش، ساخت پوشش نانوکامپوزیتی آبگریز پلی‌‌دی‌‌متیل- سیلوکسان (PDMS)- اکسید سیلیسیم (SiO₂)-اکسید مس(CuO) بر زیرلایه فولاد زنگ‌‌نزن گرید پزشکی(L316) به‌منظور بهبود رفتار خوردگی و زیست‌سازگاری آن است. در این راستا، با استفاده از روش پوشش‌‌دهی غوطه‌‌وری، سطوح ورق‌‌های فولادی با استفاده از نانوذرات اکسید سیلیسیم (20 درصد وزنی پلیمر دی‌متیل سیلوکسان)، مقادیر مختلف از نانوذرات اکسید مس (0، 5/0، 1 و 2 درصد وزنی) و پلیمر زیست‌‌سازگار پلی‌‌دی‌‌متیل‌‌سیلوکسان پوشش داده شد. آزمون‌‌های پراش پرتو ایکس و میکروسکوپی الکترونی روبشی به‌منظور ارزیابی پوشش‌‌ها و پودرهای سنتز شده استفاده شد. همچنین، تغییرات زبری سطح و زاویه ترشوندگی پوشش‌‌های حاوی مقادیر مختلفی از نانوذرات اکسید مس و در پایان، تأثیر مقادیر مختلفی از اکسید مس بر رفتار خوردگی پوشش‌‌های نانوکامپوزیتی مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج پراش پرتو ایکس حضور فاز کریستالی نانوذرات اکسید مس را بر زیرلایه اثبات کرد. به‌دلیل طبیعت آمورف نانوذرات سیلیکا و نیمه‌کریستالی پلیمر پلی‌‌دی‌‌متیل- سیلوکسان، هیچ قله‌‌ای مبنی بر تأیید حضور این اجزا مشاهده نشد. تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی حضور یک لایه پوشش با مورفولوژی نیلوفر آبی را در نمونه‌‌های حاوی یک و دو درصد اکسید مس روی سطح نشان می‌‌دهد. همچنین، نتایج ارزیابی زاویه ترشوندگی نشان داد که سطح بدون حضور نانوذرات اکسید مس دارای زاویه ترشوندگی 5±81 درجه است و با افزودن نانوذرات اکسید مس تا یک درصد وزنی به بیش از 5±146 درجه رسید. همچنین نتایج آزمون خوردگی در محلول شبیه‌سازی شده بدن نشان داد که نمونه حاوی دو درصد اکسید مس با چگالی جریان خوردگی ^7-E1/2 آمپر بر سانتی‌‌متر‌‌ مربع و پتانسیل خوردگی 22/0 ولت دارای بیشترین مقاومت به خوردگی در بین نمونه‌‌ها است.

چکیده- برای افزایش مقاومت به اکسیداسیون و خوردگی داغ فولاد­ها می­توان عناصر مختلفی از جمله آلومینیوم، کروم، سیلیسیم، تیتانیوم و یا ترکیبی از آنها را روی سطح نفوذ داد. در این تحقیق با استفاده از فرایند سمانتاسیون فشرده پوشش هم‌زمان آلومینیوم- تیتانیوم روی زیرلایه فولاد زنگ‌نزن فریتی 430 AISI ایجاد شد. پوشش توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و پراش پرتو ایکس (XRD) مورد بررسی قرار گرفت. پوشش حاصل شامل دو لایه به ضخامت حدود 14 میکرومتر بود. نتایج آزمون پراش پرتو ایکس وجود فازهای FeTi، ₂TiO، AlTi، Ti₃Al و Ti₅Al را نشان داد. اکسیداسیون هم‌دما و اکسیداسیون سیکلی در دمای 1000 درجه سانتی‌گراد روی نمونه‌های بدون پوشش و پوشش­دار انجام شد. نتایج اکسیداسیون هم‌دما و سیکلی نشان داد پوشش نفوذی آلومینیوم- تیتانیوم باعث بهبود مقاومت به اکسیداسیون فولاد زنگ­نزن فریتی 430 AISI شد.

 یکی از مؤثرترین راه ­ها برای بهبود مقاومت به اکسیداسیون اتصال دهنده­ های مورد استفاده در پیل‌های سوختی اکسید جامد، اعمال یک لایه پوشش رسانای محافظ است. در این پژوهش، فولاد فریتیCrofer 22APU در یک مخلوط پودر پایه تیتانیوم به‌روش سمانتاسیون فشرده پوشش داده شد. ترکیب پودر برای پوشش‌دهی تیتانیوم به صورت20 درصد وزنی Ti، 5 درصد وزنی NH₄Cl به‌عنوان فعال‌کننده و 75 درصد وزنی Al₂O₃ بود. بهینه دما و زمان برای دست­یابی به بهترین کیفیت پوشش از لحاظ چسبندگی و عدم تخلخل 800 درجه سانتی‌گراد به‌مدت زمان هفت ساعت بود. پوشش تیتانایز حاصل شامل فاز­های TiFe، TiFe₂ و TiCr₂ بود. نتایج مربوط به آزمون­ های اکسیداسیون همدما و اکسیداسیون سیکلی در دمای 900 درجه سانتی‌گراد، نشان داد که نمونه‌های پوشش داده شده با تیتانیوم مقاومت به اکسیداسیون بهتری نسبت به نمونه‌های بدون پوشش دارند. مطالعات ساختاری و فازی نمونه­ های پوشش­ دار و اکسید شده با میکروسکوپ الکترونی روبشی و آزمون پراش پرتو ایکس انجام شد. در طول فرایند اکسیداسیون، پوشش به فازهای TiFe، TiFe₂، TiFe₂O₅، TiO₂ و TiCr₂O₄ تبدیل شده ­است. افزایش وزن نمونه‌های پوشش­ دار نسبت به نمونه‌های بدون پوشش کمتر بود که نشان می‌دهد پوشش به‌طور مؤثری زیرلایه را در برابر اکسیداسیون حفظ می‌کند. همچنین، مقاومت الکتریکی نمونه‌های پوشش­ دار از نمونه‌های بدون پوشش بالاتر بود.

در این پژوهش، به بررسی رفتار تغییر شکل گرم فولاد ابزار گرم‌کار W360، با انجام آزمایش فشار گرم در محدوده دمایی 1000 تا 1200 درجه سانتی‌گراد و نرخ­های کرنش 0/001، 0/01، 0/1 و 1 بر ثانیه پرداخته شده است. مطابق نتایج حاصل، تبلور مجدد دینامیکی مهم‌ترین عامل ترمیم این آلیاژ حین تغییر شکل گرم است. در فولاد W360 با افزایش دما و افزایش نرخ کرنش، تبلور مجدد افزایش یافته است. در دمای 1000 درجه سانتی‌گراد و نرخ کرنش یک بر ثانیه ساختار کاملاً تبلور مجدد یافته حاصل شده است و در دمای 1200 درجه سانتی‌گراد وقوع رشد دانه کاملاً مشهود است. همچنین با رسم نقشه فرایند این فولاد، محدوده بهینه تغییر شکل گرم آن تعیین شد. تصاویر ریزساختاری حاصل از آزمایش فشار گرم نشان داد که در دمای 1000 درجه سانتی‌گراد و نرخ کرنش 0/01 بر ثانیه، تبلور مجدد آغاز شده و با افزایش دما و افزایش نرخ کرنش، به‌دلیل افزایش انرژی ذخیره شده و درنتیجه افزایش مکان‌های مساعد برای جوانه‌زنی، تبلور مجدد توسعه می‌یابد. نتایج حاصل از رسم نقشه فرایند نشان داد، منطقه مناسب تغییر شکل گرم فولاد مورد بررسی، محدوده دمایی 1050 تا 1150 درجه سانتی‌گراد و نرخ کرنش 0/1 تا 1 بر ثانیه است.

در جوشکاری توپودری، ریزساختار و خواص مکانیکی اتصال آلیاژ فولاد 304 AISI توسط نانوصفحات اکسید گرافن (GO) و اکسید گرافن احیا شده (RGO) بررسی شد. در این پژوهش ریزساختار خط ‌جوش توسط روش‌های متالوگرافی و میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی، فازهای تشکیل شده توسط روش پراش پرتوی ایکس و تغییرات آلوتروپی کربن توسط آزمون طیف‌سنجی رامان ارزیابی شده است. اکسید گرافن با استفاده از روش هامر اصلاح شده سنتز شده و با استفاده از  هیدرازین احیا شد. بر این اساس، خمیر اکسید گرافن و اکسید گرافن احیا شده در غلظت‌های مختلف 1 ، 3 و 10 میلی‌گرم بر میلی‌لیتر برای پرکردن شکاف جوش استفاده شده است. نتایج نشان داد که با افزایش غلظت اکسید گرافن احیا شده تا 10 میلی‌گرم بر میلی‌لیتر، استحکام کششی و سختی جوشکاری به‌ترتیب تا 23 و 43 درصد بهبود می‌یابد. مکانیزم افزایش خواص مکانیکی را می‌توان احتمالاً به ایجاد ممانعت نانوصفحات اکسید گرافن احیا شده در برابر رشد دانه و درنتیجه ریز شدن اندازه دانه آلیاژ خط‌ جوش در حین فرایند انجماد حوضچه جوش متناسب دانست.

در این پژوهش، افزودن بازدارنده آلی متیونین (به‌عنوان بازدارنده دوست‌دار محیط زیست) به محیط 0/1 مولار اسیدسولفوریک برای فولاد زنگ‌نزن آستنیتی Lو316 (ساخته شده به روش نوردی و روش چاپ سه‌بعدی)، باعث بهبود مقاومت به خوردگی شده است. برای بررسی این تأثیرات از آزمون‌های الکتروشیمیایی پتانسیل مدار باز و امپدانس و آزمون‌های ساختاری همچون میکروسکوپ نوری و الکترونی و طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتوی ایکس استفاده شد. مقاومت به خوردگی در حضور بازدارنده بیشتر از نمونه بدون بازدارنده بوده و بازده بازدارندگی متیونین تا 64 درصد و مقاومت انتقال سطحی تا 2/77 برابر افزایش یافت. افزودن متیونین علاوه بر کاهش ناهمواری سطح، باعث کاهش تجمیع حفرات سطحی شده است. مکانیزم جذب شیمیایی و فیزیکی بازدارنده (جذب سمت با بار منفی مولکول متیونین با نواحی آندی سطح فلز با بار مثبت) در همه نقاط سطح نمونه با بازدارنده، رخ داده است. همچنین میزان اکسیژن در حفرات کاهش یافته و توزیع گوگرد در سطح یکنواخت شده است. ضخامت لایه‌های اکسیدی روئین‌کننده در اثر افزودن بازدارنده، بیشتر از نمونه بدون بازدارده محاسبه شد. 

در این پژوهش، خواص اتصال فولاد زنگ‌نزن آستنیتی ۳۲۱ از دیدگاه ریزساختاری، مکانیکی و خوردگی مورد بررسی قرار گرفته شده است. به‌منظور دستیابی به عامل‌های بهینه فرایند جوشکاری قوسی تنگستن-گاز با جریان ضربانی (PCGTAW) از روش طراحی آزمایش تاگوچی استفاده شده است. در این فرایند جوشکاری، جریان ضربان در سه سطح ۱۴۰،۱۲۰ و ۱۶۰ آمپر، جریان زمینه در سطح‌های ۴۰، ۵۰ و ۶۰ آمپر، بسامدهای ۲، ۵ و ۷ هرتز و درصد روشن بودن ضربان ۳۰، ۵۰ و ۷۰ انتخاب شد. از آرایه متعامد L₉ روش تاگوچی برای طراحی آزمایش استفاده شد. مقاومت به خوردگی در محیط 1 مولار H₂SO₄ توسط آزمون پلاریزاسیون پتانسیودینامیک چرخه‌ای در دمای اتاق ارزیابی شد. به‌منظور دستیابی به شرایط بهینه چگالی جریان رویین شدن (A/cm²)، مشخصه کیفی هر چه کمتر بهتر (LB:وLow is Better) انتخاب شد. شرایط بهینه هنگامی حاصل شد که جریان زمینه و جریان ضربان ۵۰ و ۱۴۰ آمپر، بسامد ۵ هرتز و درصد روشن بودن ضربان ۵۰ بود. تحت شرایط بهینه لگاریتم چگالی جریان رویین شدن 4/5 (A/cm²) حاصل شد. از سوی دیگر آنالیز واریانس نشان داد که درصد زمان روشن بودن ضربان برابر با ۳۶ و جریان زمینه برابر با 46 آمپر، تأثیر گذارترین عامل‌ها بر چگالی جریان رویین شدن اتصال فولاد زنگ‌نزن آستنیتی ۳۲۱ با استفاده از فرایند PCGTAW هستند. ارزیابی خواص مکانیکی توسط آزمون سنبه برشی انجام شد. خواص مکانیکی هر یک از نمونه‌ها در محدوده مطلوب قرار داشت. در شرایط بهینه بیشینه نیروی برشی و استحکام به‌ترتیب برابر با  Nو۳۲۰۰ و  MPaو۶۱۲ بود. سطح شکست نمونه‌های آزمون سنبه برشی شامل دو ناحیه تغییر فرم برشی و ناحیه شکست بود. همچنین بررسی‌ها نشان داد که مهم‌ترین عامل تأثیر‌گذار بر خواص اتصال فولاد زنگ‌نزن آستنیتی ۳۲۱ حرارت ورودی است.