مجله علمی-پژوهشی علوم و فناوری جوشکاری ایران

در این مطالعه، تشکیل ترکیبات بین‌فلزی Fe₃Al و Fe,Cr₃₎Al ) و تأثیر کروم بر ریزساختار و خواص مکانیکی روکش دوتایی Fe-Al از جمله سختی و مقاومت در برابر سایش، مورد بررسی قرار گرفت. برای این منظور، ابتدا پودرهای آهن و آلومینیوم در مرحله اول بدون پودر کروم و در مرحله دوم با افزودن پودر کروم در آسیاب سیاره‌ای با انرژی بالا مخلوط و ترکیبات بین‌فلزی Fe₃Al و Fe,Cr₃₎Al ) سنتز شدند. پودرهای از پیش قرار داده شده بر سطح فولاد CK45 با استفاده از فرایند جوشکاری قوس تنگستن گاز، روکش‌کاری شدند. ریزساختار، فازهای تشکیل شده و خواص لایه‌های روکش ایجاد شده با استفاده از میکروسکوپ نوری، میکروسکوپ الکترونی روبشی، آنالیز پراش پرتو ایکس، سختی‌سنجی میکرو و ماکرو، طیف‌سنجی توزیع انرژی پرتو ایکس و آزمایش سایش پین روی دیسک در سه دمای 25، 200 و 500 درجه سانتی‌گراد بررسی شدند. نتایج نشان داد که ریزساختار روکش دوتایی Fe-Al شامل دندریت‌های Fe₃Al با رشد غیراپیتاکسیال است. این رشد غیراپیتکسیال نتیجه تفاوت ترکیب شیمیایی پوشش و زیرلایه در فصل مشترک پوشش و زیرلایه است که باعث شکل‌گیری کریستال‌های جدید در فصل مشترک شده است. این درحالی است که ریزساختار روکش سه‌تایی Fe-Al-Cr شامل تیغه‌های مارتنزیتی درون زمینه Fe,Cr₃₎Al ) می‌باشد. نتایج آزمایش‌های سختی نشان داد که سختی روکش سه‌تایی دو برابر روکش دوتایی (به‌ترتیب30 و 60راکول‌سی برای روکش‌‌های دوتایی و سه‌تایی) است. همچنین مشخص شد که حضور عنصر کروم در روکش Fe-Al مقاومت در برابر سایش لایه‌های رسوبی را بهبود می‌بخشد. مکانیسم سایش غالب در پین Fe₃Al سایش چسبان بود، در حالی‌که برای پین Fe,Cr₃₎Al ) علاوه بر سایش چسبان، سایش خراشان ریزشخم نیز مشاهده شد. میزان کاهش وزن هر دو پین در دمای محیط حداکثر و در دمای 500 درجه سانتی‌گراد حداقل بود.

در این پژوهش، از ورق فولاد زنگ‌نزن آستنیتی 316L با ضخامت 1 میلی‌متر برای انجام آزمایش استفاده شد. فرایند تجربی جوشکاری توسط دستگاه جوش لیزر ضربانی Nd:YAG و فرایند شبیه‌سازی جوشکاری توسط نرم‌افزار SYSWELD و مدل سه‌بعدی برای تحلیل ترمودینامیکی و مکانیکی انجام شد. نتایج شبیه‌سازی تطابق بالای 90 درصد را با نتایج تجربی نشان داد. تجزیه و تحلیل داده‌های تجربی و عددی نشان داد که در ولتاژ ثابت 440 ولت، با کاهش سرعت جوشکاری از 2 به 0.5 میلی‌متر بر ثانیه، میزان همپوشانی ضربان‌ها  از %67 به %93 و چگالی توان بیشینه متوسط (EPPD) از  5963 به 21831 وات بر میلی‌متر مربع افزایش یافت و با افزایش ولتاژ از 440 به 480 ولت در سرعت ثابت 1 میلی‌متر بر ثانیه، حرارت ورودی از 114 به 138 ژول بر میلی‌متر و عمق جوش از 0.56 به 0.66 میلی‌متر افزایش پیدا کرد. ساختار فلز جوش به واسطه سرعت انجماد بالا دانه ریزتر از فلز پایه شد (%63 کاهش اندازه‌دانه). در فلز جوش دو فاز آستنیت و فریت مشاهده شد و حالت انجماد نیز به صورت FA پیشبینی شد. با افزایش سرعت جوشکاری از mm/sم0.5 به mm/sم2 در ولتاژ ثابت 440 ولت، بیشینه تنش پسماند کششی از 96 به MPa 260 به واسطه کاهش همپوشانی ضربان‌ها (از %93 به %67)، توزیع غیریکنواخت حرارت در قطعه و ایجاد تنش‌های حرارتی، افزایش یافت. همچنین افزایش ولتاژ جوشکاری از 440 به 480 ولت در سرعت ثابت mm/sم1، باعث افزایش بیشینه تنش پسماند کششی از 124 به 152 مگاپاسکال شد. بیشینه سختی فلز جوش با افزایش سرعت جوشکاری از 180 به 215 ویکرز به دلیل جلوگیری از نفوذ کربن و افزایش نرخ رشد افزایش یافت. با افزایش ولتاژ جوشکاری و افزایش حرارت ورودی (از 57 به 69 ژول بر میلی‌متر) سختی از 225 به 215 ویکرز به دلیل کاهش شیب حرارتی و رشد دانه‌ها  کاهش یافت.