چكيده:

در میان آلیاژهای تیتانیم ، درکاربردهای هوافضا و پزشکی از آلیاژ شناخته‌شده Ti-6Al-4V استفاده زیادی می­شود. هدف از این تحقیق حاضر بررسی اثر ریزدانه­سازی بر رفتار الکتروشیمیایی تیتانیم خالص تجاری است. بدین منظور شش پاس فرایند نورد تجمعی پیوندی ((ARB در دمای اتاق روی تیتانیم خالص تجاری با موفقیت اعمال شد. تحولات ریزساختاری نشان داد که متوسط اندازه دانه از 5±45 میکرومتر در ماده اولیه به حدود 4±90 نانومتر پس از شش پاس نورد تجمعی پیوندی (ARB) کاهش یافت. درجه تغییر شکل ناهمگن که از توزیع ریزسختی به دست آمد، نشان داد که همگنی کرنش در پاس بالاتر ARB بهبود یافته است. استحکام تسلیم و کششی تیتانیم نانو ساختار پس از شش پاس  (به ترتیب حدود 799 مگاپاسگال و 989 مگاپاسگال ) به ترتیب حدود %180 و %140 بالاتر از نمونه اولیه (284 مگاپاسگال و 415 مگاپاسگال) بود. تیتانیم خالص تجاری نانو ساختار (NG CP Ti) پس از شش پاس ARB استحکام بالاتری از آلیاژ Ti-6Al-4V با میزان افزایش طول یکسان نشان داد. رفتار الکتروشیمیایی تیتانیم خالص تجاری با دو ساختار، درشت‌دانه و نانو دانه با نمودار پلاریزاسیون پتانسیودینامیک، طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمی (EIS) و آنالیز موت-شاتکی مقایسه شد. نمودار پلاریزاسیون پتاسیودینامیک و طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمی (EIS) برای مقایسه نمونه‌های ریزدانه‌شده در محلول اسید سولفوریک و رینگر بسیار مناسب و دارای نتایج قابل‌بررسی بود. آنالیز موت-شاتکی نشان داد که لايه رویین در محلول اسید سولفوریک و رینگر از نوع نیمه‌هادی n- می‌باشد و ریزدانه­سازی تغییری در رفتار نیمه‌هادی آن به وجود نیاورده است. آنالیز موت-شاتکی در نمونه آنیل ARB شده در محلول اسید سولفوریک و رینگر و رابطه آن با مدل عیوب نقطه‌ای بررسی شد، و غلظت عیوب به‌عنوان تابعی از ریزدانگی محاسبه شد. آنالیز موت-شاتکی نشان داد که با کاهش اندازه دانه، چگالی دهنده الکترونی کاهش پیدا می‌کند. درنهایت، آزمون‌های الکتروشیمیایی نشان داد که رفتار الکتروشیمیایی نمونه ریز دانه نسبت به نمونه درشت دانه بهبود می‌یابد، که احتمالاً به دلیل تشکیل لايه اکسیدی ضخیم‌تر و دارای عیوب کمتر می‌باشد.

Abstract:

The aim of this research is basically to investigate the effect of grain refinement on the electrochemical behavior of commercial pure titanium. In this study, the six-cycle accumulative roll bonding (ARB) process at room temperature was successfully used for grain refining in commercial pure titanium (CP Ti). The microstructural evaluations revealed that the average grain size decreased from about 45 µm for the initial material to about 90 nm after six cycles of ARB. The degree of deformation inhomogeneity indicated from microhardness profiles revealed strain homogeneity improvement at higher number of ARB cycles. The Hall-Petch hardness relation was successfully applied to predict the result of the previous works. The yield and tensile strength of the nano-grained (NG) CP Ti after sixth cycle (799 MPa and 989 MPa) were about 180% and 140% higher than that of the as-received sample (284 MPa and 415 MPa), respectively. The NG CP Ti after 6 cycles ARB exhibited higher strength than that of commercial Ti-6Al- 4V alloy and same elongation. electrochemical behavior of commercial pure titanium with both coarse-grained (annealed sample with the average grain size of about 45 µm) and nano-grained microstructure was compared by potentiodynamic polarization, electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and Mott–Schottky analysis. Potentiodynamic polarization plots and EIS measurements revealed that as a result of grain refinement, the passive behavior of the nano-grained sample was improved compared to that of annealed pure Ti in H₂SO₄ and Ringer’s solutions. Mott–Schottky analysis indicated that the passive films behaved as n-type semiconductors in H₂SO₄ and Ringer’s solutions and grain refinement did not change the semiconductor type of passive films. For this purpose, the Mott-Schottky analysis of annealed and ARBed samples, in H₂SO₄ and Ringer’s solutions in conjunction with the point defect model, was performed, and the defects concentrations were calculated as a function of grain refinement. The relationship between density of defects and grain size are discussed in order to understand the semiconducting behavior of commercial pure Ti . Also, Mott–Schottky analysis showed that the donor densities decreased as the grain size of the samples reduced. Finally, all electrochemical tests showed that the electrochemical behavior of the nano-grained sample was improved compared to that of annealed pure Ti, mainly due to the formation of thicker and less defective oxide film.

مقالات استخراج شده:

مقالات ارائه شده در کنفرانس­های داخلی:

یوسف مظاهری رودبالی، آرش فتاح الحسینی، علیرضا انصاری، محسن کریمی، بررسی رویین شدن  تیتانیم  خالص تجاری و تاثیر فرآیند نورد تجمعی (ARB) بر رفتارالکتروشیمیایی لایه رویین در محلول اسیدسولفوریک، پنجمین کنفرانس بین المللی مهندسی مواد و متالورژی و دهمین کنفرانس مشترک انجمن مهندسین متالورژی و انجمن علمی ریخته­گری ایران، آبان ماه 1395، دانشگاه شیراز.

مقالات ISI و علمی – پژوهشی:

1)                Fattah-alhosseini, A., Ansari, A.R., Mazaheri, Y. and Keshavarz, M.K., 2016. Effect of immersion time on the passive and electrochemical response of annealed and nano-grained commercial pure titanium in Ringer's physiological solution at 37° C. Materials Science and Engineering: C.

Fattah-alhosseini, A., Ansari, A.R., Mazaheri, Y, Karimi, M., Electrochemical Behavior Assessment of Micro- and Nano-Grained Commercial Pure Titanium in H₂SO₄ Solutions. Journal of Materials Engineering and Performance