دانشگاه بوعلی سینا

دانشکده مهندسی

گروه مواد

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد مهندسی مواد

 

عنوان:

پوشش­دهی کربن و سختکاری سطحی تیتانیوم با فرایند لیزر

 

استاد راهنما

دکتر یوسف مظاهری

 

اساتید مشاور

دکتر محسن شیخی

دکتر اکبر حیدرپور

 

نگارش

مهسا بحیرائی

 

مکان : کلاس 10

زمان :

8/11/97 ساعت 10

 

Bu-Ali Sina University

 

Faculty of Engineering

Department of Material Engineering

Thesis submitted for Master of Material Engineering in Identification and Selection of Metal Materials

 

Title:

 

Carbon coating and surface hardening of titanium by laser process

 

Supervisor:

Yousef Mazaheri (Ph.D)

 

Advisor:

Mohsen Sheikh (Ph.D)

Akbar Heidarpor (Ph.D)

 

By:

Mahsa Bahiraiee

 

2019/01/28

 

چكيده:

      تیتانیم وآلیاژهای آن بخاطر نسبت استحکام به وزن بالا، کاربردهای فراوانی در صنایع مختلف نظیر هوافضا،اتومبیل سازی ،درون کاشت‌ها و... دارند. علی‌رغم استحکام بالای تیتانیم و آلیاژهای آن در بعضی موارد نیازمند استحکام بالاتر و مقاومت به سایش خوب هستیم که برای افزایش سختی و مقاومت سایشی از روش های مختلفی استفاده می‌شود. در این پژوهش با استفاده از روش رسوب فیزیکی بخار یک لایه کربن روی سطح قرار گرفت سپس نمونه با موقعیت کانونی، سرعت و توان مختلف تحت تابش لیزر قرار گرفتند. جهت بررسی ساختار نمونه‌ها از ميكروسكوپ نوری، ميكروسكوپ الكتروني روبشي و میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی استفاده شد. آناليز فازي سطح نمونه‌ها توسط الگوهاي پراش پرتو ايكس انجام گرفت. ارزيابي خواص نمونه‌هاي اوليه و فرآوری شده توسط سختی‌سنجی و آزمون سايش انجام شد. درنتیجه این پژوهش ذرات کاربیدی، نیتریدی و فازهای MAX بر روی سطح ایجاد شدند. خواص مكانيكي نمونه‌هاي لیزر شده، در مقايسه با زيرلايه به نحو چشمگيري بهبود يافت. به‌طوری‌که سختی سطحی تیتانیم آلیاژی از 400 ویکرز به میانگین سختی 1737 ویکرز و تیتانیم خالص از 200 ویکرز به 1200 ویکرز افزایش یافت. نتايج انجام آزمون سايش بر روي نمونه‌های مختلف رفتار سايشي مناسب‌تر نمونه لیزر شده را در مقايسه با زیرلایه نشان داد. به‌طوري‌كه بعد از 500 متر لغزش كاهش جرم فلز پايه تیتانیم خالص 4/8 میلی‌گرم و یکی از نمونه‌های لیزر شده 7/0 میلی‌گرم بوده و برای تیتانیم آلیاژی کاهش جرم 5/4 میلی‌گرم و برای تیتانیم آلیاژی لیزر شده کاهش جرم4/0 میلی‌گرم بود.  بررسي سطوح و ذرات سايش نمونه‌ها مكانيزم‌هاي سايش متفاوت را نشان داد.

واژه‌های کلیدی: تیتانیم و آلیاژهای آن، پوشش‌دهی، لیزر، فاز MAX

 

 

Abstract:

Commercially Ti-6Al-4V alloy is extensively used in many fields, such as marine, automobile and chemical industry, due to its excellent properties of low density, high fatigue strength and good corrosion resistance. Moreover, it is acceptable biocompatibility and higher fatigue strength than pure titanium make it remain the dominant titanium alloy used in medical materials. For increasing hardness and wear resistance, we need to use different method. The aim of this study was to increase the surface hardness of Ti 6Al-4V alloy. In this study with the use of PVD method, a carbon layer was created on the surface. Then, the sample was exposed to laser radiation at different parameters. Structural analysis of the samples was done using optical microscopy and scanning electron microscopy. Phase analysis of the surface of the sample was done by X-ray diffraction patterns. The properties evaluation of the prototype and process samples was performed by hardness and wear tests. As a result of this study, carbide particles, nitride and MAX phases were created on the surface. The mechanical properties of laser specimens were significantly improved in comparison with the substrate. As the titanium alloy surface hardness from 400 HV; to the average hardness of 1737 HV and pure titanium from 210 HV to 1200 HV increased. The results of wear test on different samples exhibit the wear behavior was more appropriate for the laser treated surface compared to the substrate. So, after 500 m sliding, the mass loss of the pure titanium base metal was 4.18 mg and one of the laser samples was 0.7 mg. For titanium alloy the mass loss was 4.5mg and the laser alloy had a mass loss of 0.4 mg. Examination of surfaces and wear results showed different wear mechanisms.

Key Words: Titanium and its alloies, coating, laser, MAX phase