میثم نوری

در این پژوهش، پوشش های آنتروپی بالا بر پایه AlCrSiTiZr در دو دسته آلیاژی تک لایه (Single-layer High-Entropy Alloy) و نیتریدی چندلایه (Multi-layer High-Entropy Nitride) با استفاده از روش تبخیر قوس کاتدی (CAE-PVD) بر زیرلایه فولاد زنگ نزن 304 اعمال شدند. تعدادی از نمونه های هر دو پوشش تحت عملیات حرارتی آنیل در دمای 800 درجه سلسیوس در اتمسفر هوا قرار گرفته و به پوشش های تک لایه آلیاژی آنیل شده (Annealed Single-layer High-Entropy Alloy) و چندلایه نیتریدی آنیل شده (Annealed Multi-layer High-Entropy Nitride) تبدیل شدند. محاسبه پارامتر آنتروپی اختلاط (ΔSmix) نشان داد که هر دو پوشش SHEA با 59/12 ژول بر کلوین در مول و MHEN با 48/12 ژول بر کلوین در مول، در محدوده آنتروپی بالا قرار دارند. از آزمون های پراش پرتو ایکس (XRD)، پراش پرتو ایکس با زاویه کم (GIXRD)، میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدان (FESEM)، میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا (HR-TEM) و طیف سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس (XPS) به منظور بررسی فازی و ساختاری پوشش ها استفاده شده است. پوشش SHEA دارای ساختاری عمدتاً آمورف با تراکم کم جزایر نانوبلوری HCP و پوشش MHEN دارای ساختار نانوکامپوزیتی با جزایر نانوبلوری FCC است. نتایج حاصل شده نشان داد که پوشش MHEN توانایی تشکیل لایه اکسیدی کمتری به دلیل وجود نیترید های پایدار در ساختار، در مقایسه با پوشش SHEA دارد. انجام عملیات حرارتی آنیل سبب تشکیل فاز های TiO2 و SiO2 در پوشش ASHEA و تشکیل فاز SiO2 در پوشش AMHEN شده است. نتایج آزمون ترشوندگی نشان داد که سه پوشش SHEA، MHEN و AMHEN با زوایای 106، 132 و 125 درجه جزو پوشش های آب گریز و پوشش ASHEA با زاویه 150 درجه جزو پوشش های فوق آب گریز است. آزمون نانودندانه گذاری نشان داد که با حضور گاز واکنشی نیتروژن و معماری چندلایه در پوشش MHEN سختی تا 5/1 برابر در مقایسه با پوشش SHEA و با انجام عملیات حرارتی آنیل بر پوشش SHEA و تشکیل پوشش ASHEA سختی تا 8/2 برابر افزایش یافته است. آزمون سایش نشان داد که بالاترین مقاومت به سایش مربوط به پوشش ASHEA بوده است که در محیط خشک تا 3 برابر و در محلول 5/3 درصد وزنی NaCl تا 25/1 برابر نرخ سایش کمتری در مقایسه با پوشش SHEA دارد. سختی بالا و حضور فازهای جامد روان کار در سطح از دلایل افزایش مقاومت به سایش بو

روش‌های داده‌محور از جمله یادگیری ماشین، رویکردی نوین در برقراری ارتباط خواص مواد مهندسی و خواص تریبولوژیکی پدید آورده‌اند. در پژوهش حاضر الگوریتم‌های یادگیری ماشین شامل شبکه عصبی مصنوعی، جنگل تصادفی، گرادیان بوستینگ، بوستینگ تطبیقی، درخت تصمیم، رگرسیون بردار پشتیبان و نزدیک‌ترین همسایگی با استفاده از داده‌های تریبولوژیکی مقالات مربوط به خواص تریبولوژیکی منیزیم و آلیاژ‌های منیزیم به‌منظور پیش‌بینی حجم سایش و ضریب اصطکاک توسعه یافتند. داده‌های بدست آمده از مطالعاتی استخراج شد که از گلوله، پین یا دیسک فولادی به‌عنوان زوج تریبولوژیکی بر روی منیزیم استفاده کرده بودند. مجموعه داده‌ها حاوی اطلاعات نرخ سایش، ضریب اصطکاک، خواص مکانیکی (سختی، استحکام تسلیم، استحکام کششی نهایی، مدول الاستیک و ازدیاد طول)، ترکیب شیمیایی، فرآیند ساخت، عملیات حرارتی و متغیرهای آزمون تریبولوژیکی (دمای آزمون سایش، سرعت لغزش، مسافت لغزش و بار عمودی) بود. به‌منظور مطالعه‌ی تاثیر خواص مکانیکی، ترکیب شیمیایی، عملیات حرارتی و فرآیند ساخت به طور مجزا، داده‌های حاصل در چهار گروه قرار گرفتند. سپس گام‌های متعددی در جهت ساخت مدل پیش‌بینی خواص تریبولوژیکی آلیاژهای منیزیم شامل پیش‌پردازش داده‌ها، مدل‌سازی و ارزیابی پیموده شد. در گام پیش‌پردازش داده‌‌ها شناسایی و مدیریت داده‌های مفقودی و دورافتاده و کدگذاری داده‌های کیفی صورت پذیرفت. سپس نمونه‌برداری شامل تقسیم داده‌ها به مجموعه داده‌های آموزش، اعتبارسنجی و آزمون و نرمال‌سازی داده‌های کمی به‌منظور جلوگیری از وزن‌دهی به داده‌های با مقادیر بیشتر انجام شد. داده‌های ساختارمند حاصل در مدل‌سازی به کار گرفته شدند. ساخت و اعتبارسنجی مدل یادگیری ماشین با استفاده از مجموعه آموزشی انجام شد. سپس ارزیابی عملکرد مدل‌ها بر داده‌های جدید با استفاده از مجموعه آزمون صورت پذیرفت. در مرحله ارزیابی مطابقت داده‌های پیش‌بینی شده توسط الگوریتم‌های یادگیری ماشین با داده‌های آزمایشگاهی برآورد شد. از این رو شاخص‌های ارزیابی رگرسیونی شامل میانگین مطلق خطا، میانگین مربعات خطا، جذر میانگین مربعات خطا و مجذور R به‌منظور بررسی عملکرد الگوریتم‌های مختلف در پیش‌بینی هدف پژوهش به‌کار گرفته شدند. نتایج ارزیابی الگوریتم‌ها حاکی از عملکرد بالای گرادیان بوستینگ با دقت 87 درصد به‌منظور پیش‌بینی ضریب اصطکاک با استفاده خواص مکانیکی و متغیرهای آزمون تریبولوژیکی است. الگوریتم بوستینگ تطبیقی می‌تواند ضریب اصطکاک را با استفاده از فرآیند ساخت، عملیات حرارتی، ترکیب شیمیایی آلیاژ و متغیرهای آزمون تریبولوژیکی با دقت 86 درصد پیش‌بینی کند. بررسی نتایج ارزیابی عملکرد الگوریتم‌ها نشان‌دهنده‌ی توانایی الگوریتم جنگل تصادفی در پیش‌بینی حجم سایش با استفاده از خواص مکانیکی و متغیرهای آزمون تریبولوژیکی با دقت 92 درصد است. به‌منظور پیش‌بینی حجم سایش با استفاده از فرآیند ساخت، عملیات حرارتی، ترکیب شیمیایی آلیاژ و متغیرهای آزمون تریبولوژیکی بهترین الگوریتم بوستینگ تطبیقی با دقت 94 درصد بدست آمد. به علاوه تحلیل مقایسه‌ای از پارامترهای مربوط به عناصر آلیاژی، فرآیند ساخت، تاریخچه عملیات حرارتی، خواص مکانیکی و متغیرهای آزمون تریبولوژیکی موثر بر رفتار تریبولوژی آلیاژهای منیزیم با استفاده از الگوریتم جنگل تصادفی صورت پذیرفت. نتایج نشان‌دهنده اهمیت و مشارکت بالای بار عمودی، مدول الاستیک، شکل‌پذیری، مسافت لغزش و درصد وزنی فلز روی در پیش‌بینی ضریب اصطکاک و بار عمودی، مسافت لغزش، سرعت لغزش، سختی و شکل‌پذیری در پیش‌بینی حجم سایش است.

یکی از کاربردهای گسترده تیتانیوم و آلیاژهای آن در مصارف پزشکی، استفاده به عنوان کاشتنی است. تیتانیوم و آلیاژهای آن برای کاربردهای زیست پزشکی ویژگی های مقبول ذاتی فراوانی دارند. با این وجود از لحاظ رفتارهای سطحی و تریبولوژی دچار ضعف هستند. در این پژوهش با ایجاد پوشش محافظ بورایدی روی تیتانیوم خالص تجاری، به بررسی رفتار سایشی این پوشش در محلولی با غلظت یونی نسبتاً مشابه با پلاسما خون که تحت شرایط دمایی و pH فیزیولوژیکی بدن است (SBF)، پرداخته شد. بدین منظور، فرآیند بوردهی به روش پک سمانتاسیون در دو دمای مختلف (950 و 1050 درجه سلسیوس) و مدت زمان ثابت (1 ساعت) انجام شد. به منظور شناسایی فازهای تشکیل شده از آزمون پراش پرتو ایکس (XRD) و جهت بررسی ریزساختار، مورفولوژی و ضخامت لایه های بوراید از تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) بر روی نمونه های پوشش دهی شده استفاده شد. نتایج حاصل از XRD و SEM به خوبی نشان دهنده ی ایجاد لایه بورایدی از ویسکرهایTiB و لایه متراکم از فاز TiB2 بر روی سطح تیتانیوم خالص تجاری در دمای 950 و 1050 درجه سلسیوس بود. آزمون های زبری سنجی، سختی سنجی و ترشوندگی جهت ارزیابی خواص سطح نمونه ها به عمل آمد. همچنین به منظور بررسی اثر نوع پوشش بورایدی بر رفتار تریبولوژی آن، ابتدا به طراحی آزمایش به کمک مدل سازی سطح پاسخ به روش باکس-بنکن، توسط نرم افزار Design-Expert پرداخته شد. سپس آزمون سایش پین بر روی دیسک در شرایط مختلف در دو محیط خشک (هوا) و تر (SBF) انجام شد. همچنین ساختار میکروسکوپی و آنالیز فازی از سطح سایش و ذرات سایش هر یک از نمونه های پوشش دهی شده بررسی شد و سپس نتایج با نمونه تیتانیوم خالص مقایسه شد. بررسی نتایج نشان داد که با ایجاد پوشش بورایدی روی تیتانیوم خالص نه تنها منجر به سخت شدن سطح می شود بلکه سبب افزایش مقاومت به سایش و کاهش اصطکاک در شرایط تحت بار می شود. همچین میزان رهایش فلزات به محلول شبیه سازی شده بدن توسط آنالیز طیف سنجی جرمی پلاسمای جفت شده القایی (ICP) بررسی شد و نتایج نشان داد که میزان رهایش فلز تیتانیوم بسیار اندک بود. با توجه به نتایج این پژوهش، تیتانیوم با پوشش بورایدی باعث بهبود چشم گیر رفتار تریبولوژی سطح آن در محیط شبیه ساز بدن می شود که کاربرد بیولوژیکی آن را توسعه می دهد.

یکی از چالش های موجود در مورد قطعات صنعتی، تخریب سطحی ناشی از فرسایش است. مهندسی سطح، به عنوان یک راهکار اصلی برای افزایش مقاومت ماده در برابر فرسایش مطرح است. از این رو در پژوهش حاضر با هدف افزایش مقاومت به فرسایش، سه پوشش CrN، CrTiN و CrTiSiN به روش رسوب گذاری فیزیکی از فاز بخار بر فولاد مارتنزیتی 410 اعمال شدند. جهت شناسایی فازها از پراش پرتو ایکس (XRD) استفاده شد. همچنین ارزیابی مورفولوژی سطح و سطح مقطع پوشش ها توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی (FESEM) صورت پذیرفت. خواص مکانیکی پوشش ها توسط آزمون نانودندانه گذاری ارزیابی شد. به منظور بررسی رفتار فرسایشی پوشش ها، آزمون فرسایش توسط ذرات جامد از جنس SiO2 در دو زاویه ی 30 و 90 درجه صورت گرفت. همچنین جهت ارزیابی مقاومت به سایش پوشش ها، آزمون سایش پین روی دیسک توسط پینی از جنس Al2O3 انجام شد.

در این پژوهش، تاثیر ترکیب شیمیایی و زبری بر خواص سطحی پوشش های نانوساختار TiN/CrN که به روش نهشت فیزیکی بخار با استفاده از تبخیر قوس کاتدی (CAE-PVD) اعمال شده اند مورد بررسی قرار گرفت. پوشش ها در 4 حالت روی زیرلایه فولاد زنگ نزن 410 اعمال شدند. پوشش چندلایه TiN/CrN با لایه فوقانی TiN و CrN که هر دو پوشش، حالت صاف (پولیش-شده) و زبر داشتند. سپس خواص پوشش ها مورد بررسی قرار گرفت. خواص ریزساختاری، خواص فازی و خواص مورفولوژی پوشش ها توسط آزمون پراش پرتو ایکس (XRD) و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و میکروسکوپ الکترونی روبشی نشر میدانی (FESEM) بررسی شد. آزمون های زبری، ترشوندگی و چسبندگی نیز انجام شد. برای بررسی خواص مکانیکی و تریبولوژیکی پوشش ها آزمون های نانوفرورونده، سایش لغزشی گلوله روی دیسک و فرسایش در دو زاویه ضربه 30 و 90 درجه انجام شد. نتایج نشان داد که پوشش ها دارای ساختار FCC هستند و ضخامت کلی پوشش ها در محدوده 6 میکرومتر و ضخامت هر نانولایه در محدوده 40 تا 80 نانومتر است. چسبندگی هر دو پوشش نیز در رده صفر و مطلوب بود. آزمون ترشوندگی نشان داد که پوشش با لایه فوقانی CrN آب گریز است و با افزایش زبری، میزان آب گریزی آن افزایش می یابد و پوشش با لایه فوقانی TiN آب دوست است و با افزایش زبری، میزان آب دوستی آن افزایش می یابد و هر دو پوشش از مدل ونزل تبعیت می کنند. نتایج آزمون نانوفرورونده نشان داد که مقادیر سختی زیرلایه و پوشش های با لایه فوقانی CrN و TiN به ترتیب برابر "3/99" ، "16/13" و "22/25" گیگاپاسکال، مدول یانگ به ترتیب برابر "266/23" ، "301/37" و "380/7" گیگاپاسکال، نسبت H/E به ترتیب برابر "0/015" ، "0/053" و "0/058" و نسبت H^"3" /"E" ^"2" به ترتیب برابر "0/00089" ، "0/046" و "0/076" گیگاپاسکال است. نتایج آزمون سایش نیز نشان داد که نرخ سایش در پوشش های TiN صاف، TiN زبر، CrN صاف و CrN زبر نسبت به زیرلایه به ترتیب حدود 86 درصد، 99 درصد، 53 درصد و 26 درصد کاهش یافته است. نتایج آزمون فرسایش نیز نشان داد که میزان جرم از دست رفته در زاویه ضربه 30 درجه برای زیرلایه و پوشش های TiN صاف، TiN زبر، CrN صاف و CrN زبر به ترتیب برابر با "3/9" ، "1/05" ، "1/35" ، "1/25" ، "1/4" میلی گرم و در زاویه 90 درجه به ترتیب برابر با "2/35" ، "1/35" ، "2/25" ، "1/4" ، "2/4" میلی گرم است.

در این پژوهش، پوشش‌های سرامیکی با استفاده از فرآیند پوشش‌دهی اکسیداسیون الکترولیتی پلاسمایی در الکترولیت پایه فسفاتی حاوی غلظت‌های مختلف نانو ذرات سریا (CeO2)، تحت جریان مستقیم پالسی روی آلیاژ منیزیم AZ91 ایجاد شدند. برای تولید پوشش‌های سرامیکی فرآیند تحت فرکانس ۱۰۰۰ هرتز، چگالی جریان ۱ آمپر، چرخه کاری ۵۰ درصد و زمان ۷ دقیقه انجام شد. نانو ذرات سریا در غلظت‌های مختلف ۰، ۱،۲، ۳ و ۴ گرم بر لیتر به الکترولیت اضافه شد. در پژوهش حاضر اثر غلظت‌های مختلف نانو ذرات سریا موجود در الکترولیت پایه فسفاتی بر ریزساختار، ضخامت، ترکیب فازی و عنصری، زبری سطح، میزان ترشوندگی سطح، رفتار خوردگی و تریبولوژیکی پوشش‌ها ارزیابی شد. ریزساختار و سطح مقطع پوشش‌ها با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، ترکیب شیمیایی پوشش‌ها از آزمون‌ پراش پرتو ایکس (XRD) و طیف‌سنجی پراش انرژی پرتو ایکس(EDS) مورد بررسی قرار گرفت.جهت بررسی رفتار الکتروشیمیایی پوشش‌ها از آزمون طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS) و بررسی رفتار تریبولوژیکی پوشش‌ها از آزمون پین روی صفحه (Pin-on-Disc) استفاده شد. با افزایش غلظت نانو ذرات سریا در پوشش‌ها دریافتیم که مقدار تخلخل‌ها، ضخامت پوشش‌ها، زبری سطح و میزان ترشوندگی آن‌ها افزایش یافته است. نتایج حاصل از XRD نشان داد پوشش‌ها عمدتاً از فازهای MgO ،2(PO4)Mg3 و CeO2 تشکیل شده‌اند. نتایج آزمون خوردگی پوشش‌ها نشان داد افزایش غلظت نانو ذرات سریا از ۱ تا ۴ گرم بر لیتر منجر به کاهش مقاومت به خوردگی پوشش‌ها می‌شود. همچنین نمونه ۱ گرم دارای بالاترین مقادیر مقاومت لایه داخلی (۱۰۴ کیلواُهم سانتی-متر مربع) و مقاومت لایه خارجی (۵۳۲ کیلواُهم سانتی‌متر مربع ) می‌باشد. نتایج بررسی عمق نفوذ نمونه‌ها مشخص شد که نمونه حاوی ۲ گرم نانو ذرات سریا کمترین مقدار عمق نفوذ (۶/۵۶ میکرومتر ) و نرخ سایش را دارد. همچنین در مقایسه با سایر نمونه‌ها بهترین مقاومت به تریبولوژی را دارد. با مطالعه مسیر سایش پوشش‌ها مشخص شد که مکانیزم سایش از نوع خراشان و چسبان است.

در این پژوهش، پوشش های سرامیکی روی آلیاژ منیزیم AZ31 با استفاده از فرآیند پوشش دهی اکسیداسیون الکترولیتی پلاسمایی در الکترولیت پایه فسفاتی حاوی غلظت های مختلف نانو ذرات TiO2، تحت جریان مستقیم پالسی ایجاد شدند. یکی از اجزای ثابت الکترولیت پایه ذرات هیدروکسی آپاتیت بود که به روش رسوب شیمیایی تر سنتز شد. فرآیند پوشش دهی تحت فرکانس 1000 هرتز، چگالی جریان 1 آمپر، چرخه کاری 50 درصد و زمان 7 دقیقه انجام شد. در ادامه اثر غلظت های مختلف 0، 1، 2، 3 و 4 گرم بر لیتر نانو ذرات TiO2 در الکترولیت پایه بر خواص مختلف پوشش ها نظیر ریزساختار، ضخامت، ترکیب فازی و عنصری، زبری سطح، میزان ترشوندگی سطح، رفتار خوردگی و رفتار سایشی بررسی شد.

هدف از انجام این پژوهش، بررسی تاثیر افزودن عناصر تیتانیوم و آلومینیوم به پوشش نانوساختار CrN لایه نشانی شده به روش رسوب فیزیکی بخار قوس کاتدی(Arc-PVD) بر روی زیرلایه فولاد ابزار گرم کار H13 بود. همچنین بررسی مقایسه ای رفتار سایشی و خوردگی این پوشش ها مدنظر گرفته شد. به این منظور پوشش دهی به روش رسوب فیزیکی بخار قوس کاتدی به مدت 60 دقیقه در دمای 200 درجه سانتی گراد با ضخامت تقریبی 2 میکرومتراعمال شد. به منظور مقایسه خواص پوشش ها، همه شرایط پوشش دهی ثابت در نظرگرفته شد. برای مشخصه یابی فازی و بررسی سطح و ضخامت پوشش ها از دستگاه های الگوی پراش پرتو ایکس (XRD)، میکروسکوپ الکترونی روبشی(SEM) ، میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدان (FESEM) وآزمون ترشوندگی استفاده شد. خواص مکانیکی و سایشی پوشش های مورد نظر توسط آزمون های چسبندگی، نانوفرورونده و سایش پین بر دیسک مورد آنالیز قرار گرفت. برای بررسی رفتار خوردگی پوشش ها از دستگاه پلاریزاسیون پتانسیودینامیک و طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی در محلول 5/3 درصد وزنی کلرید سدیم استفاده شد. تصاویر SEM نشان داد که پوشش CrN دارای سطح یکنواخت و همگن تری نسبت به سایر نمونه ها بود. نتایج حاصل از الگوی پراش پرتو ایکس حاکی از آن بود که فازهای CrN، AlN و TiN، به عنوان فازهای غالب شناسایی شدند و بیش ترین شدت پیک در صفحه (200) به دست آمد. ارزیابی نتایج حاصل از آزمون ترشوندگی نشان داد که پوشش های CrN و TiCrN آب دوست و پوششAlCrN آب گریز بودند. بررسی نتایج به دست آمده از آزمون نانوفرورونده مشاهده گردید که پوششTiCrN بیش ترین عدد سختی (49/36 گیگا پاسکال)و بیش ترین مدول یانگ (9/362 گیگا پاسکال) را داشت. نتایج رفتار سایشی توسط آزمون سایش نشان داد که پوشش CrN با کم ترین ضریب اصطکاک (35/0) و عدم کاهش وزن سایشی، رفتار سایشی بهتری در مقایسه با نمونه های دیگر داشت. بررسی نتایج حاصل از آزمون طیف-سنجی امپدانس الکتروشیمیایی و پلاریزاسیون پتانسیودینامیک نشان داد که مقاومت پوشش بیش از مقاومت حفرات پوشش بود و پوشش CrN با مقاومت پوشش برابر با 1900 کیلو اهم بهترین رفتار خوردگی را داشت. همچنین پوشش CrN با چگالی جریان خوردگی برابر با 9-10× 84/2 A cm-2 و پتانسیل خوردگی برابر با 06/0- ولت دارای بهترین رفتار خوردگی بود.