تحقیق مقاله مقاومت به خوردگی (افزایش مقاومت به خوردگی فولاد زنگ نزن بوسیله ا عمال پوشش نانو ذرات اکسید تیتانیوم با روش سل – ژل )

مقاومت به خوردگی

افزایش مقاومت به  خوردگی فولاد زنگ نزن بوسیله ا عمال پوشش نانو ذرات اکسید تیتانیوم با روش سل – ژل

چکیده : پوشش نانوذرات Tio2 به دلیل دارا بودن خواص اپتیکی ، مقاومت به اکسیداسیون ، خوردگی و سایش امروزه به میزان زیادی مورد توجه قرار گرفته است.در این پروژه پوشش نانوذرات Tio2  بوسیله روش سل - ژل تحت فرایند غوطه وری بر روی فولادزنگ نزن 316Lاعمال شده است. ساختارمورفولوژِی و ترکیب پوشش بوسیله XRD,SEM ,AFM مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین خواص خوردگی پوشش در محلول 3,5%NACL بوسیله روشهای الکتروشیمیایی مانند پلاریزاسیون تافلی و امپدانس ارزیاببی شده است نکته قابل توجه همگن ، یکنواخت و عاری از ترک بودن پوشش است. همچنین پوشش نانوذرات Tio2 اعمال شده روی فولادزنگ نزن ک 316L مقاومت به خوردگی را از 132,135  به 16412,096 (Kcm2) به میزان تقریبا 120 برابر بهبود بخشیده است.

کلمات کلیدی : پوشش نانوذرات Tio2 ، سل - ژل ، فولادزنگ نزن 316 ، خواص خوردگی ، پلاریزاسیون تافلی ، امپدانس.

مقدمه :

پوشش نانو ساختار اکسید تیتانیوم داریا کاربرد بسیار وسیعی می باشد که عبارتند از: فیلترهای ماوراء بنفش برای صنایع اپتیک و مواد بسته بندی [1,2] ، پوشش ضد انعکاس در سلول های خورشیدی ، فتوکاتالیست برای تصفیه آب و هوا، آند در باتری ها ، پوشش های شفاف و خود تمیز کننده برای کاشی ها و شیشه ها ، سنسورهای رطوبت ، سنسورهای گازی ، پوشش های مقاوم در برابر خوردگی و غیره. البته با ایجاد پوشش نانو ساختار تیتانیوم تمام خواص مذکور به میزات قابل توجهی بهبود پیدا می کند . روشهای مختلفی برای تولید نانوساختار اکسید تیتانیوم وجود دارد. همانند اسپاترینگ ، CVD ، لیزر پالسی و روش سل - ژل . در یان میان روش سل - ژل به دلیل کنترل ترکیب شیمیایی در سطح مولکولی و دمای اعمالی پایین ننسبت به روش های دیگر دارای مزایای ویژه ای است ، علاوه بر آن میکروساختار فیلم مذکور همانند سایز حفره ها و حجم آنها بوسیله تغییر پارامترهای سل - ژل قابل کنترل می باشد. مهمترین نکته در حفاظت از خوردگی فلزات وابسته به دو نوع فصل مشترک می باشد: 1- فصل مشترک بین فلز و پوشش 2- فصل مشترک بین پوشش و محیط. بنابراین کنترل واکنش بین این فصل مشترک ها هنگامی که در حد ملکولی انجام پذیرد ، تاثیر بالایی در حفاظت از خوردگی ایجاد شده توسظ پوشش اعمالی دارد. . در این مقاله پیش ماده آلکوکسیدی ، بدلیل در برداشتن خواص فیزیکی و شیمیایی مانند گروههای هیدروکربنی با طول زنحیره بالا و قابیلت مخلوط شدن در حد ملکولی با حلال های آلی و ایجاد فیلم آری از ترک انتخاب گردیده است.

بدلیل کاربرد بسسیار وسیع 316L  در صنعت ، پوشش لایه نازک نانوساختار اکسید تیتانیوم به منظور بهبود خواص خوردگی برروی آن اعمال شده است و خواص ساختاری لایه نازک توسط XRD,SEM ,AFM ارزیابی شده است . همچنین منحنی پلاریزاسیون تافلی و امپدانس برای بررسی اثر پوشش های فوق الذکر برروی خواص خوردگی فولادزنگ نزن 316L مورد استفاده قرار گرفته است.

روش تحقیق :

2-1 سنتز محلول پوشش دهی :

پیش ماده ا ولیه آلکوکسیدی تترا- پوتیل ارتو تیتانات(TBT) همانطور که در مقالات گفته شده است. مطابق زیر در تهیه محلول سل - ژل استفاده می شود.

ابتدا 55 میلی لیتر اتانول و 5 میلیل لیتر اتیل استو استات(EAcAc) را در دمای اتاق به مدت 5 دقیقه با هم مخلوط کرده و سپس 13 میلی لیتر TBT را به محلول اضافه کرده و محلول به مدت 30 دقیقه به شدت همزده می شود. ، بعد از انجام این مراحل به منظور شروع واکنش هیدرولیز درصد کمی آب مقطر بصورت قطره  قطره در مدت 30 دقیقه به محلول در حال همزدن اضافه شده است . ، پس از اضافه کردن آب مقطرهمزدن محلول به مدت 6 ساعت ادامه یافت ، برای انحام واکنشهای پلیمری محلول تیه شده در نهایت به مدت 6 ساعت پیرسازی می شود. . محلول نهایی دارای رنگ زرد ، شفاف ، و عاری از هرگونه رسوب می باشد. شماتیم مراحل تهیه سل و ا یجاد پوشش در شکل یک نشان داده شده است.

2-2 اعمال پوشش نانوذرات اکسید تیتانیوم  :

زمینه مورد استفاده ورق 316L با ابعاد 50*30*2 میلی متر است که بصورت زیر تحت آماده سازی سطحی قرار گرفته است :

سنباده زنی با شماره های 320 تا 350

پولیش با پودرهای 0.1  تا 0.3 میکرون اکسید آلومینوم

تمیزکردن آلتراسونیکی نمونه در استون و الکل به مدت 5 دقیقه ، البته بعد از انجام هر مرحله نمونه ها با آب مقطر کاملا شستشو داده شده اند.

بعد از آماده سازی سطحی نمونه ها ، پوشش نانوذرات اکسید تیتانیوم بوسیله روش غوطه وری و با سرعت 140 میلی متر بر دقیقه داخل محلول فرو برده شده وبه مدت 1 تا 5 دقیقه نگه داشته شده سپس  نمونه با همان سرعت اولیه 140 میلی متر با دقت و بدون کمتیرن لرزش از محلول بیرون آورده شده اند.

بعد از خشک شدن طبیعی در جریان هوای اتاق نمونه ا به مدت 30 دقیقه در دمای 120 ددرجه سانتی گراد قرار داده شده اند. این مراحل چندین بار تکرار می شود تا به ضخامت مورد نظر دست یابیم .

در مرحله نهایی به منظور حذف ترکیبات آلی باقیمانده ، نمونه ها به مدت یکساعت در دمای 550 درجه سانتی گراد تحت عملیات حرارتی قرار گرفته اند. . قابل ذکر است، سرعت عملیات حرارتی 1 درجه سانتی گراد بر دقیقه است . این دمای پایین آن یلینگ اجازه می دهد که ترکیبات آلی با حداقل ایجاد تنش و بدون ایجاد ترک در اکسید تیتانیوم از پوشش خارج شوند.

روشهای ارزیابی پوشش ها :

بررسی خواص فازی پوشش بوسیله تفرق اشعه ایکس (XRD) پوشش اکسید تیتانیوم با اشعه Cu Ka radiation که (K=105406 A) از زاویه 10 دتا 60 درجه صورت گرفته است . تصاویر حاصل از SEM , AFM بریا بررسی مورفولوژی ، یکنواختی همگنی  و عاری از ترک بودن پوشش موردد استفاده قرار گرفته است.

همچنین توسط تصاویر توپوگرافی AFM و نرم افزار DUALSCOPE ضخامت لایه های پوشش نانوذرات اکسید تیتانیوم اعمال شده بر روی سطح فولادزنگ نزن 316L اندازه گیری شده است.

رفتار خوردگی فولادزنگ نزن زنگ نزن 316L پوشش داده شده و بدون پوشش توسط منحنی های تافلی و امپدانس در سل شامل سه االکترود کاری ، مرجع ، کمکی و حاوی 250mm محلول 3,5  درصد NACL با استفاده از پتانسیو استات EG&G ، Instruments inc model 273 و نرم افزار آنالیزگر مورد بررسی قرار گرفته است . اندازه گیری های تافلی در محدودهد 250 میلی ولت نسبت به پتانسیل خوردگی مدار باز با سرعت 0.5  میلی ولت بر ثانیه با استفاده از الکترود مرجع کالومل (sce) و الکترود کمکی پلاتین در دمای اتاق انجام شده است . البته قبل از اندازه گیری خواص الکتروشیمیایی ، نمونه ها به مدت 30 دقیقه در محلول 3,5  درص NACL به منظور پایدارشدن نگه داتری شده اند.

نتایج و تحلیل نتایج:

پوشش نانو ساختار اکسید تیتانیوم کاملا شفاف و دارای همگنی و یکنواختی بالایی است و هیچ تاثیری بر روی کیفیت ظاهری سطح زمینه ندارد. این پوشش دارای چسبندگی خوب و ضخامت نانومتری می باشد که تحت سیکل عملیات حرارتی مناسب بر روی سطح 316 L اعمال شده است.

3-1 : بررسی خواص پوشش:

منحنس XRD پوشش اکسید تیتانیوم نشان داده شده در شکل 2 نشان دهنده حضور فازهای اکسید تیتانیوم در دمای 550 درجه سانتی گراد است. همانطور که دیده می شود اکسید تیتانیوم شامل دو فاز آناتال و روتیل در دمای 550 درجه سانتی گراد است، و مطابق با مقالات ارائه شده در این زمینه دارای بیشترین مقدار فاز آناتاز در این دماست.

از طرفی بدلیل اینکه فاز آناتاز دارای خواص فیزیکی و شیمیایی مناسب و همچنین پایداری در دماهای پایین تر نسبت به فاز روتیل می باشد ، به عنوان فاز اصلی پوشش و دمای 550 درجه سانتی گراد بعنوان دمای حرارتی نهایی انتخاب گردیده است. در شکل 2 پیک های مربوط به زوایای 25,3 و 47,4 نشان دهنده فاز آناتاز اکسید تیتانیوم  اعمال شده بر روی سطح 316L است .

شکل 3 نشان دهنده عکس SEM پوشش نانو ساختار اکسید تیتانیوم  بر روی سطح 316L  در بزرگنمایی 60000 است بدلیل کوچک بودن ذرات اکسید تیتانیوم تصویر سطح را کاملا صاف و همگن نشان داده است. و عکس مزبور با مقالات ارائه شده در این زمینه کاملا همخوانی دارد. به منظور بررسی دقیق تر سطح می توان با استفاده از میکروسکوپ AFM توپوگرافی و ساختار سطحی را مورد بررسی قرار داد.

   در شکل 4 همگنی و یکنواختی پوشش نانوذرات اکسید تیتانیوم بر روی سطح فولادزنگ نزن 316L  به خوبی در تصویر AFM  قابل مشاهده است . از انجائیکه سطح فولادزنگ نزن توسط سرامیک اکسید کرم Cr2o3  پوشیده شده و دارای اختلاف ضریب انبساط حرارتی کم با اکسید تیتانیوم است، در نتیجه بدسات آوردن پوشش نهایی با همگنی و یکنواختی بالا بر روی فولادزنگ نزن 316L نسبت به فلزات دیگر مانند فولاد ساده کربنی ساده تر است و تحت ضخامت های کمتر می توان به این همگنی در ابعاد نانومتری دست یافت.

زبری سطح برحسب ضخامت های مختلف پوشش نانوذرات اکسید تیتانیوم با استفاده از AFM بدست آمده است. زبری سطح توسط محور Z و بصورت نمادین در هنگام بدست آوردن تصویر AFM نشان داده می شود که بصورت گراف در شکل 5 مشاهده شده است.

همانطور که در این منحنی دیده می شود با فزایش ضخامت پوشش تا 475mm نواقص لایه زیری توسط لایه های بعدی پوشیده شده و این امر زبری سطح را از 5 میکرومتر به 22 نانومتر حدود 230برابر کاهش داده است. همچنین با استفاده از تصویر AFM  و منحنی XRD  اندازه ذرات اکسید تیتانیوم در محدوده 50-80 نانومتر بدست آمده است.