Evaluating the effect of titanium-based PVD metallic thin films on nitrogen diffusion efficiency in duplex plasma diffusion/coating systems
Titanyum bazlı PVD metalik ince filmlerin dubleks plazma difüzyon/kaplama sistemlerinde azot difüzyon verimliliği üzerindeki etkisinin değerlendirilmesi
- Tez No: 963143
- Danışmanlar: DR. ADRIAN LEYLAND
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: The University of Sheffield
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 237
Özet
Titanyum, düşük yoğunluk ve yüksek özgül mukavemet gibi olağanüstü özellikleri nedeniyle çok popüler bir mühendislik metalidir. Ancak, titanyumun aşınma direnci birçok endüstriyel ortamda çok zayıftır. Aşınmaya dayanıklı sert kaplamalar, üretilen ürünlerin hizmet ömrünü artırmak için kullanılabilir, ancak bu kaplamaların titanyum üzerindeki etkinliği, alt tabakanın yetersiz yük taşıma kapasitesi nedeniyle bazen düşüktür. Bu nedenle, titanyum alaşımları, sert seramik kaplamaların Fiziksel Buhar Biriktirme (PVD) işleminden önce bir alt tabaka güçlendirici termokimyasal difüzyon ön işleminden faydalanır. Bu çalışmada, triyot plazma nitrürleme (TPN), titanyum alaşımlarının yük taşıma kapasitesini artırmak için uygulanmıştır. PVD sert kaplamalar ile titanyum alaşım alt tabakaları arasındaki etkili yapışmanın, alt tabaka difüzyon ön işleminden sonra önemli ölçüde iyileştirilebileceği bilinmektedir. Bu çalışmada TPN işlemleri kullanılmıştır çünkü azot difüzyonu, gaz karışımında hidrojene ihtiyaç duyulmadan, daha düşük sıcaklıklarda ve daha kısa sürelerde daha verimli bir şekilde (geleneksel nitrürleme tekniklerinden) elde edilebilir. Ayrıca, (düşük) işlem basıncı rejimi, kaplama ve difüzyon işlem aşamasının birleştirilmesine ve aynı işlem ekipmanına entegre edilmesine olanak tanır. Böylece, hidrojen gevrekleşmesi riski tamamen ortadan kaldırılır ve alaşım beta-transusunun çok altındaki işlem sıcaklıkları tane büyümesini en aza indirir (bu, malzemelerin çekirdek mukavemetini ve yorulma ömrünü azaltabilir). Bununla birlikte, triyot-plazma difüzyon işleminin etkinliği, plazma nitrürleme aşamasından önce titanyum alaşımlı alt tabakalara ince bir PVD metalik tabaka uygulanarak artırılabilir. Bu bağlamda, α+β Ti-6Al-4V ve β Ti-4Al-10V-22Mo alt tabaka malzemeleri üzerinde farklı β-titanyum kaplama bileşimleri (Nb eklenerek stabilize edilmiş) üretildi; nitrürlemeden önce Ti-Nb kaplamalarda β fazının oluşumunun difüzyon işlem verimliliği (ve 700oC'de TPN işleminden sonra nitrür fazı oluşumu) üzerindeki etkisi analiz edildi. Ti-Nb kaplamalı Ti-6Al-4V alt tabaka için sertleştirme etkisi, 4 saatlik triyot plazma nitrürleme işleminden sonra diğer (kaplamasız ve Ti kaplamalı) Ti-6Al-4V alt tabakalardan daha yüksek bulunmuştur. Öte yandan, Ti kaplamalı Ti-4Al-10V-22Mo alt tabaka için sertleştirme etkisi, diğer (kaplamasız ve Ti-Nb kaplamalı) Ti-4Al-10V-22Mo alt tabakalardan daha yüksek bulunmuştur. Sertlik sonuçlarının yanı sıra, Ti-Nb kaplamalı Ti-6Al-4V ve Ti kaplamalı Ti-4Al-10V-22Mo alt tabakaların aşınma katsayıları (700 oC'de 4 saatlik triyot plazma nitrürleme işleminden sonra) sırasıyla yaklaşık %16 ve %31 daha düşük bulunmuştur (işlem görmemiş benzerlerine kıyasla). Dubleks işlem görmüş numunelerin gelişmiş performansı, yeterli sonuçlara ulaşmak için her Ti alaşımı için kaplama biriktirme işleminin (difüzyon işlemlerinden önce) optimize edilmesi gerektiğini göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Titanium is a very popular engineering metal due to its outstanding properties, such as low density and high specific strength. However, the wear resistance of titanium is very poor in many industrial environments. Wear-resistant hard coatings can be used to increase the service lifetime of manufactured products, but the effectiveness of these coatings on titanium is sometimes low due to the inadequate load-bearing capacity of the substrate. Therefore, titanium alloys benefit from a substrate strengthening thermochemical diffusion pre-treatment before the Physical Vapour Deposition (PVD) of hard ceramic coatings. In this work, triode plasma nitriding (TPN) has been applied to increase the load-bearing capacity of titanium alloys. It is known that the effective adhesion between PVD hard coatings and titanium alloy substrates can be improved significantly after substrate diffusion pre-treatment. TPN treatments were used in this work because the diffusion of the nitrogen can be achieved more efficiently (than conventional nitriding techniques) at lower temperatures and shorter times, without the need for hydrogen in the gas mixture. Also, the (low) treatment pressure regime allows the coating and diffusion treatment stage to be combined and integrated into the same treatment equipment. Thus, the risk of hydrogen embrittlement is entirely avoided, and the treatment temperatures well below the alloy beta-transus minimise the grain growth (that can reduce the core strength and the fatigue life of the materials). The effectiveness of triode-plasma diffusion treatment can, however, be increased by applying a thin PVD metallic layer on titanium alloy substrates before the plasma nitriding stage. In this context, different compositions of β-titanium coating (stabilised by addition of Nb) were produced on α+β Ti-6Al-4V and β Ti-4Al-10V-22Mo substrate materials; the effect of formation of the β phase in Ti-Nb coatings before nitriding on diffusion treatment efficiency (and on nitride phase formation after TPN treatment at 700oC) was analysed. The hardening effect for Ti-Nb coated Ti-6Al-4V substrate was found higher than the other (uncoated and Ti coated) Ti-6Al-4V substrates after 4-hour triode plasma nitriding treatment. On the other hand, the hardening effect for Ti coated Ti-4Al-10V-22Mo substrate was found higher than other (uncoated and Ti-Nb coated) Ti-4Al-10V-22Mo substrates. Besides the hardness results, the wear coefficients of the Ti-Nb coated Ti-6Al-4V, and Ti coated Ti-4Al-10V-22Mo substrates (after 4-hour triode plasma nitriding treatment at 700 oC) were found approximately 16% and 31% lower (compared to their untreated counterparts) respectively. The enhanced performance of the duplex treated samples suggested that the coating deposition process (prior to diffusion treatments) needs to be optimised for each Ti alloy to attain adequate results.
Benzer Tezler
- Uygulanan farklı hızlandırma voltajı türlerinin KA-FBB yöntemi ile üretilen Ti ve TiAlN kaplamaların korozyon davranışları üzerindeki etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of different bias modes applications on the corrosion behavior of Ti and TiAlN coatings produced by CA-PVD technique
DİLAN ER
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA KAMİL ÜRGEN
- Darbeli yüklemenin TiN esaslı kaplamaların aşınma davranışına etkisi
Effect of impact loading on wear behavior of TiN-based coatings
MUSTAFA YEŞİLYURT
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Makine MühendisliğiKaradeniz Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TEVFİK KÜÇÜKÖMEROĞLU
- CrN ve TiN kaplamaların galvanik korozyon davranışı
Galvanic corrosion behaviour of TiN and CrN coatings
SELİM TAŞÇI
- HK33E / G3 piyade tüfeği silah kurma mekanizmalarında aşınan parçaların çalışma performanslarının artırılması
Improving operational performance of wearing parts of the HK 33E / G3 infantry rifle mechanisms
AYHAN AYTAÇ
Doktora
Türkçe
2012
Makine MühendisliğiGazi ÜniversitesiMakine Eğitimi Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. HASAN SERT
- Titanyum esaslı alaşımların (Ti6Al4v, Ti5553) mikro şartlarda işlenebilirliğinin araştırılması
The investigation of machinability of titanium based alloys (Ti6Al4v, Ti5553) in micro conditions
LUQMAN KHALEEL HAYDER ALATRUSHI
Doktora
Türkçe
2018
Makine MühendisliğiSüleyman Demirel ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FEVZİ BEDİR
DR. ÖĞR. ÜYESİ NİHAT YILMAZ