بنابراین پوشش تولید شده یک فلز خالص نیست و یک محلول جامد تشکیل شده از فلز پایه می‌باشد. مقدار منبع فلزی پودر معمولاً خیلی بیشتر از مقداری است که در طول حفاظت قسمت‌ها مصرف می‌شود. بنابراین ترکیب مخلوط پودر در طول عملیات تغییر چندانی نمی‌کند.

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

در فرایند سمنتاسیون پودری، فلز پوششی و بعضی عناصر تشکیل دهنده مخلوط پودر می‌توانند توسط راه‌های مختلفی به سمت پوشش دادنی انتقال یابند:
- عمدتاً بوسیله فاز بخار هالید (مربوط به اضافه کردن یک هالید در مخلوط پودر)
- از طریق فاز بخار فلزی
- از نفوذ حالت جامد (به علت تماس مخلوط پودر با قسمت پوشش دادنی)
- در شرایط خاص بوسیله آخال ذرات فلزی و پودرهای رقیق کننده خنثی که ممکن است در پوشش محبوس شوند [۱۲].
ضخامت و ترکیب پوشش بدست آمده وابسته به دما و زمان عملیات، اکتویته منبع پودر و ترکیب قسمت پوشش دادنی می‌باشد. امروزه از فرایند سمنتاسیون پودری به میزان زیادی برای آلومینایزینگ و کرومایزینگ سوپر آلیاژهای به کار رفته در صنایع استفاده می‌شود. تخمین زده شده که بیش از ۸۰ درصد ایرفویل توربین های گازی توسط این روش پوشش داده می‌شود [۱۳].
در ادامه به عنوان نمونه فعل و انفعال انجام شده در طی یک فرایند آلومینایزینگ و در اتمسفر احیایی نوشته می‌شود. (X بیانگر هالوژن و M بیانگر فلز پایه می‌باشد):
نوعی از این روش تحت عنوان فرایند با پودر دانه‌ای وجود دارد که در این روش از دانه‌های فلزی نفوذی استفاده می‌شود. قطعه کار در تماس مستقیم با دانه‌های فلز قرار دارد. این سیستم هدایت حرارتی خوبی از خود نشان می‌دهد [۱۰].
مزایای فرایند سمنتاسیون پودری
فرایند ساده‌ای است. به گونه‌ای که در مقایسه با روش‌هایی مثل PVD یا LPPS به به تجهیزات به مراتب کمتری نیازمند است. دمای عملیات حرارتی در آن اغلب از ۱۱۰۰ بالاتر نمی‌رود. هزینه نسبتاً ارزانی دارد. این فرایند به آسانی قابل تکرار است. در یک فلز پایه با بهره گرفتن از همان پارامترهای کنترل کننده (دما، زمان، ترکیب Pack و … ) همان پوشش را می‌توان به دست آورد. تمام سطوح خارجی یک شکل پیچیده را می‌توان بطور یکنواخت پوشش داد. با بهره گرفتن از این فرایند می‌توان چند صد قطعه را با هم پوشش داد [۹].
محدودیت‌های فرایند سمنتاسیون پودری
با یک فلز یا آلیاژ پایه خاص فقط امکان تهیه تعداد محدودی پوشش وجود دارد. (محلول جامد یا ترکیبات شامل عنصری از فلز پایه).
سیکل‌های حرارتی آن طولانی است، زیرا نرخ گرم کردن و همچنین خنک کردن به دلیل هدایت حرارتی کم مخلوط پودر پایین است. ممکن است چنین عملیاتی آثار تعیین شده‌ای را روی ریز ساختار و در نتیجه خواص مکانیکی یک آلیاژ مشخص بگذارد. البته این عیب احتمالاً بیشتر در فرآیندهای اکتیویته پایین اتفاق می‌افتد که دلیل آن در قسمت خواص مکانیکی توضیح داده خواهد شد [۱۰].
از آنجا که نفوذ در حالت جامد به طور حرارتی فعال می‌شود، نرخ تشکیل پوشش بوسیله افزایش دمای فرایند می‌تواند افزایش یابد؛ اما این مسئله فقط در یک رنج محدودی برقرار است؛ زیرا که بالاتر از یک دمایی حوادث دیگری از قبیل فقر موضعی پودر و کنترل فرایند توسط نفوذ فاز گاز اتفاق می‌افتد [۹].
پوشش‌های آلومیناید بر روی نیکل و سوپر آلیاژهای پایه نیکل
در استفاده از آلیاژهای با استحکام بالای پایه نیکل برای زمان‌های طولانی در دماهای بالای (℃ ۸۷۰ ~) برای جلوگیری از تخریب سطحی بوسیله اکسیداسیون و فرآیندهای مربوطه، نیازمند به استفاده از پوشش‌های محافظ هستیم. مفیدترین این پوشش‌ها ترکیب بین فلزی NiAl است که مقاوم به اکسیداسیون است؛ زیرا در شرایط اکسید کننده یک پوسته محافظ تشکیل می‌دهد که عمدتاً اکسید آلومینیم می‌باشد [۳].
در فرآیندهای آلومینایدی نیروی محرکه برای انتقال عنصر پوشش، اختلاف در اکتیویته بین منبع و سطح آلیاژ می‌باشد. تا زمانی که اکتیویته آلومینیم منبع از سطح آلیاژ بالاتر باشد، گاز حامل آلومینیوم به سمت آلیاژ منتقل می‌شود. پس از نفوذ در حالت جامد پوشش آلومیناید تشکیل می‌شود، بنابراین اکتیویته آلومینیوم در سطح کم می‌شود و فرایند به همین منوال ادامه می‌یابد. مکانیزم های تشکیل پوشش‌های آلومیناید بر روی سوپر آلیاژهای پایه نیکل بوسیله نفوذ در سیستم (NiAl) توصیف می‌شود. بسته به اکتیویته آلومینیوم در مخلوط پودر و دمای انجام عملیات، مکانیزم‌های مختلف پوششی به وقوع می‌پیوندد که باعث ایجاد ریز ساختارهای متفاوتی خواهد شد که به آن اشاره می‌کنیم [۹].
پوشش‌های بدست آمده از فرایند با اکتیویته بالای آلومینیوم
در این فرایند بسته به اکتیویته آلومینیوم در پودر و دمای آلومینایزینگ، امکان تشکیل لایه‌هایی با مورفولوژی مختلف وجود دارد برای مثال امکان تشکیل به تنهایی، به همراه و دارای مقدار بالای آلومینیوم (هایپر استوکیومتری) وجود دارد. اما بیشترین مورد تشکیل شده می‌باشد. در هر سه مورد آلومینیوم در ناحیه سطحی تشکیل شده نفوذ می‌کند بنابراین اگر از روش سمنتاسیون پودری استفاده شود ذرات Pack نمی‌توانند در پوشش وجود داشته باشند. از مشخصات دیگر این نوع پوشش عبارت است از:
- سطح اولیه نمونه با سطح پوشش یکسان است.
- هیچ اثر کرکندالی در نمونه مشاهده نمی‌شود [۱۲].
‏شکل ۲-۲پوشش تشکیل شده بر روی آلیاژ۷۰۰ Udimet را نشان می‌دهد که به ترتیب از سطح خارجی شامل ، و می‌باشد. عناصر آلیاژی موجود در آلیاژ اولیه یا به عنوان محلول جامد در پوشش یا به فرم رسوب‌های تشکیل شده در طول آلومینایزینگ و یا رسوب‌هایی که از ابتدا در آلیاژ بوده اند، حضور دارند [۱۰].

ریز ساختار پوشش نفوذی آلومیناید داخلی بر روی udimet 700 که به وسیله فرایند اکتیویته بالا تشکیل شده است (بزرگنمایی ۱۰۰۰×).
پوشش‌های تشکیل شده بوسیله فرآیندهای اکتویته بالای آلومینیوم کاملاً ترد هستند و در دماهای نسبتاً پایین تجزیه می‌شوند. به همین دلیل چنین پوشش‌هایی قبل از استفاده عملی تحت عملیات حرارتی قرار می‌گیرند. گوارد (Goward) این پوشش را تحت عملیات حرارتی قرار داد (در دمای ۱۰۸۰ و به مدت ۴ ساعت) و پوشش ‏شکل ۲-۳ را بدست آورد [۱۰].

ریز ساختار پوشش نفوذی آلومیناید داخلی بر روی udimet 700 که به وسیله فرایند اکتیویته بالا و سپس عملیات حرارتی (به مدت ۴ ساعت در دمای ۱۰۸۰ درجه سانتیگراد) تشکیل شده است (بزرگنمایی ۱۰۰۰×).
توزیع یکنواخت عناصر آلیاژی و کاربیدها در سرتاسر پوشش نشان می‌دهد که پوشش نهایی بوسیله نفوذ داخلی آلومینیوم تشکیل می‌شود. زمینه هر سه ناحیه این پوشش از فاز غنی نسبت به نیکل تشکیل شده است [۱۰].
در آلومینایزینگ سوپر آلیاژهای پایه نیکل و در شرایط اکتیویته بالا، عملیات پوشش در دمایی بین ۹۵۰ – ۷۰۰ و دمای عملیات حرارتی در دمایی بین ۱۲۰۰- ۱۰۵۰ انجام می‌شود [۱۲].
علت وجود فاز غنی نسبت با Al (بیش از ۳۴ درصد وزنی آلومینیوم) در کنار در بعضی پوشش‌های آلومیناید اکتیویته بالای تشکیل شده، از جمله ‏شکل ۲-۲ توسط برادلی (Bradley) و تیلور (Taylor) این‌گونه توضیح داده شده است:
غنی نسبت به آلومینیوم دارای ساختار BCC ناقص و شامل نسبت بالایی از تهی جایهای نیکل در گوشه‌های مکعب می‌باشد. (نسبت تهی جایها متناسب با کمبود نیکل می‌باشد). فاز ساختار ناقص مشابهی دارد که دارای تهی جایهای نیکل در گوشه‌های مکعب می‌باشد و یک سوم گوشه‌های مکعب محل های خالی می‌باشد. اختلاف بین این دو ساختار در این است که در تهی جایها در صفحاتی عمود بر یکی از محورهای سه گانه مکعب سازماندهی شده‌اند، در حالی‌که در غنی نسبت به Al ویکنسی‌ها به طور اتفاقی آرایش یافته‌اند. بر اساس این مشاهدات ساختاری، فرض شده که رفتار مشابهی (نفوذ Al) برای هر دو فاز برقرار است [۱۰, ۱۲].
ون‌هومن (Von Heumann) بیان کرده است که وجود این ساختار ناقص با نسبت بالایی از جاهای خالی باعث نرخ های نفوذ بالایی در فازهای، غنی نسبت به Al می‌شود [۹].
فازهای ثانویه تشکیل شده در طول تشکیل پوشش در حالت نیمه پایدار راسب می‌شوند که این به علت نرخ بالا و دمای پایین رشد لایه‌های پوشش می‌باشد.
در طی عملیات حرارتی پوشش‌های تشکیل شده (‏شکل ۲-۳‏شکل ۲-۲)، نفوذ Al به سمت داخل اتفاق می‌افتد. در بعضی مناطق، مقدار آلومینیوم در مرز در حال پیشرفت تا میزانی کاهش می‌یابد که تشکیل فاز دیگر نمی‌تواند بوسیله نفوذ Al اتفاق بیافتد.
در این هنگام فرآیندی متفاوت اتفاق می‌افتد که در آن ادامه تشکیل فاز بوسیله حرکت نیکل اتفاق می‌افتد. بدین ترتیب پوشش از سه ناحیه تشکیل می‌شود. (‏شکل ۲-۳):
لایه فلزی غنی نسبت به آلومینیوم که از داخل آن فقط آلومینیوم نفوذ می‌کند.
یک لایه در حال رشد غنی نسبت به نیکل که از داخل آن فقط نیکل نفوذ می‌کند.
یک ناحیه شامل رسوبات بین فلزی که از آلیاژ پایه تشکیل شده است.

ریز ساختار پوشش آلومیناید بر روی هاستلوی X که به وسیله فرایند اکتیویته بالا و سپس عملیات حرارتی (به مدت ۴ ساعت در دمای ۱۰۸۰ درجه سانتیگراد) تشکیل شده است (بزرگنمایی ۵۰۰×).
ناحیه دوم (NiAl غنی نسبت به نیکل) بوسیله خروج نیکل از آلیاژ پایه، نفوذ نیکل در عرض لایه در حال رشد و واکنش این نیکل با آلومینیوم، تهیه شده بوسیله حرکت Al از داخل فازهای خارجی غنی نسبت به آلومینیوم- و در بین فازهای غنی نسبت به نیکل و غنی نسبت به آلومینیوم خارجی، افزایش ضخامت می‌دهد.
در طول تشکیل پوشش بر روی آلیاژ پایه (‏شکل ۲-۲)، دانسیته نسبتاً بالایی از فازهای ثانویه به دلیل عدم حلالیت این فازها در فازهای ، غنی نسبت به Al تشکیل می‌شود این فازهای ثانویه مساحت مقطع عرضی در دسترس برای نفوذ آلومینیوم در داخل پوشش را کاهش می‌دهد و این مسئله به شیب غلظت آلومینیوم کمک می‌کند.
تشکیل لایه تک فازی در ناحیه دوم (‏شکل ۲-۳) تا زمانی ادامه می‌یابد که فلاکس در حال کاهش آلومینیوم از لایه‌های خارجی و در حین حرکت به سمت مرز تک فاز، لایه‌های خارجی، دیگر نتواند حالت فازی مناسب را حفظ کند. بدین ترتیب تبدیل بعدی لایه‌های خارجی‌تر یک فازهای غنی نسبت به آلومینیوم به غنی نسبت به Ni (ناحیه ۱ ‏شکل ۲-۳)، باید بوسیله نفوذ نیکل از داخل و حرکت آلومینیوم از داخل فازهای غنی نسبت آلومینیوم باقی مانده انجام شود [۱۰, ۱۲].
مهم‌ترین نکته در ارتباط با ناحیه سوم پوشش این است که بوسیله خروج نیکل از آلیاژ پایه (و نه بوسیله نفوذ Al به داخل) تشکیل شده است.
‏شکل ۲-۴ پوشش تشکیل شده بر روی یک آلیاژ پایه نیکل هاستلوی و بدون آلومینیوم را نشان می‌دهد. ناحیه شوم این پوشش شامل رسوب‌های پیچیده در زمینه ی نمی‌باشد. بلکه ناحیه‌ای است که بوسیله غنی سازی عناصز آلیاژی (ناشی از خارج شدن Ni) تشکیل شده است. همین مسئله مکانیزم پیشنهادی خروجی نیکل از این منطقه را تایید می‌کند [۱۰].
در آلیاژهای شامل آلومینیوم، ساختار و ترکیب رسوب‌ها در زمینه در ناحیه داخلی پوشش (ناحیه سوم)، از آلیاژی به آلیاژ دیگر متغیر است؛ اما ساختار اساسی برای تمامی آنها مشابه می‌باشد. به عنوان نمونه ردن (Redden)، TiC و (CoCr) را در این ناحیه پوشش و بر روی یک آلیاژ اینکونل ۱۰۰ یافته است. در حالی که مارگالیت (Margalit)، بعلاوه TiC و (CoCr) را در این ناحیه از پوشش یافته است.
در آلیاژهای شامل آلومینیوم، ساختار و ترکیب رسوب‌ها در زمینه در ناحیه داخلی پوشش (ناحیه سوم)، از آلیاژی به آلیاژ دیگر متغیر است؛ اما ساختار اساسی برای تمامی آنها مشابه می‌باشد. به عنوان نمونه Redden، TiC و (CoCr) را در این ناحیه پوشش و بر روی یک آلیاژ اینکونل ۱۰۰ یافته است. در حالی که Margalit، بعلاوه TiC و (CoCr) را در این ناحیه از پوشش یافته است.
وجود فاز نیز در کنار گزارش شده است. در آزمایش که توسط جانسن (Janssen) و ریک (Rirck) بر روی کوپل‌های نفوذی نیکل خالص-آلومینیوم انجام شد، وجود فازهای و به اثبات رسید. اما همان گونه که مشاهده کردیم در پوشش موجود بر روی سوپر آلیاژ پایه نیکل مقدار قابل ملاحظه‌ای از فاز مشاهده نمی‌شود. این نشان می‌دهد که در کوپل‌های نفوذی نیکل خالص-آلومینیوم، آلومینیوم در اکتیویته واحد حاضر است؛ اما در فرآیندهای اکتیویته بالای آلومینیوم اگر چه آلومینیوم خالص در اطراف پوشش حاضر باشد، اما اکتیویته موثر این عنصر باید مقداری کمتر از واحد داشته باشد [۱۴].
در فرایند اکتیویته بالا، اگر مقدار آلومینیوم موجود در مخلوط پودر مقادیری کمتر از مقادیر گفته شده داشته باشد، امکان تشکیل فقط یک ترکیب (NiAl) غنی نسبت به آلومینیوم (در مرحله اول تشکیل پوشش) وجود دارد [۱۲].
پوشش‌های تولید شده توسط فرآیندهای اکتیویته پایین آلومینیوم
وقتی که اکتیویته آلومینیوم در مخلوط پودر پایین باشد، پوشش از NiAl ای تشکیل شده که دارای آلومینیوم نسبتاً کمی است. اگر این مقدار در مقادیر نزدیکتر استوکیومتری یا زیر استوکیومتری باشد، نفوذ نیکل در دمای عملیات حرارتی بین ۱۱۰۰ – ۹۸۰ اتفاق خواهد افتاد. علت بالا بودن این فرایند نسبت به حالت قبلی، نرخ‌های نفوذ کمتر در فرایند پوشش می‌باشد [۱۰].