مواد تنگستن مونوکارباید-کبالت نانوساختار تفت¬جوشی شده به دلیل داشتن تلفیقی از سختی و چقرمگی بالا به عنوان گزینه¬ی مناسبی برای گستره¬ی وسیعی از کاربردهای مقاوم به سایش نظیر ابزارهای برش¬کاری و سوراخ¬کاری و ساخت قالب¬های اکستروژن استفاده می¬شوند. اما بکارگیری ذرات تنگستن مونوکارباید-کبالت نانوساختار جهت تولید پوشش¬های نانوساختار بوسیله¬ی فرایند پاشش شعله¬ای پرسرعت، منجر به افت مقاومت سایشی در مقایسه با پوشش¬های میکروساختار متعارف شده است. این رفتار به دلیل نسبت بسیار بالای سطح-به-حجم ذرات تنگستن مونوکارباید نانومتری است که تجزیه و دکربوراسیون شدید آن¬ها را در حین پاشش شعله¬ای پرسرعت در پی¬ داشته و منجر به ایجاد فازهای نامطلوب غیرتنگستن مونوکارباید می¬شود. بنابراین، هدف از این پژوهش، بهبود پایداری حرارتی و رفتار تریبولوژیکی پوشش¬های تنگستن مونوکارباید-کبالت نانوساختار تولید شده با روش پاشش شعله¬ای پرسرعت است. در این راستا، ابتدا فرایند الکترولس مس و نیکل هریک بطور مجزا بر روی ذرات تنگستن مونوکارباید-کبالت میکروساختار (ms-wc12) انجام شده و ذرات پودر روکش¬دارِ cu/ms-wc و ni/ms-wc تولید و تحت پاشش قرارگرفتند. در ادامه، تأثیر روکش¬های الکترولس مس و نیکل بر میزان دکربوراسیون تنگستن مونوکارباید در حین فرایند پاشش، بررسی شد. با توجه به تأثیر بسیار مطلوب روکش الکترولس نیکل بر افزایش پایداری حرارتی تنگستن مونوکارباید و کاهش چشمگیر میزان دکربوراسیون، ذرات تنگستن مونوکارباید-کبالت نانوساختار (ns-wc) از طریق آسیاکاری مکانیکی تولید شده و روکش الکترولس نیکل بر روی سطح آن¬ها ایجاد شد؛ بدین¬ترتیب، ذرات پودر ni/ns-wc نیز تولید شده و تحت پاشش قرارگرفت. ویژگی¬های پوشش¬های بدست آمده شامل میکروساختار، چگونگی رشد دانه¬های تنگستن مونوکارباید نانومتری، خواص مکانیکی، مقاومت اکسیداسیون دمای بالا، رفتار سایشی دمای محیط و دمای بالا مورد ارزیابی قرارگرفت. نتایج نشان داد که انجام فرایند الکترولس مس بر روی ذرات پودرتنگستن مونوکارباید-کبالت میکروساختار منجر به انحلال شدید کبالت در حمام الکترولس و جایگزینی مس بجای آن بر روی سطح و نیز درون ذرات اولیه شد. مشاهدات انجام شده از سطح مقطع ذرات پودر cu/ms-wc تضعیف اتصال تنگستن مونوکارباید به زمینه و گسستگی آن را به¬ روشنی نشان داد. در مقابل، انجام فرایند الکترولس نیکل بر روی ذرات پودر تنگستن مونوکارباید-کبالت میکروساختار سبب تشکیل یک لایه¬ی متراکم و یکنواخت از نیکل پیرامون ذرات اولیه با ضخامت 5/1-5/0 میکرومتر شد. ارزیابی¬های میکروساختاری و مقایسه¬ی مقدار کربن موجود در پودرهای اولیه و پوشش¬ها، دکربوراسیون ناچیز تنگستن مونوکارباید در پوشش ni/ms-wc در حدود 6/2 درصد را نشان داد درحالی که تنگستن مونوکارباید در پوشش¬های ms-wc12 و cu/ms-wc به¬ترتیب به میزان 3/16 و 2/21 درصد دکربوره شد. در مقایسه با پوشش ms-wc12، در پوشش ns-wc پیک¬های تنگستن دی کارباید (w2c) با شدت بیشتری در الگوی پراش پرتوی ایکس مشاهد شدند؛ این نتیجه، به همراه افت چشمگیر مقدار کربن به میزان 8/36 درصد، تأیید نمود که ذرات ns-wc متحمل دکربوراسیون به¬مراتب شدیدتری نسبت به ذرات پودر ms-wc12 در حین پاشش می¬شوند. در مقابل، پوشش ni/ns-wc عمدتاً از فازهای تنگستن مونوکارباید و زمینه-ی فلزی کبالت/نیکل تشکیل شده و الگوی پراش پرتوی ایکس این پوشش یک پیک بسیار کوچک از فاز تنگستن دی کارباید را با شدت بسیار کمتر در مقایسه با ms-wc12 و ns-wc نشان داد. همچنین، میزان دکربوراسیون تنگستن مونوکارباید در پوشش ni/ns-wc برابر با 4/5 درصد بدست آمد که در مقایسه با پوشش¬های ms-wc12 و ns-wc به¬ترتیب به میزان 66 و 85 درصد کاهش نشان داد. پوشش ni/ms-wc میانگین میکروسختی معادل با 1168 ویکرز را ارائه داد که نشان¬دهنده¬ی سختی بالاتر آن در مقایسه با پوشش ms-wc12 (1120 ویکرز) است. از سوی دیگر، پوشش¬های نانوساختار ns-wc و ni/ns-wc به¬ترتیب با میکروسختی 1185 و 1214 ویکرز، میانگین سختی نسبتاً بالاتری را در مقایسه با پوشش¬های میکروساختار ارائه کردند. چقرمگی شکست پوشش ni/ms-wc برابر با mpa.m1/2 86/9 بدست آمد که در حدود 60 درصد بیشتر از پوشش ms-wc12 (mpa.m1/2 76/5) است. از سوی دیگر، چقرمگی شکست پوشش¬های ni/ns-wc و ns-wc برابر با mpa.m1/2 32/10 و 12/5 اندازه¬گیری شد که به¬ترتیب بیشترین و کمترین مقدار را در مقایسه با سایر پوشش¬ها نشان دادند. ارزیابی مقاومت اکسیداسیونی در بازه¬ی دمایی 800-600 درجه¬ سانتیگراد نشان داد که کینتیک اکسیداسیون برای پوشش¬های ms-wc12 و ns-wc از قانون خطی (با انرژی فعال¬سازی به¬ترتیب برابر با 4/90 و 9/78 کیلوژول بر مول) و در مورد پوشش¬های ni/ms-wc و ni/ns-wc از قانون پارابولیک (با انرژی فعال¬سازی به¬ترتیب برابر با 212 و 5/197 کیلوژول بر مول) پیروی می کند. نرخ سایش دمای محیط پوشش¬های ms-wc12 و ns-wc به¬ترتیب معادل با 4-10×1/10 و 4-10×7/14 میلی¬گرم بر متر اندازه¬گیری شد، درحالی¬که پوشش¬های ni/ms-wc و ni/ns-wc با 4-10×2/3 و 4-10×5/2 میلی¬گرم بر متر، نرخ سایش بسیار کمتری را ارائه می¬کنند. این مقادیر، رشد قابل ملاحظه¬ی مقاومت سایشی پوشش¬های ni/ms-wc و ni/ns-wc به میزان بیش از 68 و 78 درصد نسبت به پوشش¬های ms-wc12 و ns-wc را نشان داد. همچنین، ارزیابی نرخ سایش پوشش¬های مختلف در دمای 700 درجه سانتیگراد نمایانگر پایین¬ترین مقاومت سایشی برای پوشش ns-wc (با نرخ سایش 4-10×7/91 میلی¬گرم بر متر با روش اندازه¬گیری و 4-10×3/119 میلی¬گرم بر متر از طریق محاسبه) و بالاترین مقاومت سایشی برای پوشش ni/ns-wc (با نرخ سایش 4-10×27/25 میلی-گرم بر متر با روش اندازه¬گیری و 4-10×17/24 میلی¬گرم بر متر با روش محاسبه) بود.

در این پژوهش نانو کامپوزیت های آلیاژ al2024 تقویت شده با نانو لوله های کربنی چند دیواره با روش آسیاب کاری مکانیکی و پرس داغ تولید شدند. آلیاژ al2024 نانو ساختار پس از 30 ساعت آسیاب کاری مکانیکی ساخته شد. نانولوله های کربنی با مقادیر 3-0 درصد حجمی با پودرهای آلیاژی مخلوط شده و برای زمان های مختلف تحت آسیاب کاری مکانیکی قرار گرفت. به منظور یافتن فرایند بهینه ی تولید نمونه های بالک، پارامترهایی نظیر زمان آسیاب کاری پودرهای نانو کامپوزیتی و شرایط مختلف پرس داغ آزمایش شد. تغیرات مورفولوژیکی و ساختاری آلیاژ al2024 در حین آسیاب کاری با استفاده از مشاهدات میکروسکوپ الکترونی روبشی (sem) و آنالیز پراش پرتوی ایکس (xrd) ارزیابی شد. همچنین تغییرات ساختاری و پایداری حرارتی پودرهای نانو ساختار al2024 با انجام سیکل های عملیات حرارتی همدما در دماها و زمان های مختلف بررسی شد. نمونه ی کامپوزیتی حاوی 3 درصد حجمی نانو لوله ی کربنی تحت آنالیز حرارتی دیفرانسیلی (dta) قرار گرفت. به منظور بررسی اثر فرایند پرس داغ بر روی تغییرات ساختاری، آزمون پراش پرتوی ایکس بر روی نمونه های نانو کامپوزیتی، قبل و بعد از فرایند پرس داغ انجام شد. با استفاده از روش ارشمیدس تغییرات چگالی نسبی نانو کامپوزیت ها بر حسب درصد حجمی نانولوله ها بدست آمد. از آزمون های سختی سنجی و فشار جهت برسی خواص مکانیکی نانو کامپوزیت ها استفاده شد. خواص سایشی نانو کامپوزیت ها (نظیر نرخ سایش، ضرب اصطکاک و مکانیزم های سایش) نیز با استفاده از آزمون سایش پین –دیسک در شرایط غیر روغنکار بررسی شد. در اثر انجام آسیاب کاری مکانیکی بر روی براده های آلیاژ al2024 به مدت 30 ساعت اندازه ذرات آلیاژ al2024 از 500?m به 10 ?m کاهش یافته و مورفولوژی ذرات نیز اغلب بصورت هم محور درآمد. اندازه دانه های آلومینیوم نیز به ?30nm کاهش یافته و کرنش شبکه به حدود 45/0? افزایش یافت. بررسی سینتیک رشد دانه های آلومینیوم در آلیاژ al2024 نانو ساختار، پایداری حرارتی بالای این آلیاژ را نشان داد به نحوی که پس از عملیات حرارتی در دمای 550 درجه سانتی گراد به مدت 3 ساعت، اندازه دانه های آلومینیوم همچنان در مقیاس نانومتری (?70nm) باقی ماند. انرژی فعال سازی رشد دانه ها در آلیاژ al2024 نانوساختار در دماهای پایین تر و بالاتر از 400 درجه سانتی گراد به ترتیب برابر با 111/6kj/mole و 145/6kj/mole بدست آمد. آسیاب کاری مکانیکی پودرهای نانو کامپوزیتی به مدت 4 ساعت، پرس داغ د ردمای 500 درجه سانتی گراد، فشار 250mpa و زمان 5/0 ساعت به عنوان پارامترهای بهینه ی تولید نانو کامپوزیت ها انتخاب شدند. نتایج آنالیز حرارتی انجام شده بر روی پودرهای نانوکامپوزیتی حاوی 3 درصد حجمی نانو لوله ی کربنی، حضور یک پیک گرماگیر در حدود دمای 632 درجه سانتی گراد ناشی از ذوب شدن زمینه ی آلیاژی و یک پیک گرمازاد در محدودهی دمایی 632-658 درجه ساتی گراد مربوط به واکنش بین زمینه ی آلومینیوم با نانو لوله های کربنی و تشکیل فاز کاربید آلومینیوم را نشان داد. با افزودن 2 درصد حجمی نانولوله ی کربنی، چگالی نسبی کامپوزیت ها در مقدار ?%98 ثابت باقی مانده و مقدار سختی از حدود 210hv برای آلیاژ نانوساختار عاری از نانولوله ی کربنی به 245hv افزایش یافت. استحکام فشاری نانو کامپوزیت ها در 2 درصد حجمی نانو لوله ی کربنی، به بیشینه ی خود یعنی 814mpa رسید که به ترتیب 365?، 53? و 15? بیشتر از آلیاژهای al2024 در شرایط آنیل (al2024-o) پیرسازی شده ی مصنوعی (al2024-t6) و al2024 نانوساختار می باشد. همچنین مقادیر مدول یانگ در این درصد حجمی از 74gpa برای آلیاژ al2024 نانوساختار به 94gpa افزایش یافت. با افزودن 3? حجمی نانولوله ی کربنی، استحکام فشاری کاهش یافته و به 785mpa رسید ولی مدول یانگ تغییر چندانی نیافت. نرخ سایش آلیاژ al2024 نانوساختار در حدود 12*10-3mg/m بدست آمد که در مقایسه با آلیاژهای al2024-o و al2024-t6 به ترتیب 3/92? و 4/85? کاهش نشان می داد. با افزودن نانو لوله های کربنی تا 2 درصد حجمی، نرخ سایش نانو کامپوزیت تا 4/7*10-3 mg/m و ضریب اصطکاک نانو کامپوزیت ها تا 2/0 کاهش یافت. با افزودن بیشتر از 2 درصد حجمی نرخ سایش و ضریب اصطکاک مجددا افزایش یافته و به ترتیب به 21*10-3mg/m و 0/3 در 3 درصد حجمی نانولوله ی کربنی رسید. مکانیزم های حاکم بر فرایند سایش آلیاژهای al2024, al2024-t6, al2024-o نانوسختار و نانوکامپوزیت های al2024 تقویت شده نانولوله های کربنی چند دیواره با استفاده از مشاهدات میکروسکوپ الکترونی رویشی و آنالیز پراش پرتوی ایکس و طیف سنجی توزیع انرژی (eds) سطوح و محصولات سایش ارزیابی شدند.