تحسين الخصائص السطحية للفولاذ AISI 1018 بطلاء متعدد الطبقات نانوي التركيب بعملية الطور الغازي

الباحث

نعم فوزي محمد علي

المشرف

أمين دواي ثامر - بهاء سامي مهدي

الجامعة

الجامعة التكنولوجية

الكلية / القسم

قسم هندسة الانتاج والمعادن / هندسة المعادن

الشهادة

دكتوراه

السنة

2023

لغة الرسالة

انكليزي

الكلمات المفتاحية

Multilayer coating;Gas phase process;AISI 1018 steel;Surface properties

تناولت هذه الأطروحة تحسين مقاومة تقصف الهيدروجين لفولاذ كمؤثر على أنابيب البترول 1018 AISI من خلال تطبيق طبقات طلاء نانو بدلاً من طرق الطلاء التقليدية السميكة حيث يظهر التقصف الهيدروجين كتاثير جانبي لعملية حماية الكاثود لتقليل التآكل في هذه الأنابيب. طريقة ترذيذ بالبلازما التيار المستمر DC) (sputter هي الطريقة الأولى المستخدمة لتطبيق المعادن أو الأكاسيد بمقياس النانو على SY sill أعلاه مع طبقات مفردة ومتعددة والطريقة الثانية التي تم تطويرها أثناء البحث وهي التبخر المباشر أو تسمى طريقة المعدن الساخن عن طريق التسامي المباشر للمعادن من خويط المعدن الساخن hot filament في فراغ نحو الركيزة في جميع الاتجاهات. كانت مواد الطلاء المختارة عبارة عن الألومنيوم والتيتانيوم اللذان يتمتعان بمقاومة أعلى لتغلغل الهيدروجين الذري لحماية ركيزة فولاذ 1018 AIS] من التقصف الهيدروجين. يستخدم عملية االترذيذ البلازما De sputter لترسيب طبقة مفردة ومزدوجة وثلاثية من التيتانيوم ومركبات الألمنيوم والتيتانيوم على الفولاذ1018 AIS! وعملية الخويط الساخن filament) 1206)المستخدمة لترسيب التيتانيوم وأكسيده حيث تقارن الطريقتان بعضهما ببعض لإيجاد الطريقة الأفضل والأمثل صناعياً واقتصادياً الحصول على طبقة طلاء واقية جيدة على الأنابيب الفولاذية. تم إجراء التحليل التركيبي والتوصيف للطلاء النانوي ، لتقييم عمليات الطلاء واختيار الظروف المثلى ، هناك العديد من الاختبارات المطلوبة AFM Cie FESEM 5 و SEM و EDS و FTIR و XRD وسمك الطبقة والصلادة الدقيقة والالتصاقيه ومقاومة التآكل وتأثير تقصف الهيدروجين على الخواص الميكانيكية لعينات الشد الفولاذية المختارة. كان الطلاء عن طريق االترذيذ البلازما الطبقة الأولى المصنوعة من مسحوق التيتانيوم المضغوط الهدف على السطح عبارة عن بنية حبيبية متناهية الصغر لأشكال نصف كرة (hemisphere’s shapes) متغيرة تتراوح من )25 إلى 34( نانومتر في الحجم ، وطبقة مزدوجة باستخدام عملية الترذيذ 30/1(96 +70171) مضغوطة يحتوي المسحوق المكبوسه أيضًا على نفس البنية الحبيبية النانوية التي تراوحت من 33 إلى 47 نانومتر في الأحجام بينما كان حجم الحبيبي الطبقة الثالثة 1 له نطاق )43-26( نانومتر. من خلال العرض Ga gee لتغطية المقطع العرضي لطبقة النانو باستخدام اختبار FESEM ، يمثل لأشكال نصف كرة (hemisphere’s shapes) أطراف التركيب العمودي (columnar structure) ويشير إلى دمج مثالي واضح للمركب الطبقة TiO مع Al2O3 وجد أن أقصى قيمة للالتصاق تتعلق بالطبقة الثلاثية ب 596 رطل لكل بوصة مربعة. باستخدام خيوط التيتانيوم الساخنة وقيمتها psi(200) وزادت إلى(289) psi عن طريق أنودةها, تنتمي المقاومة العالية لتقصف OO —eeeeeeeeerer—SSC=*E الهيدروجين إلى الطلاءات السيرامكييه لأكاسيد التيتانيوم والألومنيوم, وأكاسيد التيتانيوم النانوية المترسبة بمقاومة الشعيرات الساخنة الممائلة للطبقة المختلطة ولكن لها فوائد في تقليل وقت الترسيب والطاقة المستهلكة. بعد 16 ساعة من وقت التقصفء زادت قوة الشد لعينة الشد المطلية من 570 إلى 659 ميجا باسكال مع تغير طفيف في استطالة طبقة أكاسيد التيتانيوم المترسبة بواسطة الشعيرة الساخنة وزادت قوة الخضوع بشكل طفيف مع زيادة وقت شحن الهيدروجين. يؤدي الطلاء بطبقة ثلاثية إلى تقليل الخواص الميكانيكية حيث يؤدي الشد وقوة الخضوع إلى تدهور الجانب السلبي, أيضًا انخفاض الاستطالة بسبب تأثير نفاذ الهيدروجين. الطبقة المزدوجة من المركب AlzOz) + 1102) المودعة بواسطة الترذيذ بالبلازما تكون لها مقاومة عالية لتقصف الهيدروجين حيث كان لها خواص ميكانيكية أفضل من غيرها من الطبقات، والسبب في ذلك يرجع إلى وجود طور المسيطرهو anatase وطور corundum مما أدى إلى زيادة وتحسين الخواص الميكانيكية كان طور Anatase و 81713 و 2127105 هي المراحل الشائعة التي تم الكشف عنها بصعوبة باستخدام اختبارات XRD وكان آخر 8127105 (سيراميك تيتانات الألومنيوم) هو الأكثر تأخراً في تغلغل الهيدروجين الذري في الركيزة الفولاذية ويتولد عن طريق ترذذيذ بالبلازما باستخدام الهدف (70%Ti +30 %AI) التحسن الكبير في معدل التآكل للعينات المطلية بطبقة ثلاثية والمغلفة بالتيتانيوم بطريقة خويط الساخن( hot (filament العينة المطلية بطبقة ثلاثية حققت معدل تآكل 2.802 x 210 مم في العام مقارنة بالفولاذ الكربوني غير المطلي الذي حقق 1.43 ملم في العام ، قل التآكل 51 مرة. حققت العينة المطلية بالتيتانيوم بطريقة خويط الساخن(8135167]6 x 9.346 (hot 3:10 ملم في السنه. انخفض معدل التآكل حوالي 107 الحد الأقصى لنوع طبقة الصلابة هو طبقة الألومينا بقيمة أعلى من (5000 (HV ولكن يتم مقارنتها بالطبقة باستخدام طريقة االمعدن الساخن وأنودة الطبقة بقيمة تقترب من )4500 (HV وهي La Alle يكفي لاعتبارها طريقة طلاء تنافسية ضد De sputterle Dy بتكلفة Jil بكثير ومعدل ترسيب أعلى. وبالمقارنة بين عملية )32 De sputter’s بالتيار المستمر وخويط المعدن الساخن ¢ فإن الطريقة الثانية تعطي معدل ترسيب أسرع بعشر مرات على الأقل من طريقة بلازما,ع]]11م5 De يمكن بسهولة تطبيق عملية التبخير المباشر (الخويط المعدن الساخن) Velie لتغطية مناطق كبيرة ذات استهلاك منخفض للطاقة وتوليد حرارة مع معدل ترسيب أعلى مقارنة بعملية الترذيذ DC.

This thesis deals with improving the hydrogen embrittlement resistance for petroleum pipelines steels as AISI 1018 by applying layers instead of thick traditional coating methods where the hydrogen embrittlement appears as side effect of cathode protection process to minimize the corrosion in these pipes. DC sputtering was the first method used to apply metals or oxides with Nano scale on the above carbon steel with single and multiple layers and the second method developed during research which is direct evaporation or called hot filament method by direct sublimation of metal from hot wire in high vacuum towards substrate in all directions. The coating materials selected was aluminum and titanium which has higher reluctance to the atomic hydrogen permeation to protect substrate of AISI 1018 steel from hydrogen embrittlement. DC sputtering process was used to deposit single, double and triple layer of titanium, aluminum compounds on steel, and the hot filament process was used to deposit titanium and its oxide, where the two methods compared each to other to find the best and optimum method industrially and economically to obtain a good protective coating layer on steel pipes. Structural analysis and characterization to coating ware carried out, to evaluate the coating processes and many tests were done, including AFM, FESEM, SEM, EDS, FTIR, XRD, coat thickness, micro-hardness, adhesion, corrosion resistance and effect of hydrogen charging on mechanical properties for selected steel tensile specimens. Coating by sputtering of the first layer made of titanium compacted powder target on the surface was a nano granular structure of a variable hemisphere’s shapes varied from (25- 34 )nm in size, and the double layer using sputtering process of (70Ti+30 Al)% compacted powder target had also the same nano granular structure varied from (33 to 47 ) nm in sizes while the third layer Al target had a range of (26- 43)nm. By viewing vertically to the coated layer cross section using FESEM test , the hemispheres represents the tips of columnar structure and indicate a clearly perfect incorporation of layer composite TiO2 with Al2O3. It was found that the maximum adhesion value related to the triple layer with 596 psi. using hot titanium filament and its value was 200 psi and then increased to 289 psi by anodizing it. The higher hydrogen embrittlement resistance belonged to the ceramic coatings of titanium and aluminium oxides ,after 16 hours of charging time, the coated specimen’s tensile strength increased from 570 to 659 MPa with a little change in elongation for the titanium oxides layer deposited by hot filament, and the yield strength increased slightly with increasing hydrogen charging time. The double layer of composite (TiO2+Al2O3) deposited by DC sputtering had the higher hydrogen embrittlement resistance and had better mechanical properties than the other of layers, the reason for this is due to the presence of a phase controller anatase phase and corundum phase it led to an increase and improvement of mechanical properties. Anatase, ALTi3 and Al2TiO5 were the common phases revealed hardly using XRD tests, and the last Al2TiO5 (Aluminium titanate ceramic) was the most retard atomic hydrogen permeation in steel substrate and it generated by DC sputtering using (70%Ti+30%Al) target. The high improvement in corrosion rate was for the samples coated with triple layer and these coated with titanium by hot filament method. The sample coated with triple layer achieved corrosion rate2.802×10-2 mmpy compared with uncoated carbon steel which achieved 1.43 mmpy, The sample coated with titanium by heating filament method achieved 9.346×10-3 mmpy. the corrosion rate reduced about 107 times compared with uncoated one. The maximum hardness layer type is the Alumina layer with value above (5000 HV) but compared to layer using hot filament method and anodizing, the layer has a hardness value near to (4500 HV) which is high enough to be considered as competitive coating method against DC sputtering with much lower cost and higher deposition rate . Comparing between DC sputtering and hot filament processes, the second method gives a deposition rate at least ten times faster than the DC sputtering method. Hot filament process has the possible easily to apply industrially to coat large areas with much low power consumption and generated heat with higher deposition rate compared to DC sputtering process.

طلب نسخة من الملف

الملفات غير منشورة على الموقع. اترك بياناتك وسيتواصل معك موظفو قسم الشؤون الثقافية والفنون لإرسال النسخة مجاناً.

الاسم

رقم الهاتف

البريد الإلكتروني

الغرض من الطلب (اختياري)

إرسال الطلب