AZ91 Mg alaşımlarının korozyon ve aşınma dayanımını artırmak için geçiş elementi metal nitrürleriyle kaplamalarının incelenmesi

Abstract

Bu çalışmada AZ91D magnezyum alaşımı malzemelerinin korozyon ve aşınma dayanımını artırmak hedeflenmiştir. Bu hedef doğrultusunda DC ve RF magnetron saçtırma tekniği kullanılarak AZ91D Mg alaşımlı alttaş üzerine TiN ve; (Ti,V)N ince filmleri ve bunun yanında TiN/VN, (Ti,V)N/VN çok katmanlı ince film kaplamaları yapılmıştır. Bu dört farklı kaplama türü; oda sıcaklığında, 1/2 oranında Ar/N2 gazı, 1,9x10-3 mBar basınç ve 100 Watt RF ya da; 15 Watt DC güç uygulanarak yapılmıştır. Kaplamaların elementer kompozisyonlarını, kimyasal bağlanma durumlarını, yüzey morfolojilerini ve yapısal özelliklerini, korozyon dirençlerini, sertlik ve tribolojik özelliklerini incelemek için sırasıyla x-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS), atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM), x-ışını difraksiyonu (XRD), elektrokimyasal korozyon ölçümleri, sertlik testi ve çizik testi ölçümleri yapılmış ve böylelikle kaplamaların Mg alaşımının yapısal ve mekanik özellikleri üzerindeki etkileri incelenmiştir. Kaplama içerisine vanadyum ilave edilmesiyle, kaplamaların yüzey pürüzlülüğü, korozyon direnci ve altlık metale yapışma mukavemeti önemli ölçüde iyileştirilmiştir. Bu tür kaplamaların korozyon davranışı kaplama kalınlığından ve oluşturulan tabakalardan bağımsız olmasına rağmen, kaplamaların mekanik ve tribolojik özellikleri kaplama kalınlığının artırılmasıyla iyileşmiştir. En iyi aşınma dayanımına sahip olan sert ve nispeten pürüzsüz kaplamalar, toplam kalınlığı 660 nm olan ve 11 katmandan oluşan TiVN/VN kaplamaları olarak belirlenmiştir. Son katmanı VN olmak suretiyle 11 katmandan oluşan TiVN/VN kaplamasının yüzeyi vakum ortamından çıkarılmadan yaklaşık 100ºC sıcaklıkta 1,2x10-6 mBar basınç altında 12 saat oksijen ortamında tavlanmıştır. Böylelikle yüzeyde bir V2O5 tabakası oluşturulmuştur. Oksitleme işleminden sonra yapılan çizik testi sonucunda, yüzeyde oluşan vanadyum oksit tabakasının malzemelerin tribolojik özelliklerini önemli ölçüde iyileştirdiği belirlenmiştir.

In this study, it was aimed to increase the corrosion and wear resistance of AZ91D Mg alloys materials. For this purpose, TiN and; (Ti,V)N thin films and besides TiN/VN, (Ti,V)N/VN thin film multilayer thin films were coated on AZ91D Mg alloys by the RF/DC magnetron sputter technique. These four different coating types was implemented at room temperature, with Ar/N2 gas ratio of 1/2, under 1,9x10-3 mBar pressure and at 100 Watt RF or; 15 Watt DC power. In order to examine elemental compositions, the chemical bonding conditions, surface morphologies and structural properties, corrosion resistance, hardness and tribology properties of the coatings; respectively, x-ray photoelectron spectroscopy (XPS), atomic force microscope (AFM), scanning electron microscope (SEM) and x-ray diffraction (XRD), electrochemical measurements, nano hardness tester and scratch tester measurements were made and thus the effects these coatings on the structural and mechanical properties of the Mg alloys were investigated. Surface roughness, corrosion resistance and adhesion strength were all improved significantly with the incorporation of V into the coatings. While the corrosion behavior of this type of coatings is independent of coating thickness and multilayer structures, the mechanical and tribological properties of these coatings have been improved with the increase of coating thickness. The hard and relatively smooth coatings with the best adhesion strength are the TiVN/VN coatings which are composed of 11 layers with a total thickness of 660 nm. Surface of TiVN/VN coating which contains 11 layers with the last layer being VN was annealed approximately at 100°C under 1,2x10-6 mBar O2 partial pressure for 12 hours without leaving the vacuum environment. By the way, V2O5 layer was formed on the surface. It was determined that the vanadium oxide layer formed on the surface significantly improved the tribology properties of these materials.