Muhammad Puja Nalendra 

Plasma sprayed Titanium- Nanodiamond composite coatings with enhanced mechanical properties

 

Abstract

Penelitian ini bertujuan untuk menyelidiki sifat mekanik pelapis komposit Ti-nanodiamond (Ti-NDs) yang disemprotkan plasma, memanfaatkan struktur dimensi nol, sifat mekanik yang luar biasa, dan stabilitas kimia dan termal yang luar biasa dari nanodiamond (ND) sebagai pilihan yang bijaksana untuk meningkatkan sifat mekanik pelapis Ti. Pelapis yang diendapkan diuji untuk sifat mekaniknya, termasuk Kekuatan Tarik Utama (UTS), Kekuatan Luluh (YS), Kekerasan, dan Modulus Elastis. Kepadatan relatif pelapis mengalami peningkatan substansial dengan penambahan ND, dari 82,31% menjadi 94,79% untuk 1 wt%. Peningkatan kepadatan relatif ini dikaitkan dengan peleburan bubuk yang efektif di bawah gumpalan plasma yang difasilitasi oleh keberadaan ND yang memiliki konduktivitas termal yang lebih tinggi. Akibatnya, peningkatan yang luar biasa sebesar 22,7% pada UTS dan 20,5% pada YS, disertai dengan peningkatan kekerasan yang cukup besar (20%) dan modulus elastis (26,7%). Peningkatan ini

 

Graphical abstract

 

 

 

 

 

Introduction

Karena keunggulannya yang luar biasa, seperti high specific strength (287 kNm/Kg), low density (4,5 g/cm3), dan high specific elastic modulus (110 GPa/g/cm3) [1], titanium coatings memiliki tingkat corrosion resistance yang tinggi, terutama di lingkungan yang keras seperti sea-water atau chemical processing.

 

Ini memiliki resistensi korosi yang tinggi dan rasio kekuatan yang tinggi, yang dapat memberikan keuntungan tambahan melalui peningkatan efisiensi fuel. Titanium coatings with lower hardness (314HV) and lower yield strength can impose several limitations, particularly in applications where mechanical properties are critical [5]. Oleh karena itu, masalah utama untuk Titanium coatings with lower hardness and yield strength is to improve their alloy mechanical properties. Ini akan memungkinkan coating seperti ini untuk digunakan di beberapa industri khusus yang membutuhkan tingkat modulus dan specific strength yang lebih tinggi tanpa mengeluarkan biaya yang signifikan [6], [7]. Untuk memecahkan masalah ini, peneliti telah menggunakan ceramics yang terdiri dari titanium matrix untuk memperkuatnya, yang menghasilkan peningkatan signifikan dalam properti seperti specific strength dan elastic modulus [8], [9], seperti yang ditunjukkan oleh penelitian terbaru [10].

 

Misalnya, Lee et al. [11] memasukkan TiC dalam jumlah yang bervariasi (0-20 wt.%) ke dalam Titanium, yang menghasilkan peningkatan kekerasan hingga ~67 HV. Studi lain menggunakan bubuk B4C sebagai penguat dalam pelapis Titanium melalui spark plasma sintering (SPS), yang meningkatkan kepadatan relatif dan kekuatan tarik akhir [12]. Akan tetapi, keramik yang diperkuat dengan Titanium dapat menunjukkan kerapuhan dan keuletan yang berkurang, sehingga membatasi penggunaan praktisnya dan memerlukan eksplorasi penguat alternatif.

Selama beberapa dekade terakhir, ada minat yang meningkat untuk meningkatkan sifat berbagai pelapis berbasis logam menggunakan berbagai nanofiller [13], [14]. Nanofiller ini mencakup berbagai bahan, termasuk oksida logam, nitrida logam, dan berbagai nanostruktur karbon seperti karbon nanotube, graphene, graphene oksida, dan nanodiamond [15]. Nanostruktur karbon telah memperoleh perhatian yang signifikan karena atributnya yang luar biasa. Kombinasi unik berbagai fitur seperti kepadatan rendah, kekuatan mekanis luar biasa, dan sifat fungsional yang menonjol menjadikannya pilihan yang sangat disukai untuk meningkatkan karakteristiknya. Nanodiamond (ND) telah menarik perhatian lebih karena sifat mekaniknya yang luar biasa, termasuk kekerasan berkisar antara 110 hingga 140 GPa dan modulus elastisitas sekitar 606,8 GPa [16]. Mereka juga memiliki konduktivitas termal yang sangat tinggi (sekitar 1000 W/m-k), membantu meningkatkan peleburan matriks logam [17], [18], [19], [20Selain itu, ND, biasanya bulat atau elips dan berukuran antara 4 hingga 5 nm [21], menunjukkan dispersi yang lebih baik dalam matriks logam dibandingkan dengan graphene nanoplatelet (GNPs) dan carbon nanotubes (CNTs) [22], [23], [24]. Penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa menggabungkan partikel ND ke dalam berbagai matriks dapat meningkatkan sifat mekanik secara signifikan. Misalnya, Huang et al. menemukan bahwa menambahkan 1 wt% ND ke matriks besi meningkatkan kekerasan hingga 51,5% dan mengurangi keausan [25]. Woo et al. menyelidiki paduan ND-aluminium 10 wt%, melaporkan peningkatan kekerasan sebesar 201% dan peningkatan modulus elastisitas sebesar 51% [22]. Lebih jauh lagi, penelitian kami sebelumnya pada lapisan semprotan plasma NiAl yang diperkuat ND menunjukkan peningkatan sifat mekanik [26] dan mendukung potensi penguatan ND yang diharapkan dalam meningkatkan sifat bahan paduan.

Karena ND memiliki potensi substansial dalam meningkatkan sifat mekanis, [27], [28] penggabungannya melalui rute penyemprotan plasma yang ramah industri memerlukan penyelidikan khusus untuk pelapis komposit matriks logam Titanium (Ti MMC).

Dalam penelitian kami sebelumnya, potensi penggabungan 0,5 wt% ND dalam matriks Ti menunjukkan peningkatan ketahanan terhadap korosi [4]. Lebih jauh lagi, penelitian ini bertujuan untuk mengevaluasi sifat mekanis dengan variasi ND dalam pelapis komposit matriks Ti melalui penyemprotan plasma dan dampaknya pada evolusi mikrostruktur dan, akibatnya, menetapkan korelasi sifat struktur. Lebih jauh, menyelidiki mekanisme yang mendasari di balik peningkatan kekuatan akan menjadi tujuan akhir dari penelitian ini.Cuplikan bagian

Pelapisan yang disemprotkan Plasma

Bubuk Ti diperoleh dari Oerlikon Metco, dengan ukuran partikel berkisar antara 10 hingga 50 μm. Partikel ND dengan ukuran partikel rata-rata 3–5 nm, diperoleh dari Plasma Chem GmbH diultrasonikasi dalam ultrasonikator rendaman aseton selama 30 menit untuk mengurangi penggumpalan. Bubuk Ti selanjutnya dicampur dengan ND (0,5–1 wt. %) menggunakan planetary wet ball mill selama 4 jam pada 500 rpm menggunakan bola zirkonia. Setelah ini, pengeringan oven dilakukan pada suhu 120 ℃ selama 7 jam.

Serbuk komposit yang telah disiapkan

Hasil dan Pembahasan

Setelah pelapis dibuat, struktur mikro pelapis awalnya dinilai dengan memeriksa penampang melintangnya. Gambar 3 menampilkan penampang melintang dari pelapis induk (Ti) dan Ti+1ND. Semua pelapis memiliki ketebalan sekitar 150-250 μm dan melekat dengan baik pada substrat seperti yang terlihat pada Gambar 3 dan b. Pelapis induk Ti (Gambar 3a) menunjukkan berbagai cacat seperti pori-pori dan retakan pada struktur mikronya. Sebaliknya, pelapis Ti+1ND (Gambar 3b) dengan

Kesimpulan. ringkasan, lapisan komposit Ti+1.0ND telah meningkatkan sifat mekanis secara signifikan. Secara khusus, UTS, YS, kekerasan, dan modulus elastisitas lapisan Ti+1.0ND telah meningkat masing-masing sebesar 22,7%, 20,5%, 20%, dan 26,7%. Peningkatan sifat mekanis lapisan dapat dikaitkan dengan beberapa faktor, termasuk karakteristik mekanis ND yang luar biasa, pembentukan TiC, dan pengurangan retakan mikro dan ukuran pori dalam lapisan. Khususnya, ND yang lebih tinggi

Pernyataan Penulis

Penulis menyatakan bahwa naskah ini asli, belum pernah dipublikasikan sebelumnya, dan saat ini tidak sedang dipertimbangkan untuk dipublikasikan di tempat lain. Penulis telah membaca makalah dan menyetujui pernyataan orisinalitas.

Pernyataan kontribusi kepenulisan CRediT

Atirek Gaur: Metodologi, Investigasi, Kurasi data. Akash M Nair: Metodologi, Kurasi data. Rahul Kumar: Metodologi, Kurasi data, Konseptualisasi. Shubhendra Shivam Maurya: Penulisan – draf asli, Metodologi, Investigasi, Kurasi data. Anup Kr. Keshri: Supervisi, Sumber daya, Administrasi proyek, Investigasi, Akuisisi pendanaan, Konseptualisasi. Swati Sharma: Supervisi, Sumber daya, Administrasi proyek, Investigasi, Akuisisi pendanaan, Konseptualisasi.

 

Deklarasi Kepentingan yang Bersaing

Penulis menyatakan bahwa mereka tidak memiliki kepentingan finansial atau hubungan pribadi yang bersaing yang dapat memengaruhi pekerjaan yang dilaporkan dalam makalah ini.

 

Ucapan Terima Kasih. Penulis makalah ini mengucapkan terima kasih kepada Malaviya National Institute of Technology Jaipur dan Indian Institute of Technology Patna atas dukungan finansial dan perluasan fasilitas penelitiannya untuk menyelesaikan pekerjaan penelitian saat ini. Rahul Kumar mengucapkan terima kasih kepada Aeronautics Research and Development Board (ARDB/GTMAP/01/2031995/M/I) atas beasiswa yang diberikannya. Shubhendra Shivam Maurya juga mengucapkan terima kasih kepada Central Power Research Institute (CPRI) atas dukungan beasiswa yang diberikannya.

 

Pernyataan tentang konflik kepentingan

 

Penulis mengatakan bahwa telah terjadi