مقدمه

در سالهاي اخیـر فنـاوري نـانو سـبب پیشـرفت چشـمگیدرري صنعت شده است. پژوهشگران در این سالها با اسـتفاده از خـواص نانوذرات سبب پیشـرفت هـاي شـگرفی در شـاخه هـاي مختلـف صنعت شدهاند. یکی از مسائلی کـه دنیـاي امـروزي بـا آن مواجـه است، فرسایش قطعات در اثر سایشبا یکـدیگر مـی باشـد. بـراي

حل این مشکل راه حل هاي مختلفـی ارائـه شـده اسـت. یکـازی روش ها پوشش دادن سطوح مورد سایش با استفاده مـواد سـخت می باشد]١.[ به طور مثال با سختی سطحی به روش القایی، سختی سطح در فولاد بـالاتر مـی رود بـدون اینکـه سـطح دچـار آسـیب ماکروسکپی شود]٢.[

۰۵

شکل: ۱ شماتیک رآکتور تحقیقاتی.

جهت سختی سطحی، مواد زیادي همچون کروم [۳] و نیکل-

کبالت [۴]، اکسید آلومنیوم [۵]، تیتانیوم-مس-نیتروژن [۶]

…بکار گرفته شده است. از جمله موادي که کاربرد زیادي در

صنعت پیدا کرده است ترکیبات تیتانیوم است. ترکیبات تیتانیوم از

دیرباز به دلیل خواص ویژه و عالی که دارند مورد توجه بوده

اند.[۷] نیترید تیتانیوم داراي چگالی ۵/۴ گرم برسانتویمتر مربع

سختی ۱۷۷۰ کیلوگرم بر میلیمتر مربع و دماي ذوب ۳۲۰۰ درجه

سلسیوس است.[۸] نیترید تیتانیوم با خاصیت مقاومت به خوردگی

و مقاومت به سایش بالا و کاهش وزن قطعه می تواند کاربرد بسیار

مناسبی براي سخت سازي سطوح در صنعت داشته باشد. به طور

مثال با لایه نشانی نیترید تیتانیوم بر روي متهمقاومتهايفولادي

به خوردگی و سایش آنها افزایش داده می شود و درطولنتیجه

عمر آن را نیز افزایش مییابد .[۹]

وینکلمن و همکاران در تحقیقی بـا پوشـش لایـه نـازك نیتریـد

تیتانیوم بر مس و برنج دریافتند کـه مقاومـت در برابـر سـادریش

شرایط اصطکاکی افزایش چشمگیري مییابد .[۱۰]

روش هاي زیادي امروزه براي سختی کاري وجود دارد یکـازی

این روش ها سـایش لیـزري اسـت. روش سـایش لیـزري روشـی

فیزیکی است که مزیت هاي قابل تـوجهی نسـبت بـه روش هـاي

شیمیایی دارد. براي مثـال یـک مرحلـه اي بـودن فرآینـد و تولیـد

ی خالصتر (نسبت به روشهاي )، را میتوان نام برد .[۱۱]

مارك هید کمپ و همکـاران، در تحقیقـی بـا اسـتفاده از روش

سایش لیـزري سـختی سـطح ورق هـاي فلـزي مـورد اسـتفاده در

خودرو را افزایش دادند. آنها در این پژوهش دریافتند که با برخورد نور لیزر و پوشش نیترید تیتانیوم بر قطعه کار، مقاومت به سـایش در قسمت هایی که تحت فشار بالا قرار دارد، افزایش مـییابـد. بـا استفاده از انجام آنالیزهاي انجام شده بـا تجزیـه و تحلیـل در ریـز ساختارها به این نتیجه رسیدند که سختی سطحی با سایش لیـزري با کمترین اعوجاج و کیفیت خوب خواص سطح همراه است.[۱۲] در این تحقیق ما با استفاده از پرتوهاي نور یک لیزر CO2با طول موج ۱۰۶۴ nmدر محیط گاز نیتروژن نسبت به سنتزلایههاي نازك نیترید تیتانیوم (TiN) اقدام کردهایم.

روش کار

ابتدا براي سنتز نیترید تیتانیوم یک راکتـور تحقیقـاتی طراحـیو ساخته شد. این راکتور داراي حجم تقریبی ۹ لیتـر همچنـین داراي دو دریچه است کـه یکـی بـراي ورود نـور لیـزر و دیگـري بـراي حرکت چرخشی هدف می باشد. ابتدا براي جلـوگیري از آلـودگی هاي سطحی قرص تیتانیوم را با شوینده و بعد با آب مقطر شسـت

و شو داده شد. سپس محفظه تا فشـار ۱۰-۱ mbar از هـوا تخلیـه شد. سپس گازفشارنیتروژن با ۲ bar به داخل راکتور تزریق شـد (این کار جهت اطمینان از خلوص اتمسفرتکرار محفظه تا ۳ مرتبه شد). با تابش نور لیزر CO2 با توان ۱۲۰ W از دریچه راکتـور بـر یک قرص پوشیده شده با تیتانیوم لایه نازك نیترید تیتـانیوم انجـام شد. در واقع با تابش اشعه لیزر قسمتی از قرص تیتانیوم تبخیر شده

و واکنش با نیتروژن سبب تشکیل ترکیب نیترید تیتانیوم مـی شـود. در شکل ۱ شماتیکی از رآکتور تحقیقاتی ساخته شده و نحوه تابش نور لیزر بر آن نشان داده شده است.

شکل: ۲ طیف پراش اشعه ایکس.

۱۵

شکل: ۳ تصویر میکروسکوپ الکترونی

آنالیز

در این پژوهش جهت بررسی تشـکیل ترکیـب TiN و تحلیـل ساختار کریسـتالی مـاده تشـکیل شـده از آنـالیز پـراش اشـعه X ((XRD استفاده شد. این کار با اسـتفاده از یـک دسـتگاه بروکـر مدل D8 Advance انجـام شـد. همچنـین مورفولـوژي سـطوح تشکیل شده با استفاده از یک مشرکتیکروسکوپ STM ساخت Nanosurfانجام شد.