Στην παρούσα διατριβή πραγµ ατοποιήθηκε η θεωρητική και πειραµ ατική διερεύνηση της τεχνολογίας επιφανειακής κατεργασίας µ εταλλικών υλικών, που βασίζεται στη διεργασία Χηµ ικής Εναπόθεσης Ατµ ών (CVD – Chem ical Vapour Deposition) µ ε χρήση Στερεάς Κλίνης (PBCVD) και Ρευστοστερεάς Κλίνης (FBCVD). Η προστασία των µ ετάλλων επιτυγχάνεται µ ε την εναπόθεση επιστρωµ άτων, τα οποία έχουν σκοπό να παρέχουν αντιδιαβρωτική προστασία στα υλικά. Μελετήθηκαν τέσσερις επιµ έρους διεργασίες: I. ∆ιεργασίες σχηµ ατισµ ού αλουµ ινιούχων επιστρωµ άτων σε υποστρώµ ατα Ni, Fe, Fe-15Cr µ ε τη µ έθοδο FBCVD υψηλών θερµ οκρασιών, στην περιοχή των 1000 °C. II. ∆ιεργασίες σχηµ ατισµ ού αλουµ ινιούχων αντιδιαβρωτικών επιστρωµ άτων σε υποστρώµ ατα Ni, Fe, Inconel 738, NiCr23Fe και SS 304, µ ε τη µ έθοδο FBCVD χαµ ηλών θερµ οκρασιών, στην περιοχή των 600 °C. III. ∆ιεργασίες σχηµ ατισµ ού πολυσυστατικών αντιδιαβρωτικών επιστρωµ άτων σε υποστρώµ ατα Ni και Fe µ ε τη µ έθοδο PBCVD µ ε διεργασία ενός σταδίου υψηλών θερµ οκρασιών (Al-Cr-Hf/Y) και µ ε τη µ έθοδο FBCVD µ ε διεργασία ενός σταδίου υψηλών θερµ οκρασιών (Al-Cr) καθώς και χαµ ηλής – υψηλής θερµ οκρασίας δύο σταδίων (Al-Cr). IV. ∆ιεργασίες σχηµ ατισµ ού αλουµ ινιούχων επιστρωµ άτων σε υποστρώµ ατα Mg και κραµ άτων του µ ε τις µ εθόδους PBCVD και FBCVD, καθώς και εµ βάπτισης σε αλουµ ινιούχο αιώρηµ α ακετόνης. Η θεωρητική µ ελέτη έδειξε πως όλες οι διεργασίες αυτές µ πορούν να οδηγήσουν στο σχηµ ατισµ ό επιστρωµ άτων, τα οποία παρέχουν αντιδιαβρωτική προστασία. Τα πειραµ ατικά αποτελέσµ ατα έδειξαν πως ο σχηµ ατισµ ός τέτοιων επιστρωµ άτων µ ε τις µ εθόδους που χρησιµ οποιήθηκαν είναι εφικτός. Προσδιορίστηκαν οι πειραµ ατικέςαδυναµ ίες και τα όρια των διεργασιών αυτών. Τέλος, αξιολογήθηκαν τα σχηµ ατιζόµ ενα επιστρώµ ατα ως προς τα χαρακτηριστικά τους, όπως η συνάφεια µ ε το υπόστρωµ α, το πάχος, η οµ οιοµ ορφία, η χηµ ική σύσταση, η σκληρότητα, η τραχύτητα και η συµ περιφορά σε διάβρωση. Από τα αποτελέσµ ατα της θεωρητικής και της πειραµ ατικής µ ελέτης, προτάθηκαν κάποια µ αθηµ ατικά µ οντέλα τα οποία επιτρέπουν την πρόβλεψη της ανάπτυξης των επιστρωµ άτων, ανάλογα µ ε τις εκάστοτε πειραµ ατικές συνθήκες. Τα αποτελέσµ ατα των υπολογισµ ών βρίσκονται σε αρκετά καλή συµ φωνία µ ε τα πειραµ ατικά, ακόµ η και εκείνα άλλων ερευνητών. ii i / In the present study, a theoretical and experimental investigation of a metal surface treatment technology, the Chemical Vapour Deposition with use of a Pack Bed (PBCVD) and a Fluidised Bed (FBCVD), has been examined. The adequate protection of the metals surfaces is achieved by deposition of coatings which provide corrosion protection. Four main areas of surface treatments of metals have been studied: I. Aluminide coating formation on substrates of Ni, Fe, Fe-15Cr with use of the high temperature Fluidised Bed Chemical Vapour Deposition (FBCVD). II. Aluminide corrosion protective coatings on substrates of Ni, Fe, Inconel 738, NiCr23Fe and SS 304, with use of the low temperature Fluidised bed Chemical Vapour Deposition (FBCVD). III. Multielement corrosion protective coating formation on substrates of Ni and Fe with use of the one-step, high temperature Pack Bed Chemical Vapour Deposition (PBCVD), leading to Al-Cr-Hf/Y coatings. With use of the one-step, high temperature Fluidised Bed Chemical Vapour Deposition (FBCVD) leading to Al-Cr coatings, as well as with use of the two-step low-high temperature Fluidised Bed Chemical Vapour Deposition (FBCVD) process, leading to Al-Cr coatings. IV. Aluminide coatings on substrates of Mg and Mg alloys with use of the Pack bed Chemical Vapour Deposition (PBCVD) and Fluidised Bed (FB), as well as with immersion in aluminium suspension (slurry process). The theoretical investigation has shown that all of these fermentations can lead to coating formation that provides corrosion protection. The experimental results have shown that the formation of such coatings with the used methods is capable. The experimental weaknesses have been appointed, as well as the confines of these processes. Finally, the formed coatings have been evaluated, according to their characteristics, such as the substrate-coating adherence, the coating thickness, the uniformity, chemical composition, hardness, roughness and behavior in corrosive environments. Mathematical models have been proposed, based on the theoretical and experimental results. These models permit the prediction of the coating development, according to the experimental conditions. The predictions are in satisfactory agreement with the herein presented experimental results, also with these of other researchers.

Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η παρουσίαση ενός νέου μαθηματικού πλαισίου, βασιζόμενου στις γνωστές από τη Διαφορική Γεωμετρία κανονικές εξισώσεις (συντετμημένα ΚΕ) της καμπύλης. Όντας πολυωνυμικές εκφράσεις του μήκους τόξου s, οι ΚΕ παρέχουν ακριβέστερο έλεγχο της ταχύτητας πρόωσης σε σύγκριση με τους υπάρχοντες παραμετρικούς αλγορίθμους της ίδιας τάξης. Το ανωτέρω γεγονός, σε συνδυασμό με την εφαρμοσιμότητά τους σε όλες τις συνεχείς καμπύλες με συνεχείς παραγώγους, ανεξάρτητα από τον τρόπο αναπαράστασής τους, καθιστά τις ΚΕ ένα ιδανικό εργαλείο για την ανάπτυξη γενικών αλγορίθμων παρεμβολής, ικανών να εργάζονται επί οποιασδήποτε επίπεδης ή χωρικής καμπύλης σε πραγματικό χρόνο. Δοθέντος ότι οι συντελεστές των ΚΕ συναρτώνται με τις διαφορικές ιδιότητες της καμπύλης (δηλαδή την καμπυλότητα, τη στρέψη και τις παραγώγους τους ως προς το s), αναπτύσσονται αναλυτικές εκφράσεις για τον υπολογισμό των εν λόγω ιδιοτήτων, ανάλογα με τον εκάστοτε τρόπο αναπαράστασης της καμπύλης. Στα αντικείμενα της διατριβής συμπεριλαμβάνεται και ο υπολογισμός των διαφορικών ιδιοτήτων των επιφανειακών τομών, ενός δημοφιλούς τρόπου αναπαράστασης πολύπλοκων χωρικών καμπυλών στα συστήματα CAD. Επιπλέον, εξετάζεται η εισαγωγή διορθωτικών όρων στις ΚΕ, μέσω της οποίας επιτυγχάνεται η βελτίωση της ακρίβειας στον έλεγχο της ταχύτητας πρόωσης, χωρίς το επιπρόσθετο υπολογιστικό κόστος που επιφέρει η χρήση υψηλότερης τάξης όρων της σειράς Taylor. Σημαντικό πλεονέκτημα των προτεινόμενων αλγορίθμων είναι, επίσης, το γεγονός ότι για την εφαρμογή τους δεν απαιτείται η γνώση της αναλυτικής έκφρασης της παρεμβαλλόμενης καμπύλης. Κατά συνέπεια, επιτρέπουν την παρεμβολή πολύπλοκων γεωμετρικών τόπων, οι αναλυτικές εκφράσεις των οποίων είτε είναι δύσκολο να προσδιοριστούν με τις τρέχουσες μεθόδους απαλοιφής αγνώστων από μη γραμμικά συστήματα εξισώσεων, είτε είναι δύσχρηστες, εξ αιτίας της πολυπλοκότητάς τους. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, μελετάται το πρόβλημα της παρεμβολής δύο γεωμετρικών τόπων με σημαντικές εφαρμογές στον τομέα του αριθμητικού ελέγχου των εργαλειομηχανών, καθώς χρησιμοποιούνται, μεταξύ άλλων, για την αντιστάθμιση της ακτίνας του κοπτικού εργαλείου και τον προγραμματισμό των διαδοχικών διαδρομών του κατά την κατεργασία θυλάκων: των καμπυλών offset και των ισαπεχουσών δύο επίπεδων καμπυλών. Πραγματοποιείται μία εκτενής εξέταση των διαφορικών ιδιοτήτων των προαναφερθέντων γεωμετρικών τόπων και παρουσιάζονται εκφράσεις για τον υπολογισμό τους, βασιζόμενες αποκλειστικά στις αντίστοιχες ιδιότητες των γενετειρών καμπυλών. Γίνεται, επίσης, μία ανασκόπηση των μεθόδων που έχουν προταθεί στη βιβλιογραφία για την αντιμετώπιση των τοπολογικών ιδιομορφιών τους (αυτοτομών και εσωτερικών βρόγχων), ώστε να εξασφαλιστεί η παραμονή των παραγόμενων σημείων επί του πραγματικού γεωμετρικού τόπου. Παράλληλα, συζητείται η επέκταση των προτεινόμενων μεθόδων παρεμβολής των καμπυλών offset για τον έλεγχο της διαδρομής του κέντρου ενός σφαιρικού εργαλείου, ώστε αυτό να διατηρείται σε μόνιμη επαφή με δύο προκαθορισμένες επιφάνειες – μία τεχνική που χρησιμοποιείται συχνά από τα συστήματα CAD/CAM για την επιφανειακή κατεργασία πολύπλοκων εξαρτημάτων. Το εργαλείο μπορεί να εφάπτεται οποιασδήποτε εκ των δύο επιφανειών είτε μέσω του ημισφαιρικού του άκρου, ή μέσω του κυλινδρικού του στελέχους. / The present dissertation aims at introducing a new mathematical framework, based on a curve’s canonical equations (abbreviated as CE), which are known from Differential Geometry. Being polynomial expressions of the curve’s arc length s, the CE provide greater feedrate accuracy, compared to the existing parametric algorithms of the same order. The above fact, combined with the canonical equations’ applicability on any continuous curve with continuous derivatives, regardless of its representation, renders them an ideal tool for the development of general-purpose real-time interpolation algorithms. Given that the CE coefficients consist of the curve’s differential properties (namely, the curvature, torsion and their arc length derivatives), the present dissertation deals with the expression of the aforementioned properties in closed form, depending on the chosen curve representation. This includes the study of surface intersections, which are frequently used by CAD systems in order to represent complex space curves. Moreover, it is proven that the proposed algorithms admit to corrections, supplying a means of improving feedrate accuracy, without the additional cost of employing higher order Taylor series terms. An additional, important advantage of the proposed algorithms, lies in the fact that they do not require knowledge of the curve’s analytic expression. Hence, they allow the interpolation of complex geometrical loci, whose analytic expressions are either difficult to deduce, using current elimination methods for non-linear equation systems, or are extremely impractical, due to their complexity. This dissertation addresses the problem of interpolating two such loci: offset curves and plane bisectors. Both of these entities play an important role in CNC machining, with applications that include the tool’s radius compensation and path planning during pocket clearing. It is shown that the differential properties of the above loci can be linked to the respective properties of their generators and may, hence, be easily computed through successive derivations of the generator curve’s position vector. In addition, previously suggested methods for the handling of possible topological irregularities (self-intersections and internal loops) are reviewed, so as to ensure that the generated points remain on the true locus. Furthermore, the presented offset interpolation methods are extended, in order to accommodate the path planning of a ball-end cutter, moving in constant contact with two given surfaces – a technique which is widely adopted by CAD/CAM systems to guide the tool through the surface machining of complex parts. The tool may contact any of the two surfaces through either its tip, or its cylindrical periphery.

Τα προηγμένα (δομικά ή λειτουργικά) κεραμικά θεωρούνται ως τα πλέον κατάλληλα υλικά για εφαρμογές όπου απαιτούνται υψηλές θερμοκρασίες. Διαθέτουν μία σειρά από πλεονεκτήματα όπως π.χ. αντοχή σε θερμικούς αιφνιδιασμούς, υψηλή σκληρότητα, αντοχή σε φθορά και διάβρωση και μεγάλο εύρος στις τιμές των ηλεκτρικών τους ιδιοτήτων. Από τεχνολογική άποψη ενδιαφέρον παρουσιάζει ο συνδυασμός τους με μεταλλικές φάσεις με στόχο την συνένωση υλικών ή την παρασκευή σύνθετων κεραμομεταλλικών υλικών. Κεραμικές ενώσεις οξειδίων μπορεί να χρησιμοποιηθούν στην τεχνολογία των κελιών καυσίμου στερεού ηλεκτρολύτη (SOFC) ως μονωτικά ή στεγανωτικά υλικά. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η αλληλεπίδραση τους στην διεπιφάνεια σε επαφή με άργυρο και κράματα με βάση τον άργυρο για χρήση ως εναλλακτικών, σε αντικατάσταση των υαλοκεραμικών, συγκολλητικών μεταξύ των στρώσεων των μεμονωμένων στοιβάδων των SOFC. Σημαντικό ρόλο στη μικροδομή και τις ιδιότητες των υλικών αυτών παίζουν τα φαινόμενα διαβροχής και η ισχύς του δεσμού που αναπτύσσεται στη διεπιφάνεια κεραμικού / μετάλλου, καθώς και οι επιφανειακές και διεπιφανειακές ενέργειες των υλικών ή των συστημάτων των υλικών που βρίσκονται σε επαφή. Για το λόγο αυτό η γνώση των επιφανειακών και διεπιφανειακών μεγεθών είναι απαραίτητη για την πρόβλεψη των ιδιοτήτων των συστημάτων σε επαφή. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη της συνάφειας και των διεπιφανειακών ιδιοτήτων σε συστήματα κεραμικών οξειδίων σε επαφή με ρευστές μεταλλικές φάσεις και ιδιαίτερα σε συστήματα του κεραμικών οξειδίων σε επαφή με ρευστές μεταλλικές φάσεις αργύρου, με τελικό σκοπό την εφαρμογή των συστημάτων αυτών στην τεχνολογία των SOFC. Στο πρώτο μέρος της εργασίας, εξετάσθηκε η επίδραση του διαλυτοποιημένου οξυγόνου στην επιφανειακή ενέργεια του ρευστού άργυρου και του ρευστού χαλκού. Από τις εξισώσεις που εξήχθησαν είναι δυνατός ο προσδιορισμός της επιφανειακής ενέργειας τους για δεδομένη θερμοκρασία και μερική πίεση οξυγόνου. Υπολογίσθηκε η ελεύθερη ενέργεια προσρόφησης του οξυγόνου στην επιφάνεια του ρευστού χαλκού, μέχρι τον κορεσμό. Διατυπώθηκε επίσης μία σχέση για τον υπολογισμό της διαλυτότητας ενός οξειδίου στα ρευστά μέταλλα σε εξάρτηση με την θερμοκρασία και την μερική πίεση του οξυγόνου στην ατμόσφαιρα του πειράματος. Στη συνέχεια, με χρήση ενός συνδυασμού βιβλιογραφικών και πειραματικών δεδομένων σχετικά με τις τιμές της επιφανειακής ενέργειας και τις γωνίας επαφής σε συστήματα κεραμικών οξειδίων σε επαφή με διάφορα ρευστά μέταλλα βελτιστοποιήθηκε μια εμπειρική σχέση η οποία, σε δεδομένη θερμοκρασία, συνδέει άμεσα την επιφανειακή ενέργεια των στερεών οξειδίων με την επιφανειακή ενέργεια των ρευστών μετάλλων και τη γωνία επαφής. Μέσω αυτής της σχέσης είναι δυνατή η εκτίμηση της επιφανειακής ενέργειας ενός στερεού οξειδίου ή της γωνίας επαφής σε μη διαβρέχοντα και μη αντιδρώντα συστήματα κεραμικών οξειδίων / ρευστών μετάλλων, με την προϋπόθεση ότι η μερική διαλυτοποίηση οξυγόνου του κεραμικού μέσα στο ρευστό μέταλλο δεν επηρεάζει τις διεπιφανειακές ιδιότητες του συστήματος. Η σχέση αυτή επαληθεύθηκε για διάφορα συστήματα κεραμικών οξειδίων / ρευστών μετάλλων και επιπλέον εφαρμόσθηκε για τον προσδιορισμό της επιφανειακής ενέργειας του πολυκρυσταλλικού οξειδίου Y2O3 μετά από πειράματα διαβροχής από ρευστό άργυρο, του πολυκρυσταλλικού οξειδίου 3YTZ (3mol% Yttria partial stabilized zirconia) και του μικτού πολυκρυσταλλικού οξειδίου 85wt% MgO + 15 wt% MgAl2O4, μετά από πειράματα διαβροχής με ρευστό άργυρο. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας πραγματοποιήθηκαν πειράματα διαβροχής κεραμικών οξειδίων από τήγμα αργύρου σε οξειδωτικές συνθήκες (αέρας) για να εξετασθεί η επίδραση του οξυγόνου στις διεπιφανειακές ιδιότητες του συστήματος, καθώς η τεχνολογία των SOFC απαιτεί οι διεργασίες αυτές να πραγματοποιούνται σε συνθήκες περιβάλλοντος. Διαπιστώθηκε ότι η παρουσία οξυγόνου βελτιώνει τη διαβρεξιμότητα στα συστήματα κεραμικών / μετάλλου αυξάνοντας την ισχύ του δεσμού στην διεπιφάνεια, όμως η γωνία θ παραμένει θ > 90◦ (κακή διαβροχή). Σημαντική ελάττωση της γωνίας επαφής επιτυγχάνεται με προσθήκη διεπιφανειακά ενεργών συστατικών στο τήγμα του συγκολλητικού μετάλλου αυξάνοντας σημαντικά το έργο συνάφειας και ως εκ τούτου την ισχύ του δεσμού στην διεπιφάνεια κεραμικού/μετάλλου. Για τον ίδιο λόγο πραγματοποιήθηκαν πειράματα διαβροχής κεραμικών οξειδίων από οξείδια με βάση το βόριο και το λίθιο, στον αέρα, με σκοπό να εξετασθεί η συνοχή μεταξύ των φάσεων σε επαφή. Τέλος εξετάσθηκε η διαβροχή του χάλυβα Crofer 22 APU, ο οποίος χρησιμοποιείται στην τεχνολογία των SOFC, από τις ίδιες ρευστές φάσεις, με στόχο να εξετασθεί η δυνατότητα χρήσης τους ως συγκολλητικές φάσεις σε κελιά καυσίμου στερεού ηλεκτρολύτη. / Advanced ceramics (structural or functional) are considered to be the most suitable for use in high temperature applications. They have a number of advantages, such as resistance to thermal shocks, high hardness, wear and corrosion resistance and a wide range in the values of their electrical properties. Special interest is being manifested in the compounds of ceramics with metals and metal alloys, in the field of materials joining and the production of composite materials. Ceramic compounds are used in the field of solid oxide fuel cells (SOFC) as insulators and sealing materials. Particular interest has been stimulated in the interaction in the interface of ceramics in contact with liquid silver and silver based alloys, as alternatives to the glass-ceramics sealing materials in SOFC stacks. In all of these cases the surface and interfacial energies of the materials or the materials systems used, as well as the wetting and bonding phenomena at the interface, play a key role in obtaining materials with the desired properties and microstructure. The aim of the present work is the study of adhesion and interfacial properties in ceramic oxide / liquid metal systems, particularly in systems of ceramic oxides in contact with liquid silver and silver-based alloys, with the ultimate aim of implementing such systems in the SOFC technology. In the first part of this work, the effect of the dissoluted oxygen on the surface energy of liquid copper and liquid silver was examined. The equations that were deriverd can be used to calculate their surface energy as a function of the temperature and the partial pressure of the oxygen. The free energy of the oxygen adsorption in the surface of the liquid copper was calculated, until saturation. Also, an equation that allows to calculate the solubility of an oxide in a liquid metal was deriverd, as a function of the temperature and the oxygen partial pressure. Moreover, from the combination of literature and experimental data of interfacial energies and contact angles in non-wetting and non-reactive ceramic oxide/liquid metal systems where the limited solubility of oxygen of the ceramic oxides into the liquid metalls has no effect on the interfacial properties, has led to an empirical relationship which correlates at a given temperature the surface energy of the oxides with the contact angle and the surface energy of the liquid metal. This relationship allows either the calculation of the surface energy of an oxide from known values of the surface energy of a liquid metal and the contact angle, or conversely, the estimation of the contact angle value, as well as the work of adhesion, for known surface energy of the oxide. The formulated empirical relationship has been applied to additional non-wetting and non-reactive systems of oxides in contact with liquid metals and the results showed good agreement with literature data. In addition, the empirical formula was used to calculate the surface energies of the polycrystalline oxides Y2O3 and 3YTZ (3mol% Yttria partial stabilized zirconia) as well as the 85wt% MgO + 15 wt% MgAl2O4 mixed oxide, after wetting experiments with liquid copper and/or liquid silver in an Ar- 4%H2 atmosphere. In the second part of this work, the effect of the oxygen on the the interfacial properties of the ceramics / liquid silver systems was examined by wetting experiments, in order to achieve conditions similar to the SOFC operating conditions. The results showed that the presence of the oxygen improves the wetability in the ceramic / liquid metal systems, increasing the bond in the interface but the angle remains θ > 90◦ (non wetting systems). The addition of interfacial active compounds in the liquid metal led to a significant decrease in the contact angle value, with the simultaneous increase in the work of adhesion, and so to the increase in the strength of the bond. For this purpose and in order to examine the adhesion between the two phases, wetting experiments with lithium and borium based oxides took place. Finally, the above liquid phases were used in wetting experiments on steel substrate (Crofer 22 APU) in order to investigate the potential usage of them as sealing and insulators in SOFC technology.