اکسیداسیون پلاسمای الکترولیتی چیست و چه ویژگی هایی دارد؟

فرایند اکسیداسیون پلاسمای الکترولیتی

فرایند اکسیداسیون پلاسمای الکترولیتی (Plasma Electrolytic Oxidation-PEO) یکی از تکنیک‌­های پوشش­‌دهی سطحی به روش الکتروشیمیایی بوده است. این روش به عنوان عملیاتی برای آماده‌­سازی سطح قبل از اعمال پوشش نظیر انواع پوشش‌­های پلیمری بر روی سطح فلزات سبک از جمله آلومینیوم، منیزیم، تیتانیوم و آلیاژهای آن­ها، مورد توجه قرار گرفته است. اکسیداسیون پلاسمای الکترولیتی نیاز به یک منبع قدرت جریان مستقیم، الکترود آند و کاتد دارد. لازم به یاداوری است که در روش اکسیداسیون پلاسمای الکترولیتی، الکترود آند قطعه مورد نظر برای پوشش­‌دهی انتخاب خواهد شد. همچنین محلول الکترولیت در این روش می‌­تواند بر پایه محلول سولفاتی، سیلیکاتی و یا بوراتی انتخاب شود.

درحین فرایند اکسیداسیون پلاسمای الکترولیتی، سطح فلز زیرلایه تبدیل به یک سرامیک سخت می‌شود. در PEO جریان ثابت نگه داشته می‌شود و ولتاژ اعمالی افزایش می‌یابد تا زمانی که عایق شکسته شود و رشد لایه اکسیدی روی سطح متوقف شود و جرقه‌های ریز ایجاد شود. درون حمام الکترولیت، از تخلیه الکتریکی بسیار بالا استفاده می‌شود.

تخلیه الکتریکی بخش مهمی از فرایند را به خود اختصاص می‌دهد و این امر می‌تواند سبب تشکیل ساختار متخلخل و بهبود استحکام چسبندگی شود که کاربردهای آن را افزایش می­‌دهد. به این علت است که پوشش‌­های اکسیداسیون پلاسمای الکترولیتی از مقاومت به خوردگی کمی برخوردار خواهند بود. اما حضور افزودنی بر روی میکروساختار و پایداری شیمیایی پوشش اکسیدی ایجاد شده تأثیرگذار بوده و بر همین اساس از انواع ذرات و ترکیبات نظیر TiO2، Al2O3، ZrO2 و PTFE به­ منظور بهبود خواص مکانیکی و خوردگی پوشش PEO استفاده می­‌شود.

از پوشش­‌های اکسیداسیون پلاسمای الکترولیتی در تجهیزات مورد استفاده در صنایع مختلفی مانند سازه­‌های دریایی مانند توربین­‌ها، تجهیزات هوایی مانند بدنه و پره­‌های هواپیماها و همچنین درحوزه علوم پزشکی در پوشش‌­دهی انواع ایمپلنت‌­ها استفاده می­‌شود.

فرایند اکسیداسیون پلاسمای الکترولیتی (Plasma Electrolytic Oxidation-PEO) یکی از تکنیک­های پوشش­‌دهی سطحی به روش الکتروشیمیایی بوده است.

پوشش­دهی آلومینیوم

آلومینیوم به دلایلی به عنوان جایگزینی برای فولاد زنگ نزن به مدت طولانی مورد استفاده قرار گرفته است.در تولید و ساخت ارزان­تر از فولاد است. لایه اکسیدی غیر فعال روی آلومینیوم مقاومت در برابر خوردگی را بالا می‌­برد که می­تواند از طریق فرآیند آندایزینگ یا اکسیداسیون پلاسمای الکترولیتی بهبود یابد. چگالی آن حدودا یک سوم فولاد است و نسبت استحکام به وزن مناسبی را به آن می‌­دهد. از سوی دیگر، این فلز به راحتی از طریق آلیاژسازی و تکنیک‌­های پوشش‌­دهی بهبود یافته است. آلومینیوم دارای قابلیت چکش­‌خواری و انعطاف پذیری بالا است. به عنوان یک نتیجه، می­‌توان آن را به راحتی و به دقت ماشین­‌کاری نمود. این امر موجب صرفه جویی در وقت در مدت فرآیند ساخت می‌­شود و آلومینیوم را به یک گزینه‌­ مناسب و اقتصادی تبدیل کرده است.

به کمک روش اکسیداسیون پلاسمای الکترولیتی می­‌توان سخت‌­ترین پوشش‌­ها را روی آلیاژهای آلومینیوم به دست آورد. پوشش­‌های اکسیداسیون پلاسمای الکترولیتی روی سطح آلومینیوم عایق حرارتی خوبی است. این عامل به دلیل هدایت حرارتی برابر با m-1.K-1 1 در آلیاژهای آلومینیوم می‌­باشد که نشان­‌دهنده‌­ی ایجاد عایق حرارتی مناسب به زیرلایه ­است.

چند نکته

  • آلومینیوم سختی پایین و مقاومت به سایش کمی دارد. از این رو، پوشش­‌های با سختی بالا در بسیاری از شرایط مورد نیاز است تا بتوان از آلومینیوم با خواص مکانیکی مطلوب استفاده کرد.
  • با وجود اینکه آلومینیوم دارای استحکام کششی نسبتاً پایین است، استحکام آلیاژهای آن می­‌توانند از 70 مگاپاسکال به حدود 700 مگاپاسکال افزایش یابند و نسبت استحکام به وزن بالایی را به وجود آورند.
  • اگرچه آلومینیوم  در صنایع غذایی به طور گسترده‌­ای مورد استفاده قرار می­‌گیرد، نگرانی در مورد زیست­‌سازگاری آلومینیوم وجود دارد. پوشش­‌های محافظ می­‌توانند در بسیاری از موارد کاربردی باشند.
  • به طور معمول، قطعات اصلی موتور خودرو مانند پیستون‌­ها تقریبا به طور انحصاری از آلومینیوم ریختگی ساخته شده­‌اند. دیگر اجزای آلومینیومی سبک مانند قطعات الکتریکی و قطعات داخلی، به کاهش وزن خودرو کمک می­‌کنند و باعث افزایش بازدهی سوخت می­‌شوند.

به کمک روش اکسیداسیون پلاسمای الکترولیتی، مـی‌تـوان یـک لایـه اکـسید آلومینیـوم بـا سختی بالاتری نسبت به روش­‌های کلاسیک روی آلومینیوم ایجاد کرد. عمده فاز‌های تشکیل شده در پوشش­‌های PEO برای آلومینیوم و آلیاژهای آن شامل Al2O3 و فازهای آمورف است. فازهای آمورف نتیجه سرد شدن سریع ترکیبات در برخورد با الکترولیت می‌باشند. ترکیب اصـلی ایـن لایـه از دو فـاز α-Al2O3  و Al2O3 -γ تشکیل یافته است.

با استفاده از محلول الکترولیت سیلیکاتی، می­‌توان لایه اکسیدی آلومینیوم به ضخامت‌­های متفاوتی بر روی آلیاژ آلومینیوم ایجاد نمود. همچنین نشان داده شـده که لایه اکسیدی ایجاد شده سبب افزایش خواص مقاومت به سایش آلومینیـوم مـی شـود. می­توان  لایه اکسیدی را در الکترولیتی با غلظت بالا تشکیل داد در این حالت، ابتدا γ−Al2O3 بر روی سـطح تـشکیل شده و سـپس در حین فرایند، استحاله α → γ انجام می­گیرد که α −Al2O3  مقاومـت سایـشی خوبی از خود نشان می­‌دهد.

پوشش‌­دهی منیزیم

منیزیم به علت دارا بودن خواص منحصر به فردی که در زیر بیان شده است، امروزه توجه ویژه ای به خود جلب کرده است:

  • منیزیم بسیار سبک است. 75٪ سبک­تر از فولاد، 50٪ سبک­تر از تیتانیوم و 33٪ سبک­تر از آلومینیوم.
  • منیزیم کاملاً زیست­سازگار و بدون سمیت می­باشد.
  • میزان سختی آلیاژهای منیزیم PEO شده بین 350 HV تا 700 HV بسته به ترکیبات و ضخامت پوشش متغیر می­باشد. تحقیقات نشان داده است که آلیاژهای منیزیم PEO شده خواص مکانیکی، استحکام و چکش­خواری بهتری را نسبت به نمونه­های آندایز شده نشان داده­اند.
  • واکنش­پذیری بالای منیزیم، آن را به خوردگی حساس ساخته است. با این حال، اخیرا آلیاژهای کشف شده و انواع آلیاژهای سنتی با خلوص بالا دارای مقاومت بیشتری نسبت به خوردگی هستند و تکنیک­‌های جدید پوشش‌­دهی مانند PEO، اکسید خنثی کاملاً مقاوم از زیرلایه‌­ فلزی را ایجاد می‌­کنند که مقاومت به خوردگی مناسبی برای این فلز فعال فراهم کرده است.

فرایند اکسیداسیون پلاسمای الکترولیتی (Plasma Electrolytic Oxidation-PEO) یکی از تکنیک­های پوشش­‌دهی سطحی به روش الکتروشیمیایی بوده است.

از سوی دیگر، این فلز دارای برخی از معایب شناخته شده است که کاربرد گسترده آن را محدود می­‌کند.

  • این فلز از لحاظ شیمیایی بسیار فعال است، بنابراین مقاومت شیمیایی و خوردگی کمتری دارد.
  • سختی سطحی پایین، مانند آلومینیوم، استفاده از آن را برای کاربردهای تریبولوژیکی بدون ایجاد پوشش مناسب سخت می­‌کند.
  • مقاومت خزشی ضعیف منیزیم آن را برای کاربردهای دمای بالا نامناسب می‌­سازد، اما اخیرا آلیاژهای کشف شده مانند ZE41 و ZWO8203 مقاوم حرارتی در دمای خیلی بالا (حدود 400 فارنهایت) داشته‌­اند. همچنین پوشش­‌های PEO، منیزیم را در برابر حرارت بسیار مقاوم می­‌سازد.
  • استحکام کششی پایین منیزیم آن را برای کاربردهای سازه­ای نامناسب ساخته است، اما آلیاژها و پوشش‌­های جدید این مشکل را برطرف نموده‌­اند.

به عنوان یک نتیجه از این مزایا، منیزیم به طور فزاینده ای در محدوده‌­ای از کاربردها مورد استفاده قرار می­‌گیرد. صندلی‌­های خودرو، ابزارهای صنعتی، چمدان و دوربین­‌ها اغلب با منیزیم سبک و با استحکام بالا طراحی شده‌­اند. بدنه و چرخ­‌های دوچرخه‌­های کوهستانی به طور گسترده‌­ای از منیزیم مقاوم در برابر خوردگی ساخته می­‌شوند. صنعت حمل و نقل هوایی و خودرویی به طور فزاینده­‌ای به دنبال راه­‌هایی است که منیزیم بتواند باعث افزایش بهره‌­وری سوخت و کاهش گازهای گلخانه‌­ای شود. توسعه‌­های جدید در مورد آلیاژهای منیزیم، روش­‌های تولید و تکنولوژی­‌های پوشش­‌دهی، باعث شده که منیزیم یک انتخاب مناسب با استحکام بالا، سبک و مقرون به صرفه باشد.

مراحل انجام فرایند PEO بر روی آلیاژ منیزیم به صورت زیر است:

  • حل شدن آلیاژ منیزیم و تشکیل یک لایه غیرفعال (Passive film) روی سطح که شامل Mg(OH)2 و  MgO  است و با تغییر محلول الکترولیت می­‌تواند ترکیبات دیگری ایجاد نماید.
  • شروع جرقه‌­زنی روی سطح که سبب شکسته شدن لایه غیرفعال می‌شود. ولتاژ شکست یک خصوصیت الکترولیت می‌باشد، که به ترکیبات و رسانایی بستگی دارد. در این مرحله جرقه‌ها ریز و معمولی می‌باشند و عمر کمی دارند.
  • با افزایش ولتاژ و زمان، و همچنین با رشد لایه اکسیدی روی سطح، جرقه‌ها بزرگتر می­شوند. افزایش ولتاژ حین سه مرحله اول در PEO تکرار خواهد شد. لازم به ذکر است که، خصوصیات جرقه‌ها و شدت آن‌ها با توجه به نوع الکترولیت‌ها و پارامترهای فرایندها مانند چگالی جریان و فرکانس متفاوت می‌باشد.
  • در مرحله آخر که افزایش ولتاژ نسبت به زمان ناچیز می‌باشد، جرقه‌ها بسیار بزرگتر شده و نسبت به مرحله‌­ دوم عمر بیشتری خواهند داشت. پوشش نهایی PEO با توجه به ترکیبات محلول الکترولیت، ترکیبی از MgO با فازهای دیگر نظیر منیزیم فسفات، منیزیم سیلیکات، منیزیم فلوئورید و غیره است.


۲ دیدگاه

  • میریعقوبزاده

    سلام امیدوارم حالتان خوب باشد،اطلاعات بسیار ارزشمندی منتشر کرده اید،بسیار ممنون،اما بنده سوالی احتمالا غیر مربوط دارم که امیدوارم در رسیدن به جواب کمکم کنید،در دستگاه الکترولیز برای جلوگیری از خوردگی فلزات دستگاه الکترولیز از چه الکترولیتی (به غیر از نمک طعام) میتوان استفاده کرد که هم ارزان قیمت باشد و هم باعث افزایش الکترولیز شود،(مشخصات دستگاه: دوازده ولت بیست آمپر الکترودها آلومینیومی یا فولاد ضد زنگ)،بی صبرانه منتظر پاسخ شما هستم

  • […] خاص پردازش مانند کربوریتاسیون الکترولیتی پلاسما (PEC) ، کربنیتریدینگ الکترولیتی پلاسما (PEC / N) و بوروکراب سازی الکترولیتی پلاسما (PEB / C) را تحقق […]

دیدگاهتان را بنویسید