بخشی از مقاله
چکیده
اکسیداسیون الکترولیتی پلاسمایی یک روش نوین اصلاح سطح برای آلیاژهای سبک از جمله آلومینیوم از طریق ایجاد یک لایه اکسیدی تحت شرایط پلاسما است که موجب بهبود خواصی نظیر مقاومت به خوردگی آلیاژها میگردد. در این پژوهش، پوشش اکسیداسیون الکترولیتی پلاسمایی بر آلیاژ آلومینیوم 7075 در الکترولیت سیلیکاتی شامل غلظتهای مختلف پرمنگنات پتاسیم 0/5-3گرم بر لیتر مورد مطالعه قرار گرفت و با الکترولیت عاری از پرمنگنات پتاسیم مقایسه شد. برای بررسی مورفولوژی و فازیابی پوششها به ترتیب از میکروسکوپ الکترونی روبشی و پراش پرتو ایکس استفاده گردید.
نتایج حاکی از این است که فاز اصلی پوششها Al2O3 گاما بوده و با افزایش غلظت افزودنی، اجزای تشکیل دهنده الکترولیت درون پوشش وارد شده و اکسیدهای منگنز MnO2 - و - Mn2O3 در کنار Al2O3 جزء فازهای تشکیلدهنده پوشش شدهاند. مقاومت به خوردگی پوششهای حاصل توسط آزمون پلاریزاسیون تافل در محلول 3/5% کلرید سدیم با pH برابر 4 مورد ارزیابی قرار گرفت. با حضور غلظت مناسبی از پرمنگنات پتاسیم 3 - گرم بر لیتر - در الکترولیت، مقاومت به خوردگی بالاتری بدست آمد که این امر به ضخامت بیشتر پوشش اکسیدی و مورفولوژی متراکمتر پوشش ناشی از مشارکت یونهای حاوی منگنز در پوشش نسبت داده شد.
مقدمه
با توسعه صنایع مدرن، کیفیت بالای سطح اهمیت فراوانی یافته است، بطوریکه امروزه روشها و فنون پیشرفته گستردهای برای ایجاد پوششهای سخت، مقاوم به حرارت و مقاوم در برابر محیطهای خورنده ابداع شده است. از جمله روشهای جدید پوششدهی، روش اکسیداسیون الکترولیتی پلاسمایی - PEO - 1 است که بطور وسیعی برای ایجاد پوششهای اکسیدی روی فلزات سبک نظیر آلومینیوم، تیتانیوم، منیزیم و آلیاژهای آن که قابلیت ایجاد لایه پسیو در محیطهای آبی را دارند، مورد استفاده قرار گرفته است .
این فرایند در سالهای اخیر، بدلیل خواص مناسب پوشش سرامیکی تشکیل شده و سازگار با محیط زیست بودن این روش - بعلت استفاده از الکترولیتهای قلیایی رقیق به جای الکترولیتهای اسیدی - ، توجه بسیاری از محققین را بخود جلب کرده است. اساس فرایند PEO مشابه روش آندایزینگ متداول است، با این تفاوت که در حین فرایند PEO، ولتاژ بالاتری اعمال شده که منجر به ایجاد دشارژهای میکرومتری به صورت پلاسما میگردد .[2] لذا افزایش دما و فشار بصورت موضعی در اثر میکروجرقه - پلاسما - با انرژی بالا موجب رخداد واکنشهای الکتروشیمیایی و در پایان، رشد و عملیات حرارتی لایه سرامیکی به صورت توام میشود
پارامترهای مختلفی بر فرایند PEO تاثیرگذارند که از جمله میتوان به ترکیب شیمیایی زیرلایه، ترکیب الکترولیت، دمای الکترولیت، زمان پوشش دهی و مشخصات منبع قدرت اشاره کرد .[4] در این میان، ترکیب شیمیایی الکترولیت یکی از موثرترین متغیرها بر مورفولوژی، ساختار و خواص مهندسی پوششهای اکسیداسیون الکترولیتی پلاسمایی میباشد، بطوریکه با تغییر ترکیب شیمیایی الکترولیت میتوان واکنشهای الکتروشیمیایی را جهتدار کرده و به مورفولوژی متراکمتر و خواص سایشی و خوردگی مطلوبتری دست یافت .
بنابراین با افزودن ترکیبات مختلف به الکترولیت میتوان پوششی با خواص به مراتب بالاتر ایجاد کرد. در همین راستا محققین زیادی اثر افزودنیهایی نظیر [7] Na2WO4، [8] NH4VO3، [9] ZrO2 و غیره را بر پوششهای ایجاد شده، بررسی نمودند.
تحقیقات نشان داد که پوشش به دست آمده در این شرایط متراکمتر، دارای چسبندگی بیشتر، زبری کمتر و مقاومت به خوردگی مطلوبتر است. در این میان هنوز اثر افزودنیهایی نظیر KMnO4 در نقش یک اکسنده قوی، بطور کامل بررسی نشده است. در این پژوهش، هدف بررسی اثر افزودن غلظتهای مختلف از KMnO4 بر مورفولوژی و ساختار پوشش و در نهایت مقاومت به خوردگی آن میباشد.
مواد و روش تحقیق
برای انجام فرایند، نمونههای استوانهای با قطر 20 میلیمتر و ارتفاع 10 میلیمتر از آلیاژ آلومینیوم 7075 با ترکیب شیمیایی ارائه شده در جدول 1 تهیه گردید. در ابتدا، نمونهها توسط سمبادههای 120-2400 تا زبری 0/14 میکرومتر آماده سازی سطحی شدند. سپس توسط الکل شستشو و در معرض هوای گرم خشک شدند. جهت انجام فرایند پوششدهی، از یک منبع جریان پالسی دو قطبی با چرخه مثبت و منفی نامتقارن با فرکانس 657Hz و دانسیته جریان 8A/dm2 در محدوده ولتاژ 0-700V استفاده گردید.
در این سامانه، نمونه نقش آند و دو ورق فولاد زنگ نزن 316 کم کربن نقش کاتد را ایفا کردند. همچنین الکترولیت رقیق قلیایی شامل 10g/l Na2SiO3 و 2g/l KOH به همراه مقادیر متغیر افزودنی - 0/5-3 g/l - KMnO4 بعنوان الکترولیت مورد استفاده جهت پوشش-دهی انتخاب شد. دمای الکترولیت حین فرایند در محدوده 25-2 درجه سانتیگراد و زمان فرایند 30 دقیقه ثابت نگه داشته شد.
جدول .1 ترکیب شیمیایی آلیاژ 7075 مورد استفاده
جهت بررسی مورفولوژی سطحی نمونههای پوشش داده شده از میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - استفاده گردید. فازهای مربوط به پوششهای اکسیدی با آنالیز فازی پراش پرتو ایکس - XRD - بررسی شدند. ضخامت پوششهای حاصله توسط دستگاه ضخامتسنج پرتابل جریان گردابی مدل CEM DT-156 اندازهگیری شد. مقاومت به خوردگی نمونهها به کمک دستگاه پتانسیواستات در دمای اتاق بررسی شد و محلول 3/5 درصد وزنی NaCl با pH=4 - با افزودن - HCl به عنوان محیط خورنده در نظر گرفته شد. برای انجام آزمون از یک سیستم سه الکترودی متشکل از الکترود کالومل - SCE - به عنوان الکترود مرجع، الکترود پلاتینی به عنوان الکترود کمکی و نمونه به عنوان الکترود کاری استفاده گردید.
نتایج و بحث
-1 نمودار ولتاژ-زمان
در شکل 1 نمودار تغییرات ولتاژ-زمان نمونههای پوشش داده شده در الکترولیتهای مختلف قابل مشاهده است. مطابق شکل 1 واضح است که نمودارهای ولتاژ-زمان شامل دو مرحله اصلی میباشند. در ولتاژهای پایینتر - مرحله - 1، مشابه با فرآیند آندایزینگ، با گذشت زمان ولتاژ در بازه زمانی کوتاهی سریعاً افزایش یافته است. با رسیدن ولتاژ به ولتاژ شکست دی الکتریک و شروع مرحله دو، میکرو-دشارژها و جرقههایی روی سطح نمونه ظاهر شدند. در این شرایط با رشد پوشش، شیب نمودار کاهش یافته و موجب آزاد شدن شدید گاز اکسیژن روی سطح شده است. از این مرحله به بعد با افزایش ولتاژ جرقهها قویتر و تعداد آنها کمتر میشود . همانطورکه در شکل 1 نشان داده شده است، ترکیب و غلظت الکترولیت بر مراحل نمودار ولتاژ-زمان تاثیرگذار بوده،
