بخشی از مقاله
چکیده
تاثیر میزان KOH در الکترولیت بر خواص پوشش های سرامیکی تولید شده به روش اکسیداسیون الکترولیتی پلاسما - PEO - ، بر آلیاژ آلومینیوم، مورد بررسی قرار گرفت. در این تحقیق، الکترولیت یک محلول قلیایی حاوی پتاس، آلومینات سدیم، تترا سدیم پیروفسفات و پنتا اکسید وانادیوم بوده و از یک منبع جریان DC استفاده شده است. ریز ساختار، مقطع عرضی و آنالیز ترکیب فازی به ترتیب توسط SEM و XRD، مطالعه شد.
همچنین مقاومت به خوردگی این پوشش ها، با استفاده از آزمون پلاریزاسیون پتانسیو دینامیک در محلول %3/5 وزنی سدیم کلرید، بررسی شد. نتایج نشان می دهند که افزایش غلظت KOH در الکترولیت تا غلظت 2 - g/L - باعث کاهش ضخامت می شود. افزایش غلظت KOH، همچنین باعث افزایش میزان تخلخل و نقص در پوشش می شود. نتایج نشان می دهند که بعد از فرایند اکسیداسیون الکترولیتی پلاسما، مقاومت به خوردگی آلیاژ آلومینیوم بهبود یافته است. کمترین و بیشترین نرخ خوردگی، به ترتیب متعلق به پوشش های تهیه شده در غلظت های 1 - g/L - و 1/5 - g/L - از KOH است. این پوشش ها عمدتا شامل فازهای آلومینای و هستند.
مقدمه
آلومینیوم و آلیاژ های آن به علت دارا بودن خواصی مانند وزن مخصوص و دمای ذوب پایین، هدایت حرارتی و الکتریکی، قابلیت ماشین کاری بالا، شکل پذیری خوب و نسبت استحکام به وزن بالا، در بسیاری از کاربرد های مهندسی مورد استفاده قرار می گیرند. اگر چه سختی و مقاومت به خوردگی پایین اکثر آلیاژ های آلومینیوم، فاکتور های محدود کننده در بسیاری از کاربرد های صنعتی هستند. در قرن اخیر، مقبول ترین و کم هزینه ترین راه حل این مشکل، پوشش دهی آلیاژ های آلومینیوم توسط فرایند آندایزینگ است. تکنیک های پوشش دهی دیگری مانند رسوب دهی شیمیایی بخار - Chemical Vapor Deposition - ، رسوب دهی فیزیکی بخار - Physical Vapor Deposition - ، اسپری حرارتی - Thermal Spray - ، عملیات سطحی توسط لیزر و اکسیداسیون الکترولیتی پلاسما - Plasma Electrolytic Oxidation - نیز برای بهبود خواص سطحی این آلیاژ ها بهکار گرفته شده اند
اکسیداسیون الکترولیتی پلاسما - PEO - یک تکنیک اصلاح سطح جدید و موثر برای ایجاد پوشش های اکسیدی بر سطح فلزاتی مانند آلومینیوم، تیتانیوم، منیزیم و آلیاژ هایشان است. این فرایند شامل ایجاد لایه های سطحی اکسیدی کریستالی است که اساسا توسط اکسیداسیون یا تبدیل آلیاژ زیرلایه و در مرحله دوم توسط رسوب هم زمان اجزای تشکیل دهنده الکترولیت بر سطح فلز زیرلایه تشکیل می شوند. لایه های تشکیل شده در فرایند PEO معمولا ضخیم 10-300 - میکرومتر - ، سخت و دارای چسبندگی خوب به زیرلایه است. همچنین مقاومت سایشی، خوردگی و مکانیکی آلیاژ های مورد استفاده در این فرایند، پس از پوشش دهی به مقدار زیادی افزایش می یابد .
فرایند PEO مشابه با فرایند آندایزینگ است، اما مقدار ولتاژ اعمالی در طول فرایند اکسیداسیون الکترولیتی پلاسما بسیار بیشتر است که باعث شکست دی الکتریک موضعی و ایجاد کانال های تخلیه پلاسما در فیلم اکسیدی در حال رشد می شود. تخلیه های پلاسما می توانند باعث ایجاد دماهای بالا در پوشش و تشکیل فازهای کریستالی مانند آلومینای و شود. این فازهای کریستالی باعث ایجاد سختی های بالاتر از اکسیدهای آمورف رشد یافته در طول فرایند آندایزینگ معمول شود .
بررسی های بسیاری نشان میدهند که خواص پوشش های ایجاد شده در فرایند PEO، وابسته به طبیعت فلز زیرلایه، نوع منبع قدرت مورد استفاده، چگالی جریان و ولتاژ اعمالی در فرایند، ترکیب و غلظت اجزای مختلف الکترولیت و بسیاری عوامل دیگر است. اکسیداسیون الکترولیتی پلاسما به طور معمول در یک محلول رقیق قلیایی - pH 10-12 - حاوی آنیون هایی مانند سیلیکات، فسفات و آلومینات انجام می شود که دوست دار محیطزیست است.
در میان عوامل موثر بر خواص پوشش، ترکیب و غلظت اجزای الکترولیت، دو عامل اساسی و مهم هستند. برای مثال، پوشش های ایجاد شده در الکترولیت سیلیکات دارای ریزساختار همگن تر از پوشش های تشکیل شده در الکترولیت حاوی فسفات است. اتم های سیلیکون اصولا در منطقه بیرونی پوشش قرار می گیرند، در حالی که اتم های فسفر به طور همگن در ضخامت پوشش توزیع می شوند.
در تحقیقی دیگر، نرخ رشد فیلم اکسیدی به مقدار چشم گیری با افزایش غلظت پتاسیم هیدروکسید در الکترولیت، کاهش پیدا می کند؛ زیرا نرخ انحلال آندی افزایش می یابد
در این مطالعه، الکترولیت حاوی تترا سدیم پیرو فسفات، آلومینات سدیم و پنتا اکسید وانادیوم مورد استفاده قرار گرفته است. بهمنظور بررسی اثر KOH بر ریزساختار و مقاومت به خوردگی پوشش، از غلظت های مختلف آن استفاده شده است. سایر شرایط فرایند پوششدهی به روش اکسیداسیون الکترولیتی پلاسما نظیر غلظت اجزای دیگر الکترولیت، محدوده ولتاژ کاری و زمان فرایند، ثابت در نظر گرفته شده اند.
مواد و روش تحقیق
در این تحقیق نمونه های مربع شکل از آلیاژ آلومینیوم سری 2xxx با ابعاد 20mm 2mm 4mm به عنوان آند استفاده شدند. ترکیب شیمیایی آلیاژ آلومینیوم در جدول 1 نشان داده شده است. سطوح نمونه ها با استفاده از سنباده های از جنس کاربید سیلیسیم با شماره های 220، 400، 600، 800 و 1000 سنباده زده شدند.سطح نمونه ها برای از بین بردن اثر چربی و آلودگی، با الکل و سپس با آب شستشو داده شدند و در نهایت با باد گرم خشک شدند. از یک سیلندر فولاد ضد زنگ 316L نیز به عنوان کاتد استفاده شد.
جدول .1 ترکیب شیمیایی آلیاژ الومینیوم مورد استفاده در این تحقیق با آزمون کوانتومتری - درصد وزنی -
اجزای الکترولیت به گونه ای انتخاب شدند که به صورت یون های منفی در محلول یونیزه شوند و تحت تاثیر میدان الکتریکی اعمالی به داخل پوشش کشیده شوند. برای انجام فرایند PEO بر سطح آلیاژ آلومینیوم، الکترولیت پایه از یک محلول رقیق قلیایی حاوی غلظت های 1 - g/L - ، 1/5، 2، 2/5 و 3 از KOH به منظور بررسی اثر آن بر خواص پوشش، NaAlO2 3 - g/L - - آلومینات سدیم - برای تامین آلومینیوم در پوشش های آلومینایی، Na4P2O7 10 - g/L - - تترا سدیم پیرو فسفات - به منظور چگال کردن پوشش و V2O51 - g/L - - پنتا اکسید وانادیوم - برای تشکیل کامپوزیتی از VxOy-Al2O3 در پوشش، استفاده شد.
به منظور انحلال پنتا اکسید وانادیوم در الکترولیت، از آب اکسیژنه به مقدار 10 cc استفاده شده است. این نمک ها در 2000 cc آب مقطر حل شدند و به این ترتیب محلول لازم برای انجام آزمایش فراهم شد.
واحد عملیاتی جهت انجام فرایند پوشش دهی اکسیداسیونی الکترولیتی پلاسما شامل یک حمام و یک منبع تغذیه با توان بالا است که توانایی تولید ولتاژ 0-600 - V - و جریان 0-100 - A - را دارا است. این منبع تغذیه توانایی تولید هر سه نوع جریان DC، DC پالسی و پالسی دو قطبی را دارد که در این تحقیق از جریان DC برای انجام آزمایش ها استفاده شد. فرایند PEO با اعمال ولتاژ DC به مقدار 180 - V - بالاتر از ولتاژ جرقه زنی انجام شد. ولتاژ متناظر با مشاهده اولین جرقه و نقطه نورانی در سطح نمونه، به عنوان ولتاژ جرقه زنی ثبت شد.
