بخشی از مقاله
مروري بر فرايند اکسيداسيون به روش پلاسماي الکتروليتي
چکيده
امروزه براي پوشش دهي فلزات از روشهاي متعددي استفاده مي شود که ميتوان براي مثال ، رسوب شيمياي بخار، رسوب فيزيکي بخار، کاشت يوني، غوطه وري درمذاب ، کند وپاش ، آندايزينگ و پلاسما را نام برد. روش پلاسماي الکتروليتي يک روش جديد پوشش دهي است که بي خطر براي محيط زيست بوده و داراي مزاياي قابل توجهي از جمله يکنواختي پوشش ، مدت زمان کم پوشش دهي، چسبندگي مناسب به فلز پايه و مزيت هاي ديگر ميباشد. در طي چند سال اخير مطالعات زيادي جهت بررسي پوشش محافظ بر روي فلزات به اين روش انجام شده . اکسيداسيون به روش پلاسماي الکتروليتي يکي از روش هاي پلاسماي الکتروليتي است که موضوع اين پروژه مي باشد. اين روش مناسب جهت ايجاد لايه هاي مقاوم به خوردگي بر روي فلز پايه منيزيم ، آلومينيم ،تيتانيم و فولاد است . در اين تحقيق به مکانيزم ايجاد پوشش توسط اين روش ، عوامل موثر بر ايجاد پوشش ،نتايج حاصل از ايجاد پوشش بر روي دو فلز تانتاليم و آلومينيم از جمله مقاومت به خوردگي، سختي و مقاومت به شوک حرارتي مورد بررسي قرار گرفته .
نتايج به دست آمده نشان ميدهد که در فلزات نامبرده علاوه پوشش ايجاد شده علاوه بر ايجاد مقاومت به خوردگي بالا، افزايش سختي را نيز به دنبال دارد.
واژه هاي کليدي: اکسيداسيون به روش پلاسماي الکتروليتي، تانتاليم ، آلومينيم
١- مقدمه
روش اکسيداسيون الکتروليتي پلاسماي(PEO) بر پايه ي پلاريزاسيون آندي مواد تحت فرآيند در يک محلول الکتروليت آبي در شرايط تخليه ي پلاسمايي بر سطح آند ، استوار مي باشد. اين فرآيند را مي توان براي فلزاتي چون آلومينيوم ، تيتانيوم ، منيزيم و آلياژهاي آنها( فلزا ت والو) ١ به کار بر د امروزه تمايل رو به افزايشي در زمينه ي کاربرد اين پوشش ها وجود دارد ،سرعت فرآيند نسبتا بالا بوده و از لحاظ اقتصادي به صرفه است و اين امکان وجود دارد که برا ي قطعاتي به هر شکل و هر اندازه مورد استفاده قرار گيرد. محصولات فرآيند مي توانند کاملا متراکم و سخت باشند .يک ويژگي مهم اين پوشش ها آن است که لايه ي اکسيد سخت ، از سطح زيرلايه به سمت داخل رشد ميکند .بنابراين ، امکان دست يابي بهپوشش هايي با چسبندگي مناسب و همچنين پايداري ابعادي قطعه امکان پذير مي باشد .برخلاف پوشش هاي فوق سخت ( پوشش هايا CVD،PVD يا پوشش هاي آندايز سخت ) ،امکان دستيابي به پوشش هايي با ضخامت بيش از ١٠٠ ميکرومتر وجود دارد .اين ويژگيها موجب گسترش کاربرد اين پوشش ها در زمينه هاي مختلفي چون مقاومت سايشي ، مقاومت فرسايشي، مقاومت خوردگي ، عايق الکتريکي ، حفاظت حرارتي و غيره شده است [١].
٢- اکسيداسيون به روش پلاسماي الکتروليتي
٢-١ پديده شناسي PEO
کاملا شناخته شده است که الکتروليز محلول هاي آبي همراه با تعدادي ا ز فرآيند هاي الکترود ي به طور ويژه ، آزادسازي اکسيژن گازي و يا اکسيداسيون فلز در سطح آندي رخ ميدهد قابل انجام است . بسته به اکتيويته شيميايي الکتروليت ، بامد نظر قرار داد ن فلز ، فرآيند اکسيداسيون مي تواند منجربه انحلال سطحي يا تشکيل لايه ي اکسيدي شو د . آزاد شدن گا زهيدروژن يا احيا کاتيون نيز در سطح کاتد رخ مي دهد.چيين سيستم ساده شده ي دو فازي به همراه فصل مشترک مستقل جهت توصيف فرآيند اکسيداسيون الکتروليتي پلاسمايي قابل اعتماد نمي باشد و فرآيندهاي ديگر ي که در محيط گاز ي اطراف الکترود يا در لايه هاي سطحي رخ مي دهند، نيز بايد مورد توجه قرار گيرند[١].
٢-٢ تخليه ي الکتريکي در PEO
وقتي به دو قطب الکتريکي که در محيط با ضريب هدايت الکتريکي پايين قرار دارند ، ميدان الکتريکي اعمال شو د ، در شرايط مناسب ، تخليه ي الکتريکي انجام مي گيرد. حالت هاي مختلف تخليه ي الکتريکي در ولتاژ و جريا ن هاي مختلف اعمال شده ديد ه ميشود .در اين حالت تخليه ي الکتريکي با جريان مستقيم ايجاد شده است [٣-١].
٢-٢-١ پارامترهاي تخليه در PEO
ترکيب همزمان فرآيندهاي الکترودي در سيستم هاي الکتروشيميايي عملي، همانند يکنواختي شدت ميدان الکتريکي و پارامترهاي الکتروليز، در خواص متفاوت تخليه هاي مشاهده شده در حين الکتروليز پلاسمايي، نقش ايفا ميکند. از اينرو، پديده ي پلاسمايي مشاهده شده توسط محققين به انواع مختلفي نظير تخليه هاي برافروختگي هاله اي جرقهاي قوس پلاسما دسته بندي گرديده اند. تخمين دماي تخليه نيز بسيار مختلف و متفاوت است ، از٨٠٠ تا ٦٠٠٠ کلوين وحتي گاهي به ١٠٠٠٠-٢٠٠٠٠کلوين نيز مي رسد. اين تفاوتها را مي توان به ساختار پيچيده ي کانالهاي تخليه نسبت داد، به طوري که توسط مطالعات طيفي مشخص شده است که يک هسته ي داغ داراي دماي٦٨٠٠-٩٥٠٠ کلوين و يک ناحيه ي محيطي سرد داراي دماي٢٠٠٠- ١٦٠٠ کلوين مي باشند[١] .
٢-٣ تجهيزات لازم جهت فرآيند PEO
تجهيزات مورد استفاده در فرآيند PEO نسبتا ساده بوده و مشابه روشهاي آبکاري معمول ميباشد، شکل ١ تصويري نمادين از يک واحد عملياتي ميباشد به جز آنکه نيازمند يک منبع قدرت بسيار قويتر است . واحد عمليات شامل يک الکتروليزگر و يک منبع پرقدرت الکتريکي ميباشد . معمولا الکتروليزگر يک حمام ساخته شده از فولاد زنگ نزن خنک شونده با آب است که بر روي يک پايه عايق قرار گرفته است و بدنه حمام به عنوان الکترود کمکي مورد استفاده قرار ميگيرد، همچنين جنس حمام ميتواند از شيشه يا مواد عايق شفاف (پلگسي گلاس )تهيه گردد، درون اين حمام ها يک صفحه ي فولاد زنگ نزن غوطه ور شده به عنوان الکترود کمکي در نظر گرفته مي شود .براي خنک کردن الکتروليت ميتوان از مبدل حرارتي خارجي و يا مبدل حرارتي مارپيچي غوطه ور شده درون الکتروليت استفاده نمود .در برخي موارد الکتروليزگر شامل همزن الکتروليت ، واحد بازيابي و تجهيزات لازم جهت تخليه ي گاز مي باشد[١].
٢-٤پارامترهاي موثر در فرآيند PEO
ميتوان بيان کرد که تقريبا تمامي پارامترهاي موثر بر فرآيندهاي الکتروليز شيميايي در اينجا نيز صادق مي باشند. اساسا ويژگيهاي پوشش هاي ايجاد شده به اين روش تحت تاثير طبيعت فلززيرلايه و عناصر آلياژي به کار رفته در آن ، نوع منبع قدرت ، چگالي جريان اعمالي، دامنه ي ولتاژآندي، ترکيب و غلظت الکتروليت ، دماي الکتروليت ، فاصله ي آند و کاتد از يکديگر، گردش الکتروليت و غيره قرار دارند[١]. اصلي ترين پارامتري که در حين فرآيند بايد کنترل شود، چگالي جريان اعمالي مي باشد. به طورمعمول جهت رسيدن به شرايط مورد نياز براي الکتروليز پلاسمايي، چگالي جريان در محدوده بين ٠١ .٠تا٣ .٠ آمپر بر سانتيمتر مربع تنظيم مي گردد بر اساس قانون اول فارادي که بيان مي کند ميزان جرم رسوب کرده برابر است با حاصل ضرب جريان در زمان ، مي توان نرخ رشد پوشش را تعريف نمود[١].
٥-٢ مراحل رسوب گذاري در PEO
پس از انجام عمليات آماده سازي ساده شامل تميزکاري و چربي گيري سطحي، نمونه درون حمام و در عمق ٣٠ تا ٥٠ ميليمتر غوطه ور شده و تجهيزات اعمال جريان به آن وصل مي شوند. پس ازآنکه سيستم هاي سرمايش ، همزن الکتروليت و خروج گاز فعال شدند، ولتاژ کاري اعمال مي گردد و در مقدار مورد نظر براساس نوع رژيم عملياتي تنظيم مي گردد .براساس نوع هدف پيش بيني شده ، عمليات بين ٥ تا ١٨٠ دقيقه به طول مي انجامد[٢].
٢-٦ خواص پوشش هايPEO
٢-٦-١ ساختار و مرفولوژي
پوشش هايي که به اين روش بر سطح آلومينيوم رشد مي کنند، معمولا به دو لايه ي مجزا تقسيم مي گردند که با عناوين لايه ي متخلخل خارجي و لايه ي متراکم يا فشردهي داخلي ناميده مي شوند. گاهي اوقات ناحيه ي بسيار نازک داخلي، با ضخامتي در حدود ٥ ميکرومتر به عنوان لايه ي سوم يا ناحيه ي فصل مشترک درنظر گرفته مي شود اين حالت اندکي متغيير است ، اما فصل مشترک مشخص با زيرلايه وجود دارد. شکل ٢ به صورت نمادين محل قرارگيري و ضخامت لايه هاي مختلف را نشان مي دهد.
ناحيه ي متراکم ، معمولا٩٥ - ٧٠درصد از ضخامت نهايي پوشش را شامل مي شود که نسبت دقيق بسته به شرايط فرآيند تغيير مييابد ؛ اين لايه نسبتا غني از فاز سخت و مقاوم به سايش ٣٠ درصد از کل مي باشد ناحيه ي خارجي پوشش ، لايه ي متخلخل و ترد است که معمولا ٥ مي باشد و ضخامت پوشش را شامل مي شود. اين ناحيه معمولا غنيتر از فاز شبه پايدار داراي سطح خارجي زبر و خشن است به علت آنکه اين ناحيه نسبتا نرم و ترد مي باشد، به آساني و به وسيله ي پليش کاري حذف مي گردد. درجاييکه مقاومت سايشي يا سختي بالا مدنظر قرار داشته باشد، اين لايه از سطح قطعه برداشته مي شود [٣].
٣- برخي از پوشش هاي اکسيدي ايجاد شده با پلاسماي الکتروليتي
١-٣ ايجاد پوشش هاي اکسيد آلومينيوم به روش پلاسماي الکتروليتي
در فرآيند PEO بر پايه ي اطلاعات تست پلاريزاسيون که معمولا جهت مطالعه ي پسيو شدن فلز مورد استفاده قرار مي گيرد، ترکيب الکتروليت تعيين مي گردد. شکل ٣ شش گروه ازالکتروليت ها و رفتار جريان -ولتاژ را براي فرايند پلاسماي الکتروليتي را روي آلومينيوم نشان مي دهد[٤]:
١- محلول نمکهايي که موجب انحلال سريع آلومينيوم مي شوند:
٢- محلولهايي که منجربه انحلال آهسته فلز مي گردند:
٣- الکتروليت هايي که موجب پسيو شدن آلومينيوم در باز ه هاي کوچکي از ولتاژ مي شوند، همچون استات سديم يا اسيد فسفريک .
٤- الکتروليت هاي برپايه ي فلورايد داراي رفتارهاي پيچيدهاي مي باشند NaF،KF.
٥- الکتروليت هايي که منجربه پسيو شدن ضعيف آلومينيوم مي شوند.
٦- الکتروليت هايي که امکان پسيو شدن قوي فلز را فراهم مي آورند، مانند اسيد بريک و نمکهاي اسيد کربنيک و فسفريک ، پليمرهاي معدني( يعني سيليکاتها، آلوميناتها،تنگستاتها، موليبداتها )و فسفات فلزات قليايي .
شکل ٣: رفتار جريان ولتاژ در حين فرآيند PEO در الکتروليتهاي مختلف [٤] .
از طرف ديگر مي توان بر اساس نحو ه ي شرکت اين الکتروليت ها در ترکيب پوشش ، آنها را به چهارگروه ديگر طبقه بندي نمود: الف ) محلولهايي که فقط اکسيژن را به درون پوشش وارد مي کنند.
ب ) الکتروليت هاي شامل ترکيبات آنيوني که ساير عناصر را در ترکيب پوشش شرکت مي دهند.
ج ) الکتروليت هاي شامل ترکيبات کاتيوني که ساير عناصر را در ترکيب پوشش وارد مي کنند.
د) سوسپانسيون هايي که انتقال کاتافوريتيک ذرات درشت را که در ترکيب پوشش شر کت مي کنند، تامين مي کنند.
در گروه هاي ( ب و ج )، پوشش از طريق اکسيد شدن زيرلايه ي آلومينيومي و همچنين رسوب ساير عناصر موجود در الکتروليت ، ايجاد مي گردد. اين امر امکان ايجاد گستره بزرگي از پوشش ها با ترکيبها و خواص مختلف را فراهم مي آورد، بنابراين استفاده از اين دو گروه محتمل تر مي باشد. ترکيب دقيق الکتروليت مي تواند مناسب با نوع آلياژ زيرلا يه و همچنين خواص مطلوب پوشش تغيير کند[٤].
