Низковольтный экологически чистый процесс плазменно-электролитического оксидирования титановых сплавов

Dec 12, 2023

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 6037 (2022) Цитировать эту статью

2212 Доступов

7 цитат

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Плазменное электролитическое оксидирование (ПЭО) — это процесс обработки поверхности, широко используемый для защиты поверхностей легких металлов, таких как Mg, Al и Ti. Здесь мы сообщаем об экологически чистом процессе ПЭО, в котором используются азотсодержащие электролиты и низкое напряжение (120 В) для формирования однородных, прочных и пористых оксидных покрытий толщиной ~ 12 микрон на поверхностях титанового сплава Т1. Влияние азотирования мы оценили, сравнив покрытия со сплавами, обработанными в ПЭО-ваннах без азотсодержащих соединений. Оба набора образцов имели базальтоподобную морфологию с отчетливыми вариациями поровой структуры. Анализ состава показал, что покрытия представляют собой в основном композиты оксидов и силикатов титана. Сплавы T1 Ti, обработанные азотсодержащими электролитами, также содержали TiC и TiN. Это первый отчет о производстве композитных покрытий TixOy, Ti-Si-O, TiC и TiN с использованием одной ванны ПЭО без наночастиц карбидов/нитридов. Ширина запрещенной зоны покрытий предполагает функциональность видимого света. Использование соединений на основе азота в ваннах ПЭО улучшило твердость оксидных слоев, но привело к растрескиванию под напряжением, которое потенциально является причиной снижения коррозионной стойкости нитрид- и карбид-содержащих покрытий.

Плазменное электролитическое оксидирование (ПЭО) — это процесс обработки поверхности, используемый для защиты металлических подложек путем формирования экологически инертных оксидных покрытий. В этом процессе применяется высокий постоянный ток (DC), импульсный постоянный ток или переменный ток (AC) между стабильным катодом и целевой подложкой в ​​электролитической ванне. Каналы микродугового разряда на поверхности подложки образуют оксидное покрытие. Основная цель обработки поверхности ПЭО — придать металлическим подложкам устойчивость к износу и коррозии. Уникальной особенностью процесса ПЭО является то, что плазменные термохимические взаимодействия при многоповерхностных разрядах приводят к бимодальному росту оксидных покрытий. Процессы обработки ПЭО одновременно образуют на подложке пористый слой, который простирается на несколько микрон вглубь подложки, образуя устойчивое к коррозии покрытие с высокой адгезией. Сплавы магния, алюминия и титана относятся к числу легких металлов, обычно подвергаемых поверхностной обработке ПЭО1. В недавних обзорах также сообщается об использовании поверхностной обработки ПЭО для сплавов меди, цинка и ниобия2.

Титан и его сплавы имеют широкий спектр применения в аэрокосмической, химической, биомедицинской3,4 и полупроводниковой промышленности из-за их высокой удельной прочности, низкой плотности, простоты изготовления и биосовместимости. Титановые сплавы Т1 представляют особый интерес для научных5 и промышленных применений, поскольку они обладают меньшей эластичностью и превосходной коррозионной стойкостью по сравнению с другими титановыми сплавами. Сплавы Т1 не поддаются непосредственной обработке стандартными процессами обработки поверхности, поскольку они не реагируют на процессы термического упрочнения и не реагируют с кислородом. Процессы термохимической обработки поверхности, доступные для повышения износостойкости и коррозионной стойкости титановых сплавов, включают физическое осаждение из паровой фазы (PVD), химическое осаждение из паровой фазы (CVD), химическую конверсию, анодирование, гальванопокрытие, химическое осаждение, полимеризацию органических покрытий и ПЭО. Обработка поверхности титановых сплавов методом ПЭО является хорошо известным и коммерчески жизнеспособным процессом, поскольку ПЭО позволяет образовывать толстые, прочные, износостойкие окисленные покрытия на поверхности сплава. Другими процессами обработки поверхности титановых сплавов являются цементация и азотирование. Карбонизация титановых сплавов приводит к образованию TiC-покрытия микронного размера и требует высоких температур обработки (> 1000 °C)6. Азотирование титановых сплавов приводит к образованию чрезвычайно твердых покрытий Ti–N (от 1500 до 3000 HV), и этот процесс требует контролируемой среды с высоким содержанием N27. Обратной стороной прямого азотирования поверхностей титановых сплавов является снижение их усталостной прочности8.