Investigation on the effect of frequency and duty cycle on nano-crystalline TiO2 coatings produced by plasma electrolytic oxidation

Subject Areas : journal of New Materials

Hassan Bakhtiari Zamani ¹ (Advanced Materials Research Center, Department of Materials Engineering, Najafabad Branch, Islamic Azad University, Najafabad, Iran.)
Ehsan Saebnoori ² (Assistant Professor)
Ali Hassanzadeh Tabrizi ³ (Advanced Materials Research Center, Department of Materials Engineering, Najafabad Branch, Islamic Azad University, Najafabad, Iran.)

Received: 2017-08-05 Accepted : 2018-10-07 Published : 2018-09-23

Keywords: corrosion behavior, PEO, nanocystaline TiO2, Porous structure, High frequency,

Abstract :

Nano crystaline TiO2 coating was produced on commercial pure titanium surface by plasma electrolytic oxidation (PEO) process under constant current condition with 1000 and 1500 Hz frequency, 10 and 15 % duty cycle in 10 min. Surface structure and chemical composition analysis for coatings were conducted by scanning electron microscope and x-ray difracrometer. Corrosion behavior of base metal and coatings was investigated by potantiodynamic polarization in 3.5% NaCl solution. Phase analyses of coatings indicated the presence of titanium oxide in the form of anatase and rutile. Surface of all coated samples had a Pancake porous structure with different pore diameters due to the difference in applied frequencies and duty cycles. Microscopic images of coatings in large magnifications showed the existence of nano-size crystalline (less than 50nm). Investigation on corrosion behavior showed that using high frequency in this process results in increase in corrosion resistance, decrease in current density and increasing the protection efficiency up to 95%.

References:

References:
1 -شکاری مکی آبادی نژاد، س و رشیدی هویه، م و
گشتاسبی راد، م، " آندایزینگ تیتانیم و بررسی عوامل موثر
بر ضخامت و رنگ اکسید آن "، بیست و یکمین کنفرانس
اپتیک و فوتونیک ایران و هفتمین کنفرانس مهندسی و
فناوری فوتونیک ایران، ص ص 689 - 692 ، دانشگاه شهید
بهشتی، 1393 .
2- اسدی زاچ، م، خصوصیات فیلمهای اکسیدی تشکیل شده
روی تیتانیوم خالص تجاری به روش اکسیداسیون الکترولیتی
پلاسما) PEO ( تحت اثر نسبت آلومینات/فسفات، دانشکده
فنی و مهندسی گروه مهندسی متالورژی، دانشگاه باهنر
کرمان، شهریور 1386 .
3- B. Shayegh Boroujeny, "Design and Investigation of TiO2–SiO2 Thin Films on AISI 316L Stainless Steel for Tribological Properties and Corrosion Protection", Journal of Advanced Materials and Processing, 3(2015)13-24.
4- S. Naghibi, Sh. Vahed, O. Torabi, "Evaluation of Photocatalytic Activity of Fe Doped TiO2 Thin Film Prepared by Sol-Gel Hot Dip-Coating", Journal of Advanced Materials and Processing, 2(2014)55-664.
5- D.R. Acosta, A. Martinez, C.R. Magana, J.M. Ortega, "Electron and Atomic Force Microscopy studies of photocatalytic titanium dioxide thin films deposited by DC magnetron sputtering",Thin Solid Films 490 (2005)112-117.
6- N. Kaliwoh, J.Y. Zhang, I.W. Boyd," Titanium dioxide films prepared by photo-induced sol–gel processing using 172 nm excimer lamps", Surf. Coat. Technol. 125 (2000) 424-427.
7- T. Leistner, K. Lehmbacher, P. Arter, C. Schmidt, A.J. Bauer, L. Frey, H. Ryssel, " MOCVD of titanium dioxide on the basis of new precursors", J. Non-Crystalline Solids 303 (2002) 64-68.
8- V.G. Bessergenev, R.J.F. Pereira, M.C. Mateus, I.V. Khmelinskii, D.A. Vasconcelos, R. Nicula, E. Burkel, A.M. Botelho do Rego, A.I. Saprykin, "Study of physical and photocatalytic properties of titanium dioxide thin films prepared from complex precursors by chemical vapour deposition", Thin Solid Films 503(2006)29-39.
9-Marinina, G. I. Vasilyeva, M. S. Lapina, A. S. Ustinov, A. Y. Rudnev, V. S. " Electroanalytical properties of metal–oxide electrodes formed by plasma electrolytic oxidation ", Journal of Electroanalytical Chemistry, No.689, pp.262–268, 2013.
10- Yerokhin, A.L. Nie, X.Leyland, A. Matthews, A. Dowey, S.J. " Review: Plasma electrolysis for surface engineering ", Surface and Coatings Technology, No.122, pp.73–93, 1999.
11- Gupta, P. Tenhundfeld, G. Daigle, E. O. Ryabkov, D. " Electrolytic plasma technology: Science and engineering — An overview ", Surface & Coatings Technology, No.201, pp.8746 – 8760, 2007.
12- Dehnavi, v. SURFACE MODIFICATION OF ALUMINUM ALLOYS BY PLASMA ELECTROLYTIC OXIDATION, Graduate Program in Chemical and Biochemical Engineering, University of Western Ontario, September 2014.
13 - رفیع زاده، ا، بررسی خواص پوششهای سرامیکی ایجاد
شده به روش الکترولیز پلاسمایی بر روی زیر لایه آلیاژ
منیزیم به روش اکسیداسیون پلاسمای الکترولیتی، دانشکده
مهندسی و علم مواد، دانشگاه صنعتی شریف، دی 1389 .
14 - دانشمسلک، ا، بررسی ساختار و رفتار خوردگی پوشش-
های ایجاد شده در سطح آلومینیوم به روش الکسیداسیون
الکترولیتی پلاسمایی) PEO (، دانشکده فنی و مهندسی،
52 بررسی اثر فرکانس و سیکل کاری در فرآیند اکسیداسیون الکترولیتی پلاسمایی ...
دانشگاه تربیت مدرس، 1386 .
15- Yonghao Gao, Aleksey Yerokhin, Evgeny Parfenov, Allan Matthews, " Application of Voltage Pulse Transient Analysis during Plasma Electrolytic Oxidation for Assessment of Characteristics and Corrosion Behaviour of Ca- and P-containing Coatings on Magnesium", Electrochimica Acta 149 (2014) 218–230.
16- علیاف خضرایی، م ، بخشی، ر ، مرادی، م.ح ، صبور
روحاقدم، ع، پوششهای اکسیدی نانو ساختار، فدک
ایساتیس، تهران، 1394 .
17- Quintero, D. Galvis,O. Calder´on, J.A. Casta˜no, J.G. Echeverr´ıa, F." Effect of electrochemical parameters on the formation of anodic films on commercially pure titanium by plasma electrolytic oxidation ", Surface & Coatings Technology, No.258, pp.1223-1231, 2014.
18- S. Aliasghari, P. Skeldon, G.E. Thompson, "Plasma electrolytic oxidation of titanium in a phosphate/silicate electrolyte and tribological performance of the coatings", Applied Surface Science 316 (2014) 463–476.
19- احمدرضا راستکار، سارا بابائی، بابک شکری، "افزایش
نرخ رشد پوششهای اکسید آلومینیوم تولید شده به روش
پلاسمای الکترولیتی پالس DC "، نهمین سمینار ملی
مهندسی سطح و عملیات حرارتی ایران، اردیبهشت 1387 ،
دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران.
20-Y. Han, S.H. Hong, K. Xu, "Structure and in vitro bioactivity of titania-based films by micro-arc
Oxidation ", Surface and Coatings Technology 168 (2003) 249–258.
21- Y. Han, S.H. Hong, K. Xu, "Porous nanocrystalline titania films by plasma electrolytic oxidation", Surface and Coatings Technology 154 (2002) 314–318.
22- Wu Xiaohong, Jiang Zhaohua, Liu Huiling, Xin Shigang, Hu Xinguo, " Photo-catalytic activity of titanium dioxide thin films prepared by micro-plasma oxidation method", Thin Solid Films, 441 (2003) 130–134.
23- حمید نیازی، فرهاد گلستانیفرد، محمد شاهمیری، "
افزایش مقاومت به خوردگی موضعی تیتانیوم خالص تجاری
در محیط اسید سولفوریک با استفاده از روش اکسیداسیون
پلاسمای الکترولیتی"، مجله مواد نوین، جلد 6، شماره 2 ،
1394 .
24- P. Bala Srinivasan, J. Liang, R.G. Balajeee, C. Blawert, M. Stormer, W. Dietzel, " Effect of pulse frequency on the microstructure, phase composition and corrosion performance of a phosphate-based plasma electrolytic oxidation coated AM50 magnesium alloy", Applied Surface Science 256 (2010) 3928–3935.
25- Jun-Hua Wanga, Jin Wanga, Yan Lub, Mao-Hua Duc, Fu-Zhu Han, " Effects of single pulse energy on the properties of ceramic coating prepared by micro-arc oxidation on Ti alloy", Applied Surface Science, 324 (2015) 405–413.
26- Guo-Hua Lv a, Huan Chen, Wei-Chao Gu, Li Li, Er-Wu Niu, Xian-Hui Zhang, Si-Ze Yang, " Effects of current frequency on the structural characteristics and corrosion property of ceramic coatings formed on magnesium alloy by PEO technology", journal of materials processing technology, 208(2008) 9–13.

_||_