تاثیر ترکیب شیمیایی زیرلایه و افزودنی Na2WO4 بر ریزساختار و رفتار خوردگی پوشش‌های اکسیداسیون الکترولیتی پلاسمایی آلیاژهای آلومینیوم- سیلیسیوم

محورهای موضوعی : فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

مسعود مشرفی‌فر ^{1 *}

1 - استادیار، گروه مهندسی مواد، دانشکده مهندسی معدن و متالورژی دانشگاه یزد، ایران

تاریخ دریافت : 1403/08/09 تاریخ پذیرش : 1403/10/24 تاریخ انتشار : 1403/02/15

کلید واژه: آلیاژ آلومینیوم- سیلیسیوم, پوشش‌دهی, اکسیداسیون الکترولیتی پلاسمایی, سدیم تنگستات دی‌هیدرات, رفتار خوردگی,

چکیده مقاله :

مقدمه: فرایند اکسیداسیون الکترولیتی پلاسمایی ﻳﻚ روش اﻟﻜﺘﺮوﺷﻴﻤﻴﺎﻳﻲ برای اصلاح سطح آلیاژهای آلومینیوم از طریق ایجاد یک لایه اکسیدی تحت شرایط پلاسما است که موجب بهبود خواصی نظیر مقاومت به خوردگی آلیاژها می‌شود.

 روش: از مهمترین عوامل تأثیرگذار بر کارایی پوشش‌های حاصل، ترکیب شیمیایی زیرلایه و الکترولیت است. در این پژوهش، پوشش‌های اکسیداسیون الکترولیتی پلاسمایی بر آلیاژهای آلومینیوم با درصدهای مختلف سیلیسیوم با جریان پالسی دو قطبی در یک حمام الکترولیتی پایه سیلیکاتی شامل 3 گرم در لیتر سدیم تنگستات‌ دی‌هیدرات مورد مطالعه قرار گرفت و با الکترولیت عاری از سدیم تنگستات دی‌هیدرات مقایسه شد. برای بررسی مورفولوژی و ساختار پوشش‌ها از میکروسکوپ الکترونی روبشی مجهز به آنالیز طیف نگار تفکیک انرژی پرتو ایکس و جهت فازیابی از آنالیز پراش اشعه ایکس استفاده شد. رفتار خوردگی پوشش‌ها، توسط آزمون‌های الکتروشیمیایی پس از یک ساعت غوطه‌وری در محلول 5_/3 درصد نمک طعام و pH برابر با 4 ارزیابی شد.

یافته­ ها: نتایج حاکی از این است که فاز اصلی پوشش‌ها γ-Al₂O₃ بوده و با افزودن ‌سدیم تنگستات دی‌هیدرات، اجزای تشکیل‌دهنده الکترولیت درون پوشش وارد شده و تنگستن در کنار Al₂O₃ جزء فازهای تشکیل‌دهنده پوشش می‌باشد. نمونه‌های پوشش داده شده، ساختار پنکیکی و دهانه آتشفشانی با میکرو ترک‌ها و میکرو تخلخل‌های نامنظم را نشان دادند.

نتیجه­ گیری: بررسی‌ها نشان داد، اگرچه با افزایش درصد سیلیسیوم زیرلایه، ضخامت، زبری و تخلخل پوشش‌ها کاهش پیدا کرد ولی میانگین ضخامت پوشش‌ها با حضور افزودنی سدیم تنگستات دی‌هیدرات در الکترولیت افزایش یافت. با حضور افزودنی سدیم تنگستات دی‌هیدرات در الکترولیت، مقاومت به خوردگی بالاتری بدست آمد که این امر به ضخامت بیشتر پوشش اکسیدی و مورفولوژی متراکم‌تر پوشش ناشی از مشارکت تنگستن در پوشش نسبت داده می‌شود.

چکیده انگلیسی:

Introduction: Plasma electrolytic oxidation is a new and upgraded method of anodizing process to improve the corrosion resistance of aluminum alloys by creating a ceramic coating on their surface.

Methods: One of the parameters affecting of PEO process as well as the performance of the prepared coatings is the composition of the substrate. In this study, the effect of increasing the percentage silicon of substrate on the plasma electrolytic oxidation process with bipolar pulse current in a silicate-based electrolytic bath was investigated. Scanning electron microscopy was used to evaluate the morphology and structure of the coating and X-ray diffraction test was used for phase detection. Coating corrosion behavior was evaluated by electrochemical tests after 1 hour immersion in 3.5% NaCl solution with the adjustment of pH 4.

Findings: The results indicate that the main phase of the coatings is γ-Al₂O₃, and by adding sodium tungstate dihydrate, the constituent components of the electrolyte are introduced into the coating, and tungsten is one of the phases forming the coating along with Al₂O₃. Examining the coated specimens showed a pancake structure and a volcanic crater with irregular micro-cracks and micro-porosity. The participation of tungsten in the coating caused an increase in the thickness of the outer layer, so the increase in the thickness of the coating due to the participation of tungsten increases the corrosion resistance of the outer layer compared to the equivalent samples without additives. The electrochemical spectroscopy test revealed that with the increase in the silicon percentage of the substrate, the coating forms a physical barrier against charge transfer substrate and the resistance of the outer layer decreases, but the resistance of the inner layer increases.

 

منابع و مأخذ:

1. Yerokhin, A., et al., Plasma electrolysis for surface engineering. Surface and coat-ings technology, 1999. 122(2-3): p. 73-93.
2. Hashemzadeh, M., et al., The importance of type of Ti-based additives on the PEO process and properties of Al2O3-TiO2 coat-ing. Surfaces and Interfaces, 2023. 36: p. 102523.
3. Heydarian, A., et al., Effect of electro-chemical parameters on wear and tribocor-rosion capabilities of the PEO coatings gen-erated through pulsed waveforms on AZ91 magnesium alloy. Journal of Materials Re-search and Technology, 2023. 27: p. 6148-6158.
4. Godja, N., et al., Preparation and charac-terization of spark-anodized Al-alloys: Physical, chemical and tribological proper-ties. Tribology International, 2010. 43(7): p. 1253-1261.
5. Dehnavi, V., et al., Corrosion properties of plasma electrolytic oxidation coatings on an aluminium alloy–The effect of the PEO process stage. Materials Chemistry and Physics, 2015. 161: p. 49-58.
6. Toulabifard, A., et al., The effect of elec-trolytic solution composition on the struc-ture, corrosion, and wear resistance of PEO coatings on AZ31 magnesium alloy. Coat-ings, 2020. 10(10): p. 937.
7. Li, Q., et al., Effects of cathodic voltages on structure and wear resistance of plasma electrolytic oxidation coatings formed on aluminium alloy. Applied Surface Science, 2014. 297: p. 176-181.
8. IJ, H., S. KR, and K. YG, Formation of black ceramic layer on aluminum alloy by plasma electrolytic oxidation in electrolyte containing Na2WO4. Materials Transac-tions, 2012. 53(3): p. 559-564.
9. Liu, Y., et al., Influences of additive on the formation and corrosion resistance of micro-arc oxidation ceramic coatings on aluminum alloy. Physics Procedia, 2012. 32: p. 107-112.
10. Sah, S.P., et al., Cathodic pulse break-down of anodic films on aluminium in alka-line silicate electrolyte–understanding the role of cathodic half-cycle in AC plasma electrolytic oxidation. Corrosion Science, 2012. 55: p. 90-96.
11. Wang, L.-l. and X. Nie, Silicon effects on formation of EPO oxide coatings on aluminum alloys. Thin Solid Films, 2006. 494(1-2): p. 211-218.
12. مشرفی‌فر،, م., et al., بررسی اثر درصد سیلیسیوم زیرلایه بر ریزساختار و ترکیب پوشش‌های اکسیداسیون الکترولیتی پلاسمایی آلیاژهای آلومینیوم- سیلیسیوم. نشریه علوم و مهندسی سطح, 1400. 17(49): p. 1-17.
13. Zheng, H., et al., The effects of Na2WO4 concentration on the properties of microarc oxidation coatings on aluminum alloy. Materials Letters, 2005. 59(2-3): p. 139-142.
14. Rogov, A.B., et al., AC plasma electro-lytic oxidation of additively manufactured and cast AlSi12 alloys. Surface and Coat-ings Technology, 2020. 399: p. 126116.
15. Hussein, R., X. Nie, and D. Northwood, An investigation of ceramic coating growth mechanisms in plasma electrolytic oxidation (PEO) processing. Electrochimica Acta, 2013. 112: p. 111-119.
16. Rogov, A.B., A. Yerokhin, and A. Mat-thews, The role of cathodic current in plas-ma electrolytic oxidation of aluminum: Phenomenological concepts of the “soft sparking” mode. Langmuir, 2017. 33(41): p. 11059-11069.
17. Wang, P., et al., Ceramic coating for-mation on high Si containing Al alloy by PEO process. Surface Engineering, 2016. 32(6): p. 428-434.
18. Terleeva, O.P., et al., Quantitative pa-rameters and definition of stages of anodic-cathodic microplasma processes on alumi-num alloys. Materials transactions, 2005. 46(9): p. 2077-2082.
19. Chang, L., Growth regularity of ceramic coating on magnesium alloy by plasma elec-trolytic oxidation. Journal of Alloys and Compounds, 2009. 468(1-2): p. 462-465.
20. Li, K., et al., Effects of Matrix Silicon Content on the Plasma Electrolytic Oxida-tion of Al-Si Alloys Using Different Power Modes. Crystals, 2022. 12(1): p. 123.
21. Bajat, J., et al., Corrosion stability of oxide coatings formed by plasma electrolyt-ic oxidation of aluminum: optimization of process time. Corrosion, 2013. 69(7): p. 693-702.
22. Moshrefifar, M., H. Ebrahimifar, and A. Hakimizad, Systematic investigation of sili-con content effects on the PEO coatings’ properties on Al–Si binary alloys in silicate-based and tungstate-containing electrolytes. Coatings, 2022. 12(10): p. 1438.
23. Jun, D., et al., Effects of sodium tung-state on characteristics of microarc oxida-tion coatings formed on magnesium alloy in silicate-KOH electrolyte. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2007. 17(2): p. 244-249.
24. Chen, X.D., Q.Z. Cai, and L.S. Yin, Ef-fects of Na2WO4 additive on properties of Plasma electrolytic oxidation coatings on 6061 Al alloy. Advanced Materials Re-search, 2012. 550: p. 1969-1975.
25. Li, K., et al., Effects of Si phase refine-ment on the plasma electrolytic oxidation of eutectic Al-Si alloy. Journal of Alloys and Compounds, 2019. 790: p. 650-656.
26. مشرفی‌فر, م., تاثیر درصد سیلیسیوم زیرلایه بر ساختار و رفتار خوردگی پوشش‌های اکسیداسیون الکترولیتی پلاسمایی آلیاژهای آلومینیوم- سیلیسیوم فصلنامه علمی-پژوهشی مواد نوین, 1402. 10(35): p. 128-115.
27. Warmuzek, M., Aluminum-silicon cast-ing alloys. Atlas of Microfractographs, 2004.
28. He, J., et al., Influence of silicon on growth process of plasma electrolytic oxida-tion coating on Al–Si alloy. Journal of al-loys and compounds, 2009. 471(1-2): p. 395-399.
29. Dehnavi, V., Surface modification of aluminum alloys by plasma electrolytic oxi-dation. 2014: The University of Western Ontario (Canada).