نشریه پیام آبکار – بهار ۱۳۹۵

مروري بر کاربرد

تکنيک اکسيداسيون پلاسما الکتروليتي در مهندسي سطح

تهيه و تنظيم:

نصراله اسلام زاده

دانشجو دکتري مواد گرايش خوردگي دانشگاه آزاد اسلامي واحد نجف آباد

تکنيک پوشش دهي به روش اکسيداسيون الکتروليتي پلاسما به عنوان يک تکنولوژي نسبتا جديد و مقرون به صرفه در اصلاح سطح و از طرفي سازگار با محيط زيست مطرح مي باشد که اخيرا به منظور ايجاد لايه هاي اکسيدي در سطح فلزات سبک همچون تيتانيوم، آلومينيوم و منيزيم مورد استفاده قرار مي گيرد.

پوشش هاي دو لايه حاصل از اين روش از يک طرف داراي فشردگي و اتصال خوبي به زمينه بوده و از طرف ديگر بستر مناسبي را براي پوشش هاي نهايي ايجاد مي کند که اين موضوع منجر به ايجاد خصوصيات مکانيکي ، خوردگي و حرارتي مناسب و در نتيجه کاربرد گسترده اين روش در زمينه هاي مختلف همچون حمل و نقل، هوافضا، خودرو سازي، پزشکي و ديگر زمينه ها شده است.

خصوصيات لايه هاي اکسيدي حاصل از اين روش تحت تاثير پارامتر هاي مختلفي همچون ترکيب شيميايي الکتروليت، دماي الکتروليت، ترکيب شيميايي آلياژ زمينه و پارامترهاي الکتريکي مورد استفاده در حين پوشش دهي قرار دارد که در اين مقاله ضمن معرفي اصول تکنيک اکسيداسيون پلاسما الکتروليتي، به معرفي پارامتر هاي موثر در اين زمينه و نکات کليدي در حين انجام تحقيقات مربوطه به منظور رسيدن به پوشش هاي مناسب پرداخته شده است.

از مجموع عمليات سطحي کلاسيک و روشهاي مدرن طيف وسيعي از فرايندهاي سطحي براي مواد مختلف حاصل شده است. اين فرايندها به سه گروه اصلي تقسيم مي شوند. گروه اول شامل روشهايي مي شود که تغييري در ترکيب شيميايي سطح بوجود نمي آيد، بلکه تنها خصوصيات متالوژيکي سطح تغيير مي کند. اين گونه عمليات با نام عمليات حرارتي موضعي يا انتخابي، شناخته مي شود. سخت کاري شعله اي، سخت کاري القايي، سخت کاري ليزري و سخت کاري پلاسمايي جزء اين گروه مي باشند. گروه دوم شامل روشهايي است که ترکيب شيميايي سطح تغيير مي کند. عمليات حرارتي- شيميايي مانند کربن دهي، نيتروژن دهي، بوردهي از مهمترين اين روشها مي باشند. عمليات حرارتي سطحي و نيز کاشت يوني جزء اين گروه مي باشند. گروه سوم شامل فرآيندهايي است که روي سطح يک لايه يا پوشش، داده مي شوند. مهمترين اين پوششها، پوشش هاي آبکاري الکتريکي، آلي، سراميکي، گالوانيزه، رسوب شيميايي بخار، رسوب فيزيکي بخار، پاشش حرارتي و الکترولس مي باشد. انتخاب درست هريک از اين روشها براي بهبود خواص سطح قطعات مهندسي بستگي به پارامترهاي زيادي دارد. براي مثال اندازه قطعه، تلورانس ابعادي قطعه، مقاومت به سايش و خوردگي موردنياز، ضخامت پوشش، در دسترس بودن فرايند و هزينه هاي عمليات بسيار مهم است.

عمليات پلاسماي الکتروليتي جزء گروه دوم محسوب مي شود و بيشتر تحقيقات انجام شده در اين زمينه بر روي کاربردهاي آندي متمرکز است و تحقيقات کمتري بر روي کاربردهاي کاتدي انجام شده است. لذا در اين مقاله ضمن معرفي اصول تکنيک اکسيداسيون پلاسما الکتروليتي، به معرفي پارامتر هاي موثر در اين زمينه و نکات کليدي در حين انجام تحقيقات مربوطه به منظور رسيدن به پوشش هاي مناسب پرداخته شده است.

تعريف پلاسما

پلاسما همان گاز يونيزه شده مي باشد. در حالت پلاسما قسمتي از اتمها و مولکولهاي گاز به اجزاء باردار تشکيل دهنده اتم يعني الکترون و يون تجزيه مي شوند. بعبارت ديگر به ترکيبي از مولکول يا اتمهاي خنثي و يون و الکترون که بر يکديگر تأثير مي گذارند، پلاسما مي گويند. حالت پلاسما در کهکشان ها بصورت طبيعي وجود داشته و بعلاوه مصنوعاً با استفاده از تخليه الکتريکي (امواج کوتاه، بمباران توسط پرتوالکتروني و غيره) قابل ايجاد مي باشد. بيش از 99/99 درصد از مواد در کهکشانها در حالت پلاسما هستند. پلاسماهاي موجود از نظر تراکم بارها و يا انرژي ذره ها بسيار متنوع مي باشند. يکي از مهمترين عواملي که چگونگي حالت پلاسما را تعيين مي کند دماي محيط است[1].

يکي از ساده ترين و متداول ترين روشهاي يونيزه کردن گاز براي توليد محيط پلاسما، استفاده از تخليه الکتريکي در گاز مي باشد. اين روش به تخليه نوراني موسوم بوده و يکي از کاربردي ترين روشهاي توليد پلاسما است. وقتي به دو قطب الکتريکي که در محيط هادي قرار دارند، ميدان الکتريکي اعمال شود، در شرايط مناسب، تخليه الکتريکي انجام مي گيرد

اکسيداسيون پلاسما الکتروليتي

پديده تخليه در الکتروليز بيش از يک قرن پيش در روسيه کشف و در سال 1930 تحقيقات اوليه بر روي پارامترهاي موثر در آن صورت گرفت[2]. در سال 1970رسوب دهي اکسيد براي اولين بار در سطح آلومينيوم تحت شرايط تخليه جريان صورت گرفت و تحت عنوان فرآيند اکسيداسيون ميکروآرک يا آنودايزينگ پلاسما الکتروليتي معرفي شد[3]. اين فرآيند که تحت عنوان‌هاي PEO MAO و ADS نيز شناخته مي شود به عنوان بهترين روش تجاري براي آلياژهاي منيزيم شناخته شده است. روش هايي که با عنوان کلي پلاسماي الکتروليتي براي پوشش دهي استفاده مي شوند، داراي مشخصه بارز تخليه الکتريکي در فصل مشترک الکترود- الکتروليت در پتانسيل هاي بالا هستند. در طي اين فرايند که در ولتاژهاي بالاتر از ولتاژ شکست صورت مي گيرد، پديده تخليه اتفاق افتاده، پلاسما ايجاد و يک لايه اکسيدي رشد مي کند. اين فرايند شامل ذوب شدن، شارش ذوب، انجماد، کريستاله شدن، پخت موضعي و متراکم شدن لايه اکسيدي مي باشد. در واقع با وقوع پديده تخليه الکتريکي در اثر اينکه جريان هاي الکتريکي بصورت موضعي در لايه رشد شونده تجزيه ميشوند، لذا يکسري حفره هاي خاصي با ابعاد چند ميکرون در سطح ايجاد مي شوند. لايه هاي ايجاد شده با اين روش در مقايسه با روش تبديل شيميايي داراي پايداري و چسبندگي بالاتر و در نتيجه مقاومت به خوردگي بالاتري مي باشند[4]. اين خصوصيات، افقهاي جديدي را در توسعه مواد مؤثر بر فناوري در محدوده وسيعي از بخشهاي توليد شامل هوا فضا، صنعت خودروسازي، ارتباطات موبايل، برق- قدرت، بيومواد و مهندسي شيمي باز کرده است.

کاربردهاي اصلي روش PEO

تميزکاري

تميزکاري سطوح فلزي يکي از مراحل ابتدايي لازم براي بسياري از فرايندها مانند پوشش دهي، کشش عميق و غيره بشمار مي رود. PEO بصورت کاملاً موثري در پاک کردن روانکارها، اکسيدها، کثيفي و غيره از سطوح فلزي نقش بازي مي کند. فلزات آهني و غيرآهني و آلياژي با اين روش قابل تميزکاري مي باشد. تميز کردن با PEO مزاياي زير را دارد.

تک مرحله اي بودن فرايند: بسياري از فرايندهاي مرتبط با فلزات مانند گالوانيزه کردن بصورت غوطه وري داغ داراي چندين مرحله مي باشد. PEO انواع سطوح فلزي را در يک مرحله تميز مي کند.

سازگاري با طبيعت: روش PEO از مواد شيمايي مضري مانند اسيدها که براي تميزکاري بسيار متداول هستند استفاده نمي کند. در ضمن به علت اينکه محيط کاري الکتروليت پايه آبي است، برعکس روشهايي مانند بلاست، براي سلامتي نيز ضرري ندارد.

مورفولوژي مطلوب: PEO مورفولوژي سطح را بهبود مي بخشد و خصوصيات روانکاري و چسبندگي سطحي را افزايش مي دهد.

افزايش عمر قطعه: با توجه به رويين شدن سطح فلز اين روش عمر قطعه را نسبت به عمر قطعه مشابه تحت فرايندهاي ديگر افزايش مي دهد. با توجه به اينکه اين روش خصوصيات روانکاري را بهبود مي بخشد و در صنعت از بوجود آمدن اکسيدهاي سطحي نيز جلوگيري مي کند، در بسياري از موارد نياز به فسفاته يا کروماته کردن را از بين مي برد.

بافت دهي سطحي

خصوصيات سطحي مانند زبري و مورفولوژي پارامترهاي مهم و تعيين کننده اي براي بسياري مسايل مانند چسبندگي در پوشش و کارايي تريبولوژي دارد. روشهاي متداولي که براي اين هدف وجود دارد؛ روش بلاست و اچ شيميايي است که هر دو مشکلات زيست محيطي دارند. اخيراً روشهاي سازگار با محيط زيست مانند بافت دهي سطح با ليزر، ماشين کاري با تخليه الکتريکي و فرايندهاي پلاسمايي بوجود آمده اند. مي توان ادعا کرد که خصوصيات منحصربه فردي که روش PEO به سطح فلز مي دهد، اين روش را به يکي ازبهترين روشهاي بافت دهي تبديل کرده است.

پوشش دهي

نقش پوشش هاي فلزي مي تواند بهبود خصوصيات سطحي مانند مقاومت به سايش و مقاومت به خوردگي باشد. از اهميت اين نوع پوششها در صنعت امروزه هرچه بگوييم مبالغه نکرده ايم. پوشش هاي PEO از چسبندگي و فشردگي خوبي برخوردار هستند. رسوب دهي پوشش به روش PEO مزايايي همچون سرعت بالاي رسوب دهي، چسبندگي بالاي پوشش و ايجاد پوشش هاي نانوساختار نسبت به بقيه روش ها را داراست.

در طي بررسي که توسط Gu انجام شد، با مقايسه نتايج حاصل از آزمايشات انجام شده برروي مقاومت به خوردگي پوشش هاي حاصل از تکنيک هاي مختلف، تکنيک PEO بهترين نتايج را در کاهش سرعت خوردگي پوشش نشان داده است[5]. زنگ براي اولين بار فرآيند PEO را در سطح آلياژ منيزيم AZ91D اعمال و رفتار خوردگي آن را در محلول هانگ مورد بررسي قرار داد[6]. بنا بر نتايج حاصل، انجام عمليات PEO در سطح آلياژ منيزيم منجر به کاهش سرعت خوردگي به اندازه 15 برابر در مقايسه با آلياژ منيزيم فاقد پوشش بعد از غوطه وري در محلول آزمايش به مدت 21 روز شد. همچنين نتايج حاصل از بررسي جوو[7] که براي اولين بار بر روي مقاومت به خوردگي در محلول شبيه سازي بدن انجام شد، نشان دهنده کاهش دانسيته جريان خوردگي در اثر ايجاد پوشش PEOدر سطح ايمپلنت بود.

با گسترش کاربرد فرآيند PEO در سطح آلياژهاي منيزيم در سال هاي اخير، بررسي اثر الکتروليت بر مقاومت به خوردگي و سايش پوشش هاي ايجاد شده در فرآيند PEO موضوع تحقيقات گسترده اي واقع شده است[8]. استفاده از ذرات تقويت کننده در پوشش هاي اکسيدي براي اولين بار در سال 1996 توسط اسچوکينگ به منظور استفاده از ذرات ZrO2 در سطح آلومنيوم در محلول K2ZrF6 مورد بررسي قرار گرفت[9].

در واقع ايجاد يک پوشش با خصوصيات تريبولوژيکي مناسب از جمله روش هاي افزايش مقاومت به خوردگي محسوب مي شود و لذا کاهش عيوب و افزايش ترکيبات پايدار شيميايي در پوشش نتيجه تحقيقات صورت گرفته در اين زمينه مي باشد. به گونه اي که استفاده از ذرات اکسيدي زيست سازگار مانند ZrO2، TiO2 و يا Al2O3 در پوشش اکسيدي منجر به افزايش پايداري شيميايي و فشردگي پوشش و در نتيجه بالارفتن مقاومت به خوردگي پوشش شده است[12-10]. در واقع پوشش هاي کامپوزيتي حاصل از افزودن ذرات اکسيدي به پوشش، با جلوگيري از نفوذ يون هاي خورنده از طريق کانال هاي نفوذي به سطح فلز زمينه مقاومت به خوردگي را افزايش مي دهند[13].

آلياژسازي سطحي

از PEO براي سخت سازي سطحي استفاده مي شود. از اين سري، مي توان به نايترايدينگ، کربورايزينگ، کربونايترايدينگ و بوروسولفوکربونايترايدينگ اشاره کرد. نيروي محرکه در آلياژسازي سطحي تفاوت غلظت عنصر آلياژي در زمينه با لايه گازي پايدار مي باشد. سطوح فلزي مي توانند با نافلزاتي مانند اکسيژن، کربن، نيتروژن، بور و يا با فلزاتي مانند تنگستن، موليبدن و واناديوم و غيره آلياژ شوند.

با توجه به کاربردهاي ذکر شده، فرايند PEO در فاز گذر از مراحل تحقيقاتي به استفاده تجاري مي باشد. از مزاياي کلي روش PEO مي توان به احتياج نداشتن به فضاي وسيع و قابليت راه اندازي خط توليد در دما و فشار اتمسفر و ارزش افزوده بالا و سازگاري با محيط زيست اشاره کرد.

مکانيزم فرآيند اکسيداسيون پلاسما الکتروليتي

در شکل 1، تصويري شماتيک از مکانيزم فرآيند اکسيداسيون پلاسما الکتروليتي، نشان داده شده است. هنگامي که نمونه در منطقه پلاسماي پايدار قرار دارد، به وسيله يک لايه گازي سطح آن پوشيده مي‌شود. اختلاف پتانسيل به شدت بالا، باعث مي‌شود تا غلظت يون هاي مثبت در نزديکي آند و در روي حباب هاي گازي به شدت افزايش يابد. اين امر باعث مي شود تا ميدان الکتريکي بسيار قوي ميان يون هاي مثبت و آند ايجاد شود. مقدار اين ميدان مي تواند تا حدود v/m 105 افزايش يابد. هنگامي که ميدان الکتريکي ايجاد شده تا اين حد افزايش مي يابد، حباب هاي گاز يونيزه شده و تخليه پلاسمايي انجام مي شود[14].

به طور کلي در اطراف محل ايجاد پلاسما تعداد زيادي حباب گازي وجود دارد. گفته مي شود که دماي پلاسما حدود 2000 درجه سانتي گراد است ولي در بعضي از مراجع اين مقدار تا حدود 7000-6000 کلوين برآورد مي شود. از آنجايي که سيستم پلاسمايي در تماس با الکتروليت و سيستم آبگرد است دماي آن به سرعت افت نموده و تا حدود 50-35 درجه سانتي گراد سرد مي شود. در نهايت حباب هاي گازي در نزديکي سطح فلز منفجر مي شوند.

دو پديده هنگام انفجار حباب گازي اتفاق مي افتد. اول تمامي يون هاي مثبتي که در اطراف نمونه قرار دارند به سرعت به سمت آن سرازير مي شوند. دوم اينکه در اثر انفجار، انرژي زيادي تخليه مي شود. بخش انرژي پتانسيل آن در داخل لايه گازي اطراف حباب ذخيره مي شود و بخش انرژي جنبشي آن، از طريق لايه الکتروليت مايع به سطح نمونه منتقل مي شود. يون هاي توليد شده نيز که با انفجار حباب هاي گازي شتاب گرفته اند نيز به وسيله انرژي جنبشي ايجاد شده به سطح آند هدايت مي شوند. اين آزادسازي باعث مي شود تا يون هاي فلزي بيشتر به سمت کاتد و يون هاي گازي به سمت آند سوق پيدا کنند.

طبق آنچه گفته شد، برخلاف روش هاي الکتروپليتينگ در روش اکسيداسيون پلاسما الکتروليت نفوذ در مرز فازها حذف خواهد شد، اين در حالي است که هم زدن الکتروليت با سرعت بالا باعث مي شود تا يون ها به راحتي در محدوده پلاسما قرار گيرند. مکانيزم حاصل از فرآيندهاي هيدروديناميکي و انتقال يون ها در هنگام فرآيند پوشش دهي باعث مي شود تا بيشترين نرخ ايجاد پوشش در داخل سيستم وجود داشته باشد.

دماي بالا در اطراف منطقه پلاسما باعث ذوب موضعي در سطح زير لايه مي گردد. مذاب ايجاد شده به دليل تماس با الکتروليت سرد، سريعاً کوئنچ مي شود. اين رفتار باعث مي شود تا ساختاري منحصر به فرد در سطح زير لايه به وجود آيد. از طرف ديگر به دليل دماي بالا در منطقه پلاسما، تمامي ترکيبات آلي موجود مثل گريس و چربي از سطح زيرلايه تبخير مي شوند.

اصول شيميايي و فيزيکي الکتروليز پلاسما

همانطور که در شکل 2 ديده مي شود، الکتروليز محلول هاي آبي بوسيله يک سري واکنش هاي الکتروشيميايي انجام مي شود. در اين فرايند معمولاً توليد گاز اکسيژن و يا اکسيداسيون فلز در سطح آند صورت مي گيرد که با توجه به فعاليت شيميايي الکتروليت، فرايند اکسيداسيون مي تواند منجربه تشکيل لايه اکسيدي و يا انحلال سطح در الکتروليت شود. توليد گاز هيدروژن و يا احياي کاتيون نيز در سطح کاتد رخ مي دهد[1].

در مطالعه فرايندهاي متداول الکتروليز، فصل مشترک الکتروليت- الکترود به صورت يک سيستم دو فازي (فلز- الکتروليت يا اکسيد- الکتروليت) است. در اين فرايندها معمولاً از تأثير گازهاي ايجاد شده صرف نظر مي شود و يا با فاکتورهايي مثل بازده جريان و شيلدينگ الکترودي در نظر گرفته مي شود ولي در فرايند PEO با در نظر گرفتن واکنش هاي گازي، سيستم چهار فازي فلز- الکتروليت- اکسيد- گاز بوجود مي آيد که مطالعه و تحليل آن نسبت به فرايندهاي الکتروليز متداول بسيار پيچيده تر است.

رفتار جريان - ولتاژ

در شکل 3 تغييرات شدت جريان برحسب تغييرات ولتاژ رسم شده است. منحني a، سيستم فلز- الکتروليت در حضور گاز آزاد شده در آند يا کاتد را نشان مي دهد. منحني b نيز اين تغييرات را در سيستمي که شامل لايه اکسيدي است نشان مي دهد. در ولتاژهاي نسبتاً پايين، سينتيک فرايندهاي الکترود در هر دو سيستم از قانون فارادي پيروي مي کند و ولتاژ و جريان برطبق قانوني اهم تغيير مي کنند. در نتيجه افزايش ولتاژ باعث افزايش خطي شدت جريان مي شود (مناطق 0-U1 در منحني a و 0-U4 در منحني b). اما در ولتاژهايي بالاتر از ولتاژ بحراني، رفتار اين سيستم ها بطور قابل ملاحظه اي تغيير مي کند[1].

در منحني a در منطقه U1-U2، افزايش ولتاژ باعث نوسان جريان مي شود. افزايش جريان بوسيله لايه محافظتي که از محصولات واکنش هاي گازي در سطح الکترود ايجاد مي شود محدود مي شود. در مناطقي که هنوز الکترود در تماس با الکتروليت است، دانسيته جريان افزايش مي يابد که اين امر باعث بجوش آمدن موضعي الکتروليت مجاور الکترود مي شود. با رسيدن به نقطه U2، الکترود کاملاً توسط لايه اي پيوسته از گاز که هدايت الکتريکي کمي دارد احاطه مي شود. تقريباً تمام ولتاژ سل الکتروليز در اين لايه نازک عايق افت مي کند، در نتيجه در اين منطقه شدت ميدان الکتريکي به مقادير 106 تا 108 ولت بر متر مي رسد که براي يونيزاسيون لايه گازي کافي است. يونيزاسيون ابتدا با جرقه هاي سريع و پراکنده در لايه گازي شروع مي شود و در ادامه به درخششي يکنواخت در سرتاسر لايه گازي تبديل مي شود. در بين نقاط U2 و U3 جريان به دليل پايداري هيدروديناميک لايه گازي افت مي کند و در ولتاژهاي بالاتر از U3، تخليه درخشان به قوس هاي قوي الکتريکي تبديل مي شود.

رفتار منحني b تا حدودي پيچيده تر است. ابتدا لايه غيرفعال تشکيل شده در نقطه U4 شروع به حل شدن مي کند که در عمل به پتانسيل خوردگي ماده بستگي دارد. سپس در منطقه U4-U5 لايه غيرفعال متخلخل اکسيدي دوباره رشد مي کند که باز در اين منطقه به علت هدايت الکتريکي بسيار پايين، افت شديد ولتاژ حاصل مي شود. در نقطه U5 شدت ميدان الکتريکي از حد بحراني بالاتر مي رود که باعث تخريب لايه اکسيدي مي شود. در اين مرحله، جرقه هاي کوچکي که به سرعت در سطح لايه اکسيدي حرکت مي کنند ديده مي شود. در نقطه U6 تخليه هاي الکتريکي شديدتري با سرعت کمتر رخ مي دهد. اين قوس هاي الکتريکي شديد، باعث ذوب تدريجي لايه اکسيدي و ترکيب آن با عناصر موجود در الکتروليت مي شود. با افزايش بيشتر ولتاژ، قوس هاي الکتريکي از لايه اکسيدي به داخل فلز زير لايه نفوذ مي کنند و باعث تخريب لايه اکسيدي مي شوند که در اين حالت ديگر ترميم و ضخيم شدن لايه اکسيدي رخ نمي دهد.

در عمل ممکن است تعدادي از فرايندهاي ذکر شده به صورت همزمان در سطح الکترود انجام شوند که اين امر باعث مي شود سيستمي چهار فازي از فلز- الکتروليت- اکسيد- گاز با مرزهاي فازي متعددي بوجود آيد. دو فاز با هدايت الکتريکي پايين (گاز و اکسيد) تشکيل مي شوند که عامل اصلي افت ولتاژ در سل الکتروليز مي باشند.

پارامترهاي کانال تخليه

همزماني و ترکيب فرايندهاي الکتروشيميايي و شدت ميدان الکتريکي حاصله، پارامترهاي تخليه متفاوتي را براي فرايند پلاسما الکتروليز بوجود مي آورد. دماي تخليه الکتريکي بين 800 تا 3000 کلوين، 3000 تا 6000 کلوين و 10000 تا 20000 کلوين تخمين زده شده است. اين تفاوت به خاطر ساختار پيچيده کانال تخليه است. هسته مرکزي کانال تخليه نيز دمايي در حدود 6800 تا 9500 کلوين دارد که توسط محيطي با دماي 1600 تا 2000 کلوين احاطه شده است. قطر کانال تخليه و ضخامت منطقه گرم شده به ترتيب 1 تا 10 و 5 تا 50 ميکرومتر تخمين زده شده است[1].

تکنولوژي پلاسما الکتروليتي

در فناوري پلاسماي الکتروليتي از ميکروتخليه هاي قوس پلاسما در محلول آبي جهت يونيزه کردن محيط هاي گازي استفاده مي شود که اين محلول ها ترکيبات پيچيده‌اي هستند که در سطح فلز در خلال اندرکنش هاي شيميايي پلاسما ذرات نفوذي را ايجاد مي کنند. پارامترهاي فرآيند و نتايج حاصله با اين روش ها تحت يک گروه متمايز از فرآيندهاي مهندسي سطح قرار مي گيرند که اين به واسطه حضور دو پديده خاص در همگي آن ها مي باشد. اول آن که، الکتروليز يک محيط آبي با استفاده از اختلاف پتانسيل الکتريکي بين قطعه کاري و يک الکترود صورت مي پذيرد. دومين شباهت کلي، ايجاد يک تخليه الکتريکي در سطح قطعه کاري يا در نزديکي قطعه کاري مي باشد[1].

تجهيزات دستگاهي

دستگاه هاي فرايند PED شامل يک سل الکتروليز و يک منبع قوي توليد برق است. سل الکتروليز معمولاً خنک شونده با گردش آب و از جنس فولاد زنگ نزن است و نقش کاتد را هم ايفا مي کند. تجهيزات تصفيه و بازيابي الکتروليت، هم زدن الکتروليت و خروج گازهاي توليدي نيز در محفظه سل الکتروليز قرار دارد. انواع مختلف منابع توليد برق در فرايند الکتروليز پلاسمايي مورد استفاده قرار مي گيرد که در ادامه به آنها اشاره شده است. در شکل 4 شماتيک باز سيستم پوشش دهي به روش اکسيداسيون پلاسما الکتروليتي و در شکل 5 نمايي از تجهيزات مربوطه نشان داده شده است [1].

منابع جريان مستقيم

اين منابع معمولاً برمبناي يک مدار پل ديودي مي باشد و امکان کاربرد در شرايط پتانسيواستاتيک را فراهم مي کند. در اين حالت که جريان تثبيت نمي شود، امکان کنترل فرآيند PEO محدود مي شود. زيرا مشکلاتي در قانونمند کردن ويژگي هاي سطح تخليه وجود دارد. به واسطه چنين عللي منابع نيرو DC تنها براي اجزاء داراي شکل ساده و پوشش هاي نازک به کار مي روند. با تغيير پارامترهاي اعمالي مي توان نانو ساختار و در نتيجه خواص نهايي را نيز تغيير داد.

منابع جريان مستقيم پالسي

استفاده از جريان مستقيم پالسي، کنترل قطع و وصل فرايند و در نتيجه مدت قوس الکتريکي را قابل کنترل ساخته است. اين دو عامل، کنترل شرايط حرارتي را در حين فرايند و در نتيجه ساختار و ترکيب لايه پوشش مقدور مي سازد. اما جريان پالسي، پلاريزاسيون اضافي الکترود را افزايش مي دهد، در نتيجه براي رسيدن به دانسيته جريان مطلوب به ولتاژهاي بسيار بالا (1000 ولت) احتياج است. جريان مستقيم پالسي معمولاً در فرايندهاي PES جايي که ولتاژ کاري خيلي بالا نيست (کمتر از 450 ولت) مورد استفاده قرار مي گيرد.

منابع جريان دوقطبي

اگر تغييرات پالس در هر دو الکترود (آند و کاتد) قابل تنظيم باشد، جريان پالسي به دست آمده، جريان پالسي دو قطبي ناميده مي شود. چنانکه فرآيند پلاسماي الکتروليتي در محدوده فرکانسي کيلوهرتز و با جريان پالسي دو قطبي اعمال شود، کنترل بهتري بر تخليه الکتريکي پلاسما در سطح نمونه اعمال مي شود. چگونگي عملکرد سيستم پالسي دو قطبي به اين صورت است که در ابتداي فرآيند پوشش نازک است و مقاومت سيستم کم است. در اين حالت لبه تيز هر پالس ولتاژ باعث پيک جريان بالايي مي شود. اين جريانها باعث تسهيل در به وجود آمدن تخليه الکتريکي ميکروپلاسما در سطح نمونه مي شود و عامل يونيزاسيون است. در اين حالت تخليه الکتريکي بزرگي توسط يونيزاسيون حرارتي با جريان DC ايجاد مي شود و عامل انتقال يون به سطح نمونه است. سرعت رشد پوشش مي تواند به10ميکرون بر دقيقه در پنج دقيقه اوليه عمليات برسد. پس در 5 دقيقه اول عمليات تشکيل لايه چگال کامل مي شود و پس از آن حالت پايداري سيستم را شاهد هستيم.

در فرآيند نيتروکربوراسيون فولاد ضد زنگ با روش پلاسماي الکتروليتي ديده شده است که در محدوده فرکانس 1 تا 3 کيلوهرتز سرعت رشد لايه از نيم تا 1 تا 6/1 تا 2/3ميکرون بر دقيقه افزايش مي يابد و حجم لايه خارجي متخلخل از 25 تا 10 درصد از کل ضخامت لايه در مقايسه با فرآيند پالسي تک قطبي کاهش پيدا مي‌کند. اين حالت، امکان کنترل بهتر فرآيندهاي شيميايي پلاسما در حد فاصل فلز- الکتروليت را ايجاد مي کند و اثرات نامطلوب ايجاد شده تحت شرايط تخليه الکتريکي را از بين مي برد.

منابع جريان متناوب نامتقارن

با استفاده از منابع توليد جريان متناوب مي توان از ايجاد پلاريزاسيون اضافي الکترود جلوگيري کرد، در حالي که امکان قطع و وصل کردن قوس الکتريکي و کنترل فرايند هنوز وجود دارد. استفاده از جريان متناوب نامتقارن(دامنه مولفه هاي مثبت و منفي نا مساوي) محدوده کنترل نشاندن پوشش را گسترش مي دهد. از اين منابع تغذيه، بيشتر در فرايندهاي PEO استفاده مي شود. محدوديت در توان اعمالي و فرکانس جريان، از معايب اين منابع تغذيه است.

منابع جريان پالسي با قطب ناهمگن

براي رسيدن به پتانسيل اعمالي بالاتر و دامنه وسيعتري از فرکانس از اين منابع جريان استفاده مي شود. اين منابع برمبناي مبدل هاي معکوس ترانزيستوري يا تريستوري مي باشند. تنها مشکل اين منابع، هزينه بالاي ساخت آنها است.

انتخاب الکتروليت

انتخاب الکتروليت مناسب يکي از مهمترين پارامترها براي رسيدن به پوشش مناسب است که با توجه به فلز زيرلايه و خواص نهايي پوشش انتخاب مي شود. محلول هاي کلوئيدي سيليکات سديم و سيليکات پتاسيم به طور گسترده اي در فرايندهاي PEO مورد استفاده قرار مي گيرند. علاوه بر سيليکات ها، ترکيباتي براي افزايش هدايت يوني محلول بکار مي روند. مثل NaF با غلظت 5/0 تا 20 گرم بر ليتر و يا KOH و NaOH با غلظت 1 تا 50 گرم بر ليتر. براي اهداف خاص نيز پودرهاي بسيار ريز از مواد سخت با نقطه ذوب بالا و يا مواد رنگي (براي خواص نوري) به الکتروليت افزوده مي شود.

انتخاب الکتروليت براي فرآيند PEO نياز به بررسيهاي عميقي دارد. به عنوان يک مثال در فرايند نيتروکربورايزينگ الکتروليت متشکل از ترکيبات آلي داراي نيتروژن و کربن و 5 الي 10 درصد محلول هدايت کننده، به عنوان مثال H2O+KCl مي باشد. بنابراين، فرم آميد، اتانول آمين و کرباميد به صورت متداول براي فرآيندهاي نيتروژن- کربن دهي مورد استفاده قرار مي گيرند. معمولاً درصد آب در محلول بر پارامترهاي الکتريکي مؤثر مي باشد، بدين شکل که کمتر از 5 درصد H2O سبب افزايش ولتاژ بحراني براي پايداري پوشش پلاسما و بيش از 10 درصد H2O منجر به افزايش شديد شيب منحني دما برحسب ولتاژ مي گردد.

در مواردي نيز الکتروليت اسيدي استفاده مي شود. اين اسيدها عموماً شامل اسيدسولفوريک، اسيدنيتريک، اسيدکلريدريک، اسيدفسفريک، اسيد کروميک، اسيداگزاليک و يا ترکيبي از آنهاست. اگر الکتروليت بازي استفاده شود، هيدروکسيد فلزاتي، همچون سديم، پتاسيم، کلسيم يا منيزيم استفاده مي شوند. به همراه آنها سيليکات فلز و آلومينات براي کاهش تخلخل، بهبود وضعيت نهايي سطح و بهبود مقاومت به خوردگي نيز اضافه مي شود. در اين موارد pH الکتروليت مي بايست، 13-8 باشد. در تمام اين موارد، مواد اضافه شده به حمام کاملاً آبي هستند و معمولاً حدود 1 تا 10 گرم در ليتر مي باشند. به همين ترتيب براي عمليات بور دهي نيز الکتروليت حاوي يونهاي بور بايد مورد استفاده قرار گيرد[1].

مراحل رسوبگذاري

با توجه به سادگي PED، اين عمليات از لحاظ اقتصادي نسبت به روش هاي الکتروپليتينگ و رسوب گذاري تخت خلا بسيار مقرون به صرفه است. آماده سازي نمونه نيز شامل تميز کردن و چربي گيري نمونه است.

مراحل ديگري مثل اچ کردن و يا آماده سازي سطح لازم نيست. براي نشاندن پوشش، نمونه ها به منبع انرژي متصل مي شوند و به داخل الکتروليت و در ارتفاع 30 تا 50 ميليمتر پايين تر از سطح الکتروليت فرو برده مي شوند.

ميله فلزي با روکش پلاستيکي براي نگهداشتن نمونه ها استفاده مي شود. بعد از فعال کردن سيستم هاي خنک کننده، هم زن و تهويه، ولتاژ کاري به پيل الکتروليز اعمال مي شود. پارامترهاي اصلي مثل جريان متوسط، ولتاژهاي آندي- کاتدي و دماي الکتروليت ثبت مي شود. با توجه به روش (PEO/PES)، نحوه کنترل و مانيتور کردن فرايند متفاوت است[1].

نحوه کنترل فرايند

دانسيته جريان پارامتر اصلي است که بايد در فرايند PEO کنترل شود. معمولاً براي رسيدن به بهترين شرايط در پلاسما الکتروليز، دانسيته جريان در محدوده 01/0 تا 3/0 آمپر بر سانتيمتر مربع تنظيم مي شود. طبق قانون اول فارادي، دانسيته جريان سرعت رشد پوشش را مشخص مي کند. با افزايش ضخامت پوشش، ولتاژ در ابتدا به سرعت افزايش مي يابد و با برقراري شرايط پايا، افزايش آن کند مي شود. سرعت بحراني تغييرات ولتاژ، متناسب با تشکيل جرقه هاي الکتريکي بر روي سطح الکترود است (U5 در شکل 3). که مقدار آن به شدت به ويژگي هاي ترکيب فلز- الکتروليت بستگي دارد و معمولاً اندازه آن بين 120 تا 350 ولت است. در مرحله اول فرايند، جرقه هايي سفيد رنگ و يکنواخت اطراف الکترود بوجود مي آيد. با ادامه فرايند، جرقه هاي زرد رنگ پراکنده اي که به سرعت در سطح الکترود حرکت مي کنند ديده مي شود (U6 در شکل 3). به تدريج دانسيته جرقه ها کمتر مي شود اما انرژي آنها افزايش مي يابد. در نهايت تعداد کمي قوس قرمز رنگ در سطح نمونه ديده مي شود (U7 در شکل 3). قوس هاي الکتريکي قوي باعث نوسانات جريان و در نهايت تخريب لايه تشکيل شده مي شوند. با رويت قوس هاي الکرتيکي قوي، فرايند سريعاً متوقف مي شود.

مکانيزم رشد لايه اکسيدي

در رابطه با رشد لايه اکسيدي با استفاده از تکنيک اکسيداسيون پلاسما الکتروليتي، دو مکانيزم وجود دارد. مکانيزم اول رشد لايه بيروني به سمت سطح پوشش از طريق ميکرو جرقه ها که شامل خروج فلز مذاب و انجماد آن مي باشد و مکانيزم دوم رشد لايه داخلي به سمت زمينه که بواسطه نفوذ اکسيژن مي باشد[15].

در شکل6 شماتيک رشد پوشش در سطح منيزيم با استفاده از تکنيک اکسيداسيون پلاسما الکتروليتي نشان داده شده است. با توجه به شکل، با پوشانده شدن سطح توسط لايه عايق اکسيدي، ولتاژ بين زمينه و الکتروليت با رشد لايه اکسيدي افزايش مي يابد و در طي چند ثانيه ولتاژ افزايش زيادي پيدا ميکند(b) . ولتاژ به اندازه اي افزايش مي يابد که يک تخليه پلاسما ميکروسکوپي، پوشش را شکسته و تعداد زيادي از جرقه هاي پلاسما ريز با عمر کم توليد مي شوند (c) . در واقع اين جرقه ها که در اثر تخليه جريان صورت مي گيرند، منجر به ايجاد پلاسمايي مي شوند که داراي دما و فشار بالايي بوده و منجر به رشد لايه اکسيدي مي شوند. مهمترين واکنش هاي الکتروشيميايي در فصل مشترک الکتروليت و پوشش رخ مي دهد. مکانيزم پلاسما در سطح داراي ماهيت پيچيده اي مي باشدکه از يک طرف شامل انتقال بار در فصل مشترک الکتروليت و زمينه واز طرف ديگر يونيزاسيون شديد و اثرات انتقال بار بين سطح فلز زمينه و الکتروليت اطراف لايه اکسيدي تحت پلاسما مي باشد. از جمله اثرات تخليه ناشي از پلاسما، توسعه فرايندهاي متالورژيکي در رشد لايه اکسيدي مي باشد که از طريق آزاد شدن گرما در کانال هاي تخليه ايجاد مي شود. اکسيد ذوب شده حاصل از فصل مشترک زمينه و پوشش به سطح پوشش حرکت کرده و در طي تماس با الکتروليت منجمد و کريستاله مي شود (d) .

نکات مهم در حين انجام تحقيقات:

در طي انجام تحقيقي در رابطه با افزايش مقاومت به خوردگي کاشتني هاي منيزيمي با استفاده از پوشش هاي کامپوزيتي حاصل از تکنيک پلاسما الکتروليتي، به نکاتي پي برده شد که تنها در هنگام انجام آزمايشات عملي حاصل مي شود و کمتر در منابع و مقالات به آنها اشاره مي شود. لذا در نظر گرفتن اين نکات مي تواند تا حدودي از مشکلات کار در حين پوشش دهي را کم کند که دراين قسمت به طور خلاصه به ذکر اين نکات پرداخته مي شود. اميد آنکه مورد استفاده خوانندگان محترم قرار گيرد.

ترتيب جرقه زني:

رشد پوشش با استفاده از تکنيک پلاسما الکتروليتي همراه با جرقه زني در سطح نمونه مي باشد که از طريق کانال هاي تخليه ايجاد مي گردند. ترتيب جرقه زني براي داشتن يک پوشش مناسب را مي توان بدين صورت تشريح نمود که در ابتدا با افزايش ولتاژ جرقه هاي سفيد رنگي در سطح ايجاد مي شوند. اين جرقه ها بسيار ريز بوده و عمر کمي دارند. با افزايش زمان و همچنين افزايش ولتاژ بر تعداد جرقه هاي سفيد افزوده شده و اين در حالي است که اندازه جرقه ها نيز افزايش مي يابند. به همين صورت با گذشت زمان جرقه هاي ريز نارنجي رنگ جايگزين جرقه هاي سفيد شده و بعد از گذشت زمان جرقه هاي سفيد کاملا حذف مي شوند و جرقه هاي نارنجي رنگ افزايش مي يابند. بسته به شرايط پوشش دهي با افزايش ولتاژ از دانسيته جرقه هاي کاسته شده و کلفت تر مي شوند. در اين موقع مي توان گفت که فرايند پوشش دهي کامل شده و لايه اکسيدي به حداکثر رشد مفيد خود رسيده است. از اين زمان به بعد از تعداد جرقه ها کاسته شده و لايه اکسيدي ايجاد شده در بهترين حالت خود بوده و در صورتي که با گذشت زمان ولتاژ ثابت بود، بهتر است که جريان را قطع نموده و نمونه را خارج نماييم. در واقع چنانچه اين رويه در حين پوشش دهي مشاهده شود، مي توان اطمينان حاصل کرد که دستگاه به خوبي جريان و ولتاژ را تامين مي نمايد.

نحوه اتصال نمونه به سيم:

با توجه به ولتاژ بالايي که در اين روش در حين فرايند پوشش دهي تخليه مي شود، محل اتصال سيم به نمونه مهم بوده و در صورت ناقص بودن، فرايند پوشش دهي ناتمام مي ماند. لذا از جمله روش هاي آسان براي اين کار استفاده از سيم مسي روکش دار به قطر 1 ميلي متر مي باشد. جهت اتصال سيم به نمونه مي توان با استفاده از اره آهن بر در پشت نمونه شياري به ضخامت تيغه اره ايجاد نمود. در اينصورت سيم مسي به صورت کاملا چسبيده در داخل شيار قرار مي گيرد. سپس قسمتي از سيم که بدون روکش است و در داخل شيار قرار گرفته است را مي توان با استفاده از چسب دوجزئي سخت شونده با اسپري ( اصطلاحا چسب 3،2،1 ) عايق کاري کرد تا در حين فرايند پوشش دهي تماس با محلول الکتروليت نداشته باشد.

عدم استفاده مکرر از محلول الکتروليت:

محلول الکتروليت از جمله پارامتر هاي موثر در ايجاد لايه هاي اکسيدي با کيفيت بالا مي باشد. نکته اي که در اين رابطه مي بايست در نظر گرفته شود اينکه بعد از ساخت محلول الکتروليت حتما pH آن با استفاده از دستگاه pH متر بررسي شود. بهتر است در يک محلول بيش از سه بار پوشش دهي انجام نشود. همچنين در صورتيکه محلول جديد ساخته شد و در زمان ديگري قرار است پوشش دهي انجام شود حتما محلول در ظرف دربسته نگهداري شود و مهم تر اينکه در صورت گذشت زمان بيش از 10 روز از ساخت محلول، ترجيحا از محلول استفاده نشود زيرا احتمال زيادي وجود دارد که pH آن تغيير کرده باشد و يا در هر صورت تغييري در ترکيب شيميايي محلول الکتروليت ايجاد شده باشد که نتيجتا فرايند پوشش دهي به خوبي انجام نمي شود.

برای اشنایی بیشتر با ارسال کننده مقاله به سایت نشریه پیام آبکار مراجعه نمایید

کلیک کنید