تأثیر عملیات نیتراسیون گازی بر رفتار خوردگی پوشش TiO2 ایجادشده به‌روش اکسیداسیون الکترولیتی پلاسمایی

مهندسی متالورژی و مواد

مقاله 8، دوره 32، شماره 1 - شماره پیاپی 23، اسفند 1399، صفحه 93-110   

نوع مقاله: علمی و پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/ma.v32i1.81474

نویسندگان

حسن بختیاری زمانی¹؛ احسان صائب نوری^{* 2}؛ سیدعلی حسن زاده تبریزی¹؛ فاطمه سلحشوری³

¹مرکز تحقیقات مواد پیشرفته، دانشکده مهندسی مواد، واحد نجف‌آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف‌آباد، ایران.

²مرکز تحقیقات مواد پیشرفته، دانشکده مهندسی مواد، واحد نجف آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف آباد، ایران.

³دانشگاه آزاد اسلامی واحد نجف آباد

چکیده

هدف این پژوهش بررسی رفتار خوردگی پوشش دوپلکس TiO₂-N ایجادشده به‌روش اکسیداسیون پلاسمای الکترولیتی و نیتراسیون گازیاست. در مرحله اول، عملیات پوشش‌دهی به‌روش اکسیداسیون الکترولیتی پلاسمایی در الکترولیت حاوی ترکیبات سدیم کربنات و سدیم هیدروکسید برای تشکیل TiO₂ انجام شد. در فرایند دوم پوشش‌دهی، فلز تیتانیم همراه با پوشش اکسید تیتانیم درون کورۀ تیوبی با دمای  1000 به‌مدت 6ساعت نیتروره شدند تا خواص خوردگی پوشش‌های به‌دست‌آمده باهم مقایسه شود. از آزمون‌های تفرق اشعه‌ایکس برای فازیابی، میکروسکوپ الکترونی روبشی برای ارزیابی مورفولوژی و ساختار سطح و مقطع پوشش‌ها و پلاریزاسیون پتانسیودینامیک همراه با طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی نیز برای بررسی رفتار خوردگی استفاده شد. نتایج آزمون پراش اشعه‌ایکس نشان داد که پوشش اکسید تیتانیم از فاز روتیل و نمونه‌های نیتروره‌شده از فازهای نیترید تیتانیم و TiO_0.34N_0.74تشکیل شده‌اند. مورفولوژی پوشش‌ها نشان داد که پوشش نمونۀ اکسید تیتانیم دارای میکرو حفراتی مشهور به ساختار پنکیکی با قطر 1/4 میکرون بر روی سطح است. همچنین مورفولوژی سطحی پوشش اکسید تیتانیم نیتروره‌شده حاکی از تغییر جزئی در سطح و کاهش قطر حفرات به اندازۀ 8/2 میکرون است که دلیل آن نفوذ نیتروژن در پوشش اکسید تیتانیم است. در پایان نیز نتایج امپدانس و پلاریزاسیون مشخص کرد که نمونه اکسید تیتانیم به‌دلیل ساختار عایق و متراکم اکسیدی مانع از انتقال بیشتر یون خورنده به سطح فلز شده و مقاومت آن نسبت به دیگر نمونه‌ها تا 10برابر بهبود یافته است.

کلیدواژه‌ها

اکسیداسیون الکترولیتی پلاسما؛ نیتراسیون گازی؛ اکسید تیتانیم؛ نیترید تیتانیم؛ ساختار پنکیکی؛ رفتار خوردگی

سایر فایل های مرتبط با مقاله

8-Saebnoori - checked.pdf

مراجع

.      م. شکوه‌فر، چ. دهقانیان، م. منتظری، «اعمال پوشش به‌روش اکسیداسیون الکترولیتی پلاسمایی روی تیتانیم در دو الکترولیت مختلف و بررسی رفتار خوردگی آن»، چهارمین همایش مشترک انجمن مهندسان متالورژی و جامعه علمی ریخته‌گران ایران، ص 2602-2616، تهران، (1389).

2.    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, Vol. 258, pp. 1223-1231, (2014).

3.    آ. فتاح الحسینی، س. ا. گشتی، «بررسی رفتار الکتروشیمیایی تیتانیم خالص تجاری در محلول‌های اسید سولفوریک»، علوم و مهندسی سطح، شماره 21، ص 21-31، (1393).

4.    Alves de Souza, K., Robin, A., "Influence of concentration and temperature on the corrosion behavior of titanium, titanium-20 and 40 % tantalum alloys and tantalum in sulfuric acid solutions", Materials Chemistry and Physics, No. 103, Vol. 103, pp. 351–360, (2007).

5.    Gonza´lez, J. E. G., Mirza-Rosca, J. C., "Study of the corrosion behavior of titanium and some of its alloys for biomedical and dental implant applications", Journal of Electroanalytical Chemistry, No. 471, Vol. 471, pp. 109–115, (1999).

6.    Petit, J. A., Chatainier, G., Dabosi, F., "Inhibitors for the corrosion of reactive metals: titanium and zirconium and their alloys in acid media", Corrosion Science, No. 21, Vol. 21, pp. 279-299, (1981).

7.    س. شکاری مکی‌آبادی نژاد، م. رشیدی هویه، م. گشتاسبی راد، «آندایزینگ تیتانیم و بررسی عوامل مؤثر بر ضخامت و رنگ اکسید آن»، بیست‌ویکمین کنفرانس اپتیک و فوتونیک ایران و هفتمین کنفرانس مهندسی و فناوری فوتونیک ایران، ص 689-692، دانشگاه شهید بهشتی، (1393).

8.    Şerban, V., Roşu, R. A., Bucur, A. I., Pascu, D. R., "Deposition of titanium nitride layers by electric arc reactive plasma spraying method", Applied Surface Science, Vol. 265, pp. 245-249, (2013).

9.    Kim, S., Lee, S., Kwak, S., Kim, C., Kim, K., "Nano porous anodic oxidation titanium enhances cell proliferation and differentiation of immortalized mouse embryonic cells", Surface and Coatings Technology, Vol. 228, pp. S37-S40, (2013).

10.  Harada, Y., Kumai, S., "Effect of ceramics coating using sol–gel processing on corrosion resistance and age hardening of AZ80 magnesium alloy substrate", Surface and Coatings Technology, Vol. 228, pp. 59-67, (2013).

11.  Lukaszkowicz, K., Czyzniewski, A., Kwasny, W., Pancielejko, M., "Structure and mechanical properties of PVD coatings deposited onto the X40CrMoV5-1 hot work tool steel substrate", Vacuum, Vol. 86, pp. 1186-1194, (2012).

12.  م. رکنیان، آ. فتاح الحسینی، س. ا. گشتی، «بررسی رفتار خوردگی پوشش سرامیکی ایجادشده به روش اکسیداسیون الکترولیتی پلاسمایی روی زیرلایه تیتانیم خاص تجاری در محیط شبیه‌سازی بدن»، علوم و مهندسی خوردگی، شماره 12، ص 59- 70، (1395).

13.  ا. دانش پژوه، آ. زارع بیدکی، م. حاجی صفری، «بررسی تأثیر زمان فرایند اکسیداسیون الکترولیتی پالسمایی بر رفتار خوردگی آلیاژ 13Zr-13Nb-Ti در محلول رینگر هوازدایی‌شده»، فرایندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 11، شماره 2، ص 147-155، (1396).

14.  Gu, W. C., Lv, G. H., Chen, H., Chen, G. L., Feng, W. R., Zhang, G. L., Yang, S. Z., "Investigation of morphology and composition of plasma electrolytic oxidation coatings in systems of Na₂SiO₃–NaOH and (NaPO₃)₆–NaOH", journal of material processing technology, No. 182, pp.28-33, (2007).

15.  Gnedenkov, S. V., Khrisanfova, O. A., Zavidnaya, A. G., Sinebrukhov, S. L., Kovryanov, A. N., Scorobogatova, T. M., Gordienko, P. S., " Production of hard and heat-resistant coatings on aluminium using a plasma micro-discharge", surface and coatings technology, No. 123, pp. 24-28, (2000).

16.  lian, J., Luo, Z., Qi, S., Sun, X., "stracture antiwear behavior of micro-arc oxidation coating on aluminium alloy", surface and coatings technology, No. 154, pp. 1-7, (2007).

17.  Lv, G., Gu, W., Chen, H., Feng, W., Khosa, M. L., Erwu, L. L., Zhang, N. G., Yang, S. Z., "Characteristic of ceramic coatings on aluminum by plasma electrolytic oxidation in silicate and phosphate electrolyte", applied surface science, No. 253, pp. 2974-2952, (2006).

18.  Curran, J. A., Clyne, T.W., "Thermo-physical properties of plasma electrolytic oxide coatings on aluminium", surface and coatings technology, No. 199, pp.168-176, (2005).

19.  Matykina, E., Berkani, A., Skeldon, P., Thompson, G. E., "Real- time imaging of coating growth during plasma electrolytic oxidation of titanium", Electrochimica Acta, No.53, pp.1987–1994, (2007).

20.  علم‌خواه، ح، «ایجاد پوشش‌های نانوساختار TiN بر روی فولاد AISI H₁₁ نیتروژن‌دهی پلاسمایی‌شده با استفاده از روش PACVD»، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه تربیت مدرس، (1388).

21.  Zhecheva, A., Sha, A., Malinov, S., Long, A., "Enhancing the microstructure and properties of titanium alloys through nitriding and other surface engineering methods", Surface & Coatings Technology, No.200, pp.2192 – 2207, (2005).

22.  Zukalova, M., Prochazka, J., Bastl, Z., Duchoslav, J., Rubacek, L., Havlicek, D., Kavan, L., "Facile Conversion of Electrospun TiO₂ into Titanium Nitride/Oxynitride Fibers", Chem. Mater, No. 22, pp. 4045–4055, (2010).

23.  Maleki-Ghaleh, H., Khalil-Allafi, J., Aghaie, E., Siadat, M. H., "Effect of TiO₂–Ti and TiO₂–TiN composite coatings on corrosion behavior of NiTi alloy", Surface and Interface Analysis, Vol. 47, pp. 99–104, (2015).

24.  نیازی، ح و گلستانی‌فرد، ف و شاهمیری، م، «افزایش مقاومت به خوردگی موضعی تیتانیم خالص تجاری در محیط اسید سولفوریک با استفاده از روش اکسیداسیون پلاسمای الکترولیتی»، مواد نوین، جلد 6، شماره 2، ص 127-138، (1394).

25.  Xiaohong, W., Zhaohua, J., Huiling, L., Shigang, X., Xinguo, H., "Photo-catalytic activity of titanium dioxide thin films prepared by micro-plasma oxidation method", Thin Solid Films, No. 441, pp.130–134, (2003).

26. Bok Lee, D., Pohrelyuk, I., Yaskiv, O., Lee, J. C., "Gas nitriding and subsequent oxidation of Ti-6Al- 4V alloys ", Nanoscale Research Letters, Vol. 7, No. 21, pp. 1-5, (2012).

27.  Perillo, P. M., "Corrosion Behaviour of Titanium Nitride Coating on Titanium and Zircaloy-4", American Journal of Materials Science and Application, No. 3, Vol. 2, pp. 18-25, (2015).

28.  احمدپور، ا، حقیقی اصل، ع، فلاح، ن، «سنتز نانو دی‌اکسید تیتانیم دوپ شده با نیتروژن به‌منظور مدل‌سازی تصفیه فتوکاتالیستی پساب اسپنت کاستیک صنایع پتروشیمی در نور مرئی با استفاده از روش طراحی آزمایش»، شیمی کاربردی، دوره 12، شماره 42، ص 253-285، (136).

29.  علی‌اف خضرایی، م ، بخشی، ر ، مرادی، م.ح ، صبور روح‌اقدم، ع، «پوشش‌های اکسیدی نانو ساختار»، فدک ایساتیس، تهران، (1394).

30.  Li, H., Cui, Z., Li, Z., Zhu, S., Yang, X., "Surface modification by gas nitriding for improving cavitation erosion resistance of CP-Ti", Applied Surface Science, No. 298, pp.164–170, (2014).

31. ح. ر. باقری، م. علی‌اف خضرایی، ه. فخرنبوی، م. قیطانی، ح. ر. مسیحا، ع. ر. صبور روح اقدم، «بررسی اثر نانوبلوری‌سازی بر تغییر خواص پوشش اکسیداسیون پالسمایی الکترولیتی آلیاژ AZ31B»، فصلنامه علوم و مهندسی خوردگی، شماره 9، ص 77-89، (1395).

32.  Yu, S., "Corrosion Resistance of Titanium Alloys", in Corrosion: Fundamentals, Testing, and Protection, ed: ASM International, Vol. 13A, pp. 703–711, (2003).

33.  کریم‌زاده، ن، «بررسی رفتار خوردگی و تریبوخوردگی فولاد زنگ‌نزن 316 تحت عملیات تیتراسیون پلاسمایی و نیتراسیون- اکسیداسیون پلاسمایی»، دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه آزاد اسلامی واحد نجف‌آباد، (1391).

34.  شریفی، ح، علی‌اف خضرایی، م، عرفانی‌فر، ا، صبور روح‌القدم، ع، «بررسی مورفولوژی و خواص خوردگی پوشش‌های نانوکامپوزیتی اکسیداسیون پلاسمایی الکترولیتی تشکیل‌شده در الکترولیت حاوی پنی‌سیلین بر روی تیتانیم»، علوم و مهندسی خوردگی، شماره 7، ص 45-56، پاییز، (1394).

35.  Tsunekawa, S., Aoki, Y., Habazaki, H., "Two-step plasma electrolytic oxidation of Ti–15V–3Al–3Cr–3Sn for wear-resistant and adhesive coating", Surface & Coatings Technology, No. 205, pp. 4732–4740, (2011).

36.  مولایی، م، فتاح الحسینی، آ، گشتی، س.ا، «بررسی ریزساختار و رفتار خوردگی پوشش سرامیکی ایجاد‌شده به‌روش اکسیداسیون الکترولیتی پلاسمایی روی سطح آلیاژ آلومینیوم 2024»، علم و مهندسی سرامیک، دوره 5، شماره 1، ص 23-33، بهار، (1395).

37.  Venkateswarlu, K., Rameshbabu, N., Sreekanth, D., Bose, A. C., Muthupandi, V., Subramanian, S., "Fabrication and characterization of micro-arc oxidized fluoride containing titania films on Cp Ti", Ceramics International, No.39, pp.801–812, (2013).

38.  شکوه‌فر، م، دهقانیان، چ، «اعمال پوشش اکسیدی به‌روش اکسیداسیون الکترولیتی پلاسمایی روی تیتانیم در الکترولیت‌های پایه کربناتی و بررسی رفتار خوردگی»، مهندسی متالورژی، شماره 38، ص 63-69، تابستان، (1389).

39. Li, Q., Liang, J., Wang, Q., "Plasma Electrolytic Oxidation Coatings on Lightweight Metals", Modern Surface Engineering Treatments, ed. By M. Aliofkhazraei, pp.75-99, Intech, (2013).

40.  حسینی، م، احدزاده، ا، «طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی(EIS)- مبانی و کاربردها»، انجمن خوردگی ایران، تهران، (1390).