metallurgydata متالورژی دیتا

متالورژی،نانو،ریخته گری،مدلسازی،جوشکاری،فرج،متالوگرافی،بیومتریال،ایمنی صنعتی،استخراج،عملیات حرارتی،فلزات،مهندسی مواد،خوردگی،دیرگداز

metallurgydata متالورژی دیتا

متالورژی،نانو،ریخته گری،مدلسازی،جوشکاری،فرج،متالوگرافی،بیومتریال،ایمنی صنعتی،استخراج،عملیات حرارتی،فلزات،مهندسی مواد،خوردگی،دیرگداز

metallurgydata       متالورژی دیتا

به لطف خدا،metallurgydata کاملترین و پر بازدیدترین(آمار حقیقی و قابل باز دید)مرجع اطلاعات مواد و متالورژی با بیش از 1200 عنوان ،شامل هزاران متن،کتاب،تصویر،فیلم تخصصی در خدمت شما می باشد.پاسخ به سئوالات و مشاوره رایگان با تجربه20 سال تحقیق و مطالعه در شاخه های مختلف متالورژی.
http://kiau.ac.ir/~majidghafouri
09356139741:tel
ghfori@gmail.com
با عرض تقدیر و تشکر از توجه و راهنمایی کلیه علاقمندان
با ctrl+f موضوعات خود را در متالورژی دیتا پیدا کنید

پیامرسان تلگرام: metallurgydata@

بارکد شناسایی آدرس متالورژی

اکسیداسیون پلاسمای الکترولیتی

مشخصات ولتاژ-جریان در پلاسمای الکترولیتی

پدیده الکترولیز

همانطورکه می دانیم الکترولیز در محلول های آبی توسط فرایندهای الکترودی انجام می شود(شکل1). واکنش های اصلی در سطح اند، آزاد شدن اکسیژن گازی و(یا) اکسیداسیون فلز می باشد. بسته به نسبت اکتیویته شیمیایی الکترولیت به فلز، فرایند اکسیداسیون می تواند منجر به حل شدن سطح یا شکل گیری لایه اکسیدی شود. در سطح کاتد نیز هیدروژن گازی شکل و(یا) احیا کاتیون صورت می گیرد. در هنگام مطالعه یک فرایند الکترولیتی متداول( نظیر آبکاری الکتریکی، ماشینکاری الکتروشیمیایی، آندایزینگ و...) فرایندهای الکترودی معمولاً بصورت مدلی ساده در نظر گرفته می شوند که در آن فصل مشترک الکترود- الکترولیت را می توان بوسیله سیستمی دو فازی( یعنی الکترولیت- فلز یا اکسید- الکترولیت) با مرز تک فازی شامل لایه بار مضاعف نشان داد.

فرایندهای جانبی همزمان با فرایندهای فوق(نظیر آزاد شدن گاز) یا نادیده گرفته شده و یا بوسیله فاکتورهای تصحیح خاصی نظیر ضرایب "بازده جریان" یا "محافظ الکترود" محاسبه می شوند. ولی در بسیاری از موارد نظیر سیستمهای پلاسمای الکترولیتی کار به این سادگی نبوده و نتایج حاصل از عملیات تحت تاثیر فرایندهای اتفاق افتاده در محیط گازی پیرامون الکترود و(یا) در لایه های سطحی آن قرار دارند.

http://s2.picofile.com/file/8288720218/%D8%A7%DA%A9%D8%B3%DB%8C%D8%AF%D8%A7%D8%B3%DB%8C%D9%88%D9%86_%D9%BE%D9%84%D8%A7%D8%B3%D9%85%D8%A7%DB%8C_%D8%A7%D9%84%DA%A9%D8%AA%D8%B1%D9%88%D9%84%DB%8C%D8%AA%DB%8C_2_.jpg 

شکل1-واکنش های الکترودی در الکترولیز محلول های آبی.

مشخصه های ولتاژ-جریان در فرایند PEO

فرایندهای یاد شده فوق تحت تاثیر نمودار ولتاژ- جریان سیستم الکتروشیمیایی(شکل2) قرار دارند. نمودار ولتاژ- جریان نوع a  یک سیستم فلز- الکترولیت با آزاد شدن گاز برروی سطح آند یا کاتد را نشان می دهد.  نوع b مربوط به سیستمی است که در آن لایه اکسیدی تشکیل می گردد. در ولتاژهای نسبتاً پائین، سینتیک فرایندهای الکترودی برای هر دو سیستم از قوانین فارادی تبعیت کرده و مشخصات ولتاژ- جریان سلول مطابق با قانون اهم تغییر می کند. بنابراین، افزایش ولتاژ منجر به بالا رفتن جریان متناسب با آن  ( ناحیه "0-U1" در سیستم نوع a و "0-U4" در سیستم نوع b) می شود. ولی در نزدیکی مقدار بحرانی ولتاژ، رفتار سیستم به مقدار قابل ملاحظه ای تغییر می کند.

در ناحیه U1-U2 سیستم نوع a، افزایش پتانسیل منجر به نوسانات جریان همراه با تابش نور می شود. این افزایش جریان بوسیله عملیات سدی محصولات گازی واکنش(O2 یا H2) بر روی سطح الکترود محدود می گردد. ولی در نواحی ای که هنوز الکترود با مایع در تماس است، افزایش دانسیته جریان ادامه یافته و سبب جوشش موضعی الکترولیت مجاور الکترود می شود.

با حرکت به نقطه U2، الکترود با یک لایه پلاسما از بخار گازی پیوسته با رسانایی الکتریکی پائین پوشیده می شود. در این حالت تقریباً کل ولتاژ اطراف سلول دراین منطقه باریک نزدیک الکترود می افتد. از اینرو شدت میدان الکتریکی(E) درداخل این منطقه به مقداری مابین 106-108 ولت بر متر می رسد که برای شروع فرایندهای یونیزاسیون در فاز بخار کافی می باشد. پدیده یونیزاسیون در ابتدا بصورت جرقه سریع در حبابهای گازی پراکنده ظاهر شده و سپس بصورت التهاب وگداختگی درداخل پلاسمای بخار تغییرشکل می یابد.

به دلیل پایداری هیدرودینامیکی بخار ایجاد شده در ناحیه U2-U3، جریان افت کرده و بعد از نقطه U3، تخلیه بار الکتریکی ملتهب به قوس شدیدی همراه با نشر صوتی فرکانس پائین تبدیل می شود.

 http://s4.picofile.com/file/8288720176/%D8%A7%DA%A9%D8%B3%DB%8C%D8%AF%D8%A7%D8%B3%DB%8C%D9%88%D9%86_%D9%BE%D9%84%D8%A7%D8%B3%D9%85%D8%A7%DB%8C_%D8%A7%D9%84%DA%A9%D8%AA%D8%B1%D9%88%D9%84%DB%8C%D8%AA%DB%8C_1_.jpg

شکل2- نمودارهای جریان-ولتاژ برای فرایندهای الکترولیت پلاسمایی: بررسی پدیده تخلیه الکتریکی در (a) نزدیک سطح الکترود و (b) در لایه دی الکتریک روی سطح الکترود.

 

رفتار سیستم های نوع b پیچیده تر است. ابتدا، لایه پسیو ازپیش تشکیل شده در نقطه U4 متناسب با پتانسیل خوردگی ماده شروع به حل شدن می کند. در ادامه با افت شدید ولتاژ در ناحیه پسیو شدن مجدد (U4-U5)، لایه اکسیدی متخلخلی ایجاد می شود. در نقطه U5، شدت میدان الکتریکی در لایه اکسیدی به مقداری بحرانی می رسد که در مقادیر بیش از آن، لایه به سبب یونیزاسیون تونلی یا ضربه ای شکسته می شود. در این حالت جرقه های براق کوچکی مشاهده می شوند که به سرعت در امتداد سطح لایه اکسیدی حرکت کرده و ادامه رشد آن را آسان می سازند.

در نقطه U6، مکانیزم یونیزاسیون ضربه ای بوسیله شروع فرایندهای یونیزاسیون حرارتی ادامه یافته و تخلیه الکتریکی بزرگتر و آهسته تری اتفاق می افتد. در ناحیه U6-U7، یونیزاسیون حرارتی بصورت جزئی بوسیله بار منفی ساخته شده در داخل لایه اکسیدی ضخیم شده متوقف می گردد. این مساله سبب افت فرایند از بین رفتن تخلیه بار الکتریکی زیر لایه می شود. این اثر، توان نسبتاً کم و طول مدت تخلیه الکتریکی حاصله، یعنی تخلیه در مقیاس میکرو یا میکرو قوس را تعیین می کند.

به دلیل "میکروقوس"، لایه به تدریج ذوب شده و عناصر آلیاژی و اجزا تشکیل دهنده آن وارد الکترولیت  می شوند. در بالای نقطه U7، میکرو قوس های رخ داده در داخل لایه اکسیدی به دلیل نبود عوامل سدکننده قوی به درون زیرلایه نفوذ کرده و به قوس های قوی تبدیل می شوند. این قوس ها سبب اثرات مخربی نظیر ترک خوردگی حرارتی لایه می شوند.

در عمل تعدادی از فرایندهای الکترودی فوق در نواحی مجاور سطح الکترود بصورت همزمان رخ می دهند. مدل ساده دوفازی الکترود-الکترولیت که اغلب درالکترولیز متداول اتفاق می افتد را باید با سیستم پیچیده تر چهار فازی(فلز- دی الکتریک- گاز- الکترولیت) و تعدادی مرزهای فازی جایگزین نمود. بویژه زمانیکه سیستم های الکتروشیمیایی به فراتر از ولتاژهای بحرانی U1 و U5 بروند. درجائیکه افت ولتاژ اصلی زیاد می شود، دو فاز با رسانایی پائین(دی الکتریک و گاز) تشکیل می شوند. از آنجائیکه مقاومت این فازها مرتباً تغییر می کند، تشخیص اینکه کدام فاز آغازگر پدیده یونیزاسیون بوده بسیار مشکل است. بنابراین تقسیم سیستم های الکتروشیمیایی به دو نوع کار درستی نیست.

تاریخچه
پدیده تخلیه الکتریکی مرتبط با الکترولیز بیش از یک قرن پیش توسط دانشمند روسی با نام اسلاگینو(Sluginov) کشف گردید و جزئیات آن در دهه 30 میلادی توسط گونترشولتز(Günterschultze) و بتز(Betz) مورد مطالعه قرار گرفت. تحقیقات موفقیت آمیز مک نیل(McNiell) و گراس(Gruss) در دهه 60 میلادی در نشاندن رسوب کادمیم بر روی آند کادمیمی زمینه ورود صنعت به این شاخه نوین پوشش دهی را فراهم ساخت. با این حال پدیده جرقه زنی میکروقوس در روش پوشش دهی آندایزینگ که زمینه استفاده گسترده از این روش در نشاندن لایه های اکسیدی سخت بر روی فلزات والو (Al،Mg،Ti و...) را فراهم ساخت، در حدود 45 سال پیش توسط مارکو(Markov) و همکارانش مشاهده گردید. این افراد به مطالعه روش رسوب نشانی لایه اکسیدی بر روی زیرلایه آلومینیومی تحت شرایط تخلیه جرقه ای پرداخته و آن را توسعه دادند.

در سال های بعد این تکنیک پوشش دهی، تحت عنوان اکسیداسیون میکرو قوس (Micro Arc Oxidation) معرفی و برای اهداف نظامی نظیر پوشش دهی قطعات زیردریایی ها بکار گرفته شد. در دهه 70 میلادی ایالات متحده آمریکا به تحقیق در این زمینه روی آورد و از اواخر دهه 80 میلادی بود که اطلاعات علمی در رابطه با این روش نوین پوشش دهی در سرتاسر جهان منتشر گردید. در این دوره دانشمندانی از روسیه، آلمان، آمریکا و چین به بررسی دقیق تر استفاده از تخلیه های سطحی در رسوب نشانی اکسیدی بر روی فلزات مختلف پرداختند. این پژوهش ها اولین کاربردهای صنعتی این روش در جهان بود. در ادامه تلاش ها و تحقیقات گسترده دانشمند روسی، یروخین(Yerokhin) و همکارانش در دانشگاه تولا سبب شد تا فرایند MAO به عنوان پروسه ای دوستدار محیط زیست برای رسوب نشانی پوشش های سرامیکی با رفتار تریبولوژیکی مطلوب بر روی آلومینیوم و آلیاژهای آن شناخته شود. در سال های اخیر تحقیقات زیادی در رابطه با توسعه فرایند MAO صورت گرفته است.

روش پوشش دهی MAO با عناوین گوناگونی نظیر آندایزینگ جرقه ای(Spark anodizing)، اکسیداسیون جرقه ای آندی(Anodic spark oxidation)، میکرو تخلیه پلاسمایی(Plasma micro discharge)، اکسیداسیون میکرو پلاسما(Micro plasma oxidation)، اکسیداسیون تخلیه میکرو قوس(Micro arc discharge oxidation)، آندایزینگ پلاسمایی(Plasma anodizing)، اکسیداسیون پلاسمای الکترولیتی(Plasma electrolytic oxidation) و اکسیداسیون پلاسمای الکتریکی(Electro plasma oxidation) شناخته می شود.

از این روش علاوه بر آلومینیوم برای پوشش دهی سطحی سایر آلیاژهای سبک نظیر Mg و Ti با خواص خوردگی و سایشی عالی استفاده می شود. الکترولیت های مصرفی در این روش اغلب ارزان قیمت بوده و حاوی عناصر خطرناک نظیر کرم 6 ظرفیتی یا فلزات سنگین نمی باشند. این روش عموماً به عنوان یکی از بی ضررترین روشهای مهندسی سطح  شناخته شده و در بسیاری از شاخه های صنعتی نظیر تجهیزات نظامی، خودروسازی، هوافضا، پزشکی و.... کاربرد دارد.

منابع:coatingclinic.ir

1- plasma electrolytic oxidation

2- micro arc oxidation

3- microarc oxidation

4- PEO

5- peo process

مجید غفوری

پوشش