Плазменное электролитическое оксидирование (ПЭО), также известное как микродуговое оксидирование (МДО), представляет собой технологию нанесения покрытия, при которой на поверхности легких металлов (алюминий, магний и титан) и их сплавов образуются многочисленные керамические слои. Уникально то, что пористый внешний слой позволяет ученым и инженерам-материаловедам пропитывать различными реагентами, придавая различные эксплуатационные характеристики покрытия. Поверхностные покрытия, полученные посредством плазменно-электролитического оксидирования, обеспечивают твердость в два-четыре раза выше, чем твердое анодирование или сталь.
В базовом процессе ПЭО используется электролитная ванна с запатентованным разбавленным водным раствором с дополнительными реагентами в зависимости от желаемых свойств покрытия поверхности. Через электролит проходит высокое напряжение, обычно 200 В или выше, и высокие потенциалы генерируют плазменные разряды на поверхности подложки, как показано в этом видео. Плазма, в свою очередь, обеспечивает идеальные условия высокой температуры и давления, которые образуют преимущественно кристаллический оксид из подложки из легкого металла.
Электролитическое оксидирование без использования плазмы – анодирование – является зрелым и хорошо зарекомендовавшим себя методом. Именно внедрение плазмы фундаментально меняет покрытие и эксплуатационные характеристики в конечных приложениях. Использование плазмы дает множество преимуществ, в том числе:
- Разработка более твердых керамических фаз, включая кристаллизацию.
- Химическая пассивность - большая часть керамики ПЭО химически инертна.
- Пропитка элементов из электролита в пористый внешний слой, которые придают множество различных свойств.
- Пониженная жесткость обеспечивает высокую адгезию при механическом напряжении или термоциклировании.
- Края без трещин
Поверхностные покрытия из ПЭО отличаются своей износостойкостью, коррозионной стойкостью, термической и химической стабильностью. Эта уникальная технология нанесения покрытий применяется для легких металлов и их сплавов, алюминия, магния и титана. Применяется к другим металлам, таким как вентильные металлы цирконий, тантал, ниобий и гафний, а также кобальт.
Как работает процесс плазменно-электролитического окисления (ПЭО)?
Процессы, используемые в ПЭО, очень гибки, особенно по сравнению с такими альтернативами, как твердое анодирование . Это обеспечивает широкий спектр потенциальных свойств покрытия поверхности, которые можно адаптировать и адаптировать для наилучшего соответствия конечному использованию компонента.
ПЭО требует менее сложного оборудования, чем многие технологии нанесения покрытий. Он не требует высокотемпературной печи или плазменных пушек, не нуждается в вакууме и не использует никаких опасных веществ в своей базовой форме.
На рисунке 1 ниже показано базовое оборудование, необходимое для исследовательской и испытательной установки, с 25-литровой ванной, прозрачными стенками для наблюдения и мощностью 10 кВт. Поскольку процесс масштабируем, оборудование промышленного масштаба использует резервуары емкостью 3500 литров и мощностью 300 кВт для обработки более крупных компонентов для нанесения покрытия.
Предварительная обработка для ПЭО проще. Во многих случаях алюминиевые компоненты перед обработкой требуют лишь легкого обезжиривания. Для сравнения, большинство процессов анодирования и нанесения покрытия требуют более чистой поверхности, что требует обезжиривания, травления и шлифовки для обеспечения высококачественного покрытия.
Причина, по которой ПЭО можно использовать для точной настройки свойств материала, заключается в его уникальном процессе. Обычно процесс состоит из трех этапов :
Этап 1: Окисление подложки
Компонент из легкого металла или сплава помещают в ванну с электролитом. Состав ванны различается в зависимости от целевых характеристик ПЭО-покрытия, но обычно представляет собой запатентованный разбавленный водный раствор. Он не содержит хрома и других тяжелых металлов. Решение одноразовое и чистое, в отличие от других технологий нанесения покрытий.
Через раствор пропускают ток высокого напряжения, обычно 200 В или выше. В зависимости от желаемых характеристик покрытия используются различные электрические режимы. Например, изменение полярности алюминиевой подложки приводит к различным вариантам формирования роста.
Этап 2: Модификация плазмы
Повышенная температура на поверхности сплава, вызванная высокими потенциалами, создаваемыми током внутри электролита, генерирует плазменный разряд на поверхности подложки, как показано на рисунке 2. Плазма, в свою очередь, обеспечивает идеальные условия высокой температуры и давления, которые образуют в основном кристаллический оксид - корунд, периклаз или рутил/анатаз в случае алюминия, магния и титана - из легкометаллической подложки.
При обычном анодировании механизм роста покрытия приводит к появлению сквозных трещин или трещин в защитном слое на углах или неровных поверхностях, как показано на левом изображении на рисунке 3. Для повышения коррозионной стойкости необходимы дополнительные уплотнения или обработка. по этой причине жестко анодированные компоненты. Они также снижают усталостную прочность компонента, действуя как источник напряжения.
Покрытия ПЭО характеризуются хорошим покрытием детали по сравнению с процессами прямой видимости, такими как окраска, порошковое покрытие, а также плазменное или газопламенное напыление. Кроме того, изоляционные свойства покрытия обеспечивают хорошую однородность по углам и краям. Краски имеют тенденцию истончаться в углах, тогда как гальванотехника имеет тенденцию к утолщению в углах.
При использовании ПЭО плазма используется для модификации покрытия в процессе роста. Это изменяет микроструктуру, в результате чего не возникает сквозных трещин, как показано на правом изображении на рисунке 3. Это обеспечивает соответствующие преимущества в коррозионной стойкости и усталостной прочности. Слои ПЭО характеризуются сложной микроструктурой. Наличие микрокристаллов неправильной формы и других элементов обеспечивает более полную защиту углов, чем сквозные трещины, хорошо заметные в твердых анодированных покрытиях.
Плазменная модификация также создает другие привлекательные свойства, такие как химическая пассивность, низкая жесткость и термическая стабильность.
Этап 3. Введение элементов электролита в покрытие.
Процесс плазменной модификации позволяет включать элементы электролита в керамический состав слоя. Это связано с тем, что в результате разрядов, вызванных плазмой, внешняя поверхность покрытия становится пористой.
Выпускные поры в структуре поверхности позволяют пропитывать внешний слой реагентами, улучшающими эксплуатационные характеристики. Состав электролита может быть адаптирован для заполнения или пропитки разрядных пор материалами, изменяющими характеристики в процессе нанесения покрытия.
Поверхность, образованная плазменным разрядом, также позволяет наносить дополнительные слои покрытия, которые прочно прилегают к внешнему слою пористого оксида. Это означает, что инженеры могут выбирать элементы, чтобы адаптировать свойства покрытия специально для применения компонента.
Например, использование электролита с высоким содержанием силикатов для процесса ПЭО приводит к образованию ПЭО-покрытия с высоким содержанием муллита на алюминиевых сплавах. Это снижает теплопроводность ПЭО-покрытия до 0,5 Вт/мК. Полиэфирные покрытия повышают устойчивость к коррозии и царапинам. На рис. 4 показано полиэфирное порошковое покрытие, приклеенное к слою ПЭО на магниевой подложке.
Роль электролита и связанные с ним свойства
Уникальный и гибкий процесс PEO позволяет создавать высокозащитные слои, которые можно улучшить за счет эксплуатационных характеристик, разработанных для конкретных применений.
Износостойкость и твердость
Нанесение износостойкого ПЭО-покрытия с высоким скольжением повышает твердость. Типичные алюминиевые покрытия тверже стали (1600HV против 500HV – см. рисунок 5), однако сам компонент может быть на 66 % легче. Характеристики ПЭО-покрытий, повышающие эксплуатационные характеристики, позволили легким сплавам, даже магнию, найти применение в высокопроизводительных аэрокосмических и автомобильных приложениях.
Использование полимеров, таких как PEEK (полиэфир-эфир-кетон), во внешнем слое обеспечивает встроенное смазочное покрытие, которое снижает трение и износ.
Высокая устойчивость к деформации
Сама по себе высокая твердость не обязательно обеспечивает полную износостойкость. Податливость также является очень ценным свойством, позволяющим некоторую деформацию компонента при прогибе или тепловом расширении без чрезмерного напряжения на поверхности металлического покрытия.
Твердость и соответствующий уровень податливости в сочетании повышают износостойкость основы. Опять же, уникальная микроструктура ПЭО придает материалу высокую вязкость разрушения, снижая вероятность растрескивания под действием силы, а это означает, что керамические поверхностные покрытия обеспечивают превосходные характеристики в трибологических приложениях.
Устойчивость к коррозии
Коррозионная стойкость повышается за счет добавления ПЭО-покрытий с химически инертными керамоподобными свойствами и утолщения оксидных слоев путем регулирования процесса ПЭО для обеспечения желаемого уровня стойкости. Для обеспечения оптимальной коррозионной стойкости ПЭО лучше всего подходит в качестве предварительной обработки для последующих герметиков, красок и других полимеров. На рис. 4 показано полиэфирное порошковое покрытие, нанесенное на слой ПЭО на подложке из магниевого сплава.
Прочная связь между двумя слоями повышает устойчивость к коррозии, а также обеспечивает устойчивость к царапинам. Полиэфирное покрытие эффективно заполняет структуру пор, созданную при формировании слоя ПЭО.
В целом ПЭО хорош для различных типов склеивания, поскольку его сетчатая микроструктура создает физический «ключ» и не зависит от химической совместимости между дополнительными слоями, в отличие от альтернативных механизмов нанесения покрытия.
Тот же принцип применим к адгезии масла и других смазочных материалов при износе скольжением. Гидрофобные свойства также повышают коррозионную стойкость – см. ниже.
Диэлектрическая прочность на пробой
Введение изолирующих диэлектрических характеристик может быть достигнуто за счет тонкого регулирования толщины ПЭО-покрытия, чего можно достичь путем адаптации процесса осаждения. Оксидный слой легкого металла можно утолщать для достижения диэлектрической прочности 59–79 кВ/мм.
Термобарьерные покрытия
Снижения теплопроводности можно добиться путем добавления силикатов в ванну с электролитом, в результате чего образуется покрытие с высоким содержанием муллита, действующее как термобарьерное покрытие (TBC) , защищающее компоненты из легких металлов, которые используются при высоких температурах и высоких скоростях.
Фотокаталитические покрытия поверхности
Диоксид титана хорошо известен своими фотокаталитическими свойствами и может применяться для очистки воды. Фотокатализ обычно основан на УФ-освещении, и эксперименты с ПЭО показали, что включение наночастиц, таких как Ag, в ПЭО-покрытие титановой подложки резко расширяет эффективный спектр света, обеспечивая фотокатализ.
Антимикробные свойства
«Соление» электролита ПЭО цинком и оксидом натрия/вольфрама придает антимикробные свойства , что делает детали из легких металлов особенно подходящими для применения в медицине, здравоохранении и стоматологии.
Гидрофобные свойства
Повышение гидрофобных свойств поверхности компонента может повысить коррозионную стойкость за счет предотвращения прилипания капель жидкости и загрязнений к деталям. Медицинские и зубные имплантаты из титанового сплава улучшают остеоинтеграцию.
Экологичность
Нанесение покрытий и обработка поверхности с использованием тяжелых металлов, таких как никель, кобальт и часто хром, часто связаны с применением высокоопасных химикатов. Жесткие правила контролируют использование этих химикатов. При традиционном анодировании используются сильные кислоты, что поднимает вопросы безопасности при использовании, транспортировке и утилизации.
ПЭО – экологически безопасный вариант. Электролитические ванны обычно представляют собой химически безопасные водные растворы низкой концентрации. Потоки технологических отходов обычно можно сбрасывать непосредственно в канализацию после корректировки pH, поэтому легко получить лицензию на эксплуатацию.
