اکسیداسیون میکرو قوس چیست؟?

1. خلاصه اجرایی

اکسیداسیون میکرو قوس (مائو) - همچنین به عنوان اکسیداسیون الکترولیتی پلاسما شناخته می شود (PEO) یا آندایزینگ جرقه ای - یک درمان سطحی الکتروشیمیایی پلاسما است که یک لایه اکسید غنی از سرامیک را روی "فلزات دریچه" رشد می دهد. (الومینیوم, منیزیم, تیتانیوم و آلیاژهای آنها) با اعمال ولتاژ بالا, انرژی الکتریکی پالسی در یک الکترولیت آبی.

ریز تخلیه های موضعی کوتاه تولید می کنند, رویدادهای حرارتی شدید که فلز سطح را به سخت تبدیل می کند, فازهای اکسید چسبنده.

پوشش های اکسیداسیون میکرو قوس معمولا ارائه می کنند به طور قابل توجهی سختی را افزایش داد (صدها → >1,000 HV), بهبود عمده در مقاومت به سایش (اغلب 1-2 مرتبه قدر در مقابل Al خالی), وت افزایش پایداری حرارتی و شیمیایی.

اکسیداسیون Micro-Arc یک گزینه قوی برای تقاضای تریبولوژیک است, کاربردهای زیست پزشکی و دمای بالا, اما برای عملکرد بهینه خوردگی نیاز به کنترل دقیق فرآیند و اغلب پس آب بندی دارد.

2. میکرو آرک اکسیداسیون چیست؟?

اکسیداسیون میکرو قوس (مائو) یک فناوری مهندسی سطح پیچیده است که الکتروشیمی را ادغام می کند, فیزیک پلاسما, و علم مادی, و همچنین به عنوان اکسیداسیون میکرو پلاسما شناخته می شود (MPO) یا رسوب جرقه آندی (ASD) در زمینه های مختلف کاربردی.

اصل اصلی آن است: در نظر گرفتن قطعه کار فلزی شیر به عنوان آند و سلول الکترولیتی به عنوان کاتد, غوطه ور شدن هر دو در یک الکترولیت معدنی با فرمول خاص, و استفاده از منبع تغذیه پالس ولتاژ بالا (3001000 ولت) برای ایجاد تخلیه ریز قوس روی سطح قطعه کار.

دمای بالا و فشار زیاد آنی تولید شده توسط تخلیه باعث می شود سطح فلز و الکترولیت تحت یک سری واکنش های فیزیکی و شیمیایی پیچیده قرار گیرند., از جمله اکسیداسیون, ذوب شدن, پخت, و ترکیب, بدین ترتیب در محل یک پوشش سرامیکی روی سطح فلز رشد می کند.

در مقایسه با فن آوری های سنتی تصفیه سطح مانند اکسیداسیون آندی و آبکاری الکتریکی, MAO یک تفاوت اساسی دارد:

پوشش سرامیکی "خارجی چسبیده" نیست بلکه در اثر اکسیداسیون و تبدیل خود بستر فلزی ایجاد می شود., ایجاد پیوند متالورژیکی بین پوشش و زیرلایه, که اساساً مشکل نیروی پیوند ضعیف پوشش های سنتی را حل می کند.

ضخامت پوشش های سرامیکی MAO را می توان در محدوده 5-100 میکرومتر تنظیم کرد., سرعت رشد 1-10 میکرومتر در ساعت است, و ترکیب پوشش عمدتاً اکسیدهای فلزی است (از بستر) و اکسیدهای کامپوزیت (از الکترولیت), که دارای خواص جامع عالی است.

3. مکانیسم های فیزیکی و شیمیایی (نحوه عملکرد میکرو-آرک اکسیداسیون)

میکرو آرک اکسیداسیون یک الکتروشیمیایی است که با هم جفت شده است, فرآیند پلاسما و حرارتی.

درک مکانیسم روشن می کند که چرا پوشش ها ساختار ریز دارند و چرا پارامترهای فرآیند اهمیت دارند.

1. اکسیداسیون الکتروشیمیایی اولیه. در ولتاژهای متوسط، یک اکسید مانع نازک بر روی سطح فلز به شکل الکتروفورتیک رشد می کند., مانند آندایزینگ معمولی.
   این لایه نازک عایق الکتریکی است و با افزایش ضخامت، میدان الکتریکی محلی را در سراسر خود افزایش می دهد.
2. شکست دی الکتریک و تخلیه های ریز. زمانی که قدرت میدان الکتریکی محلی از آستانه شکست اکسید فراتر رفت (تابعی از ضخامت, ترکیب و نقص), خرابی دی الکتریک میکروسکوپی رخ می دهد.
   اینها تولید می کنند کانال های میکرو پلاسما - مختصر, تخلیه های بسیار موضعی معمولاً میکروثانیه طول می کشد - که به طور موضعی بستر و اکسید را ذوب می کند..
3. واکنش موضعی, ذوب و خاموش شدن. در طول تخلیه، دمای لحظه ای در کانال می تواند بسیار بالا باشد.
   فلز مذاب و اکسید با گونه های الکترولیت واکنش می دهند, سپس با خاموش شدن ترشحات به سرعت خاموش شود.
   خنک کننده سریع در فازهای کریستالی غیرتعادلی (به عنوان مثال, α-Al2O3 روی بسترهای آلومینیومی) و یک ماتریس سرامیکی مخلوط را تشکیل می دهد.
4. ایجاد لایه توسط رویدادهای تکراری. میلیون ها ریز تخلیه در طول زمان فرآیند، ساختاری لایه ای ایجاد می کند: یک مانع متراکم داخلی که چسبندگی را فراهم می کند;
   یک وسط, لایه ای غنی از سرامیک که سختی و مقاومت در برابر سایش را تامین می کند; و یک لایه بیرونی متخلخل تر دوباره جامد با کانال های تخلیه و زبری سطح.
5. ترکیب و دوخت الکترولیت. گونه های یونی در الکترولیت (سیلیکات ها, فسفات ها, کلسیم, فلوراید, و غیره) در اکسید در حال رشد گنجانده می شوند, امکان خیاطی شیمیایی - برای مقاومت در برابر خوردگی, زیست سازگاری یا رفتار تریبولوژیکی.

4. سیستم فرآیند اکسیداسیون میکرو قوس و پارامترهای تأثیرگذار کلیدی

اکسیداسیون Micro-Arc به عنوان یک زنجیره فرآیند یکپارچه که در آن چهار زیرسیستم از نزدیک با یکدیگر تعامل دارند، اجرا می شود.: بستر, الکترولیت, منبع تغذیه (و کنترل شکل موج آن), و کارخانه کمکی (مخزن, خنک کننده, فیلتراسیون و فیکسچر).

ساختار و عملکرد پوشش بهینه - و در نتیجه عمر مفید - تنها زمانی به دست می آید که این عناصر برای کار با هم مشخص شده باشند و پارامترهای حیاتی آنها در پنجره های معتبر کنترل شوند..

عناصر اصلی سیستم فرآیند

بستر (محل کار) مادی

این فرآیند عمدتاً برای به اصطلاح فلزات دریچه ای قابل استفاده است - فلزاتی که اکسیدهای عایق الکتریکی را در الکترولیت های آبی تشکیل می دهند.. بسترهای معمولی هستند:

• الومینیوم آلیاژ (به عنوان مثال, 6061, 7075, 2024): رایج ترین استفاده تجاری; پوشش های روی این آلیاژها در خودرو مستقر می شوند, قطعات هوافضا و الکترونیکی برای سایش و پایداری حرارتی.
• آلیاژهای منیزیم (به عنوان مثال, AZ31, AZ91D): بسترهای سبک وزن که از موانع اکسیدی و بهبود خواص تریبولوژیکی پس از درمان بهره می برند.
  منیزیم به دلیل واکنش پذیری بالا نیاز به کنترل دقیق پارامتر دارد.
• تیتانیوم آلیاژ (به عنوان مثال, TI-6AL-4V, آلیاژهای بتا): در مواردی که زیست سازگاری یا پایداری در دمای بالا مورد نیاز است استفاده می شود; لایه های اکسید تولید شده بر روی تیتانیوم را می توان برای ارتقای یکپارچگی استخوان طراحی کرد.
• سایر فلزات شیر (Zr, HF, و غیره): مورد استفاده در بخش های تخصصی (هسته ای, شیمیایی) جایی که شیمی اکسید آنها سودمند است.

متالورژی بستر, وضعیت سطح (قبیله, الحاق), و عملیات حرارتی قبلی بر دینامیک رشد اکسید و خواص پوشش نهایی تأثیر می گذارد;
از این رو, مشخصات زیرلایه و پیش تصفیه جزء ضروری طراحی فرآیند هستند.

الکترولیت

الکترولیت محیط اصلی واکنش MAO است, مسئول هدایت الکتریسیته, ارائه یون های واکنش, تنظیم فرآیند تخلیه, و تعیین ترکیب و ساختار پوشش .

با توجه به مقدار pH, می توان آن را به سه نوع تقسیم کرد:

• الکترولیت قلیایی (pH 9-14): پرکاربردترین سیستم, عمدتا از سیلیکات تشکیل شده است, فسفات ها, و هیدروکسیدها.
  دارای مزایای تخلیه پایدار است, روکش یکنواخت, و خوردگی کم به زیرلایه. به عنوان مثال, سیستم سیلیکات سدیم فسفات به طور گسترده در MAO آلیاژهای آلومینیوم و منیزیم استفاده می شود. .
• الکترولیت اسیدی (pH 1-3): عمدتا از اسید سولفوریک تشکیل شده است, اسید فسفریک, یا فلوروبوریک اسید, مناسب برای MAO آلیاژهای تیتانیوم.
  می تواند یک پوشش سرامیکی متخلخل با زیست سازگاری خوب ایجاد کند, که به طور گسترده در اصلاح ایمپلنت های پزشکی استفاده می شود .
• الکترولیت خنثی (pH 6-8): از بورات ها تشکیل شده است, کربنات ها, و غیره, با شرایط واکنش ملایم و اثرات زیست محیطی کم, مناسب برای اصلاح سطح اجزای دقیق.

مواد افزودنی و نانوذرات معلق (Zro₂, سیو, کربنات ها, پیش سازهای کلسیم/فسفات) اغلب برای تنظیم چقرمگی پوشش استفاده می شود, مقاومت در برابر پوشیدن, رفتار خوردگی یا عملکرد زیستی.

هدایت الکترولیت, ثبات pH, دما و سطح آلودگی باید پایش و کنترل شود زیرا مستقیماً بر رفتار تخلیه و ترکیب پوشش تأثیر می گذارد.

منبع تغذیه

منبع تغذیه منبع انرژی فرآیند MAO است, و نوع و پارامترهای آن مستقیماً بر شکل تخلیه ریز قوس و کیفیت پوشش تأثیر می گذارد .

در حال حاضر, منبع تغذیه اصلی مورد استفاده در تولید صنعتی، منابع تغذیه پالسی هستند (از جمله پالس DC, پالس AC, و پالس دو طرفه), که دارای مزایای پارامترهای قابل تنظیم هستند, ترشح پایدار, و صرفه جویی در انرژی.

در مقایسه با منابع تغذیه DC سنتی, منبع تغذیه پالس می تواند از تمرکز نقاط تخلیه جلوگیری کند, کاهش بروز ترک های پوشش, و یکنواختی و تراکم پوشش را بهبود می بخشد.

تجهیزات کمکی

تجهیزات کمکی عمدتاً شامل سلول های الکترولیتی است, سیستم خنک کننده, سیستم های همزن, و دستگاه های بستن.

سلول الکترولیتی معمولاً از مواد مقاوم در برابر خوردگی ساخته می شود (مانند فولاد ضد زنگ, پلاستیکی);

سیستم خنک کننده برای کنترل دمای الکترولیت استفاده می شود (معمولاً 20 تا 60 درجه سانتیگراد) برای جلوگیری از تأثیر دمای بیش از حد بر پایداری تخلیه و عملکرد پوشش; سیستم همزن یکنواختی غلظت الکترولیت و دما را تضمین می کند;

دستگاه گیره تماس الکتریکی خوبی بین قطعه کار و منبع تغذیه را تضمین می کند و از خوردگی قطعه کار توسط الکترولیت جلوگیری می کند. .

پارامترهای کلیدی فرآیند و اثرات آنها

همه پارامترهای فرآیند با هم تعامل دارند; هر چند, تاثیرگذارترین گروه ها پارامترهای الکتریکی هستند, پارامترهای الکترولیت و زمان درمان.

هر کدام باید با آگاهی از اثرات ثانویه تنظیم شوند.

پارامترهای الکتریکی

• ولتاژ اعمال شده: شروع و شدت ترشحات ریز را تعیین می کند.
  ولتاژهای زیر آستانه شکست فقط فیلم های آندی معمولی تولید می کنند; ولتاژهای بسیار بالاتر از آن، سرعت رشد پوشش را افزایش می دهند، اما تمایل به بزرگ شدن کانال های تخلیه و افزایش تخلخل لایه بیرونی و تنش حرارتی دارند..
  محدوده های صنعتی معمولی فرآیندی هستند- و وابسته به بستر; آزمایش های پارامترسازی مورد نیاز است.
• چگالی جریان: چگالی جریان بالاتر به طور کلی تشکیل اکسید را تسریع می کند و ضخامت را افزایش می دهد، اما اگر با کنترل شکل موج مناسب همراه نباشد خطر تخلیه غیر یکنواخت را به همراه دارد..
• فرکانس پالس & چرخه وظیفه: فرکانس پالس بالاتر با زمان روشن کوتاه تمایل به تولید ریزتر دارد, ریز تخلیه های یکنواخت تر توزیع شده است; افزایش چرخه وظیفه متوسط ​​انرژی ورودی و در نتیجه بار حرارتی را افزایش می دهد, که ممکن است خطر ترک خوردگی را افزایش دهد.
  چرخه های کاری معمولی که در عمل استفاده می شوند بسیار متفاوت هستند (درصد تک رقمی تا چند ده درصد) بسته به تجهیزات و اهداف.

پارامترهای الکترولیت

• تمرکز و هدایت: بر توزیع و پایداری ترشحات تأثیر می گذارد;
  هدایت کم می تواند از میکرو پلاسماهای پایدار جلوگیری کند, در حالی که قدرت یونی بیش از حد می تواند باعث حمله تهاجمی به بستر یا رفتار تخلیه کنترل نشده شود.
• pH و ترکیب: تعیین کنید کدام گونه های یونی برای ادغام در دسترس هستند و کدام فازهای اکسیدی از نظر ترمودینامیکی مطلوب هستند (به عنوان مثال, گونه های سیلیکات فازهای شیشه ای حاوی سی را ترویج می کنند; گونه های فسفات، فسفر را برای پوشش های زیست فعال تامین می کنند).
• درجه حرارت: افزایش دمای الکترولیت سینتیک واکنش را افزایش می دهد اما قدرت دی الکتریک را کاهش می دهد و ممکن است الگوهای تخلیه را بی ثبات کند.; بنابراین کنترل دما برای پوشش های تکرارپذیر ضروری است.

زمان درمان و سینتیک رشد

ضخامت پوشش و ریزساختار با گذشت زمان تغییر می کند. نرخ رشد معمولاً در دقایق اولیه بالا است و با ایجاد سد دی الکتریک و تغییر ویژگی های تخلیه آهسته است..

زمان درمان بیش از حد می تواند ضخامت پوشش را به قیمت تنش پسماند بیشتر و خطر ترک خوردگی افزایش دهد; زمان ناکافی باعث ایجاد پوشش های نازک با توسعه فاز ناقص می شود.

زمان های تولید معمولی بسته به ضخامت هدف و چگالی توان از چند دقیقه تا ده ها دقیقه متغیر است.

5. ساختار و ویژگی های هسته پوشش های سرامیکی میکرو-آرک اکسیداسیون

لایه اکسید تولید شده توسط Micro-Arc Oxidation ساده نیست, فیلم همگن; این یک چند منطقه ای است, ساختار کامپوزیتی که عملکرد آن به ترکیب فاز بستگی دارد, تراکم و مورفولوژی.

معماری پوشش (توضیحات سه منطقه ای)

درونی (رابط) منطقه - لایه پیوندی متراکم

• ضخامت معمولی: 1-10 میکرومتر (فرآیند- و وابسته به بستر).
• ریزساختار و ترکیب: نسبتا متراکم, اکسید کم تخلخل در اولین زمان تشکیل شده است, رویدادهای خرد با بالاترین انرژی.
  روی آلومینیوم، این ناحیه معمولاً شامل فازهای آلومینا است (از جمله چند شکل های فشرده تر), روی فازهای روتیل/آناتاز تیتانیوم غالب است.
  زیرا اکسید در جای خود رشد می کند و به سرعت جامد می شود, این ناحیه به جای اتصال مکانیکی یا چسبنده، یک رابط متالورژیکی با بستر ایجاد می کند.
• عمل: نقش باربر اولیه و مانع خوردگی; این لایه قدرت چسبندگی را کنترل می کند و انتقال یونی از بستر به محیط های تهاجمی را محدود می کند.
  تداوم و تخلخل کم آن برای عملکرد مانع بسیار مهم است.

وسط (فله) منطقه سرامیکی - لایه کاربردی

• ضخامت معمولی: از چند میکرومتر تا چند ده میکرومتر (محدوده های صنعتی رایج برای آلومینیوم: ~ 5-40 میکرومتر).
• ریزساختار و ترکیب: مخلوطی از فازهای سرامیکی کریستالی و مواد شیشه ای/ذره ای که از ذوب موضعی مکرر و خاموش کردن سریع تشکیل شده است..
  مجموعه فاز دقیق به شیمی بستر و گونه های الکترولیت بستگی دارد (به عنوان مثال, الحس, سیلیکات های مخلوط, فازهای فسفات یا تیتانیا).
  تخلخل بسته و ریزترک ممکن است وجود داشته باشد, اما این ناحیه بیشتر سختی و مقاومت در برابر سایش را تامین می کند.
• عمل: تامین کننده اولیه سختی, مقاومت در برابر سایش و پایداری حرارتی/شیمیایی.
  تعادل بین فازهای سفت کریستالی و اجزای شیشه ای، چقرمگی و تنش پسماند را کنترل می کند..

بیرونی (سطح) منطقه - متخلخل, لایه جامد مجدد

• ضخامت معمولی: اغلب چند میکرومتر تا 10-20 میکرومتر است; در رژیم‌های تخلیه تهاجمی، ناحیه بیرونی می‌تواند ضخیم‌تر و نامنظم‌تر باشد.
• ساختار: دارای بافت بالا, حاوی کانال های تخلیه, قطرات دوباره جامد و منافذ باز. شکل منافذ متفاوت است (کروی, کانال های کشیده) و توزیع آنها به اندازه و چگالی دبی مرتبط است.
• عمل: زبری سطح را افزایش می دهد (که می تواند برای حفظ روان کننده یا پیوند ثانویه مفید باشد),
  سطح بالایی را برای اتصال سلول های بیولوژیکی روی ایمپلنت ها فراهم می کند, اما همچنین مسیرهایی را برای محیط های خورنده ایجاد می کند مگر اینکه پوشش آب بندی شود.

نکته کاربردی در مورد ضخامت و یکنواختی:

ضخامت پوشش توسط انرژی ورودی کنترل می شود (ولتاژ, جاری, وظیفه نبض) و زمان.

یکنواختی در هندسه های پیچیده چالش برانگیز است: لبه ها و ویژگی های تیز ترشحات را متمرکز می کنند و اغلب غلیظ تر نشان می دهند, پوشش های خشن تر مگر اینکه ثابت شوند, شکل موج یا جبران حرکت استفاده می شود.

ویژگی های عملکردی اصلی و ریشه های آنها

مزایای عملکرد پوشش های میکرو-آرک اکسیداسیون از شیمی سرامیکی و معماری لایه ای که در بالا توضیح داده شد ناشی می شود..

در زیر خواص کلیدی آورده شده است, محدوده های معمولی مشاهده شده در عمل, و دلایل فیزیکی پشت آنها.

سختی و مقاومت در برابر سایش

• سختی سطح معمولی (ویکرز) دامنه: تقریباً ≈ 400-1700 HV برای پوشش های مبتنی بر آلومینیوم تحت دستور العمل های صنعتی رایج.
  اکسیدهای مشتق شده از تیتانیوم و دستور العمل های پرانرژی ممکن است بسته به محتوای فاز، محدوده مشابه یا تا حدودی متفاوتی را نشان دهند..
  بسترهای منیزیمی معمولاً سختی مطلق کمتری ایجاد می کنند اما همچنان نسبت به آلیاژ لخت به طور چشمگیری افزایش می یابند..
• مکانیزم: تشکیل اکسیدهای کریستالی سخت (به عنوان مثال آلومینا از نوع کوراندوم) و یک ماتریس سرامیکی متراکم مقاومت در برابر فرورفتگی بالا و انعطاف پذیری پایین لایه بالایی ایجاد می کند.
• عملکرد تریبولوژیکی: در بسیاری از تست های پین روی دیسک و ساینده سطوح تحت درمان را نشان می دهد 10× به >100× کاهش سایش حجمی در مقایسه با آلیاژهای سبک تصفیه نشده; فاکتور دقیق به مواد روکش بستگی دارد, بار و محیط.
  ترکیب نانوذرات سخت (Zro₂, باکره, WC) داخل الکترولیت می تواند مقاومت در برابر سایش را با وارد کردن فازهای سخت پراکنده در ماتریس پوشش بهبود بخشد..
• مبادلات: سختی بالاتر اغلب با شکنندگی بیشتر و حساسیت به ریزترک در اثر ضربه یا بارهای تماسی سنگین مرتبط است.; طراحی بهینه سختی و چقرمگی کافی برای کاربرد را متعادل می کند.

مقاومت در برابر خوردگی

• محرک های عملکرد: مقاومت در برابر خوردگی سیستم در درجه اول توسط پیوستگی و چگالی لایه رابط داخلی و با وضعیت آب بندی منطقه متخلخل بیرونی کنترل می شود..
  متراکم, لایه داخلی محدود با منافذ مانع انتقال یون می شود; یک سطح متخلخل بدون مهر و موم اجازه ورود الکترولیت موضعی را می دهد و ممکن است اجازه حمله زیر لایه را بدهد.
• عملکرد عملی: پوشش‌های اکسیداسیون Micro-Arc با طراحی خوب و مهر و موم شده روی آلیاژهای آلومینیوم می‌توانند عملکرد قابل ملاحظه‌ای بهبود یافته را در آزمایش‌های نمک خنثی و آزمایش‌های الکتروشیمیایی در مقابل مواد لخت نشان دهند.,
  در برخی موارد تایید شده، زمانی که یک مرحله آب بندی اعمال می شود، به صدها تا هزاران ساعت در نمک پاشی تسریع می رسد..
  برای آلیاژهای منیزیم و تیتانیوم, بهبودهایی نیز دیده می شود, اگرچه عملکرد مطلق بستگی به شیمی پوشش و عملیات پس از آن دارد.
• هشدار مکانیکی: خود سرامیک از نظر شیمیایی پایدار است, اما مقاومت در برابر خوردگی ماکروسکوپی مستلزم توجه به درشت تخلخل و هرگونه جفت گالوانیکی است که توسط گونه‌های ترکیب شده یا درزگیرها ارائه می‌شود..

عایق برق (خواص دی الکتریک)

• مقاومت الکتریکی معمولی: مقاطع اکسید متراکم مقاومت بسیار بالایی از خود نشان می دهند (مرتبه بزرگی 10⁹–10¹² Ω·cm در بسیاری موارد),
  و قدرت شکست نواحی متراکم می تواند به ترتیب باشد kV/mm (مقادیر خاص به شدت به ضخامت بستگی دارد, تخلخل و خلوص فاز).
• استفاده مهندسی: زمانی که لایه داخلی پیوسته و به اندازه کافی ضخیم باشد, پوشش‌های میکرو آرک اکسیداسیون می‌توانند عایق سطح مفیدی را برای قطعات الکترونیکی و کاربردهای ولتاژ بالا فراهم کنند..
  برای سرویس ولتاژ بالا قابل اعتماد، تخلخل و عیوب باید به حداقل برسد.

پایداری حرارتی و رفتار شوک حرارتی

• استقامت حرارتی: اجزای سرامیکی (الومین, تیتانیا, سیلیکات ها) از نظر حرارتی در برابر دماهای بالا پایدار هستند - اغلب چند صد درجه سانتیگراد و در برخی موارد >800 درجه سانتی گراد برای قرار گرفتن در معرض کوتاه - اما پوشش کامپوزیت و سطح مشترک باید برای قرار گرفتن در معرض طولانی مدت و برای بار حرارتی چرخه ای ارزیابی شوند..
• ملاحظات شوک حرارتی: عدم تطابق انبساط حرارتی بین اکسید و زیرلایه به اضافه تنش‌های پسماند ناشی از انجماد سریع می‌تواند باعث ایجاد ریزترک در صورت ضخیم بودن پوشش یا قطعه سریع شود., نوسانات دمایی زیاد.
  پوشش های با طراحی مناسب, با ضخامت محدود و ترکیب فازی مناسب, می تواند سفرهای حرارتی قابل توجهی را تحمل کند, اما اعتبار سنجی ویژه برنامه مورد نیاز است.

زیست سازگاری و زیست فعالی (بسترهای تیتانیوم)

• شیمی سطح & مورفولوژی: برای کاربردهای ایمپلنت، لایه خارجی متخلخل را می توان عمداً با گونه های کلسیم و فسفات با استفاده از فرمول های الکترولیت مناسب دوپ کرد..
  این منجر به سطوحی می شود که از هسته سازی هیدروکسی آپاتیت پشتیبانی می کند و اتصال و تکثیر استئوبلاست را افزایش می دهد..
• تاثیر عملکردی: آلیاژهای تیتانیوم تیمار شده با تخلخل کنترل شده و ترکیب کلسیم / فسفر، ترشوندگی و انرژی سطحی بهبود یافته را نشان داده اند که منجر به یکپارچگی بیولوژیکی می شود.;
  هر چند, پذیرش بالینی نیاز به آزمایش زیست سازگاری دقیق دارد (in vitro و in vivo) و کنترل شیمی فاز برای جلوگیری از انتشار نامطلوب یون.

6. کاربردهای صنعتی متداول اکسیداسیون میکرو قوس

پوشش های میکرو آرک اکسیداسیون در هر جایی که یک بستر سبک وزن نیاز به سختی داشته باشد استفاده می شود, مقاوم در برابر سایش, سطح سرامیکی از نظر حرارتی پایدار یا از نظر عملکرد فعال.

هوافضا

• سطوح لغزنده و باربر روی اجزای بدنه هواپیما و سخت افزارهای محرک که در آنها صرفه جویی در وزن بسیار مهم است اما عمر سایش باید افزایش یابد..
• قطعات ساختاری و سپرهای در معرض حرارت که پایداری سطح سرامیکی در دماهای بالا دوام را بهبود می بخشد..
• کاربردهای صاعقه و عایق زمانی که با درمان های رسانا یا عایق ترکیب شوند.

خودرو & حمل

• اجزای موتور سبک وزن (تاج های پیستون, قطعات قطار سوپاپ, آستر سیلندر در موتورهای هیبریدی/سبک وزن) که نیاز به بهبود مقاومت سایشی و قابلیت حرارتی دارند.
• اجزای سیستم ترمز, کلاچ‌ها یا بادامک‌هایی که در آن تنش‌های تماسی و تغییرات دما زیاد می‌شوند.
• سطوحی را روی محفظه موتور وسایل نقلیه الکتریکی بپوشید که در آن عایق الکتریکی و اتلاف حرارتی مورد نیاز است.

وابسته به پزشکی & کاشت دندان

• ایمپلنت تیتانیوم و آلیاژ تیتانیوم (ارتوپدی, دندانپزشکی) با متخلخل, لایه های سطحی دوپ شده با کلسیم/فسفات برای تقویت رشد استخوانی و تشکیل هسته هیدروکسی آپاتیت.
• سطوح ایمپلنت باربر که در آن مقاومت به سایش و زیست فعالی ترکیبی مورد نیاز است; میکرو آرک اکسیداسیون را می توان برای ارتقاء چسبندگی سلول در عین حفظ یکپارچگی مکانیکی طراحی کرد..

انرژی, روغن & گاز و ماشین آلات صنعتی

• پوشش های مقاوم در برابر خوردگی / سایش بر روی اجزای سبک وزن در پمپ ها, دریچه ها و جداکننده ها - به ویژه در مواردی که صرفه جویی در جرم سودمند است.
• لایه های محافظ حرارتی بر روی اجزای تولید برق یا سیستم های اگزوز; در جایی که خواص سد حرارتی سرامیکی مفید است مفید است.

ابزار, قالب ها و تجهیزات ساخت

• ابزارآلات آلومینیومی برای قالب گیری تزریقی, اکستاروژن, ریخته گری قالب و شکل دهی سرد که در آن افزایش عمر سایش باعث افزایش عمر ابزار و کاهش زمان از کار افتادگی می شود.
• هسته ها و درج ها را با سطوح اکسیدی سخت قالب گیری کنید که باعث کاهش گال شدن و بهبود خواص رهاسازی می شود.

الکترونیک و عایق برق

• غرق شدن, محفظه ها و شینه های روی بسترهای آلومینیومی که به پوشش دی الکتریک برای ایزولاسیون الکتریکی یا اصلاح انتشار سطح نیاز دارند..
• عایق های ولتاژ بالا و ورودی ها که در آن اکسید داخلی متراکم استحکام دی الکتریک قابل اعتماد را فراهم می کند..

7. مزایا & محدودیت ها

در زیر یک ارائه متوازن از مزایای اصلی و محدودیت‌های عملی ارائه شده است که مهندسان و تیم‌های تدارکات باید هنگام ارزیابی این فناوری ارزیابی کنند.

مزایای اکسیداسیون میکرو قوس

چسبندگی و دوام متالورژیکی

پوشش از زیرلایه رشد می کند و به جای اتصال مکانیکی به صورت متالورژیکی لنگر می خورد.

این پیوند رشد، خطر لایه برداری را در بسیاری از شرایط خدمات کاهش می دهد و در مقایسه با بسیاری از پوشش های اسپری شده یا چسبانده شده، چسبندگی بسیار خوبی ایجاد می کند..

سختی بالا و مقاومت در برابر سایش

فازهای سرامیکی در محل تشکیل شده است (به عنوان مثال آلومینا روی آلومینیوم) افزایش قابل توجهی در سختی سطح و کاهش چشمگیر سایش مواد ساینده و چسب ایجاد می کند.

این فرآیند را برای لغزش جذاب می کند, محیط های آب بندی و ساینده.

قابلیت تنظیم عملکردی

شیمی الکترولیت و کنترل شکل موج الکتریکی امکان ترکیب گونه‌های کاربردی را فراهم می‌کند (سیلیکات ها, فسفات ها, کلسیم, فلوراید, نانو ذرات) برای تنظیم رفتار خوردگی, زیست فعالی, اصطکاک یا روانکاری.

پایداری حرارتی و شیمیایی

ترکیبات اکسید سرامیک به طور ذاتی پایدارتر از پوشش های آلی در دماهای بالا هستند.; بنابراین پوشش‌های Micro-Arc Oxidation قابلیت آلیاژهای سبک وزن را در دمای بالا افزایش می‌دهند..

قابلیت عایق الکتریکی

زمانی که اکسید متراکم داخلی پیوسته باشد, این پوشش استحکام دی الکتریک مفیدی را فراهم می کند که می تواند برای عایق یا اجزای ولتاژ بالا مورد استفاده قرار گیرد..

مزایای نظارتی زیست محیطی

در برخی از کاربردهای سایش و خوردگی، میکرو آرک اکسیداسیون یک جایگزین ارجح برای محیط زیست برای آبکاری کروم است زیرا از شیمی کروم شش ظرفیتی جلوگیری می کند.; هر چند, مدیریت زباله های حمام هنوز مورد نیاز است.

تبدیل سطحی یک مرحله ای روی آلیاژهای سبک

میکرو آرک اکسیداسیون سطح زیرلایه را در یک فرآیند حمام به یک سرامیک کاربردی تبدیل می کند., اجتناب از توالی رسوب چند مرحله ای در بسیاری از موارد استفاده.

محدودیت های اکسیداسیون میکرو قوس

تخلخل سطح و الزامات آب بندی

لایه بیرونی به طور مشخص متخلخل است. برای کاربردهای حساس به خوردگی، پوشش معمولاً نیاز به یک مرحله آب بندی دارد (اشباع آلی/غیر آلی, سل-ژل, درپوش PVD) برای جلوگیری از نفوذ رسانه های خورنده. آب بندی پیچیدگی و هزینه فرآیند را اضافه می کند.

شکنندگی و چقرمگی محدود

اکسیدهای سرامیکی سخت اما شکننده هستند. پوشش های ضخیم یا بسیار سخت, لایه های کریستالی می توانند در اثر ضربه یا بارهای چرخه ای سنگین ترک بخورند.

این ضخامت پوشش را محدود می کند و نیاز به اعتبار طراحی برای محیط های بارگذاری دینامیکی و خستگی دارد.

حساسیت هندسی و عدم یکنواختی

لبه های تیز, دنده های نازک و ویژگی های پیچیده ترشحات ریز را متمرکز می کنند و اغلب غلیظ تر می شوند, پوشش های خشن تر که به عنوان اثرات لبه شناخته می شوند.

دستیابی به پوشش یکنواخت بر روی قطعات پیچیده نیاز به نصب متفکرانه دارد, حرکت بخشی, مهندسی شکل موج یا جهت گیری های متعدد در طول پردازش.

تجهیزات ولتاژ بالا و ایمنی

این فرآیند در چند صد ولت کار می کند و به سیستم های ایمنی قوی نیاز دارد, اپراتورهای ماهر و رژیم های نگهداری. الکترونیک قدرت و کنترل، سرمایه و سربار عملیاتی را اضافه می کند.

مصرف انرژی و زمان چرخه

در مقایسه با آنودایز ساده, این فرآیند انرژی الکتریکی بیشتری را در واحد سطح مصرف می کند و زمان های درمان بسته به اهداف ضخامت می تواند از چند دقیقه تا ده ها دقیقه متغیر باشد..

برنامه ریزی عملیاتی باید برای درمان و زمان پس از پردازش در نظر گرفته شود.

تکرارپذیری فرآیند & مسائل افزایش مقیاس

رژیم‌های تخلیه‌ی تکرارپذیر در سرتاسر دسته‌ها و هندسه‌های مختلف قطعات، بی‌اهمیت هستند.

مقیاس بندی از نمونه اولیه به تولید اغلب نیاز به سرمایه گذاری در توسعه فرآیند دارد (DOE), سیستم های نظارت و کنترل (ثبت ولتاژ/جریان, تجزیه و تحلیل حمام).

به طور کلی برای همه فلزات قابل استفاده نیست

فقط فلزات دریچه ای که اکسیدهای عایق مناسب را تشکیل می دهند به اکسیداسیون میکرو قوس پاسخ می دهند. فولاد, نیکل و آلیاژهای مس را نمی توان به طور مستقیم درمان کرد.

8. تحلیل تطبیقی: اکسیداسیون میکرو قوس در مقابل سایر فن آوری های تصفیه سطح

تفسیر:

میکرو آرک اکسیداسیون به طور منحصر به فردی سختی سرامیکی و پیوند متالورژیکی را روی آلیاژهای سبک ترکیب می کند.;

برای کاربردهای سایش با آنودایز سخت و روکش کروم رقابت می کند اما مبادلات متفاوتی را ارائه می دهد (تخلخل در مقابل. سختی, ردپای محیط زیست, صرفه جویی در وزن بستر).

اسپری حرارتی برای ساختمان های بسیار ضخیم عالی است اما فاقد پیوند رشد روش های اکسیدی است.

9. پایان

اکسیداسیون میکرو قوس یک دگرگون کننده است, روش مهندسی سطح مطلوب از نظر زیست محیطی که الکتروشیمی را ترکیب می کند, ریز تخلیه پلاسما و انجماد سریع برای رشد فیلم های سرامیکی در محل روی فلزات دریچه و آلیاژهای آنها.

سیستم های اکسید حاصل از نظر متالورژیکی به بستر متصل می شوند و بسته ای از خواص با ارزش - سختی بالا را ارائه می دهند., مقاومت در برابر سایش به طور چشمگیری بهبود یافته است,

افزایش خوردگی و پایداری حرارتی, قدرت دی الکتریک خوب و, جایی که فرموله شده است, زیست فعالی - که با یک درمان سنتی به سختی به دست می آید.

پذیرش صنعت شامل هوافضا می شود, خودرو, الکترونیک, بخش‌های زیست پزشکی و ابزارآلات، زیرا اکسیداسیون میکرو قوس عملکرد بالا را با توانایی پوشش هندسه‌های پیچیده و جلوگیری از برخی مواد شیمیایی خطرناک مورد استفاده در آبکاری معمولی، جفت می‌کند..

در عین حال, محدودیت های عملی باقی مانده است: این تکنیک تا حد زیادی به فلزات دریچه محدود می شود, یکنواختی پوشش در قطعات بزرگ یا پیچیده می تواند چالش برانگیز باشد,

کنترل نقص و مدیریت حمام هزینه فرآیند را اضافه می کند, و مصرف انرژی بیشتر از آندایز کردن ساده است.

پیشرفت‌های در حال انجام - کنترل دقیق‌تر شکل موج قدرت, پوشش های کامپوزیت و دوبلکس, تعمیرات و اتوماسیون بهبود یافته, بازیافت حمام و انواع فرآیندهای کم انرژی - به سرعت کاربردپذیری را افزایش می دهند و هزینه و اثر زیست محیطی را کاهش می دهند..

همانطور که این تحولات بالغ می شود, Micro-Arc Oxidation برای تبدیل شدن به یک فناوری مهندسی سطح هسته برای عملکرد بالا موقعیت خوبی دارد., تولید سبک وزن و پایدار.

متداول

کدام فلزات را می توان با میکرو آرک اکسیداسیون درمان کرد?

در درجه اول آلومینیوم و آلیاژهای آن, آلیاژهای منیزیم و آلیاژهای تیتانیوم - فلزاتی که یک لایه اکسید عایق الکتریکی را تشکیل می دهند که برای تجزیه دی الکتریک و تشکیل تخلیه ریز مناسب است..

پوشش های میکرو آرک اکسیداسیون چقدر ضخیم و سخت هستند?

پوشش های صنعتی معمولی از 5 به 60 μM در ضخامت; سختی سطح معمولاً از 400 به 1,700 HV, وابسته به انرژی فرآیند, محتوای فاز و شیمی الکترولیت.

آیا میکرو آرک اکسیداسیون جایگزین روکش کروم سخت می شود؟?

می تواند جایگزین کروم سخت برای برخی از کاربردهای سایش بر روی بسترهای سبک شود, به ویژه در مواردی که مسائل زیست محیطی یا مقرراتی نگران کننده هستند.

هر چند, آبکاری کروم هنوز هم بسیار متراکم است, سطوح کم تخلخل در بسیاری از بسترها; بهترین انتخاب به نیازهای عملکردی بستگی دارد.

آیا پوشش های Micro-Arc Oxidation نیاز به درمان دارند?

اغلب بله. زیرا سطح بیرونی متخلخل است, مهر و موم (آلی یا معدنی), اشباع با روان کننده ها, یا یک روکش نازک (پی وی پی) معمولاً برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی و کاهش اصطکاک استفاده می شود.