Quá trình oxy hóa hồ quang vi mô là gì?

1. Tóm tắt điều hành

Quá trình oxy hóa hồ quang vi mô (Mao) - còn được gọi là quá trình oxy hóa điện phân huyết tương (PEO) hoặc Anodizing tia lửa - là phương pháp xử lý bề mặt plasma điện hóa để tạo ra một lớp oxit giàu gốm trên “kim loại van” (nhôm, magie, titan và hợp kim của chúng) bằng cách áp dụng điện áp cao, năng lượng điện xung trong chất điện phân nước.

Sự phóng điện vi mô cục bộ tạo ra sự ngắn mạch, sự kiện nhiệt độ mạnh làm biến đổi bề mặt kim loại thành cứng, pha oxit bám dính.

Lớp phủ oxy hóa Micro-Arc thường cung cấp tăng độ cứng đáng kể (hàng trăm → >1,000 HV), cải thiện lớn về khả năng chống mài mòn (thường là 1–2 bậc độ lớn so với Al trần), Và tăng cường ổn định nhiệt và hóa học.

Quá trình oxy hóa vi hồ quang là một lựa chọn mạnh mẽ cho các yêu cầu về ma sát, ứng dụng y sinh và nhiệt độ cao, nhưng nó đòi hỏi phải kiểm soát quá trình chặt chẽ và thường xuyên bịt kín sau để có hiệu suất ăn mòn tối ưu.

2. Quá trình oxy hóa hồ quang vi mô là gì?

Quá trình oxy hóa hồ quang vi mô (Mao) là một công nghệ kỹ thuật bề mặt phức tạp tích hợp điện hóa, vật lý plasma, và khoa học vật chất, và còn được gọi là quá trình oxy hóa vi huyết tương (MPO) hoặc lắng đọng tia lửa anốt (ASD) trong các lĩnh vực ứng dụng khác nhau.

Nguyên tắc cốt lõi của nó là: lấy phôi kim loại van làm cực dương và tế bào điện phân làm cực âm, ngâm cả hai trong chất điện phân vô cơ có công thức đặc biệt, và áp dụng nguồn điện xung cao áp (300–1000V) để kích hoạt phóng hồ quang vi mô trên bề mặt phôi.

Nhiệt độ cao tức thời và áp suất cao do quá trình phóng điện tạo ra khiến bề mặt kim loại và chất điện phân trải qua một loạt các phản ứng vật lý và hóa học phức tạp., bao gồm cả quá trình oxy hóa, tan chảy, thiêu kết, và gộp, nhờ đó phát triển tại chỗ một lớp phủ gốm trên bề mặt kim loại.

So với các công nghệ xử lý bề mặt truyền thống như oxy hóa anốt và mạ điện, MAO có sự khác biệt cơ bản:

Lớp phủ gốm không được “gắn bên ngoài” mà được hình thành do quá trình oxy hóa và biến đổi của chính nền kim loại, thực hiện liên kết luyện kim giữa lớp phủ và chất nền, giải quyết căn bản vấn đề lực liên kết kém của lớp phủ truyền thống.

Độ dày của lớp phủ gốm MAO có thể được điều chỉnh trong khoảng 5–100 μm, tốc độ tăng trưởng là 1–10 μm/h, và thành phần lớp phủ chủ yếu là oxit kim loại (từ chất nền) và oxit tổng hợp (từ chất điện phân), có đặc tính toàn diện tuyệt vời.

3. Cơ chế vật lý và hóa học (Quá trình oxy hóa vi hồ quang hoạt động như thế nào)

Quá trình oxy hóa vi hồ quang là một quá trình điện hóa liên kết chặt chẽ, quá trình plasma và nhiệt.

Hiểu cơ chế này sẽ làm rõ lý do tại sao lớp phủ có cấu trúc vi mô như vậy và tại sao các thông số của quy trình lại quan trọng.

1. Quá trình oxy hóa điện hóa ban đầu. Ở điện áp khiêm tốn, một lớp oxit mỏng phát triển trên bề mặt kim loại theo kiểu điện di, như trong anodizing thông thường.
   Lớp mỏng này cách điện và làm tăng điện trường cục bộ trên chính nó khi độ dày tăng lên..
2. Sự cố điện môi và phóng điện vi mô. Khi cường độ điện trường cục bộ vượt quá ngưỡng phân hủy của oxit (một hàm của độ dày, thành phần và khuyết điểm), sự cố điện môi vi mô xảy ra.
   Những sản phẩm này kênh vi plasma - ngắn gọn, phóng điện cục bộ cao thường kéo dài micro giây - làm tan chảy cục bộ chất nền và oxit.
3. Phản ứng cục bộ, tan chảy và dập tắt. Trong quá trình phóng điện, nhiệt độ tức thời trong kênh có thể cực kỳ cao.
   Kim loại nóng chảy và oxit phản ứng với các chất điện ly, sau đó nhanh chóng dập tắt khi phóng điện tắt.
   Khóa làm mát nhanh trong các pha tinh thể không cân bằng (Ví dụ, α-Al₂O₃ trên nền nhôm) và tạo thành một nền gốm hỗn hợp.
4. Xây dựng lớp bởi các sự kiện lặp đi lặp lại. Hàng triệu lần phóng điện vi mô trong thời gian xử lý tạo ra cấu trúc phân lớp: một hàng rào dày đặc bên trong cung cấp độ bám dính;
   ở giữa, Lớp giàu gốm cung cấp độ cứng và chống mài mòn; và lớp tái đông đặc bên ngoài xốp hơn với các kênh phóng điện và độ nhám bề mặt.
5. Kết hợp và điều chỉnh chất điện giải. Các loại ion trong chất điện phân (silicat, photphat, Canxi, florua, vân vân.) được kết hợp vào oxit đang phát triển, cho phép may đo hóa học - để chống ăn mòn, khả năng tương thích sinh học hoặc hành vi ma sát.

4. Hệ thống xử lý oxy hóa Micro-Arc và các thông số ảnh hưởng chính

Quá trình oxy hóa vi hồ quang được triển khai như một chuỗi quy trình tích hợp trong đó bốn hệ thống con tương tác chặt chẽ với nhau: chất nền, chất điện phân, nguồn điện (và điều khiển dạng sóng của nó), và nhà máy phụ trợ (xe tăng, làm mát, lọc và cố định).

Cấu trúc và hiệu suất lớp phủ tối ưu — và do đó kéo dài tuổi thọ — chỉ đạt được khi các thành phần này được chỉ định để hoạt động cùng nhau và các thông số quan trọng của chúng được kiểm soát trong các cửa sổ được xác thực.

Các yếu tố cốt lõi của hệ thống quy trình

chất nền (phôi) vật liệu

Quá trình này chủ yếu được áp dụng cho cái gọi là kim loại van - kim loại tạo thành oxit cách điện trong chất điện phân nước.. Chất nền điển hình là:

• Nhôm hợp kim (VÍ DỤ., 6061, 7075, 2024): sử dụng thương mại phổ biến nhất; lớp phủ trên các hợp kim này được triển khai trong ô tô, linh kiện hàng không vũ trụ và điện tử để chống mài mòn và ổn định nhiệt.
• Hợp kim magiê (VÍ DỤ., AZ31, AZ91D): chất nền nhẹ được hưởng lợi từ các rào cản oxit và cải thiện đặc tính ma sát sau khi xử lý.
  Magiê yêu cầu kiểm soát thông số cẩn thận vì tính phản ứng cao.
• Titan hợp kim (VÍ DỤ., Ti-6al-4V, hợp kim beta): được sử dụng khi cần có khả năng tương thích sinh học hoặc độ ổn định ở nhiệt độ cao; Các lớp oxit được tạo ra trên titan có thể được điều chỉnh để thúc đẩy sự tích hợp xương.
• Kim loại van khác (Zr, Hf, vân vân.): được sử dụng trong các lĩnh vực chuyên ngành (hạt nhân, hóa chất) nơi hóa học oxit của họ thuận lợi.

Luyện kim nền, tình trạng bề mặt (độ thô, chất gây ô nhiễm), và xử lý nhiệt trước ảnh hưởng đến động lực phát triển oxit và tính chất lớp phủ cuối cùng;
Vì vậy, đặc tính kỹ thuật của chất nền và tiền xử lý là những phần thiết yếu của thiết kế quy trình.

Chất điện giải

Chất điện phân là môi trường cốt lõi của phản ứng MAO, chịu trách nhiệm dẫn điện, cung cấp ion phản ứng, điều chỉnh quá trình xả, và xác định thành phần, cấu trúc của lớp phủ .

Theo giá trị pH, nó có thể được chia thành ba loại:

• Chất điện phân kiềm (pH 9–14): Hệ thống được sử dụng phổ biến nhất, chủ yếu bao gồm silicat, photphat, và hydroxit.
  Nó có ưu điểm là xả ổn định, lớp phủ đồng đều, và ăn mòn thấp đối với chất nền. Ví dụ, hệ thống natri silicat-phosphate được sử dụng rộng rãi trong MAO của hợp kim nhôm và magiê .
• Chất điện phân axit (pH 1–3): Chủ yếu bao gồm axit sulfuric, axit photphoric, hoặc axit floboric, thích hợp cho MAO của hợp kim titan.
  Nó có thể tạo thành một lớp phủ gốm xốp có khả năng tương thích sinh học tốt, được sử dụng rộng rãi trong việc sửa đổi cấy ghép y tế .
• Chất điện ly trung tính (pH 6 trận8): Bao gồm borat, cacbonat, vân vân., với điều kiện phản ứng nhẹ và tác động môi trường thấp, thích hợp cho việc sửa đổi bề mặt của các thành phần chính xác.

Phụ gia và hạt nano lơ lửng (Zro₂, Sio₂, cacbonat, tiền chất canxi/phốt phát) thường được sử dụng để điều chỉnh độ bền của lớp phủ, Đang đeo điện trở, hành vi ăn mòn hoặc chức năng sinh học.

Độ dẫn điện, độ pH ổn định, nhiệt độ và mức độ ô nhiễm phải được theo dõi và kiểm soát vì chúng ảnh hưởng trực tiếp đến hành vi xả và thành phần lớp phủ.

Cung cấp điện

Nguồn điện là nguồn năng lượng của quá trình MAO, loại và các thông số của nó ảnh hưởng trực tiếp đến hình thức phóng điện hồ quang vi mô và chất lượng của lớp phủ .

Hiện tại, Nguồn cung cấp năng lượng chủ yếu được sử dụng trong sản xuất công nghiệp là nguồn cung cấp năng lượng xung (bao gồm cả xung DC, xung điện xoay chiều, và xung hai chiều), có ưu điểm là điều chỉnh được các thông số, xả ổn định, và tiết kiệm năng lượng.

So với nguồn điện DC truyền thống, nguồn cung cấp năng lượng xung có thể tránh được sự tập trung của các điểm phóng điện, giảm sự xuất hiện của vết nứt lớp phủ, và cải thiện tính đồng nhất và mật độ của lớp phủ.

Thiết bị phụ trợ

Các thiết bị phụ trợ chủ yếu bao gồm các tế bào điện phân, hệ thống làm mát, hệ thống khuấy, và thiết bị kẹp.

Bình điện phân thường được làm bằng vật liệu chống ăn mòn (chẳng hạn như thép không gỉ, nhựa);

hệ thống làm mát được sử dụng để kiểm soát nhiệt độ của chất điện phân (thường là 20–60°C) để tránh nhiệt độ quá cao ảnh hưởng đến độ ổn định phóng điện và hiệu suất lớp phủ; hệ thống khuấy đảm bảo sự đồng đều về nồng độ và nhiệt độ chất điện phân;

thiết bị kẹp đảm bảo tiếp xúc điện tốt giữa phôi và nguồn điện và ngăn phôi không bị ăn mòn bởi chất điện phân .

Các thông số quy trình chính và tác động của chúng

Tất cả các tham số quá trình tương tác; Tuy nhiên, nhóm có ảnh hưởng nhất là các thông số điện, thông số điện giải và thời gian điều trị.

Mỗi thứ phải được điều chỉnh với nhận thức về các tác động phụ.

Thông số điện

• Điện áp ứng dụng: thiết lập thời điểm bắt đầu và cường độ của sự phóng điện vi mô.
  Điện áp dưới ngưỡng đánh thủng chỉ tạo ra màng anod thông thường; điện áp cao hơn nó làm tăng tốc độ phát triển lớp phủ nhưng cũng có xu hướng mở rộng các kênh phóng điện và tăng độ xốp của lớp ngoài và ứng suất nhiệt.
  Phạm vi công nghiệp điển hình là quá trình- và phụ thuộc vào chất nền; thí nghiệm tham số hóa là cần thiết.
• Mật độ hiện tại: mật độ dòng điện cao hơn thường làm tăng tốc độ hình thành oxit và tăng độ dày nhưng có nguy cơ phóng điện không đồng đều nếu không kết hợp với điều khiển dạng sóng thích hợp.
• Tần số xung & chu kỳ nhiệm vụ: tần số xung cao hơn với thời gian bật ngắn có xu hướng tạo ra âm thanh mịn hơn, phóng điện vi mô phân bố đồng đều hơn; chu kỳ nhiệm vụ tăng làm tăng năng lượng đầu vào trung bình và do đó tải nhiệt, có thể làm tăng nguy cơ nứt.
  Chu kỳ làm việc điển hình được sử dụng trong thực tế rất khác nhau (phần trăm một chữ số đến vài chục phần trăm) tùy thuộc vào thiết bị và mục tiêu.

Thông số điện giải

• Nồng độ và độ dẫn điện: ảnh hưởng đến sự phân phối và ổn định của chất thải;
  độ dẫn điện thấp có thể ngăn cản sự ổn định của micro-plasma, trong khi cường độ ion quá mức có thể thúc đẩy sự tấn công mạnh mẽ của chất nền hoặc hành vi phóng điện không kiểm soát được.
• pH và thành phần: xác định loại ion nào có sẵn để kết hợp và pha oxit nào được ưa chuộng về mặt nhiệt động (VÍ DỤ., các loài silicat thúc đẩy các pha thủy tinh chứa Si; các loại phốt phát cung cấp P cho lớp phủ hoạt tính sinh học).
• Nhiệt độ: nhiệt độ chất điện phân tăng làm tăng động học phản ứng nhưng làm giảm độ bền điện môi và có thể làm mất ổn định kiểu phóng điện; do đó kiểm soát nhiệt độ là điều cần thiết cho lớp phủ có thể tái sản xuất.

Thời gian điều trị và động lực tăng trưởng

Độ dày lớp phủ và cấu trúc vi mô thay đổi theo thời gian. Tốc độ tăng trưởng thường cao trong những phút đầu và chậm khi hàng rào điện môi phát triển và đặc tính phóng điện thay đổi.

Thời gian xử lý quá mức có thể làm tăng độ dày lớp phủ dẫn đến ứng suất dư và nguy cơ nứt cao hơn; không đủ thời gian tạo ra lớp phủ mỏng với giai đoạn phát triển không hoàn chỉnh.

Thời gian sản xuất thông thường dao động từ vài phút đến hàng chục phút tùy thuộc vào độ dày mục tiêu và mật độ năng lượng.

5. Cấu trúc và tính chất cốt lõi của lớp phủ gốm Micro-Arc Oxidation

Lớp oxit được tạo ra bởi Micro-Arc Oxidation không đơn giản, màng đồng nhất; nó là một khu vực đa năng, cấu trúc hỗn hợp có hiệu suất phụ thuộc vào thành phần pha, mật độ và hình thái.

Kiến trúc lớp phủ (mô tả ba vùng)

Nội tâm (giao diện) vùng - lớp liên kết dày đặc

• Độ dày điển hình: ~ 1 Từ10 (quá trình- và phụ thuộc vào chất nền).
• Cấu trúc và thành phần vi mô: tương đối dày đặc, oxit có độ xốp thấp được hình thành sớm nhất, sự kiện vi mô có năng lượng cao nhất.
  Trên nhôm vùng này thường chứa các pha nhôm (bao gồm các dạng đa hình nhỏ gọn hơn), trên các pha titan rutile/anatase chiếm ưu thế.
  Bởi vì oxit phát triển tại chỗ và đông đặc nhanh chóng, vùng này thiết lập một giao diện luyện kim với chất nền chứ không phải là mối nối cơ học hoặc chất kết dính.
• Chức năng: vai trò chịu tải chính và chống ăn mòn; lớp này kiểm soát cường độ bám dính và hạn chế sự vận chuyển ion từ chất nền vào môi trường xâm thực.
  Tính liên tục và độ xốp thấp của nó rất quan trọng đối với hiệu suất rào cản.

Ở giữa (số lượng lớn) vùng gốm - lớp chức năng

• Độ dày điển hình: từ vài micromet đến vài chục micromet (phạm vi công nghiệp phổ biến cho nhôm: ~5–40 µm).
• Cấu trúc và thành phần vi mô: hỗn hợp các pha gốm tinh thể và vật liệu thủy tinh/hạt được hình thành bằng cách nấu chảy cục bộ lặp đi lặp lại và làm nguội nhanh.
  Sự tập hợp pha chính xác phụ thuộc vào thành phần hóa học cơ chất và chất điện phân (VÍ DỤ., Al₂o₃, hỗn hợp silicat, pha photphat hoặc titania).
  Độ xốp kín và vết nứt nhỏ có thể tồn tại, nhưng vùng này cung cấp hầu hết độ cứng và khả năng chống mài mòn.
• Chức năng: nhà cung cấp độ cứng chính, khả năng chống mài mòn và ổn định nhiệt/hóa học.
  Sự cân bằng giữa các pha cứng kết tinh và các thành phần thủy tinh chi phối độ dẻo dai và ứng suất dư.

bên ngoài (bề mặt) vùng - xốp, lớp tái cố định

• Độ dày điển hình: thường là vài micromet lên tới ~10–20 µm; trong chế độ phóng điện tích cực, vùng bên ngoài có thể dày hơn và không đều hơn.
• Cấu trúc vi mô: có kết cấu cao, chứa kênh xả, các giọt được củng cố lại và lỗ chân lông mở. Hình dạng lỗ chân lông khác nhau (hình cầu, kênh kéo dài) và sự phân bố của chúng có liên quan đến kích thước và mật độ xả thải.
• Chức năng: tăng độ nhám bề mặt (có thể có lợi cho việc giữ chất bôi trơn hoặc liên kết thứ cấp),
  cung cấp diện tích bề mặt cao để gắn tế bào sinh học vào mô cấy, mà còn tạo ra các con đường cho môi trường ăn mòn trừ khi lớp phủ được bịt kín.

Lưu ý thực tế về độ dày và tính đồng nhất:

Độ dày lớp phủ được kiểm soát bởi năng lượng đầu vào (điện áp, hiện hành, nhiệm vụ xung) và thời gian.

Tính đồng nhất trên các hình học phức tạp là một thách thức: các cạnh và các đặc điểm sắc nét tập trung phóng điện và thường dày hơn, lớp phủ cứng hơn trừ khi cố định, dạng sóng hoặc bù chuyển động được sử dụng.

Các thuộc tính chức năng cốt lõi và nguồn gốc của chúng

Ưu điểm về hiệu suất của lớp phủ Oxy hóa Micro-Arc phát sinh từ tính chất hóa học của gốm và cấu trúc phân lớp được mô tả ở trên.

Dưới đây là các thuộc tính chính, phạm vi điển hình quan sát được trong thực tế, và những lý do vật lý đằng sau chúng.

Độ cứng và khả năng chống mài mòn

• Độ cứng bề mặt điển hình (Vickers) phạm vi: đại khái ≈ 400–1.700 HV cho lớp phủ gốc nhôm theo công thức công nghiệp thông thường.
  Các oxit có nguồn gốc từ titan và các công thức nấu ăn năng lượng cao có thể có phạm vi tương tự hoặc hơi khác nhau tùy thuộc vào hàm lượng pha.
  Chất nền magie thường mang lại độ cứng tuyệt đối thấp hơn nhưng vẫn tăng đáng kể so với hợp kim trần.
• Cơ chế: sự hình thành các oxit tinh thể cứng (ví dụ alumina loại corundum) và ma trận gốm dày đặc tạo ra khả năng chống thụt cao và độ dẻo thấp của lớp trên cùng.
• Hiệu suất ma sát: trong nhiều thử nghiệm ghim trên đĩa và mài mòn, bề mặt được xử lý cho thấy 10× đến >100× giảm hao mòn thể tích so với hợp kim nhẹ chưa được xử lý; yếu tố chính xác phụ thuộc vào vật liệu mặt đối diện, tải và môi trường.
  Kết hợp các hạt nano cứng (Zro₂, Sic, WC) vào chất điện phân có thể cải thiện hơn nữa khả năng chống mài mòn bằng cách đưa các pha cứng phân tán vào ma trận lớp phủ.
• sự đánh đổi: độ cứng cao hơn thường tương quan với độ giòn cao hơn và dễ bị nứt vi mô khi va đập hoặc tải trọng tiếp xúc nặng; thiết kế tối ưu cân bằng độ cứng và đủ độ dẻo dai cho ứng dụng.

Kháng ăn mòn

• Trình điều khiển hiệu suất: Khả năng chống ăn mòn của hệ thống được kiểm soát chủ yếu bởi tính liên tục và mật độ của lớp giao diện bên trong và trạng thái bịt kín của vùng xốp bên ngoài.
  Mật độ dày đặc, lớp bên trong có lỗ chân lông hạn chế cản trở sự vận chuyển ion; bề mặt xốp không kín cho phép chất điện phân xâm nhập cục bộ và có thể cho phép tấn công dưới lớp màng.
• Hiệu suất thực tế: Lớp phủ oxy hóa Micro-Arc được thiết kế tốt và kín trên hợp kim nhôm có thể cho thấy hiệu suất được cải thiện đáng kể trong các thử nghiệm phun muối trung tính và điện hóa so với vật liệu trần,
  trong một số trường hợp đã được xác nhận, có thể đạt tới hàng trăm đến hàng nghìn giờ phun muối cấp tốc khi áp dụng bước bịt kín.
  Đối với hợp kim magiê và titan, cải tiến cũng được nhìn thấy, mặc dù hiệu suất tuyệt đối phụ thuộc vào thành phần hóa học của lớp phủ và quá trình xử lý sau.
• Cảnh báo cơ học: bản thân gốm ổn định về mặt hóa học, nhưng khả năng chống ăn mòn vĩ mô đòi hỏi phải chú ý đến độ xốp vĩ mô và bất kỳ khớp nối điện nào được tạo ra bởi các loài hoặc chất bịt kín kết hợp.

Cách điện (tính chất điện môi)

• Điện trở suất điển hình: phần oxit dày đặc thể hiện điện trở suất rất cao (thứ tự độ lớn 10⁹–10¹² Ω·cm trong nhiều trường hợp),
  và cường độ phân hủy của các vùng dày đặc có thể theo thứ tự kV/mm (giá trị cụ thể phụ thuộc mạnh mẽ vào độ dày, độ xốp và độ tinh khiết của pha).
• Kỹ thuật sử dụng: khi lớp bên trong liên tục và đủ dày, Lớp phủ oxy hóa Micro-Arc có thể cung cấp lớp cách nhiệt bề mặt hữu ích cho các linh kiện điện tử và ứng dụng điện áp cao.
  Độ xốp và khuyết tật phải được giảm thiểu để cung cấp dịch vụ điện áp cao đáng tin cậy.

Độ ổn định nhiệt và hành vi sốc nhiệt

• Độ bền nhiệt: thành phần gốm (Alumina, titania, silicat) ổn định nhiệt ở nhiệt độ cao - thường là vài trăm ° C và trong một số trường hợp >800 °C khi tiếp xúc trong thời gian ngắn - nhưng lớp phủ composite và bề mặt phải được đánh giá về khả năng tiếp xúc lâu dài và tải nhiệt theo chu kỳ.
• Cân nhắc về sốc nhiệt: Sự giãn nở nhiệt không tương xứng giữa oxit và chất nền cộng với ứng suất dư do quá trình đông đặc nhanh có thể tạo ra các vết nứt vi mô nếu lớp phủ quá dày hoặc nếu bộ phận đó trải qua quá trình đông đặc nhanh., dao động nhiệt độ lớn.
  Lớp phủ được thiết kế phù hợp, với độ dày hạn chế và thành phần pha thích hợp, có thể chịu được những chuyến du ngoạn nhiệt đáng kể, nhưng cần phải xác thực ứng dụng cụ thể.

Tương thích sinh học và hoạt tính sinh học (chất nền titan)

• Hóa học bề mặt & hình thái học: đối với các ứng dụng cấy ghép, lớp xốp bên ngoài có thể được cố ý pha tạp các loại canxi và phốt phát bằng cách sử dụng các công thức điện phân thích hợp.
  Điều này dẫn đến các bề mặt hỗ trợ quá trình tạo mầm của hydroxyapatite và tăng cường sự gắn kết và tăng sinh của nguyên bào xương..
• Tác động chức năng: hợp kim titan được xử lý với độ xốp được kiểm soát và sự kết hợp Ca/P đã cho thấy khả năng thấm ướt và năng lượng bề mặt được cải thiện có lợi cho quá trình tích hợp sinh học;
  Tuy nhiên, Sự chấp nhận lâm sàng đòi hỏi phải kiểm tra tính tương thích sinh học nghiêm ngặt (in vitro và in vivo) và kiểm soát pha hóa học để tránh giải phóng ion bất lợi.

6. Các ứng dụng công nghiệp phổ biến của quá trình oxy hóa vi hồ quang

Lớp phủ oxy hóa Micro-Arc được sử dụng ở bất cứ nơi nào có chất nền nhẹ cần độ cứng, chống mòn, bề mặt gốm ổn định nhiệt hoặc hoạt động chức năng.

Hàng không vũ trụ

• Bề mặt trượt và ổ trục trên các bộ phận khung máy bay và phần cứng dẫn động trong đó việc tiết kiệm trọng lượng là rất quan trọng nhưng tuổi thọ hao mòn phải được kéo dài.
• Các bộ phận kết cấu và tấm chắn chịu nhiệt có độ ổn định bề mặt gốm ở nhiệt độ cao giúp cải thiện độ bền.
• Các ứng dụng chống sét và cách điện khi kết hợp với xử lý sau dẫn điện hoặc cách điện.

ô tô & vận tải

• Linh kiện động cơ nhẹ (mão piston, bộ phận đào tạo van, ống lót xi lanh trên động cơ hybrid/nhẹ) đòi hỏi phải cải thiện khả năng chống mài mòn và khả năng chịu nhiệt.
• Thành phần hệ thống phanh, ly hợp hoặc cam nơi xảy ra ứng suất tiếp xúc cao và chênh lệch nhiệt độ.
• Bề mặt mài mòn trên vỏ động cơ xe điện nơi cần cách điện và tản nhiệt.

Y sinh & Cấy ghép nha khoa

• Cấy ghép titan và hợp kim titan (chỉnh hình, nha khoa) với xốp, Các lớp bề mặt được pha tạp canxi/phốt phát để thúc đẩy quá trình phát triển của xương và tạo mầm hydroxyapatite.
• Bề mặt cấy ghép chịu lực đòi hỏi phải có khả năng chống mài mòn kết hợp và hoạt tính sinh học; Quá trình oxy hóa vi hồ quang có thể được điều chỉnh để thúc đẩy sự kết dính của tế bào trong khi vẫn duy trì tính toàn vẹn cơ học.

Năng lượng, dầu & máy móc công nghiệp và khí đốt

• Lớp phủ chống ăn mòn/mài mòn trên các bộ phận nhẹ trong máy bơm, van và thiết bị phân tách - đặc biệt ở những nơi có lợi thế tiết kiệm khối lượng.
• Lớp bảo vệ nhiệt trên các bộ phận trong hệ thống phát điện hoặc xả khí; hữu ích khi đặc tính rào cản nhiệt gốm có lợi.

Dụng cụ, khuôn mẫu và thiết bị sản xuất

• Dụng cụ nhôm để ép phun, phun ra, đúc khuôn và tạo hình nguội khi tuổi thọ mài mòn tăng lên giúp kéo dài tuổi thọ dụng cụ và giảm thời gian ngừng hoạt động.
• Lõi khuôn và các hạt dao có bề mặt oxit cứng giúp giảm hiện tượng ăn mòn và cải thiện đặc tính giải phóng.

Điện tử và cách điện

• Tản nhiệt, vỏ và thanh cái trên nền nhôm yêu cầu lớp phủ điện môi để cách ly điện hoặc để thay đổi độ phát xạ bề mặt.
• Chất cách điện và dây dẫn điện áp cao trong đó lớp oxit dày đặc bên trong cung cấp độ bền điện môi đáng tin cậy.

7. Thuận lợi & giới hạn

Dưới đây là phần trình bày cân bằng về những lợi ích chính và những hạn chế thực tế mà các kỹ sư và nhóm mua sắm nên cân nhắc khi đánh giá công nghệ.

Ưu điểm của quá trình oxy hóa hồ quang vi mô

Liên kết và độ bền luyện kim

Lớp phủ phát triển từ chất nền và được neo bằng phương pháp luyện kim thay vì gắn bằng cơ học.

Liên kết tăng trưởng này làm giảm nguy cơ tách lớp trong nhiều điều kiện sử dụng và cho độ bám dính rất tốt so với nhiều lớp phủ phun hoặc dán.

Độ cứng cao và khả năng chống mài mòn

Các pha gốm hình thành tại chỗ (ví dụ alumina trên nhôm) mang lại sự gia tăng đáng kể về độ cứng bề mặt và giảm đáng kể độ mài mòn và bám dính.

Điều này làm cho quá trình trượt hấp dẫn, môi trường niêm phong và mài mòn.

Khả năng điều chỉnh chức năng

Hóa chất điện phân và điều khiển dạng sóng điện cho phép kết hợp các loại chức năng (silicat, photphat, Canxi, florua, hạt nano) để điều chỉnh hành vi ăn mòn, hoạt tính sinh học, ma sát hoặc bôi trơn.

Độ ổn định nhiệt và hóa học

Thành phần oxit gốm vốn đã ổn định hơn so với lớp phủ hữu cơ ở nhiệt độ cao; do đó lớp phủ oxy hóa Micro-Arc mở rộng khả năng chịu nhiệt độ cao của hợp kim nhẹ.

Khả năng cách điện

Khi oxit đậm đặc bên trong liên tục, lớp phủ cung cấp độ bền điện môi hữu ích có thể được khai thác cho các thành phần cách điện hoặc điện áp cao.

Lợi ích quy định môi trường

Trong một số ứng dụng chống mài mòn và ăn mòn, Micro-Arc Oxidation là một giải pháp thay thế thích hợp hơn về mặt môi trường so với mạ crom vì nó tránh được hóa học crom hóa trị sáu; Tuy nhiên, quản lý chất thải tắm vẫn cần thiết.

Chuyển đổi bề mặt một bước trên hợp kim nhẹ

Quá trình oxy hóa vi hồ quang chuyển đổi bề mặt nền thành gốm chức năng trong một quy trình tắm duy nhất, tránh trình tự lắng đọng nhiều bước trong nhiều trường hợp sử dụng.

Hạn chế của quá trình oxy hóa hồ quang vi mô

Yêu cầu về độ xốp và độ kín bề mặt

Lớp ngoài xốp đặc trưng. Đối với các ứng dụng nhạy cảm với sự ăn mòn, lớp phủ thường yêu cầu bước làm kín (ngâm tẩm hữu cơ/vô cơ, sol-gel, mũ PVD) để ngăn chặn sự xâm nhập của phương tiện ăn mòn. Niêm phong làm tăng thêm độ phức tạp của quy trình và chi phí.

Độ giòn và độ dẻo dai hạn chế

Oxit gốm cứng nhưng giòn. Lớp phủ dày hoặc rất cứng, các lớp tinh thể có thể bị nứt dưới tác động hoặc tải nặng theo chu kỳ.

Điều này hạn chế độ dày lớp phủ và yêu cầu xác nhận thiết kế cho môi trường tải trọng và mỏi động..

Độ nhạy hình học và tính không đồng nhất

Các cạnh sắc nét, các gân mỏng và các đặc điểm phức tạp tập trung các vi phóng điện và thường phát triển dày hơn, lớp phủ cứng hơn được gọi là hiệu ứng cạnh.

Để đạt được độ phủ đồng đều trên các bộ phận phức tạp đòi hỏi phải cố định cẩn thận, chuyển động một phần, kỹ thuật dạng sóng hoặc nhiều hướng trong quá trình xử lý.

Thiết bị điện áp cao và an toàn

Quá trình này hoạt động ở mức vài trăm volt và đòi hỏi hệ thống an toàn mạnh mẽ, người vận hành lành nghề và chế độ bảo trì. Điện tử công suất và điều khiển bổ sung thêm vốn và chi phí hoạt động.

Tiêu thụ năng lượng và thời gian chu kỳ

So với anodizing đơn giản, quá trình này tiêu thụ nhiều năng lượng điện hơn trên một đơn vị diện tích và thời gian xử lý có thể dao động từ vài phút đến hàng chục phút tùy thuộc vào mục tiêu độ dày.

Lập kế hoạch thông lượng phải tính đến thời gian xử lý và hậu xử lý.

Khả năng tái tạo quy trình & vấn đề mở rộng quy mô

Chế độ xả có thể lặp lại theo lô và hình dạng bộ phận khác nhau là không cần thiết.

Mở rộng quy mô từ nguyên mẫu sang sản xuất thường đòi hỏi đầu tư vào phát triển quy trình (DOE), hệ thống giám sát và kiểm soát (ghi điện áp/dòng điện, phân tích bồn tắm).

Không áp dụng phổ biến cho tất cả các kim loại

Chỉ những kim loại van tạo thành oxit cách điện thích hợp mới phản ứng với quá trình oxy hóa vi hồ quang. Thép, hợp kim niken và đồng thường không thể được xử lý trực tiếp.

8. Phân tích so sánh: Quá trình oxy hóa vi mô so với các công nghệ xử lý bề mặt khác

Phiên dịch:

Quá trình oxy hóa vi hồ quang kết hợp độc đáo độ cứng gốm và liên kết luyện kim trên hợp kim nhẹ;

nó cạnh tranh với phương pháp mạ anodizing cứng và mạ crom cho các ứng dụng mài mòn nhưng mang lại sự cân bằng khác nhau (độ xốp so với. độ cứng, Dấu chân môi trường, tiết kiệm trọng lượng chất nền).

Phun nhiệt vượt trội cho các bản dựng rất dày nhưng thiếu liên kết tăng trưởng của phương pháp oxit.

9. Phần kết luận

Quá trình oxy hóa hồ quang vi mô là một quá trình biến đổi, phương pháp kỹ thuật bề mặt thân thiện với môi trường kết hợp điện hóa học, phóng điện vi mô plasma và đông đặc nhanh chóng để phát triển màng gốm tại chỗ trên kim loại van và hợp kim của chúng.

Hệ thống oxit thu được được liên kết bằng phương pháp luyện kim với chất nền và mang lại gói đặc tính có giá trị cao — độ cứng cao, cải thiện đáng kể khả năng chống mài mòn,

tăng cường ăn mòn và ổn định nhiệt, độ bền điện môi tốt và, công thức ở đâu, hoạt tính sinh học - điều đó khó đạt được chỉ bằng một phương pháp điều trị truyền thống.

Việc áp dụng ngành công nghiệp này mở rộng sang lĩnh vực hàng không vũ trụ, Ô tô, Điện tử, lĩnh vực y sinh và dụng cụ vì quá trình oxy hóa hồ quang vi mô kết hợp hiệu suất cao với khả năng phủ các hình học phức tạp và tránh một số hóa chất nguy hiểm được sử dụng trong mạ thông thường.

Đồng thời, giới hạn thực tế vẫn còn: kỹ thuật này phần lớn bị hạn chế đối với kim loại van, tính đồng nhất của lớp phủ trên các bộ phận lớn hoặc phức tạp có thể là thách thức,

kiểm soát lỗi và quản lý bể thêm chi phí xử lý, và sử dụng năng lượng cao hơn so với anodizing đơn giản.

Những tiến bộ đang diễn ra - điều khiển dạng sóng điện thông minh hơn, lớp phủ composite và song công, cải tiến cố định và tự động hóa, các biến thể của quy trình tái chế bồn tắm và sử dụng năng lượng thấp hơn - đang nhanh chóng mở rộng khả năng ứng dụng và giảm chi phí cũng như tác động đến môi trường.

Khi những sự phát triển này trưởng thành, Micro-Arc Oxidation được định vị tốt để trở thành công nghệ kỹ thuật bề mặt cốt lõi cho hiệu suất cao, sản xuất nhẹ và bền vững.

Câu hỏi thường gặp

Những kim loại nào có thể được xử lý bằng quá trình oxy hóa Micro-Arc?

Chủ yếu là nhôm và hợp kim của nó, hợp kim magiê và hợp kim titan - kim loại tạo thành lớp oxit cách điện thích hợp cho sự cố điện môi và hình thành phóng điện vi mô.

Lớp phủ Micro-Arc Oxidation dày và cứng như thế nào?

Lớp phủ công nghiệp điển hình bao gồm từ 5 ĐẾN 60 Sọ về độ dày; độ cứng bề mặt thường dao động từ 400 ĐẾN 1,700 HV, phụ thuộc vào năng lượng của quá trình, hàm lượng pha và chất điện phân.

Liệu Micro-Arc Oxidation có thay thế được lớp mạ crom cứng không?

Nó có thể thay thế crom cứng cho một số ứng dụng mài mòn trên nền nhẹ, đặc biệt là khi các vấn đề về môi trường hoặc quy định là mối quan tâm.

Tuy nhiên, mạ crom vẫn rất dày đặc, bề mặt có độ xốp thấp trên nhiều chất nền; sự lựa chọn tốt nhất phụ thuộc vào yêu cầu chức năng.

Lớp phủ oxy hóa Micro-Arc có cần xử lý sau không?

Thường xuyên có. Vì bề mặt bên ngoài xốp, niêm phong (hữu cơ hoặc vô cơ), ngâm tẩm với chất bôi trơn, hoặc một lớp phủ mỏng (PVD) thường được sử dụng để tăng cường khả năng chống ăn mòn và giảm ma sát.