دانشکده مهندسی

 گروه آموزشی مواد

 

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی مواد گرایش شناسایی و انتخاب مواد مهندسی

عنوان:

 

بررسی رفتار خوردگی پوشش­های ایجاد­شده توسط فرآیند اکسیداسیون الکترولیتی پلاسمایی روی آلیاژ Ti-6Al-4V

 

استاد راهنما:

دکتر آرش فتاح­الحسینی

  

اساتید مشاور:

دکتر سید امید گشتی

دکتر محسن کشاورز خوراسگانی

نگارش:

الهام نیکومنظری

 

زمان: یک­شنبه 15 بهمن 1369 ساعت 15

مکان: کلاس10

 

 

 

Faculty of Engineering    

Department of Materials Engineering

 

Thesis submitted for Master of Science in the Field of Materials Selection for Engineering Design

 

Title

 

 

Investigation of the corrosion behavior of coatings formed by plasma electrolytic oxidation on Ti-6Al-4V alloy

 

Supervisor:

Arash Fattah-Alhosseini (Ph.D)

 

Advisors:

Seyed Omid Gashti (Ph.D)

Mohsen Keshavarz Khorasgani (Ph.D)

 

 

By:

Elham Nikoomanzari

 

February, 4, 2018

چکیده:

پوشش­های سرامیکی روی سطح آلیاژ Ti-6Al-4V با استفاده از فرآیند اکسیداسیون الکترولیتی پلاسمایی در حضور الکترولیت قلیایی و حالت جریان مستقیم پالسی ایجاد شدند. چهار فرآیند مختلف شامل اثر غلظت نمک فسفات سدیم، اثر غلظت نانوذرات ZrO₂، زمان فرآیند و چگالی جریان بر ریزساختار، ترکیب شیمیایی و رفتار خوردگی پوشش­ها مطالعه شد. پاسخ ولتاژ- زمان نیز در طول فرآیند پوشش­دهی ثبت شد. ریزساختار و ترکیب شیمیایی نمونه‌های پوشش داده شده توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی و الگوی پراش پرتو ایکس و طیف‌سنجی پراش انرژي پرتو ایکس مورد آنالیز قرارگرفته است. خواص خوردگی پوشش‌ها در محیط شبیه‌ساز بدن­ (هنک) توسط آزمایش‌های پلاریزاسیون پتانسیودینامیک و طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی موردمطالعه قرارگرفته است. در بررسی غلظت فسفات سدیم، نتایج نشان داد که افزایش غلظت فسفات سدیم منجر به افزایش هدایت الکتریکی الکترولیت، متوسط اندازه تخلخل‌ها و ضخامت پوشش‌ها شد. نتایج حاصل از الگوی پراش پرتو ایکس نشان داد که با افزایش غلظت فسفات سدیم، فاز شبه‌پایدار آناتاز به فاز پایدار روتیل تبدیل شد. درنتیجه با افزایش غلظت الکترولیت میزان فاز روتیل موجود در پوشش افزایش و میزان فاز آناتاز کاهش‌یافته است. بیش­­ترین پتانسیل خوردگی، به همراه کمترین چگالی جریان خوردگی در پوشش ایجادشده در الکترولیت حاوی 12 گرم بر لیتر فسفات سدیم منجر به بیش­ترین مقاومت به خوردگی شد. در بررسی اثر غلظت نانوذرات ZrO₂، نانوذرات به دوصورت خنثی و انفعالی وارد پوشش شدند و پوشش­ها شامل ZrO₂ و ZrTiO₄ بودند. با افزایش غلظت ZrO₂ اندازه تخلخل­های روی سطح و ضخامت پوشش­ها افزایش و تعداد تخلخل­ها کاهش یافت. مقاومت به خوردگی پوشش­ها با افزودن نانوذرات ZrO₂ افزایش پیدا کرد، اما مقدار بهینه آن بستگی به شرایط سطح پوشش داشت. مقاومت به خوردگی پوشش اکسیدی ایجاد­شده در الکترولیت حاوی 3 گرم بر لیتر نانوذره، بالاتر از پوشش­های ایجاد­شده در غلظت­های 0،1 و 5 گرم بر لیتر نانوذره ZrO₂ بود. در بررسی زمان پوشش­دهی، نتایج نشان داد که افزایش زمان پوشش­دهی منجر به افزایش میانگین اندازه تخلخل­ها و ضخامت پوشش­ها شد. پوشش ایجاد­شده در مدت زمان  10 دقیقه کم­ترین درصد تخلخل و بیش­ترین مقاومت به خوردگی را داشت. در بررسی چگالی جریان، نتایج نشان دادند که افزایش چگالی جریان منجر به افزایش اندازه و درصد تخلخل­ها و ضخامت پوشش­ها شد. نتایج حاصل از آزمون­های الکتروشیمیایی نشان دادند که مقاومت به خوردگی پوشش ایجاد­شده در چگالی جریان 2 آمپر بر دسی‌متر مربع، در مقایسه با سایر نمونه­ها، بهتر است.

واژگان کلیدی: آلیاژ Ti-6Al-4V، نانوذرات ZrO₂، اکسیداسیون الکترولیتی پلاسمایی،  امپدانس الکتروشیمیایی، پلاریزاسیون پتانسیودینامیک

Abstract:

Ceramic coatings were created on the surface of Ti–6Al–4V alloy using a plasma electrolytic oxidation (PEO) process employing a pulsed direct current (DC) power mode in an alkaline electrolyte. Four different processes including the investigation the effects of Sodium phosphates concentration, ZrO₂ nanoparticles concentration, treatment time and Current density on microstructure, phase composition and corrosion behavior of coatings were studied. The voltage–time response was recorded during the PEO process. The morphology and phase composition of these coatings were analyzed by a scanning electron microscope (SEM), and X-ray diffraction (XRD), Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) technique. Corrosion properties of the coating were studied under simulated body fluid (Hanks) by potentiodynamic polarization and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) tests. In the study of sodium phosphate concentration, the results showed that increasing in the concentration of sodium phosphate led to increment in the electrolyte electrical conductivity, average pore size and thickness of the coatings. As a consequence of increasing the electrical conductivity, the breakdown voltage in V-t curves decreased. The XRD results showed that with increase in the concentration of sodium phosphate, the metastable anatase phase transformed to the stable rutile phase. The results of the electrochemical tests indicated that the corrosion resistance of the coating produced by PEO process, in the electrolyte with 12 g/L sodium phosphate, was significantly better in comparison to the other specimens. The maximum measured corrosion potential of the coating together with the minimum corrosion current density in the electrolyte with 12 g/L sodium phosphate leads to the highest corrosion resistance of twofold layer. In the study of ZrO₂ nanoparticles concentration, the results exhibited both inert and reactive incorporation of ZrO₂ nanoparticles and coatings consisted of ZrTiO₄, ZrO₂. As the ZrO₂ concentration in the electrolyte were increased, size of pores on the surface and thickness of the coatings increased and their numbers decreased. Corrosion resistance of the coatings increased with ZrO₂ nanoparticle addition, but optimum properties depend on surface conditions. The Corrosion resistance of oxide layer produced in electrolytes containing 3 g/l ZrO₂ nanoparticles was higher than those containing 0, 1 and 5 g/l ZrO₂ nanoparticles. In the study of treatment time, the results showed that increasing in process time led to increment in average pore size and thickness of the coatings. The coating which was formed in 10 minutes possessed the lowest porosity (11.2%) Which led to the highest corrosion resistance().In the study of current density, , the results showed that increasing in current density led to increment in average pore size, Porosity percentage  and thickness of the coatings. The results of the electrochemical tests indicated that the corrosion resistance of the coating produced in current density with 2 A/dm², was significantly better in comparison to the other specimens.

Key Words:Ti-6Al-4V, ZrO₂ nanoparticles, Plasma Electrolytic Oxidation (PEO), Electrochemical Impedance, Potentiodynamic polarization