Processo di ossidazione elettrolitica al plasma ecologico a bassa tensione per leghe di titanio

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 6037 (2022) Citare questo articolo

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L'ossidazione elettrolitica al plasma (PEO) è un processo di trattamento superficiale ampiamente utilizzato per proteggere le superfici di metalli leggeri come Mg, Al e Ti. Qui riportiamo un processo PEO rispettoso dell'ambiente che utilizza elettroliti contenenti azoto e basse tensioni (120 V) per formare rivestimenti di ossido spessi, uniformi, aderenti e porosi di ~ 12 micron sulle superfici della lega di titanio T1. Abbiamo valutato l'influenza dell'azotazione confrontando i rivestimenti con leghe trattate in bagni PEO senza composti contenenti azoto. Entrambi i gruppi di campioni mostravano morfologie simili al basalto con distinte variazioni nelle strutture dei pori. Le analisi della composizione hanno mostrato che i rivestimenti erano principalmente compositi di ossidi e silicati di titanio. Le leghe T1 Ti trattate con elettroliti contenenti azoto contenevano anche TiC e TiN. Questo è il primo rapporto in assoluto sulla produzione di rivestimenti compositi TixOy, Ti–Si–O, TiC e TiN utilizzando un singolo bagno PEO senza nanoparticelle di carburo/nitruro. Le bande proibite dei rivestimenti suggerivano la funzionalità della luce visibile. L'uso di composti a base di azoto nei bagni PEO ha migliorato la durezza degli strati di ossido ma ha introdotto fessurazioni indotte da stress che sono potenzialmente responsabili della riduzione della resistenza alla corrosione dei rivestimenti contenenti nitruro e carburo.

L'ossidazione elettrolitica al plasma (PEO) è un processo di trattamento superficiale utilizzato per proteggere i substrati metallici inducendo la formazione di rivestimenti di ossido inerti dall'ambiente. Il processo applica una tensione elevata di corrente continua (CC), CC pulsata o corrente alternata (CA) tra un catodo stabile e il substrato target in un bagno elettrolitico. I canali di scarica del microarco sulla superficie del substrato formano il rivestimento di ossido. L'obiettivo principale dei trattamenti superficiali PEO è fornire ai substrati metallici resistenza all'usura e alla corrosione. Una caratteristica unica del processo PEO è che le interazioni termochimiche del plasma in scariche su più superfici determinano la crescita bimodale dei rivestimenti di ossido. I processi di trattamento PEO formano contemporaneamente uno strato poroso sul substrato che si estende per alcuni micron nella maggior parte del substrato formando un rivestimento resistente alla corrosione altamente aderente. Le leghe di magnesio, alluminio e titanio sono tra i metalli leggeri comunemente sottoposti a trattamenti superficiali PEO1. Recenti revisioni riportano anche l'uso di trattamenti superficiali PEO per le leghe di rame, zinco e niobio2.

Il titanio e le sue leghe hanno una vasta gamma di applicazioni nell'industria aerospaziale, chimica, biomedica3,4 e dei semiconduttori grazie alla loro elevata resistenza specifica, bassa densità, facilità di fabbricazione e biocompatibilità. Le leghe di titanio T1 sono di particolare interesse per applicazioni scientifiche5 e industriali poiché possiedono una minore elasticità e una resistenza alla corrosione superiore rispetto ad altre leghe di titanio. Le leghe T1 non sono direttamente trattabili con processi standard di ingegneria superficiale poiché non rispondono ai processi di indurimento termico né sono reattive con l'ossigeno. I processi di trattamento superficiale termochimico disponibili per migliorare la resistenza all'usura e alla corrosione delle leghe di Ti includono deposizione fisica da vapore (PVD), deposizione chimica da vapore (CVD), conversione chimica, anodizzazione, galvanica, placcatura chimica, polimerizzazione di rivestimenti organici e PEO. Il trattamento superficiale delle leghe di titanio mediante PEO è un processo ben noto e commercialmente fattibile poiché il PEO può sviluppare rivestimenti ossidati spessi, aderenti e resistenti all'usura sulla superficie della lega. Altri processi di trattamento superficiale delle leghe di titanio sono la cementazione e la nitrurazione. La carbonizzazione delle leghe di titanio produce un rivestimento TiC su scala micron e richiede temperature di lavorazione elevate (> 1000 °C)6. La nitrurazione delle leghe di titanio determina la formazione di rivestimenti Ti–N estremamente duri (da 1.500 a 3.000 HV) e il processo richiede ambienti controllati ricchi di N27. Lo svantaggio della nitrurazione diretta delle superfici delle leghe di titanio è la riduzione della loro resistenza alla fatica8.