티타늄 합금의 저전압 친환경 플라즈마 전해 산화 공정

Jul 07, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 6037(2022) 이 기사 인용

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PEO(플라즈마 전해 산화)는 Mg, Al, Ti 등 경금속의 표면을 보호하기 위해 광범위하게 사용되는 표면 처리 공정입니다. 여기에서는 질소 함유 전해질과 저전압(120V)을 사용하여 T1 티타늄 합금 표면에 약 12 ​​마이크론 두께의 균일하고 접착성 있는 다공성 산화물 코팅을 형성하는 환경 친화적인 PEO 공정을 보고합니다. 우리는 질소 함유 화합물 없이 PEO 조에서 처리된 합금과 코팅을 비교하여 질소화의 영향을 평가했습니다. 두 샘플 세트 모두 기공 구조에 뚜렷한 변화가 있는 현무암과 유사한 형태를 나타냈습니다. 조성 분석에 따르면 코팅은 주로 산화티타늄과 규산염의 복합물인 것으로 나타났습니다. 질소 함유 전해질로 처리된 T1 Ti 합금에는 TiC와 TiN도 포함되어 있습니다. 이는 탄화물/질화물 나노입자 없이 단일 PEO 조를 사용하여 TixOy, Ti-Si-O, TiC 및 TiN 복합 코팅을 생산한 최초의 보고입니다. 코팅의 밴드갭은 가시광선 기능성을 시사했습니다. PEO 조에 질소 기반 화합물을 사용하면 산화물 층의 경도가 향상되었지만 잠재적으로 질화물 및 탄화물 함유 코팅의 내식성이 감소하는 응력 유발 균열이 발생했습니다.

플라즈마 전해 산화(PEO)는 환경적으로 불활성인 산화물 코팅의 형성을 유도하여 금속 기판을 보호하는 데 사용되는 표면 처리 공정입니다. 이 공정은 안정적인 음극과 전해조의 대상 기판 사이에 높은 직류(DC), 펄스 DC 또는 교류(AC) 전압을 적용합니다. 기판 표면의 마이크로 아크 방전 채널은 산화물 코팅을 형성합니다. PEO 표면 처리의 주요 목적은 금속 기판에 내마모성과 내식성을 제공하는 것입니다. PEO 공정의 독특한 특징은 다중 표면 방전에서 플라즈마 열화학적 상호 작용으로 인해 산화물 코팅이 이중 모드로 성장한다는 것입니다. PEO 처리 공정은 기판에 다공성 층을 형성하는 동시에 기판의 벌크로 수 미크론까지 확장되어 접착력이 뛰어난 부식 방지 코팅을 형성합니다. 마그네슘, 알루미늄 및 티타늄 합금은 일반적으로 PEO 표면 처리를 받는 경금속 중 하나입니다1. 최근 리뷰에서는 구리, 아연 및 니오븀 합금에 PEO 표면 처리를 사용한다고 보고했습니다2.

티타늄과 그 합금은 높은 비강도, 낮은 밀도, 제조 용이성 및 생체 적합성으로 인해 항공우주, 화학, 생의학3,4 및 반도체 산업에서 다양한 응용 분야를 가지고 있습니다. T1 티타늄 합금은 다른 티타늄 합금에 비해 탄성이 낮고 내식성이 우수하므로 과학5 및 산업 응용 분야에서 특히 중요합니다. T1 합금은 열경화 공정에 반응하지도 않고 산소와 반응하지도 않기 때문에 표준 표면 엔지니어링 공정으로 직접 처리할 수 없습니다. Ti 합금의 내마모성 및 내식성을 향상시키는 데 사용할 수 있는 열화학적 표면 처리 공정에는 PVD(물리적 기상 증착), CVD(화학적 기상 증착), 화학적 변환, 양극 산화 처리, 전기 도금, 무전해 도금, 유기 코팅 중합 및 PEO가 포함됩니다. PEO에 의한 티타늄 합금 표면 처리는 PEO가 합금 표면에 두껍고 접착력이 있으며 내마모성이 있는 산화 코팅을 개발할 수 있기 때문에 잘 알려져 있고 상업적으로 실행 가능한 공정입니다. 티타늄 합금의 다른 표면 처리 공정으로는 침탄 및 질화 공정이 있습니다. 티타늄 합금의 탄화는 미크론 규모의 TiC 코팅을 생성하며 높은 처리 온도(> 1000°C)6를 필요로 합니다. 티타늄 합금을 질화하면 매우 단단한 Ti-N 코팅(1500~3000HV)이 형성되며, 이 공정에는 N2가 풍부한 환경을 제어해야 합니다7. 티타늄 합금 표면의 직접 질화 처리의 단점은 피로 강도가 감소한다는 것입니다8.