ارزیابی ریزساختار، ترکیب شیمیایی و مقاومت به خوردگی پوشش اکسیدی ایجاد شده در فرایند آندایز سخت آلومینیوم در الکترولیت اسید اگزالیک

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی اصفهان

2 دانشکده فیریک، دانشگاه کاشان

چکیده

آندایز سخت به‌عنوان یکی از روش‌های بهبود خواص سطحی روی آلومینیم همیشه موردتوجه بوده است، اما مشکل اساسی این روش، کنترل دقیق دما و دستیابی به ساختار لایه اکسید آلومینیم آندی در کف حفرات می‌باشد. در این پژوهش با طراحی راکتور آندایز، کنترل دقیق شرایط پوشش دهی و استفاده از یک آندایز نرم(ولتاژ40ولت) قبل از آندایز سخت(ولتاژ130ولت) به مطالعه چگونگی تغییرات چگالی جریان در حین پوشش دهی آلیاژ آلومینیم 1100 در محلول اسیدگزالیک پرداخته شد. به کمک نمودارهای چگالی جریان-زمان و تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی نشر میدانی افزایش چگالی جریان و انتقال از آندایز نرم به سخت که همراه با بیشتر شدن فاصله حفرات بود، مشاهده شد. نتایج آزمون پراش اشعه ایکس حاکی از تشکیل پوششی با ساختار آلومینای آمورف می‌باشد. همچنین آنالیز طیف نگار تفکیک انرژی نشان داد که پوشش فقط حاوی اکسیژن و آلومینیم به دلیل تشکیل آلومینا می‌باشد. نتایج آزمون پلاریزاسیون بیانگر بهبود قابل‌توجه مقاومت به خوردگی آلیاژ با اعمال لایه اکسیدی آلومینیم بود. انجام آندایز در سه دمای صفر، 10 و 17درجه سانتی‌گراد نشان داد بیشتر شدن دما منجر به افزایش  بار عبوری و ضخامت لایه اکسیدی می‌گردد، اما روی فاصله بین حفره‌ای، قطر حفره‌ای، ضخامت لایه سدی و چگالی حفرات تأثیر محسوسی ندارد که این حاکی از مستقل بودن این پارامترها از جریان بود. این در حالی است که به دلیل شدت خورندگی بیشتر محلول، بازه تغییرات این پارامترها افزایش می‌یابد. تخلخل پوشش نیز از 6/15 به 3/17 درصد افزایش یافت. همچنین با مقایسه آندایز آلومینیم خالص و آلیاژ1100 مشخص شد که حضور عناصر آلیاژی منجر به کاهش میزان نظم پوشش خواهد شد.

کلیدواژه‌ها


1. G. E. J. Poinern, A. Nurshahidah and D. Fawcett, Progress in nano-engineered anodic aluminum oxide membrane development, Materials, 4 (2011) 487-526.

2. M. Fazel, H. R. Salimijazi and M. A. Golozar, A comparison of corrosion, tribocorrosion and electrochemical impedance properties of pure Ti and Ti6Al4V alloy treated by micro-arc oxidation process, Applied Surface Science, 324 (2015) 751-756.

3. H. Tsuchiya, J. M. Macak, I. Sieber and P. Schmuki, SelfOrganized HighAspectRatio Nanoporous Zirconium Oxides Prepared by Electrochemical Anodization, Small, 7 (2005) 722-725.

4. Y. Mizutani, S. J. Kim, R. Ichino and M. Okido, Anodizing of Mg alloys in alkaline solutions, Surface and Coatings Technology, 169 (2003) 143-146.

5. A. M. M. Jani, L. Dusan and N. H. Voelcker, Nanoporous anodic aluminium oxide: advances in surface engineering and emerging applications, Progress in Materials Science, 58 (2013) 636-704.

6. J. Konieczny, L. A. Dobrzański, K. Labisz and J. Duszczyk, The influence of cast method and anodizing parameters on structure and layer thickness of aluminium alloys, Journal of Materials Processing Technology, 157 (2004) 718-723.

7. J. P. O'sullivan, G. C. Wood, The morphology and mechanism of formation of porous anodic films on aluminium, In Proceedings of the Royal Society of London, 2 (1970)  511-543.

8. K. Nielsch, J. Choi, K. Schwirn, R. B. Wehrspohn and U. Gosele, Self-ordering regimes of porous alumina: the 10 porosity rule, Nano Letters, 2 (2002) 677-680.

9. A. L. Friedman, D. Brittain and L. Menon, Roles of pH and acid type in the anodic growth of porous alumina, The Journal of Chemical Physics, 127 (2007) 1547-1554.

10. S. Ono, M. Saito and H. Asoh, Self-ordering of anodic porous alumina formed in organic acid electrolytes, Electrochimica Acta, 51 (2005) 827-833.

11. M. A. Kashi and A. Ramazani, The effect of temperature and concentration on the self-organized pore formation in anodic alumina, Journal of Physics D: Applied Physics, 38 (2005) 2396-2399.

12. S. K. Hwang, S. H. Jeong, H. Y. Hwang, O. J. Lee, and K. H. Lee, Fabrication of highly ordered pore array in anodic aluminum oxide, Korean Journal of Chemical Engineering, 19 (2002) 467-473.

13. S. Z. Chu, K. Wada, S. Inoue, M. Isogai and A. Yasumori, Fabrication of Ideally Ordered Nanoporous Alumina Films and Integrated Alumina Nanotubule Arrays by HighField Anodization, Advanced Materials, 17 (2005) 2115-2119.

14. K. Schwirn, W. Lee, R. Hillebrand, M. Steinhart, K. Nielsch and U. Gösele, Self-ordered anodic aluminum oxide formed by H2SO4 hard anodization, Acs Nano, 2 (2008) 302-310.

15. Y. Li, M. Zheng, L. Ma and W. Shen,  Fabrication of highly ordered nanoporous alumina films by stable high-field anodization, Nanotechnology, 17 (2006) 510-503.

16. Y. Li, Z. Y. Ling, S. S. Chen and J. C. Wang, Fabrication of novel porous anodic alumina membranes by two-step hard anodization, Nanotechnology, 19 (2008) 2256-2262.

17. T. Aerts, T. Dimogerontakis, I. De Graeve, J. Fransaer and H. Terryn, Influence of the anodizing temperature on the porosity and the mechanical properties of the porous anodic oxide film, Surface and Coatings Technology, 201 (2007) 7310-7317.

18. W. Lee and S. J. Park, Porous anodic aluminum oxide: anodization and templated synthesis of functional nanostructures, Chemical Reviews, 114 (2014) 7487-7556.

19. W. Lee, J. C. Kim and U. Gösele, Spontaneous current oscillations during hard anodization of aluminum under potentiostatic conditions, Advanced Functional Materials, 20 (2010) 21-27.

20. S. Ono, M. Saito and H. Asoh, Self-ordering of anodic porous alumina induced by local current concentration: Burning, Electrochemical and Solid-State Letters, 7 (2004) 21-24.

21. W. Lee, R. Ji, U. Gösele and K. Nielsch, Fast fabrication of long-range ordered porous alumina membranes by hard anodization, Nature Materials, 5 (2006) 741-747.

22. W. Lee, K. Schwirn, M. Steinhart, E. Pippel, R. Scholz and U. Gösele, Structural engineering of nanoporous anodic aluminium oxide by pulse anodization of aluminium, Nature Nanotechnology, 3 (2008) 234-239.

23. M. A. Kashi, A. Ramazani, M. Noormohammadi, M. Zare and P. Marashi, Optimum self-ordered nanopore arrays with 130–270 nm interpore distances formed by hard anodization in sulfuric/oxalic acid mixtures, Journal of Physics D: Applied Physics, 40 (2007) 703-708.

24. L. U. O. Peng, H. H. Zhou, C. P. Fu and Y. F. Kuang, Preparation of anodic films on 2024 aluminum alloy in boric acid-containing mixed electrolyte, Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 18 (2008) 825-830.

25. B. B. Bob, Two-dimensional X-ray diffraction, John Wiley & Sons, 2011.

26. H. Ezuber, A. El-Houd and F. El-Shawesh, A study on the corrosion behavior of aluminum alloys in seawater, Materials and Design, 29 (2008) 801-805.

27. Y. Zuo, P. H. Zhao and J. M. Zhao, The influences of sealing methods on corrosion behavior of anodized aluminum alloys in NaCl solutions, Surface and Coatings Technology, 166 (2003) 237-242.

28. C. Jeong, J. Lee, K. Sheppard and C. H. Choi, Air-impregnated nanoporous anodic aluminum oxide layers for enhancing the corrosion resistance of aluminum, Langmuir, 31 (2015) 11040-11050.

29. I. Tsangaraki-Kaplanoglou, S. Theohari, T. Dimogerontakis, Y. M. Wang, H. H. Kuo and S. Kia, Effect of alloy types on the anodizing process of aluminum, Surface and Coatings Technology, 200 (2006)  2634-2641.

30. L. Fratila-Apachitei, I. De Graeve,  I. Apachitei, H. Terryn and J. Duszczyk, Electrode temperature evolution during anodic oxidation of AlSi (Cu) alloys studied in the wall-jet reactor, Surface and Coatings Technology, 200 (2006) 5343-5353.

31. M. A. Kashi, A. Ramazani, M. Raoufi and A. Karimzadeh, Self-ordering of anodic nanoporous alumina fabricated by accelerated mild anodization method, Thin Solid Films, 518 (2010) 6767-6772.

32. I. De Graeve, H. Terryn and G. E. Thompson, Influence of local heat development on film thickness for anodizing aluminum in sulfuric acid, Journal of The Electrochemical Society, 150 (2003) 158-165.

33. G. D. Sulka and K. G. Parkoła, Temperature influence on well-ordered nanopore structures grown by anodization of aluminium in sulphuric acid, Electrochimica Acta, 52 (2007) 1880-1888.

34. M. Noormohammadi and M. Moradi, Structural engineering of nanoporous alumina by direct cooling the barrier layer during the aluminum hard anodization, Materials Chemistry and Physics, 135 (2012) 1089-1095.

35. P. G. Sheasby and R. Pinner, The Surface Treatment and Finishing of Aluminium and its Alloys, 6th Edition, ASM International, USA/ Finishing Publications Ltd, 2001.

36. K. Schwirn, Harte Anodisation von Aluminium mit verdünnter Schwefelsäure. Martin-Luther-Universität, Halle-Wittenberg, 2008.

37. F. Debuyck, M. Moors and A. P. Van Peteghem, The influence of the anodization temperature and voltage on the porosity of the anodization layer on aluminium. Materials Chemistry and Physics, 36 (1993) 146-149.

38. Y. C. Kim, B. Quint, R. W. Kessler and D. Oelkrug, Structural properties of electrochemically designed porous oxide films on AlM, Journal of Electroanalytical Chemistry, 468 (1999) 121-126.

39. R. C. Alkire, Y. Gogotsi and P. Simon, Nanostructured materials in electrochemistry, John Wiley & Sons, 2008.

40. C. H. Voon, M. N. Derman, U. Hashim, K. R. Ahmad and K. L. Foo, Effect of temperature of oxalic acid on the fabrication of porous anodic alumina from Al-Mn alloys, Journal of Nanomaterials, 40 (2013) 58-64.

41. W. Lee, K. Nielsch and U. Gösele, Self-ordering behavior of nanoporous anodic aluminum oxide (AAO) in malonic acid anodization, Nanotechnology, 18 (2007) 4757-4770.

42. Y. B. Li, M. J. Zheng and L. Ma, High-speed growth and photoluminescence of porous anodic alumina films with controllable interpore distances over a large range, Applied Physics Letters, 91 (2007) 731-734.

43. S. Tajima, Luminescence, breakdown and colouring of anodic oxide films on aluminium, Electrochimica Acta, 22 (1977) 995-1011.

44. K. Shimizu and S. Tajima, Localized nature of the luminescence during galvanostatic anodizing of high purity aluminium in inorganic electrolytes, Electrochimica Acta, 25 (1980) 259-266.