Pulsed direct current plasma electrolytic oxidation (PEO) at low and ultra-low duty cycles

[K. Mojsilović]

144 lista

Fizika - Primenjena fizika / Physics - Applied physics

Ova doktorska disertacija je usmerena na upotrebu procesa plazmene elektrolitičke oksidacije (PEO) u uslovima niskog i ultra-niskog impulsnog električnog opterećenja. Na početku rada na disertaciji su ispitani mehanizmi rasta PEO slojeva na 99.00 % čistom Al u nisko koncentrovanom vodenom rastvoru natrijum volframata (Na2WO4·2H2O) uz primenu jedinstvenog ultra-niskog impulsnog eletričnog opterećenja (1.00 % i 3.85 %) sa mili- i mikro-sekundnim trajanjem impulsa. Istraživanje prati formiranje i razvoj mikropražnjenja tokom PEO procesa putem optičke emisione spektroskopije (OES). Analiza spektralnih linija otkriva prisustvo različitih tipova mikropražnjenja. Ispitivanje osobina dobijenih oksidnih slojeva objašnjava njihovu morfologiju i hemijski sastav, ukazujući na to da se sastoje iz Al, O i W, te da su male hrapavosti i poroznosti. Kod dobijenih PEO slojeva je primećena delimična kristalizacija, sa kristalnim fazama kao što su W, WO3, W3O8 i γ-Al2O3. Pored toga, dodatno je ispitan PEO proces na Al u Na2WO4·2H2O korišćenjem mikro-sekundnog opsega trajanja impulsa i niskog impulsnog električnog opterećenja od 16.67 %. Pokazuje se da promena trajanja impulsa i pauze između njih ima značajan uticaj na svojstva oksidnih slojeva, uključujući njihovu morfologiju, fazni i hemijski sastav. Viša vrednost impulsnog električnog opterećenja rezultuje povećanim stepenom kristalizacije i značajnim promenama u hrapavosti, poroznosti i debljini nastalih oksidnih slojeva. Dobijene vrednosti fotokatalitičke aktivnosti i intenziteta fotoluminiscencije su u korelaciji sa morfologijom i faznim sastavom oksidnih slojeva. Drugi aspekt ovog istraživanja bio je fokusiran na PEO slojeve formirane na čistim Ti i Nb metalnim folijama korišćenjem mikro-sekundne impulsne električne pobude u natrijum fosfatnom (Na3PO4·12H2O) elektrolitu. Snimanje u realnom vremenu i OES prate proces formiranja i razvoja mikropražnjenja. Karakterizacija oksidnih slojeva naglašava razlike u hrapavosti i faznom sastavu između Ti i Nb supstrata, pri čemu PEO slojevi na Ti prolaze kroz faznu transformaciju, a PEO slojevi na Nb održavaju konzistentne kristalne faze. Fotoluminiscentna i fotokatalitička svojstva variraju u zavisnosti od morfologije i faznog sastava oksidnih slojeva, na šta utiče dužina trajanja pobudnog impulsa. Na kraju disertacije su prikazana istraživanja posvećena pripremi i svojstvima PEO slojeva na leguri Al, AA2024, u kalijum titanijum oksid oksalatnom (K2TiO(C2O4)2) i natrijum heksametafosfatnom (Na6P6O18) elektrolitu približno neutralne pH vrednosti, koristeći nisku (10 %) impulsnu električnu pobudu. Istraživana je imobilizacija različitih čestica Zn-Al dvostruko slojevitih hidroksida, koje utiču na morfologiju, fazni i hemijski sastav formiranih oksidnih slojeva. Dodate čestice doprinose jedinstvenim strukturama PEO slojeva, utičući na njihovu fotokatalitičku aktivnost i antikorozivna svojstva.

The doctoral dissertation presented here focuses on the usage of pulsed direct current plasma electrolytic oxidation (PEO) at low and ultra-low duty cycles. The research explores several aspects of PEO processing on different metals. Firstly, it delves into the growth mechanisms of thin oxide coatings on 99.0 % aluminum substrates in water-based sodium tungstate electrolytes by employing a unique ultra-low duty cycle (1.00 and 3.85 %) PEO with mili- and micro-second range pulsed DC signals. The research investigates the formation process, identifying microdischarges through standard optical emission spectroscopy (OES). Spectral line analysis reveals the presence of distinct microdischarge types. Characterization of the resulting coatings elucidates their morphology and chemical composition, showing compositions of Al, O, and W with low roughness and porosity. The coatings exhibit partial crystallization, revealing phases such as W, WO3, W3O8, and γ-Al2O3. Additionally, the research explores PEO of aluminum in sodium tungstate solution using micro-second range pulsed DC signals and low duty cycle of 16.67 %. Varying pulse duration and duty cycle reveal significant impacts on coating properties, including morphology, phase, and chemical composition. Higher duty cycles result in increased crystallization and significant changes in roughness, porosity, and thickness. Photocatalytic activity and photoluminescence intensity correlate with morphology and composition, showing promising results for specific processing parameters. Another aspect of the investigation focuses on oxide coatings formed on pure Ti and Ni substrates using micro-second pulsed plasma electrolytic oxidation in a sodium phosphate electrolyte. Real-time imaging and OES monitor the formation process. Characterization of the coatings highlights differences in roughness and phase composition between Ti and Nb substrates, with Ti coatings undergoing phase transformation and Nb coatings maintaining a consistent phase. Photoluminescent and photocatalytic properties vary with morphology and phase composition, influenced by processing time. Lastly, investigations extend to the preparation and properties of PEO coatings on aluminum AA2024 alloy in a close to pH-neutral potassium titanium oxide oxalate and sodium hexametaphosphate standard electrolytes by using a low (10 %) duty cycle. Immobilization of different Zn-Al layered double hydroxides (LDH) is explored, affecting coating morphology, phase, and chemical composition. LDH-containing electrolytes yield well-crystallized coatings with enhanced photocatalytic activity and corrosion resistance compared to standard electrolytes.

plazmena elektrolitička oksidacija, oksidni slojevi, (ultra-)niska impulsna električna opterećenja

pulsed direct-current plasma electrolytic oxidation, oxide coatings, (ultra-)low duty cycles

538.9:544.478.1(043.3)

Tekst