Processo de oxidação eletrolítica de plasma de baixa tensão ambientalmente amigável para ligas de titânio

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 6037 (2022) Citar este artigo

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A oxidação eletrolítica de plasma (PEO) é um processo de tratamento de superfície amplamente utilizado para proteger as superfícies de metais leves, como Mg, Al e Ti. Aqui, relatamos um processo de PEO ecologicamente correto que usa eletrólitos contendo nitrogênio e baixas voltagens (120 V) para formar revestimentos de óxido porosos, aderentes e uniformes de ~ 12 mícrons de espessura em superfícies de liga de titânio T1. Avaliamos a influência da nitrogenação comparando os revestimentos com ligas tratadas em banhos de PEO sem compostos contendo nitrogênio. Ambos os conjuntos de amostras exibiram morfologias semelhantes ao basalto com variação distinta nas estruturas dos poros. As análises de composição mostraram que os revestimentos eram principalmente compostos de óxidos de titânio e silicatos. As ligas T1 Ti tratadas com eletrólitos contendo nitrogênio também continham TiC e TiN. Este é o primeiro relatório de produção de revestimentos compostos TixOy, Ti–Si–O, TiC e TiN usando um único banho de PEO sem nanopartículas de carboneto/nitreto. Os bandgaps dos revestimentos sugeriram funcionalidade de luz visível. O uso de compostos à base de nitrogênio nos banhos de PEO melhorou a dureza das camadas de óxido, mas introduziu rachaduras induzidas por tensão que são potencialmente responsáveis ​​pela redução na resistência à corrosão dos revestimentos contendo nitreto e carboneto.

A oxidação eletrolítica de plasma (PEO) é um processo de tratamento de superfície usado para proteger substratos metálicos induzindo a formação de revestimentos de óxido ambientalmente inertes. O processo aplica uma tensão de alta corrente contínua (CC), CC pulsada ou corrente alternada (CA) entre um cátodo estável e o substrato alvo em um banho eletrolítico. Canais de descarga de microarco na superfície do substrato formam o revestimento de óxido. O principal objetivo dos tratamentos de superfície com PEO é fornecer substratos metálicos com resistência ao desgaste e à corrosão. Uma característica única do processo PEO é que as interações termoquímicas de plasma em descargas de múltiplas superfícies resultam no crescimento bimodal de revestimentos de óxido. Os processos de tratamento de PEO formam simultaneamente uma camada porosa no substrato que se estende alguns mícrons na massa do substrato formando um revestimento resistente à corrosão altamente aderente. Ligas de magnésio, alumínio e titânio estão entre os metais leves comumente submetidos a tratamentos de superfície PEO1. Revisões recentes também relatam o uso de tratamentos de superfície PEO para ligas de cobre, zinco e nióbio2.

O titânio e suas ligas têm diversas aplicações nas indústrias aeroespacial, química, biomédica3,4 e de semicondutores devido à sua alta resistência específica, baixa densidade, facilidade de fabricação e biocompatibilidade. As ligas de titânio T1 são de particular interesse para aplicações científicas e industriais, pois possuem menor elasticidade e resistência à corrosão superior em comparação com outras ligas de titânio. As ligas T1 não são tratáveis ​​diretamente com processos de engenharia de superfície padrão, pois não respondem a processos de endurecimento térmico nem são reativas com oxigênio. Os processos de tratamento de superfície termoquímicos disponíveis para aumentar a resistência ao desgaste e à corrosão das ligas de Ti incluem deposição física de vapor (PVD), deposição química de vapor (CVD), conversão química, anodização, galvanoplastia, galvanoplastia, polimerização de revestimentos orgânicos e PEO. O tratamento de superfície de ligas de titânio por PEO é um processo bem conhecido e comercialmente viável, pois o PEO pode desenvolver revestimentos oxidados espessos, aderentes e resistentes ao desgaste na superfície da liga. Outros processos de tratamento de superfície para ligas de titânio são a cementação e a nitretação. A carbonização de ligas de titânio produz um revestimento de TiC em microescala e requer altas temperaturas de processamento (> 1000 °C)6. A nitretação de ligas de titânio resulta na formação de revestimentos Ti-N extremamente duros (1.500 a 3.000 HV), e o processo requer ambientes ricos em N2 controlados7. A desvantagem da nitretação direta de superfícies de liga de titânio é a redução de sua resistência à fadiga8.