Procédé d'oxydation électrolytique plasma basse tension respectueux de l'environnement pour les alliages de titane

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 6037 (2022) Citer cet article

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L'oxydation électrolytique par plasma (PEO) est un processus de traitement de surface largement utilisé pour protéger les surfaces des métaux légers tels que le Mg, l'Al et le Ti. Nous rapportons ici un processus PEO respectueux de l'environnement qui utilise des électrolytes contenant de l'azote et de basses tensions (120 V) pour former des revêtements d'oxyde d'environ 12 microns d'épaisseur, uniformes, adhérents et poreux sur les surfaces en alliage de titane T1. Nous avons évalué l'influence de la nitrogénation en comparant les revêtements à des alliages traités dans des bains de PEO sans composés azotés. Les deux ensembles d'échantillons présentaient des morphologies de type basalte avec des variations distinctes dans les structures des pores. Les analyses de composition ont montré que les revêtements étaient principalement des composites d'oxydes de titane et de silicates. Les alliages T1 Ti traités avec des électrolytes azotés contenaient également du TiC et du TiN. Il s'agit du tout premier rapport sur la production de revêtements composites TixOy, Ti-Si-O, TiC et TiN en utilisant un seul bain de PEO sans nanoparticules de carbure/nitrure. Les bandes interdites des revêtements suggèrent une fonctionnalité de lumière visible. L'utilisation de composés à base d'azote dans les bains de PEO a amélioré la dureté des couches d'oxyde mais a introduit des fissures induites par les contraintes qui sont potentiellement responsables de la réduction de la résistance à la corrosion des revêtements contenant des nitrures et des carbures.

L'oxydation électrolytique par plasma (PEO) est un processus de traitement de surface utilisé pour protéger les substrats métalliques en induisant la formation de revêtements d'oxyde inertes pour l'environnement. Le processus applique une tension élevée en courant continu (CC), en courant continu pulsé ou en courant alternatif (AC) entre une cathode stable et le substrat cible dans un bain électrolytique. Les canaux de décharge en micro-arc sur la surface du substrat forment le revêtement d'oxyde. L'objectif principal des traitements de surface PEO est de fournir aux substrats métalliques une résistance à l'usure et à la corrosion. Une caractéristique unique du procédé PEO est que les interactions thermochimiques du plasma lors de décharges sur plusieurs surfaces entraînent la croissance bimodale de revêtements d'oxyde. Les processus de traitement PEO forment simultanément une couche poreuse sur le substrat qui s'étend de quelques microns dans la masse du substrat, formant un revêtement résistant à la corrosion hautement adhérent. Les alliages de magnésium, d'aluminium et de titane font partie des métaux légers couramment soumis à des traitements de surface au PEO1. Des études récentes font également état de l'utilisation de traitements de surface PEO pour les alliages de cuivre, de zinc et de niobium2.

Le titane et ses alliages ont une large gamme d'applications dans les industries aérospatiale, chimique, biomédicale3,4 et des semi-conducteurs en raison de leur résistance spécifique élevée, de leur faible densité, de leur facilité de fabrication et de leur biocompatibilité. Les alliages de titane T1 présentent un intérêt particulier pour les applications scientifiques5 et industrielles car ils possèdent une élasticité inférieure et une résistance à la corrosion supérieure à celles des autres alliages de titane. Les alliages T1 ne peuvent pas être traités directement avec des processus d'ingénierie de surface standard car ils ne répondent pas aux processus de durcissement thermique et ne réagissent pas non plus avec l'oxygène. Les procédés de traitement de surface thermochimique disponibles pour améliorer la résistance à l'usure et à la corrosion des alliages de Ti comprennent le dépôt physique en phase vapeur (PVD), le dépôt chimique en phase vapeur (CVD), la conversion chimique, l'anodisation, la galvanoplastie, le placage autocatalytique, la polymérisation de revêtements organiques et le PEO. Le traitement de surface des alliages de titane par PEO est un procédé bien connu et commercialement viable, car le PEO peut développer des revêtements oxydés épais, adhérents et résistants à l'usure sur la surface de l'alliage. D'autres procédés de traitement de surface pour les alliages de titane sont la cémentation et la nitruration. La carbonisation des alliages de titane produit un revêtement TiC à l'échelle micronique et nécessite des températures de traitement élevées (> 1 000 °C)6. La nitruration des alliages de titane entraîne la formation de revêtements Ti-N extrêmement durs (1 500 à 3 000 HV) et le processus nécessite des environnements contrôlés riches en N27. L’inconvénient de la nitruration directe des surfaces en alliage de titane est la réduction de leur résistance à la fatigue8.