Academic literature on the topic 'Electrolytic plasma oxydation'

Les traitements de surface sont souvent nécessaires pour améliorer les performances des matériaux métalliques et élargir les spectres de leurs applications. L'alliage de titane TA6V (ou grade 5) est ainsi utilisé dans de nombreux domaines (du biomédical à l'aéronautique) car il est léger et possède de bonnes propriétés en anticorrosion et de résistance à la température. Cependant, son comportement tribologique est en fait médiocre et doit donc être amélioré à l'aide d'un revêtement. L'objectif de ces travaux a été d'élaborer par Oxydation Micro-Arcs (OMA), des revêtements sur substrat TA6V, afin d'en améliorer les propriétés tribologiques. L'OMA est un procédé d'oxydation électrochimique innovant et récent, pour lequel restent à clarifier les mécanismes de croissance des revêtements et l'influence exacte de certains paramètres opératoires, en particulier la composition de l'électrolyte ou le signal électrique imposé. L'étude systématique de différents électrolytes a tout d'abord permis d'élaborer des revêtements adhérents, avec des épaisseurs comprises entre 5 et 60 µm. Ces revêtements résultent de la conversion électrochimique du substrat et de l'incorporation d'espèces depuis l'électrolyte. Ils sont composés d'une phase amorphe, dont la proportion dépend directement de la quantité de silicates dans le bain, et de phases cristallisées formées suite à l'élévation importante de la température surfacique lors du traitement. La compréhension des corrélations entre électrolyte et revêtement a notamment permis de limiter la formation de la phase amorphe molle et de favoriser celle de structures cristallines dures, menant au final à un électrolyte optimisé. L'étude des paramètres électriques, tels que la fréquence ou le temps de traitement, a mis en évidence par ailleurs leur influence importante sur la composition et la morphologie des revêtements. La modification du rapport cyclique a ainsi permis de modifier la composition chimique du revêtement, en favorisant la formation d'alumine cristallisée au sein de celui-ci. Enfin, ces revêtements ont été caractérisés du point de vue mécanique. La présence de phases cristallisées dans le revêtement a permis d'en augmenter la dureté, en comparaison du substrat de TA6V. Toutefois, à cause de la rugosité élevée des revêtements élaborés par OMA, il est apparu indispensable d'effectuer un post-traitement de polissage mécanique pour réduire le coefficient de frottement et le volume de matière usée. Au final, la compréhension des corrélations entre paramètres opératoires et propriétés du revêtement a permis d'élaborer avec succès un revêtement aux propriétés tribologiques très prometteuses, c.-à-d. un coefficient de frottement inférieur à 0,3 et un volume usé inférieur à 0,01 mm3 après 100 000 cycles, démontrant une amélioration significative des propriétés mécaniques surfaciques du substrat TA6V
Surface treatments are often needed for metallic materials in order to improve their performances and broaden their scope of applications. TA6V (or grade 5) titanium alloy is used in many fields (going from biomedical to aeronautical parts) because it is light and possesses good anticorrosion and thermal properties. Nevertheless its tribological behavior needs substantial improvements that a coating may provide. The aim of this work was to prepare, using Plasma Electrolytic Oxidation (PEO), coatings on TA6V in order to improve its tribological properties. PEO is a recent and innovative electrochemical oxidation process for which growth mechanisms and accurate influence of operating parameters such as electrolyte composition or applied electrical signal, still need clarification. Systematic study of several electrolytes led to the preparation of adherent coatings with thicknesses between 5 and 60 µm. These coatings result from both electrochemical conversion of the substrate and incorporation of compounds from the electrolyte. They are composed of an amorphous phase, its proportion depending directly on the silicates quantity in the bath, and crystalline phases formed after the important rise of surface temperature during treatment. The understanding of correlations between electrolyte and coatings have limited the formation of the soft amorphous phase and favored hard crystalline structures, leading to an optimized electrolyte. The study of electrical parameters, such as frequency or treatment time, highlighted their strong influence on the coatings composition and morphology. The duty cycle influenced the chemical composition of the coatings, promoting the formation of crystalline alumina. Finally coatings prepared with PEO were mechanically tested. The presence of crystalline phases allowed the increase of the coatings Vickers hardness compared to the bare TA6V. Nevertheless, due to the PEO coatings roughness, a step of mechanical polishing post-treatment appeared necessary in order to reduce the friction coefficient and wear loss. Finally, the understanding of correlations between process parameters and coatings properties, has successfully led to the preparation of a coating with promising tribological properties, namely a friction coefficient below 0.3 and a wear loss inferior to 0.01 mm3 after 100,000 cycles, demonstrating a significant improvement in surface mechanical properties of the TA6V substrate

L’oxydation par plasma électrolytique (ou oxydation micro-arc) est un procédé de traitement des alliages légers (Al, Mg, V, Ti, etc.) apte à pallier les limites de l’anodisation, en particulier au regard des contraintes environnementales. Bien que connu depuis de nombreuses années, les mécanismes sous-jacents à ce procédé assisté par des micro-décharges restent peu ou mal compris. L’objectif de ce travail est de cerner les mécanismes de formation et de développement des micro-décharges et d’associer leurs caractéristiques aux propriétés des couches d’oxyde élaborées sur l’alliage d’aluminium Al2214.La démarche adoptée consiste à associer étroitement l'étude des micro-décharges, la caractérisation des couches élaborées, et les mécanismes de claquage de la couche d'oxyde en cours de croissance. A l’aide de moyens originaux de vidéo rapide (> 125 000 images/s) et d'ombroscopie, la dépendance de l’évolution des micro-décharges aux paramètres macroscopiques du procédé a clairement été établie. L’importance de la présence et de la position de contre-électrodes a été mise en évidence et étudiée. Il est également montré que le choix judicieux de la fréquence et de la densité de courant anodique améliore la qualité des couches obtenues. Une fréquence de l’ordre du kHz semble la mieux appropriée.Enfin, à partir de mesures synchrones, un retard à l’apparition des micro-décharges par rapport au front montant des impulsions de courant a été mis en exergue. Très sensible aux paramètres du procédé, ce retard est probablement lié aux mécanismes de claquage de la couche d'oxyde isolante. Des scénarios concernant ces mécanismes ont ainsi été proposés
Plasma electrolytic oxidation is a surface treatment process applied to light weight alloys (Al, Mg, V, Ti, etc.) which may advantageously replace conventional anodizing, especially regarding environmental issues. Though this process has been known for many years, the underlying mechanisms that govern this micro-discharge assisted process remain poorly understood. This work aims at better identifying the breakdown and development mechanisms of the micro-discharges and at correlating the micro-discharge characteristics to the properties of the layers grown onto Al2214 aluminium alloy samples. The approach consists in coupling the study of the micro-discharges, the characterization of the grown layers and the breakdown mechanisms. By means of high rate video recording (> 125 000 frames/s) and shadowgraph techniques, the dependence of the evolution of the micro-discharges with the macroscopic process parameters has been clearly established. The important role of counter-electrodes and their respective position with respect to the sample have been identified and studied. It is also shown that the suitable choice of current frequency and anodic current density may greatly improve the quality of the resulting oxide layers. Current frequency in the kHz range seems most appropriate to grow thick and defect-free homogeneous layers.Finally, from synchronous measurements, it has been pointed out a delay in the onset of micro-discharges with respect to the rising edge of the current pulses. Besides this delay is strongly sensitive to the process parameters, it is probably related to the breakdown mechanisms of the insulating layer. Scenarios for these mechanisms have been proposed

Le procédé de traitement de surface d'oxydation par plasma électrolytique (PEO) permet de faire croitre en surface d'alliages métalliques légers (Al, Mg, Ti) une couche d'oxyde dense et protectrice. Ce procédé repose sur le claquage diélectrique de la de la couche d'oxyde dans un électrolyte faiblement alcalin. Ce procédé est ici couplé à de la projection de poudre à froid, le cold spray (CS) permettant à la fois de revêtir des métaux ayant un mauvais comportement par PEO ainsi que de modifier la composition de la couche de surface notamment en combinant différents matériaux pour produire des composites à matrice métallique d'aluminium (AMMC). L'objectif de cette étude est de former de revêtement duplex combinant CS et PEO puis de comprendre l'impact de la modification de la composition par la production d'AMMC sur le comportement du traitement PEO pour en apprendre plus sur les différents régimes régissant ce procédé. Différentes céramiques ont été utilisés dans cette étude permettant de montrer des différences de comportement de la couche PEO directement liée à la composition. L'état de la couche projeté joue un rôle important sur la morphologie de la couche duplex formé ainsi que sur l'apparition du régime soft. L'utilisation d'oxydes de composition différentes a aussi permis de mettre en avant certaines caractéristiques dans les mécanismes des décharges diélectriques se produisant lors du traitement par PEO. Une évolution de la nature des décharges entre les régimes d'arc et soft passant d'un schéma en décharge transverses de dimensions importante à des décharges partiels interne à la couche d'oxyde de dimensions bien plus faible est ici présenté
Plasma Electrolytic oxidation (PEO) is a process which enables the grow of a dense and protective oxide layer on light metals (Al, Mg, Ti). This process uses the dielectric breakdown of the oxide layer in a light alkaline electrolyte. In this study is this process coupled with the cold spray (CS) process. This combination enables to coat metals that are poorly treated by PEO directly and to modify the composition of the surface layer especially by combining different metals together of to produce composite such as AMMC. The aim of this study is to produce duplex coatings using CS and PEO and to understand in which way the composition of the top layer impact the behaviour of the PEO process and then to better understand the different regimes of this process. Different ceramics were used to show differences between arc and soft regime. The condition and the composition of the sprayed layer plays an important role on the obtained morphology and the soft regime obtention. The use of different composition oxides also enables us to bring to light some characteristics in the electrical discharge mechanisms occurring during the PEO process. A discharge nature evolution between the two regimes is supposed. The arc regimes present transversal discharges with important size, and this evolve to partially internal discharges in the oxide layer with lower size in the soft regime

Le procédé d’oxydation par plasma électrolytique (PEO) un procédé électrochimique de traitement de surface permettant d’élaborer des couches d’oxydes protectrices à la surface d’alliages métalliques légers (Al, Ti, Mg). Contrairement aux procédés d’anodisation, le procédé PEO utilise une densité de courant et une tension élevées qui donnent lieu au développement de micro-décharges (MDs) sur la surface traitée. L’objectif de cette étude était d’étudier les caractéristiques de ces MDs sous différentes conditions opératoires et de les corréler avec la microstructure des couches d’oxyde élaborées, pour in fine mieux comprendre les mécanismes de croissance. Tout d’abord, des traitements PEO séquencés ont été menés en changeant certains paramètres électriques en cours de traitement. Les résultats ont révélé un comportement particulier des MDs qui dépend non seulement des conditions électriques appliquées mais aussi de la morphologie de la couche en croissance. Les résultats ont également mis en évidence une transition anticipée vers le régime bénéfique de décharges « soft » contribuant ainsi à une amélioration significative des microstructures de la couche d’oxyde et de la consommation énergétique du procédé PEO. Des mesures optiques résolues en temps ont permis d’établir une corrélation entre le développement des MDs et la dynamique des bulles de gaz à l’interface oxyde / électrolyte. Particulièrement, les résultats ont prouvé l’existence de MDs internes à la couche lors du régime de croissance « soft ». De plus, une caractérisation multi-échelle de la structure dite en « pancake », structure typique du régime «soft », a révélé la formation d’une structure lamellaire nanocomposite. Elle consiste en une alternance de lamelles d’alumine pure avec des lamelles de mullite 1:1 métastable. Enfin, deux études prospectives ont été conduites autour du procédé PEO. La faisabilité de réaliser des traitements duplex combinant les procédés cold spray et PEO a été démontrée ainsi que la possibilité de produire des (nano-) particules d’oxyde métallique via le procédé PEO
Plasma electrolytic oxidation (PEO) is an electrochemical surface processing technique that allows the growth of protective oxide films on lightweight metals (Al, Ti, Mg). Contrary to conventional anodising, PEO operates at high current density and voltage which results in the ignition of micro-discharges (MDs) over the processed surface The aim of this work was to investigate the characteristics of the MDs under different processing parameters and to correlate these characteristics with the microstructure of the produced oxide layers in order to better understand the oxide growth mechanisms. Firstly, PEO sequenced treatments were conducted by changing the electrical parameters in the course of a treatment. Results revealed a particular behaviour of the MDs which depends not only on the applied electrical parameters but also on the morphology of the growing layer. Results also evidenced an earlier transition to the beneficial “soft” sparking regime, contributing to a significant improvement of the microstructure of the oxide layer as well as process energy consumption. Time-resolved optical characterizations of the PEO process pointed out a correlation between ignition of MDs and the dynamic of the surrounding gas bubbles at the oxide / electrolyte interface. Particularly, results proved the existence of inner MDs during the “soft” sparking regime. Secondly, a multi-scale characterization of the typical “pancake” structure formed during the transition to the “soft” regime revealed the formation of a lamellar nanocomposite structure consisting of periodical alternations of alumina and metastable 1:1 mullite lamellae. Finally, two new opportunities for the PEO process were explored. The feasibility of duplex treatment involving cold-spray and PEO technologies was demonstrated and the possibility to produce metallic oxide (nano-) particles was proposed

Le procédé le plus courant pour améliorer les propriétés de surface de l'aluminium est le procédé d'anodisation en bain acide, permettant la formation d'une couche protectrice d'oxyde d'aluminium en surface. Cela confère une meilleure résistance à l'usure et à la corrosion grâce à la grande dureté et la stabilité chimique de l'alumine. En revanche, l'alumine est un excellent isolant électrique, augmentant considérablement la résistance de contact des pièces anodisées. Traditionnellement, un traitement électrolytique à base de nickel, cadmium et chrome est appliqué aux pièces nécessitant une bonne conductivité en surface. Cependant, l'électrolyte contient des métaux lourds et notamment du chrome hexavalent, substance cancérigène, mutagène et reprotoxique que l'agence européenne de la chimie compte interdire au sein de l'Union Européenne. Par conséquent, des traitements alternatifs sont recherchés, conduisant à l'oxydation par plasma électrolytique. Ce procédé de conversion électrochimique diffère de l'anodisation en bain acide par l'utilisation de forts courant/tensions et l'emploi d'électrolytes basiques faiblement concentrés. La couche d'oxyde résultante est poreuse, permettant l'incorporation de particules solides. Ces dernières sont dispersées dans l'électrolyte et progressivement incorporées dans la couche d'oxyde pendant sa croissance. Il est alors concevable d'incorporer des particules conductrices dans l'objectif de créer des chemins de percolation à travers la couche, formant une couche composite oxyde d'aluminium-particules qui protège l'aluminium sous-jacent tout en maintenant une faible résistance électrique. A cet effet, les nanotubes de carbone ont été choisis pour leur excellente conductivité électrique et leur géométrie favorable à la percolation. L'étude vise à incorporer des nanotubes de carbones dans la couche d'oxyde générée pendant le traitement par oxydation plasma électrolytique de l'aluminium en vue de produire des couches d'oxydes conductrices. Les investigations expérimentales établissent les connaissances fondamentales sur les mécanismes d'incorporation, l'impact des paramètres électriques de traitement, l'effet des nanotubes de carbone sur le procédé et sur les propriétés des couches, notamment le comportement électrique. Les résultats révèlent que les nanotubes de carbone accélèrent la croissance de la couche et augmentent la porosité de celle-ci. A forte concentration, les couches formées deviennent excessivement poreuses avec des défauts (fissures, délamination) qui fragilisent l'intégrité de la couche d'oxyde. Les nanotubes de carbone dans l'électrolyte et dans l'oxyde influencent considérablement le procédé. La transition vers le régime de micro-décharges « soft » intervient plus tôt avec des concentrations en nanotubes plus élevées. Des concentrations excessives de nanotubes de carbone inhibent le procédé, empêchant la formation de la couche d'oxyde. Les traitements en régime « d'arc » favorisent l'incorporation des nanotubes de carbone dans l'oxyde devant les traitements en régime « soft ». Bien que l'incorporation des nanotubes de carbone améliore significativement de la conductivité électrique des couches d'oxyde, le seuil de percolation n'est pas encore atteint, et les couches demeurent isolantes pour l'instant. Cependant, les résultats obtenus sont très prometteurs, encourageant le financement de recherches supplémentaires pour optimiser la conduction électrique des couches ainsi formées, en s'appuyant sur les découvertes ici rapportées
The most common method to enhance the surface properties of aluminum is acid-based anodization, forming a protective layer of aluminum oxide on the metal surfaces. This imparts improved wear and corrosion resistances due to alumina's high hardness and chemical stability. However, aluminum oxide is a strong electrical insulator, substantially increasing contact resistance in anodized components. Traditional electrolytic surface treatments involving nickel, cadmium, and chromium maintain electrical conductivity but involve heavy metal-containing electrolytes, including carcinogenic hexavalent chromium, a substance facing European Union import restrictions. Consequently, alternative treatments are sought, leading to electrolytic plasma oxidation. This electrochemical conversion process differs from acid anodization, using higher current/voltage and dilute basic electrolytes. The resulting oxide layer is porous, enabling the incorporation of solid particles. These particles are dispersed in the electrolyte and gradually incorporated within the growing oxide layer. By adding conductive particles it is conceivable to create percolation paths, forming a composite aluminum oxide-particle layer that protects the underlying aluminum while maintaining low electrical contact resistance.Carbon nanotubes were chosen for their excellent electrical conductivity and high form factor, enabling percolation at low volume concentration. The study aims at incorporating carbon nanotubes into the oxide layer generated during aluminum plasma electrolytic oxidation to produce conductive oxide layers. Experimental investigations establish fundamental insights into incorporation mechanisms, impact of electrical parameters, the influence of carbon nanotubes on the process, and coating properties, especially electrical behavior. Results reveal that carbon nanotubes accelerate layer growth and increase oxide coating porosity. High concentrations yield excessively porous layers with defects (cracks, delamination), compromising layer integrity. Carbon nanotubes in both the electrolyte and the growing oxide substantially affect the process. Transition to "soft" micro-discharge regime shifts earlier with higher nanotube concentrations under suitable electrical conditions. Excessive nanotube concentrations inhibit the process, preventing oxide layer formation. "Arc" regime treatments favor nanotube incorporation in the oxide compared to "soft" regime treatments. Although carbon nanotube incorporation significantly enhances oxide layer electrical conductivity, the percolation threshold isn't reached, and layers remain insulating for now. Despite this, the results are highly promising, prompting further research to optimize electrical conductivity in these composite coatings, building upon the findings reported here