The effect of gas nitriding process on the corrosion behavior of TiO2 coating formed by plasma electrolytic oxidation

Document Type : Original Articles

Authors

• Hassan i Bakhtiari-Zaman ¹
• Ehsan Saebnoori ²
• S.Ali Hassanzadeh-Tabrizi ¹
• Fatemeh Salahshouriuri ¹

¹ Advanced Materials Research Center, Department of Materials Engineering, Najafabad Branch, Islamic Azad University, Najafabad, Iran.

² Assistant professor, Advanced Materials Research Center, Department of Materials Engineering, Najafabad Branch, Islamic Azad University, Najafabad, Iran.

10.22067/ma.v32i1.81474

Abstract

This study aimed to investigate the corrosion behavior of TiO₂-N duplex coating formed by Plasma Electrolytic Oxidation (PEO) and gas nitriding. A TiO₂ film formed on the titanium substrate by PEO in electrolyte containing sodium carbonate and sodium hydroxide in the first step. In the second coating process, the titanium substrate and the titanium oxide coated substrate was nitrided in a tube furnace at 1000 ^oC for 6 hours to compare the corrosion properties of the obtained coatings. X-ray diffraction, scanning electron microscopy of top-surface and cross-sectional structure of the layers, and potentiodynamic polarization along with electrochemical impedance spectroscopy was used to investigate the properties of the coatings. The XRD results showed that the titanium oxide coating consisted of a rutile phase, and the nitrified samples consisted of titanium nitride and TiO0.34N0.74 phases. The morphology of the coatings showed that the titanium oxide sample coating had micropores known as the pancake structure with a diameter of 4.1 microns on the surface. Also, the surface morphology of nitrided oxide-coated titanium indicates a slight change in the surface and a reduction in pore diameter of 2.8 microns due to the penetration of nitrogen in the titanium oxide coating. Finally, the results of impedance and polarization showed that the titanium oxide sample, due to its insulating and dense oxide structure, prevented the transfer of more corrosive ions to the metal surface, and its resistance was improved up to 10 times compared to other samples.

Keywords

• Plasma electrolytic oxidation
• Gas nitration
• Titanium oxide
• Titanium nitride
• Pancake structure
• Corrosion behavior

---

References

.      م. شکوه‌فر، چ. دهقانیان، م. منتظری، «اعمال پوشش به‌روش اکسیداسیون الکترولیتی پلاسمایی روی تیتانیم در دو الکترولیت مختلف و بررسی رفتار خوردگی آن»، چهارمین همایش مشترک انجمن مهندسان متالورژی و جامعه علمی ریخته‌گران ایران، ص 2602-2616، تهران، (1389).

2.    Quintero, D., Galvis, O., Calder´on, J. A., Casta˜no, J. G., Echeverr´ıa, F., "Effect of electrochemical parameters on the formation of anodic films on commercially pure titanium by plasma electrolytic oxidation", Surface & Coatings Technology, No. 258, Vol. 258, pp. 1223-1231, (2014).

3.    آ. فتاح الحسینی، س. ا. گشتی، «بررسی رفتار الکتروشیمیایی تیتانیم خالص تجاری در محلول‌های اسید سولفوریک»، علوم و مهندسی سطح، شماره 21، ص 21-31، (1393).

4.    Alves de Souza, K., Robin, A., "Influence of concentration and temperature on the corrosion behavior of titanium, titanium-20 and 40 % tantalum alloys and tantalum in sulfuric acid solutions", Materials Chemistry and Physics, No. 103, Vol. 103, pp. 351–360, (2007).

5.    Gonza´lez, J. E. G., Mirza-Rosca, J. C., "Study of the corrosion behavior of titanium and some of its alloys for biomedical and dental implant applications", Journal of Electroanalytical Chemistry, No. 471, Vol. 471, pp. 109–115, (1999).

6.    Petit, J. A., Chatainier, G., Dabosi, F., "Inhibitors for the corrosion of reactive metals: titanium and zirconium and their alloys in acid media", Corrosion Science, No. 21, Vol. 21, pp. 279-299, (1981).

7.    س. شکاری مکی‌آبادی نژاد، م. رشیدی هویه، م. گشتاسبی راد، «آندایزینگ تیتانیم و بررسی عوامل مؤثر بر ضخامت و رنگ اکسید آن»، بیست‌ویکمین کنفرانس اپتیک و فوتونیک ایران و هفتمین کنفرانس مهندسی و فناوری فوتونیک ایران، ص 689-692، دانشگاه شهید بهشتی، (1393).

8.    Şerban, V., Roşu, R. A., Bucur, A. I., Pascu, D. R., "Deposition of titanium nitride layers by electric arc reactive plasma spraying method", Applied Surface Science, Vol. 265, pp. 245-249, (2013).

9.    Kim, S., Lee, S., Kwak, S., Kim, C., Kim, K., "Nano porous anodic oxidation titanium enhances cell proliferation and differentiation of immortalized mouse embryonic cells", Surface and Coatings Technology, Vol. 228, pp. S37-S40, (2013).

10.  Harada, Y., Kumai, S., "Effect of ceramics coating using sol–gel processing on corrosion resistance and age hardening of AZ80 magnesium alloy substrate", Surface and Coatings Technology, Vol. 228, pp. 59-67, (2013).

11.  Lukaszkowicz, K., Czyzniewski, A., Kwasny, W., Pancielejko, M., "Structure and mechanical properties of PVD coatings deposited onto the X40CrMoV5-1 hot work tool steel substrate", Vacuum, Vol. 86, pp. 1186-1194, (2012).

12.  م. رکنیان، آ. فتاح الحسینی، س. ا. گشتی، «بررسی رفتار خوردگی پوشش سرامیکی ایجادشده به روش اکسیداسیون الکترولیتی پلاسمایی روی زیرلایه تیتانیم خاص تجاری در محیط شبیه‌سازی بدن»، علوم و مهندسی خوردگی، شماره 12، ص 59- 70، (1395).

13.  ا. دانش پژوه، آ. زارع بیدکی، م. حاجی صفری، «بررسی تأثیر زمان فرایند اکسیداسیون الکترولیتی پالسمایی بر رفتار خوردگی آلیاژ 13Zr-13Nb-Ti در محلول رینگر هوازدایی‌شده»، فرایندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 11، شماره 2، ص 147-155، (1396).

14.  Gu, W. C., Lv, G. H., Chen, H., Chen, G. L., Feng, W. R., Zhang, G. L., Yang, S. Z., "Investigation of morphology and composition of plasma electrolytic oxidation coatings in systems of Na₂SiO₃–NaOH and (NaPO₃)₆–NaOH", journal of material processing technology, No. 182, pp.28-33, (2007).

15.  Gnedenkov, S. V., Khrisanfova, O. A., Zavidnaya, A. G., Sinebrukhov, S. L., Kovryanov, A. N., Scorobogatova, T. M., Gordienko, P. S., " Production of hard and heat-resistant coatings on aluminium using a plasma micro-discharge", surface and coatings technology, No. 123, pp. 24-28, (2000).

16.  lian, J., Luo, Z., Qi, S., Sun, X., "stracture antiwear behavior of micro-arc oxidation coating on aluminium alloy", surface and coatings technology, No. 154, pp. 1-7, (2007).

17.  Lv, G., Gu, W., Chen, H., Feng, W., Khosa, M. L., Erwu, L. L., Zhang, N. G., Yang, S. Z., "Characteristic of ceramic coatings on aluminum by plasma electrolytic oxidation in silicate and phosphate electrolyte", applied surface science, No. 253, pp. 2974-2952, (2006).

18.  Curran, J. A., Clyne, T.W., "Thermo-physical properties of plasma electrolytic oxide coatings on aluminium", surface and coatings technology, No. 199, pp.168-176, (2005).

19.  Matykina, E., Berkani, A., Skeldon, P., Thompson, G. E., "Real- time imaging of coating growth during plasma electrolytic oxidation of titanium", Electrochimica Acta, No.53, pp.1987–1994, (2007).

20.  علم‌خواه، ح، «ایجاد پوشش‌های نانوساختار TiN بر روی فولاد AISI H₁₁ نیتروژن‌دهی پلاسمایی‌شده با استفاده از روش PACVD»، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه تربیت مدرس، (1388).

21.  Zhecheva, A., Sha, A., Malinov, S., Long, A., "Enhancing the microstructure and properties of titanium alloys through nitriding and other surface engineering methods", Surface & Coatings Technology, No.200, pp.2192 – 2207, (2005).

22.  Zukalova, M., Prochazka, J., Bastl, Z., Duchoslav, J., Rubacek, L., Havlicek, D., Kavan, L., "Facile Conversion of Electrospun TiO₂ into Titanium Nitride/Oxynitride Fibers", Chem. Mater, No. 22, pp. 4045–4055, (2010).

23.  Maleki-Ghaleh, H., Khalil-Allafi, J., Aghaie, E., Siadat, M. H., "Effect of TiO₂–Ti and TiO₂–TiN composite coatings on corrosion behavior of NiTi alloy", Surface and Interface Analysis, Vol. 47, pp. 99–104, (2015).

24.  نیازی، ح و گلستانی‌فرد، ف و شاهمیری، م، «افزایش مقاومت به خوردگی موضعی تیتانیم خالص تجاری در محیط اسید سولفوریک با استفاده از روش اکسیداسیون پلاسمای الکترولیتی»، مواد نوین، جلد 6، شماره 2، ص 127-138، (1394).

25.  Xiaohong, W., Zhaohua, J., Huiling, L., Shigang, X., Xinguo, H., "Photo-catalytic activity of titanium dioxide thin films prepared by micro-plasma oxidation method", Thin Solid Films, No. 441, pp.130–134, (2003).

26. Bok Lee, D., Pohrelyuk, I., Yaskiv, O., Lee, J. C., "Gas nitriding and subsequent oxidation of Ti-6Al- 4V alloys ", Nanoscale Research Letters, Vol. 7, No. 21, pp. 1-5, (2012).

27.  Perillo, P. M., "Corrosion Behaviour of Titanium Nitride Coating on Titanium and Zircaloy-4", American Journal of Materials Science and Application, No. 3, Vol. 2, pp. 18-25, (2015).

28.  احمدپور، ا، حقیقی اصل، ع، فلاح، ن، «سنتز نانو دی‌اکسید تیتانیم دوپ شده با نیتروژن به‌منظور مدل‌سازی تصفیه فتوکاتالیستی پساب اسپنت کاستیک صنایع پتروشیمی در نور مرئی با استفاده از روش طراحی آزمایش»، شیمی کاربردی، دوره 12، شماره 42، ص 253-285، (136).

29.  علی‌اف خضرایی، م ، بخشی، ر ، مرادی، م.ح ، صبور روح‌اقدم، ع، «پوشش‌های اکسیدی نانو ساختار»، فدک ایساتیس، تهران، (1394).

30.  Li, H., Cui, Z., Li, Z., Zhu, S., Yang, X., "Surface modification by gas nitriding for improving cavitation erosion resistance of CP-Ti", Applied Surface Science, No. 298, pp.164–170, (2014).

31. ح. ر. باقری، م. علی‌اف خضرایی، ه. فخرنبوی، م. قیطانی، ح. ر. مسیحا، ع. ر. صبور روح اقدم، «بررسی اثر نانوبلوری‌سازی بر تغییر خواص پوشش اکسیداسیون پالسمایی الکترولیتی آلیاژ AZ31B»، فصلنامه علوم و مهندسی خوردگی، شماره 9، ص 77-89، (1395).

32.  Yu, S., "Corrosion Resistance of Titanium Alloys", in Corrosion: Fundamentals, Testing, and Protection, ed: ASM International, Vol. 13A, pp. 703–711, (2003).

33.  کریم‌زاده، ن، «بررسی رفتار خوردگی و تریبوخوردگی فولاد زنگ‌نزن 316 تحت عملیات تیتراسیون پلاسمایی و نیتراسیون- اکسیداسیون پلاسمایی»، دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه آزاد اسلامی واحد نجف‌آباد، (1391).

34.  شریفی، ح، علی‌اف خضرایی، م، عرفانی‌فر، ا، صبور روح‌القدم، ع، «بررسی مورفولوژی و خواص خوردگی پوشش‌های نانوکامپوزیتی اکسیداسیون پلاسمایی الکترولیتی تشکیل‌شده در الکترولیت حاوی پنی‌سیلین بر روی تیتانیم»، علوم و مهندسی خوردگی، شماره 7، ص 45-56، پاییز، (1394).

35.  Tsunekawa, S., Aoki, Y., Habazaki, H., "Two-step plasma electrolytic oxidation of Ti–15V–3Al–3Cr–3Sn for wear-resistant and adhesive coating", Surface & Coatings Technology, No. 205, pp. 4732–4740, (2011).

36.  مولایی، م، فتاح الحسینی، آ، گشتی، س.ا، «بررسی ریزساختار و رفتار خوردگی پوشش سرامیکی ایجاد‌شده به‌روش اکسیداسیون الکترولیتی پلاسمایی روی سطح آلیاژ آلومینیوم 2024»، علم و مهندسی سرامیک، دوره 5، شماره 1، ص 23-33، بهار، (1395).

37.  Venkateswarlu, K., Rameshbabu, N., Sreekanth, D., Bose, A. C., Muthupandi, V., Subramanian, S., "Fabrication and characterization of micro-arc oxidized fluoride containing titania films on Cp Ti", Ceramics International, No.39, pp.801–812, (2013).

38.  شکوه‌فر، م، دهقانیان، چ، «اعمال پوشش اکسیدی به‌روش اکسیداسیون الکترولیتی پلاسمایی روی تیتانیم در الکترولیت‌های پایه کربناتی و بررسی رفتار خوردگی»، مهندسی متالورژی، شماره 38، ص 63-69، تابستان، (1389).

39. Li, Q., Liang, J., Wang, Q., "Plasma Electrolytic Oxidation Coatings on Lightweight Metals", Modern Surface Engineering Treatments, ed. By M. Aliofkhazraei, pp.75-99, Intech, (2013).

40.  حسینی، م، احدزاده، ا، «طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی(EIS)- مبانی و کاربردها»، انجمن خوردگی ایران، تهران، (1390).