This paper presents a brief summary on a relatively new plasma aided electrolytic surface treatment process for light metals. A brief discussion regarding the advantages, principle, process parameters and applications of this process is discussed. The process owes its origin to Sluginov who discovered an arc discharge phenomenon in electrolysis in 1880. A similar process was studied and developed by Markov and coworkers in 1970s who successfully deposited an oxide film on aluminium. Several investigation thereafter lead to the establishment of suitable process parameters for deposition of a crystalline oxide film of more than $100{\mu}m$ thickness on the surface of light metals such as aluminium, titanium and magnesium. This process nowadays goes by several names such as plasma electrolytic oxidation (PEO), micro-arc oxidation (MOA), anodic spark deposition (ASD) etc. Several startups and surface treatment companies have taken up the process and deployed it successfully in a range of products, from military grade rifles to common off road sprockets. However, there are certain limitations to this technology such as the formation of an outer porous oxide layer, especially in case of magnesium which displays a Piling Bedworth ratio of less than one and thus an inherent non protective oxide. This can be treated further but adds to the cost of the process. Overall, it can be said the PEO process offers a better solution than the conventional coating processes. It offers advantages considering the fact that he electrolyte used in PEO process is environmental friendly and the temperature control is not as strict as in case of other surface treatment processes.
Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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2016.11a
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pp.198-198
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2016
An ideal orthopedic implant should provide an excellent bone-implant connection, less implant loosening and minimum adverse reactions. Commercial pure titanium (CP-Ti) and Ti alloys have been widely utilized for biomedical applications such as orthopedic and dental implants. However, being bioinert, the integration of such implant in bone was not in good condition to achieve improved osseointegraiton, there have been many efforts to modify the composition and topography of implant surface. These processes are generally classified as physical, chemical, and electrochemical methods. Plasma electrolytic oxidation (PEO) as an electrochemical route has been recently utilized to produce this kind of composite coatings. Mg ion plays a key role in bone metabolism, since it influences osteoblast and osteoclast activity. From previous studies, it has been found that Mg ions improve the bone formation on Ti alloys. PEO is a promising technology to produce porous and firmly adherent inorganic Mg containing $TiO_2$($Mg-TiO_2$ ) coatings on Ti surface, and the amount of Mg introduced into the coatings can be optimized by altering the electrolyte composition. In this study, a series of $Mg-TiO_2$ coatings are produced on Ti-6Al-4V ELI dental implant using PEO, with the substitution degree, respectively, at 0, 5, 10 and 20%. Based on the preliminary analysis of the coating structure, composition and morphology, a bone like apatite formation model is used to evaluate the in vitro biological responses at the bone-implant interface. The enhancement of the bone like apatite forming ability arises from $Mg-TiO_2$ surface, which has formed the reduction of the Mg ions. The promising results successfully demonstrate the immense potential of $Mg-TiO_2$ coatings in dental and biomaterials applications.
The possibility of an improvement in heat dissipation performance of aluminum alloy heat sink for shipboard LED luminaries through plasma electrolytic oxidation (PEO) was investigated. Four different PEO coatings were produced on aluminum alloy 5052 in silicate based alkaline solution by varying current density ($50{\sim}200mA/cm^2$). On voltage-time response curves, three stages were clearly distinguished at all current densities, namely an initial linear increase, slowdown of increase rate, and steady state(constant voltage). It was found that the increase in current density caused the breakdown voltage to increase. Two different surface morphologies - coralline porous structure and pancake structure - were confirmed by SEM examination. The coralline porous structure was predominant in the coatings produced at lower current densities (50 and $100mA/cm^2$) while under high current densities(150 and $200mA/cm^2$) the pancake structure became dominant. The coating thickness was measured and found to be in a range between about $13{\mu}m$ and $44{\mu}m$, showing increasing thickness with increasing current density. As a result, $100mA/cm^2$ was proposed as an effective process parameter to improve the heat dissipation performance of aluminum alloy heat sink, which could lower the LED operating temperature by about 30%.
In this study, alkoxysilane-functionalized amphiphilic polymer (AFAP), which have hydrophilic segment and hydrophobic segment functionalized by alkoxysilane group at the same backbone, was synthesized and used as a dispersant and control agent for reaction rate in the preparation of colloidally stable organic-inorganic (O-I) hybrid sols. After reaction with fluorosilane compounds, fluorinated O-I hybrid sols were prepared and coated onto glass substrate to form hydrophobic O-I hybrid coating films through low-temperature curing process. Surface hardness and hydrophobicity of cured coating films were varied with type of solvent and composition of AFAP and fluorinated alkoxysilane compounds. At appropriate solvent and composition of fluorinated alkoxysilane compounds, O-I hybrid coating film having high transparency and surface hardness could be prepared, which could be applicable to cover window of solar cell and displays.
In the present study, the characteristics of Mg inverter cases for hybrid cars are investigated. Concerns over the use of lightweight materials to reduce energy use and to mitigate emission problems are inevitable in the twenty-first century. Magnesium is a promising material for the manufacturing of lightweight parts. Several cases for thermal cooling channels have been designed and simulated, and the effects of materials and coatings on the thermal cooling efficiency have been discussed. The effects of the coating thickness on heat extraction in an Mg inverter housing case using the PEO (plasma electrolyte oxidation) coating method were also discussed. In order to produce an inverter case by the diecasting process, the filling sequence and cooling behavior during the diecasting process were simulated. The optimized process conditions from the simulation result were then used in a trial diecasting experiment.
The effect of electrolyte on mechanical and corrosion properties of AZ91 magnesium alloy by plasma electrolytic oxidation (PEO) method was investigated. The coating layers formed in the silicate and the aluminate electrolytes showed porous structures. The small pores were randomly distributed on the coatings formed in aluminate electrolyte while the coatings formed in silicate electrolyte showed much bigger pores. In the aluminate electrolyte, the coatings were composed of Mg, MgO and $MgAl_2O_4$, whereas Mg, MgO, $MgAl_2O_4$ and $Mg_2SiO_4$ were identified in the coatings formed in silicate electrolyte. The hardness of coatings in the silicate electrolyte was higher than that of coating grown in the aluminate electrolyte. The AZ91 alloy coated in the silicate electrolyte had higher tensile strength and elongation than that coated in the aluminate electrolyte. In addition, the coatings formed in the silicate electrolyte showed much better corrosion resistance compared to the coatings formed in the aluminate electrolyte.
Hybrid composite membranes were prepared by coating poly(ethylene oxide) and $SiO_2$ particles onto the porous polypropylene nonwoven matrix. Gel polymer electrolytes prepared by soaking the hybrid composite membranes in an organic electrolyte solution exhibited ionic conductivities higher than $1.1{\times}10^{-3}Scm^{-1}$ at room temperature. Dyesensitized solar cell (DSSC) employing the hybrid composite membrane with PEO and 10 wt % $SiO_2$ exhibited an open circuit voltage of 0.77 V and a short circuit current of 10.78 $mAcm^{-2}$ at an incident light intensity of 100 $mWcm^{-2}$, yielding a conversion efficiency of 5.2%. DSSC employing the hybrid composite membrane showed more stable photovoltaic performance than that of the DSSC assembled with liquid electrolyte.
Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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2015.11a
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pp.187-187
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2015
마그네슘 합금은 지구상에 존재하는 가장 경량인 금속이며 비강도가 우수할 뿐만 아니라 진동 감쇠능과 절삭성 및 전자파 차폐성 등이 뛰어나 전자제품, 수송기기 부품, 주방제품 및 의료 분야 등 광범위한 분야에 이용이 크게 기대되고 있다. 그러나 마그네슘은 표준 전극 전위가 매우 낮은 활성 금속이기 때문에 쉽게 산화되며 표준 전극 전위가 높은 이종 금속과 접촉하면 먼저 부식되는 등 내식성이 현저히 낮아 그 사용범위에 제약을 받는다. 그러므로 마그네슘 금속을 사용하기 위해서는 내식성 및 기계적 특성을 향상시키는 표면처리가 필수적이다.
Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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2014.11a
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pp.227-228
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2014
마그네슘은 금속 재료중 화학적 활성이 높아 내식성 향상을 위해 표면처리 공정이 반드시 필요하다. 플라즈마 전해 산화를 통한 산화 피막 생성 후 좀더 높은 내식성 향상을 위해 전착 도장법을 사용할 수 있다. 본 논문에서는 전원 인가 방식에 따라 pulse 전원을 on/off 비율에 따른 피막 두께 변화를 측정 하였고 전착 도장을 시행 하여 cross cut test를 통한 부착성 시험을 진행해 on/off 비율 1:4 조건에 250V 전압을 인가 하였을 때 부착성이 가장 우수함을 확인 하였다. 또한 플라즈마 전해 산화 후 탕세 공정을 통해 전착 도장의 내열탕 시험 후 표면 blister의 개선 효과를 얻을 수 있었다.
The effect of alloying element Ca (0, 1, and 2 wt%) on corrosion resistance and bioactivity of the as-received and anodized surface of rolled plate AM60 alloys was investigated. A plasma electrolytic oxidation (PEO) was carried out to form anodic oxide film in $0.5mol\;dm^{-3}\;Na_3PO_4$ solution. The corrosion behavior was studied by polarization measurements while the in vitro bioactivity was tested by soaking the specimens in Simulated Body Fluid (1.5xSBF). Optical micrograph and elemental analysis of the substrate surfaces indicated that the number of intermetallic particles increased with Ca content in the alloys owing to the formation of a new phase $Al_2Ca$. The corrosion resistance of AM60 specimens improved only slightly by alloying with 2 wt% Ca which was attributed to the reticular distribution of $Al_2Ca$ phase existed in the alloy that might became barrier for corrosion propagation across grain boundaries. Corrosion resistance of the three alloys was significantly improved by coating the substrates with anodic oxide film formed by PEO. The film mainly composed of magnesium phosphate with thickness in the range $30-40{\mu}m$. The heat resistant phase of $Al_2Ca$ was believed to retard the plasma discharge during anodization and, hence, decreased the film thickness of Ca-containing alloys. The highest apatite forming ability in 1.5xSBF was observed for AM60-1Ca specimens (both substrate and anodized) that exhibited more degradation than the other two alloys as indicated by surface observation. The increase of surface roughness and the degree of supersaturation of 1.5xSBF due to dissolution of Mg ions from the substrate surface or the release of film compounds from the anodized surface are important factors to enhance deposition of Ca-P compound on the specimen surfaces.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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