Nanoparticles incorporation during PEO of titanium for corrosion resistance enhancement

Titanium is a material implemented in various fields due to its many characterizing properties like corrosion resistance; despite this, in hot acidic environments the corrosion performance of untreated parts is not sufficient. In time, many techniques to increase the protectiveness of the naturally grown oxide layer have been developed. Plasma electrolytic oxidation (PEO) is an electrochemical process that, through the action of high applied potentials and plasma generation, produces thick and extremely porous oxide coatings, incorporating various species from the electrolytic solution. The aim of this research is to study the effects of nanoparticles addition (rutile, anatase, or nanoclay) to PEO treatment of CP titanium grade 2, performed in NaOH based electrolytic solutions, in some cases with presence of Na2SiO3. To achieve a complete characterization of the treatment and the coating, visual inspection, x-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), sample weighting before and after both PEO and free corrosion tests, current and potential acquisition, cyclic voltammetry (CV), and several electrochemical characterizations (like corrosion potential (Ecorr) monitoring, electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and Tafel extrapolation) were performed. Results confirmed the incorporation of nanoparticles in the oxide layer, gave insight on the coating structure and elemental composition, and allowed to understand its corrosion behavior. A few notable trends were identified: 1) solutions containing Na2SiO3 produce thick, but extremely weak oxide subjected to disaggregation once tested in acidic solutions; 2) nanoclay containing solutions favor slightly lower mass gains during PEO, lower electrochemical performances compared to the previous case, but higher resistance towards long term exposure in acidic solution; 3) anatase nanoparticles in solution cause higher mass gains, but lower coating stability, compared to rutile ones. The obtained results showed coherency, highlighting paths for further studies.

Il titanio è un materiale utilizzato in diversi ambiti grazie alle sue notevoli proprietà come la resistenza alla corrosione; tuttavia, in ambienti caldi e a basso pH la sua resistenza a corrosione può dimostrarsi insufficiente. Per questo, nel corso del tempo sono stati sviluppati trattamenti volti a migliorare le prestazioni dello strato di ossido che si sviluppa naturalmente sul metallo. L’ossidazione elettrolitica al plasma (PEO) è una tecnica che, sfruttando l’applicazione di alte tensioni e la generazione locale di plasma, produce alti spessori di ossido poroso, incorporando specie diverse presenti nella soluzione elettrolitica. L’obbiettivo di questa ricerca è studiare gli effetti dell’incorporazione di nanoparticelle (rutilo, anatasio o nano-argille) durante le PEO di titanio grado 2, usate come additivi in soluzioni elettrolitiche a base di NaOH, con l’eventuale aggiunta di Na2SiO3. Per una completa caratterizzazione del processo e del rivestimento sono state eseguite ispezioni visive, diffrazione a raggi X (XRD), microscopia ottica a scansione (SEM), pesature di campioni prima e dopo il processo PEO e prove a corrosione libera, acquisizioni di correnti e tensioni, ciclovoltammetrie e altri test elettrochimici (come il monitoraggio del potenziale di corrosione (Ecorr), spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) e analisi di Tafel). I risultati ottenuti hanno confermato l’incorporazione di nanoparticelle negli ossidi, hanno fornito informazioni sulla loro struttura e composizione elementale, e hanno analizzato il comportamento a corrosione del campione. In particolare, sono state individuate alcune tendenze: 1) soluzioni contenenti Na2SiO3 producono rivestimenti estremamente spessi ma il cui strato esterno tende a disgregarsi facilmente in soluzione acida; 2) soluzioni contenenti nano-argille presentano incrementi di massa leggermente inferiori al caso precedente, ma rivestimenti più resistenti a disgregazione, pur fornendo inferiore performance elettrochimica; 3) nanoparticelle di anatasio nella soluzione causano la deposizione di rivestimenti di massa maggiore, ma caratterizzati da minor stabilità rispetto al rutilo. I risultati sono stati coerenti e aprono strade per futuri approfondimenti.