Anodik alüminyum oksit katmanlarının kalay bazlı çözeltilerde elektrolitik renklendirme mekanizması

Abstract

Bu çalışmada endüstride sıklıkla kullanılan kalay içeren elektrolitik renklendirme çözeltileri içerisinde renklenme mekanizmasının açıklanması ve gözenek içine biriken yapıların bileşiminin ortaya konması hedeflenmiştir. Bu amaç ile renklendirme çözeltisi ve AAO tabakasının davranışlarının elektrokimyasal olarak ortaya konulması gerekmektedir. Bu çalışmada öncelikli olarak gerçek koşullara benzeyecek bir elektrokimyasal analiz yönteminin tasarlanması ve doğrulanması gerekmektedir, bu amaç ile çevrimsel voltametri ile deneyler tasarlanmış ve optimize edilmiştir. Deneyler sırasında 6063 AA alaşımı kullanılmıştır. Bu alaşımın seçilmesi endüstriyel uygulamaları taklit etme cabasının bir parçasıdır. Alüminyum taban malzemeler gerekli ön hazırlık işlemleri (yağ alma, dağlama, nötralizasyon) sonrası sülfürik asit elektroliti içerisinde doğru akım kullanılarak anodize edilmiştir. İşlem parametreleri gerçek uygulamalara uygun olarak seçilmiş ve alüminyum üzerinde 11µm kalınlığında gözenekli alüminyum oksit tabakası oluşturulmuştur. Elektrolitik renklendirme banyo çözeltisi ve sıcaklığı yine endüstriyel koşullara uygun olarak seçilmiştir. Elde edilen tabakaların renklendirilmesinde CV yönteminin kullanılıp kullanılamayacağının ortaya konması ve parametrelerin optimizasyonu için aynı koşullarda anodize edilmiş AAO tabakaları, kalay iyonları içeren asidik çözeltiler içerisinde alternatif akım kullanarak ve CV yöntemi kullanılarak işleme tabi tutulmuştur. CV işlemi sırasında 10V/s, 50V/s ve 100V/s tarama hızlarında deneyler yürütülmüştür. Parametre optimizasyonu sonucu elde edilen numuneler incelendiğinde 10V/s ve 50V/s tarama hızlarında AAO tabakasının renklenmediği ve korozyona uğradığı görülürken, 100V/s tarama hızında başarılı bir şekilde AAO tabakasının renklendirilebildiği görülmüştür. Elde edilen numuneler FEG-SEM kullanılarak morfolojik analize tabi tutulmuş ve 100V/s parametresinin alternatif akım koşullarını taklit etmeye uygun olduğu tespit edilmiştir. Koşul doğrulama deneylerinin ardından tüm CV işlemleri ±10V potansiyel aralığında 100V/s tarama hızında gerçekleştirilmiştir. Renklenme çözeltisinde bulunan kalay iyonlarının davranışlarını daha iyi anlayabilmek amacı ile deneyler kalay iyonu içermeyen asidik elektrolitik renklendirme çözeltisi kullanılarak da gerçekleştirilmiştir. Bu deneylerdeki amaç, kalay iyonları yokluğunda sistem CV davranışı ile kalay iyonu içeren çözeltilerin davranışının karşılaştırmalı olarak açıklanmasıdır. Kalay içermeyen çözeltiler içerisinde 100V/s tarama hızı ile gerçekleştirilen deneyler sırasında, katodik parçalanma, korozyon potansiyeli, oksidasyon potansiyeli ve kapasitif yük boşalma potansiyeli olarak 4 adet önemli potansiyel tespit edilmiştir. Yapılan çalışma sırasında sülfürik asit AAO tabakasının altında yeni bir anodik oksit tabakasının büyüdüğü görülmüştür. Katodik parçalanma sonucu oluşmaya başlayan hidrojen gazının etkisi ile gözeneklerin içindeki elektrolitin pH'ı yükselmekte ve buna bağlı olarak bu ikinci anodik oksit tabakası daha büyük gözenekli ve düzensiz bir morfolojide büyümektedir. Çevrim sayısına bağlı olarak bu yeni AAO tabakasının kalınlığı artmaktadır. Referans olarak kullanılan kalay iyonu içermeyen çözeltilerde CV verilerinin elde edilmesinin ardından deneyler aynı koşullar kullanılarak kalay iyonu içeren çözeltilerde tekrarlanmıştır. Elde edilen verilerde, ilk 20 çevrimde sistemin kalay içermeyen çözeltilerdekine benzer davrandığı ve gözenek düzenlenmesinin ardından kalayın gözenekler içinde birikmeye başladığı görülmüştür. Katodik parçalanma ve hidrojen gaz oluşumu sonrası, çözelti içerisindeki kalay iyonları katodik akım altında gözenek içine bitikmektedir. Çevrim pozitif potansiyellere doğru devam ettirildiğinde ise, kalay iyonu içermeyen çözeltilerde oluşmadığı tespit edilen bir oksidasyon reaksiyonu gerçekleşmektedir. Bu reaksiyon gözenekler içinde bulunan kalay metalinin oksidasyon reaksiyonudur. Kalay oksitlerin oluşmasından sonra sistemden geçen anodik akımlar düşmekte ve buna bağlı olarak kapasitif boşalmanın olduğu potansiyel daha pozitif değerlere doğru kaymaktadır. Kalay redüklenme ve oksitlenme reaksiyonlarının şiddeti çevrim sayısı arttıkça artmakta ve gözenek içinde birikme miktarı artmaktadır. Çalışma sonucunda endüstriyel koşulları başarılı bir şekilde temsil eden elektrokimyasal CV yöntemi tanımlanmış ve bu yöntem ile kalay içeren çözeltiler içerisinde AAO tabakasının renklendirilmesi sırasında gerçekleşen kritik reaksiyonlar raporlanmıştır. Elde edilen veriler morfolojik analizlerle desteklenmiştir. Kalay ile renklendirilmiş alüminyum oksit tabakalarının gözeneklerinin içinde bulunan bileşiklerin baskın olarak kalay oksit /hidroksit bileşikleri olduğu gösterilmiştir.