الکترولیز پلاسما برای مهندسی سطح (2)

3. تکنولوژی PED

3.1 تجهیزات

یک واحد عملیاتی نوعی برای پردازش PED متشکل از یک الکترولایزر و یک منبع الکتریکی با برق بالا میباشد (شکل 7). الکترولایزر معمولاً یک وانِ خنک شده با آب از جنس فلز ضدزنگ میباشد که به عنوان الکترود شمارشگر نیز عمل میکند. روی یک پایه دی الکتریک قرار دارد و به یک قاب فولادی محدود شده که یک منبع جریان عایق و یک پنجره دارد تا فرایند تحت عمل را مشاهده کنیم. الکترولایزر شامل مخلوط کردن، بازیافت کردن، و تنظیمات تخلیه گاز و همچنین قفلهای الکتریکی میباشد. قاب متصل به زمین (با پایه دی الکتریک)، درِ قفل شده و خروجی گاز تهویه شده به گونه‏ای طراحی شده‏اند که ایمنی پرسنل کارگر تامین شود.

از انواع مختلف منبع برق میتوان استفاده کرد تا الکترولیز پلاسما را انجام داد. طبق رژیم الکتریکیِ بکار برده شده، آنها را میتوان به گروه‏های زیر تقسیم کرد.

3.1.1 منابع DC

اینها معمولاً بر اساس یک مدار پلوار هستند و امکان استفاده از رژیمهای گالوانواستاتیک و پتنسیواستاتیکِ جریان مستقیم را فراهم می‏آورند. اما، امکان کنترل فرایند PED به دلیل مشکلات تنظیم ویژگیهای تخلیه سطحی، محدود است. به همین دلیل منابع برق DC فقط برای مولفه‏های ساده و پوششهای نازک استفاده میشوند.

شکل 7: چینش معمولی تجهیزاتِ استفاده شده برای عملیات PED: 1) پنجره 2) میکسر 3) سیمهای اتصال دهنده 4) سیستم خروج گاز/تهویه 5) قاب متصل به زمین 6) واحد منبع برق 7) قطعه کار 8) سیستم سرمایش 9) وان 10) صفحه عایق.

3.1.2 منابع DC ضربه‏ای

کاربرد DC ضربه‎ای، امکان کنترل وقفه‎ی فرایند و در نتیجه کنترل مدت زمان قوس را فراهم میکند؛ شکل ضربه نیز میتواند تغییر کند. هر دوی این خصوصیات امکان کنترل شرایط گرمایش را طی عملیات فراهم میکنند و بنابراین ترکیب پوشش و ساختار را تغییر میدهند. با این حال، یک جریان ضربه‏ای میتواند موجب افزایش قطبیت سطح الکترود شده که توسط ایجاد یک لایه مضاعفِ باردار انجام شده است. در این مورد، ولتاژهای بیشتر (تا 1000 ولت) ممکن است لازم شوند تا به چگالی مورد نظر جریان دست یابیم. رژیمهای DC ضربه‏ای کاربرد وسیعی در PES دارند که در آن ولتاژ نسبتاً کمی (معمولاً کمتر از 450 ولت) لازم است. برای مثال، یک تقویت کننده‎ی کنترل شده سیلیکونیِ 10 کیلوواتی که امکان خروجی DC ضربه‏ای در 0 تا 450 ولت را فراهم میکند در یک فرایند کربن-نیتریددهیِ الکترولیتی پلاسما (PEC/N) بکار رفته است.

3.1.3 منابع AC نامتعادل

از قطبیت بیشترِ الکترود میتوان با استفاده از منابع AC جلوگیری کرد درحالیکه امکان کنترل پیشرفته فرایند به وسیله وقفه قوسی، حفظ میشود. علاوه بر این، کاربرد AC نامتعادل، یعنی جریان متناوب با دامنه‏های مختلف از مولفه‏های مثبت و منفی، امکان بسط طیف کنترل شده‏ی ته‏نشستِ پوشش را فراهم میکند. ساده ترین مدارِ این نوع منبع برق، تقویت کننده خازنیِ کنترل شده میباشد. در این مدار، مجموعه‏ای از خازنهای ولتاژ بالا، انرژی الکتریکی را طبق مقاومت کلی سلول در نیم‏دورهای مثبت و منفی مجدداً توزیع میکند. با تغییر ظرفیت منبع در هر دو نیم‏دور، نسبت دامنه‏های جریان مثبت و منفی را میتوان بطور مستقل از یکدیگر، تنظیم کرد. علاوه بر این، هنگامیکه (مثلاً) یک منبع اصلی ولتاژ سه فازیِ UK (415 ولت، 50 هرتز) استفاده میشود، اغلب نیازی به یک مبدلِ قدرتمند برای بدست آورنِ یک خروجی ولتاژ بالاتر، وجود ندارد. ترکیب سودمند خصوصیات کنترل فرایند افزوده شده همراه با یک منبع ساده و کم هزینه، منجر به استفاده افزایش یافته از چنین منابعی در فرایندهای آزمایشگاهیِ PEO شده است. با این حال،  محدودیتهای برق (معمولاً ) و بسامد جریان (فقط بسامد منبع اصلی)، معایب اصلی این منابع هستند که استفاده عالی تجاری را محدود میکنند.

3.1.4 منابع جریان ضربه‏ای ناجور قطبی

برای تامین برق بیشتر و یا طیفی از بسامدها، میتوان از منابع جریان ضربه‏ای ناجور قطبی استفاده کرد. اینها بر اساس مبدلهای معکوس شدنیِ تریستور یا ترانزیستور هستند. گرچه مدارهای تریستور مبنا امکان تولید اشکال ضربه‏ای سینوسیِ مستطیلی یا ناقص را فراهم میکنند، اما ترانزیستورها انعطاف پذیریِ مضاعف را در اشکال، دامنه‏ها و مدت زمانهای ضربه‏ایِ برنامه‏دار موجب میشوند.

3.2 رویه ته‏نشست

فرایندهای PED به دلیل سادگی عملیاتی، با ته‏نشست خلأ و تکنیکهای آبکاری از لحاظ هزینه، مقایسه میشوند. عملیات اولیه نمونه فقط شامل پاکسازی و پاک کردنِ روغن میشود. هیچ عملیات دیگری مثل قلم زنی یا فعالسازی سطح لازم نیست.

برای رسوبگذاری پوششها، نمونه‏ها به منبع جریان واحد متصل میشوند و معمولاً در وانی به عمق 30 تا 50 mm زیر سطح الکترود، فرو برده میشوند. یک میله فلزی با روکش فلوروپلاستیک معمولاً به عنوان نگهدارنده استفاده میشود. بعد از سرمایش الکترود، مخلوط کردن و خروج گاز فعال میشوند، ولتاژ عملی را میتوان در ترمینالِ الکترولایزر اعمال کرد و طبق رژیم عملیاتیِ انتخاب شده، در منبع برق، تنظیم کرد. پارامترهای اصلی فرایند، مثل مقدار متوسطِ جریان، دامنه‏های ولتاژهای آند و کاتد و دمای الکترولیت، ثبت میشوند. باید متذکر شد که موارد خاصی در انتخاب و کنترل پارامترهای فرایند وجود دارد که برای اکسایش یا تشکیل نیترید/کاربید مشخص هستند.

3.2.1 کنترل فرایند در PEO

چگالی جریان، پارامتر اصلی است که باید در پردازش روتین PEO کنترل شود. معمولاً برای رسیدن به شرایط لازم برای الکترولیز پلاسما، چگالی جریان در طیف 0.01 تا 0.3 A/cm² تنظیم میشود. طبق قانون اول فارادی، این میزان رشد پوشش را تعریف میکند. همانطور که پوشش نمو پیدا میکند، به محض اینکه شرایطِ یکنواختِ پلاسما برقرار میشود، ولتاژ افزایش می‏یابد که در ابتدا سریع و سپس آرام میباشد. مقدار بحرانی تغییر ولتاژ با برقراری تخلیه بار جرقه‏ای روی سطح الکترود (U₅) مطابقت دارد. این مقدار وابستگی شدیدی به ویژگیهای ترکیب فلز – الکترولیت دارد و معمولاً در منطقه 120 تا 350 ولت قرار دارد. در اولین مرحله فرایند، جرقه زنی به عنوان یک نور یکنواخت سفید در اطراف الکترود مشاهده میشود. همانطور که پوشش پیش میرود این به چند جرقه زنیِ جداگانه تبدیل میشود که به سرعت در سراسر سطح حرکت میکند (U₆). به تدریج، چگالی جرقه کاهش می‏یابد؛ با این حال، قدرتشان افزایش می‏یابد. در پایان، چند نقطه قوسی قرمز با حرکت آرام را میتوان مشاهده کرد (U₇). گه گاهی قوسهای قدرتمند میتوانند منجر به نوسانات جریان و آسیب پوشش شوند. وقتی یک قوس قدرتمند شناسایی شود، معمولاً فرایند فوراً خاتمه می‏یابد.

3.2.2 کنترل فرایند در PES

پردازش PES با بکارگیری قطبیت آندی و کاتدیِ قطعه کار میتواند انجام شود. هنگام انتخاب قطبیت قطعه کار، باید در نظر گرفت که اگر وجود یک لایه نازک بیرونی اکسید بالای منطقه انتشار، منع کننده نیست، عملیات آندی ارجح است. عملیات کاتدی اغلب با آزادسازی هیدروژن همراه است و بنابراین نیازمند توجه زیاد به موارد ایمنی میباشد.

برخلاف اکسایش، ولتاژ، ویژگی اصلی‏ای است که باید در روش عملیاتی PES کنترل شود. کنترل پروسه شامل افزایش سریع ولتاژ در مرحله اول و حفظ شرایط پتنسیواستاتیک در مرحله دوم است تا دمای عملیات ثابت نگه داشته شود.

در همان اوایل مرحله اول، افزایش سریع ولتاژ، حبابهای زیادی را در سطح الکترود تولید میکند که ناشی از الکترولیز شدید محلول و آزادسازی گرمای ژول میباشد. ویژگیهای ولتاژ - جریانِ سلول در این نقطه با قانون اهم تطابق دارد. وقتی به مقدار U₁ (حدود 75 ولت) میرسیم،  بخار داخل حباب میشکند و تخلیه جرقه‏ای مشاهده میشود. افزایش ولتاژ کاربردی موجب افزایش چگالی جرقه میشود. وقتی به ولتاژ خصوصیتیِ U₃ (نزدیک به 175 ولت) میرسیم، جرقه‏های الکترود – حباب اطراف، به یک التهاب دائمی تبدیل میشوند. جدایی کامل الکترود از الکترولیت توسط یک پوشش پیوسته بخار در این نقطه در کاهش زیاد جریان در سطح الکترود منعکس میشود. اکنون، شرایط عملیات PES که در آن دمای نمونه، تابع خطی ولتاژ است، برقرار میشود. چگالی جریان طی عملیات، معمولاً در منطقه 0.5-1 A/cm² میباشد.

در مرحله دوم، یک مقدار مشخصی از ولتاژ ثابت میشود تا دمای مورد نظر نمونه حفظ شود. پلاسمای منطقه التهاب حاوی یونهای فعال شده‎ی (مثلاً) کربن و نیتروژن میباشد که بطور رآکتیویته روی سطح ته‏نشست شده‏اند و تحت تاثیر دمای موضعی بالا و غلظت گونه‏های فعال، به سمت داخل منتشر میشوند. تحت این شرایط، اغلب اشباع سطح فقط در ظرف 3 تا 5 دقیقه به دست می‏آید و فرایند بطور موثری کامل میشود.

برای هر دو فرایند، بعد از اینکه پوشش انجام شد، نمونه‏ها (با فشار آب) شسته و خشک میشوند.

3.3 تاثیر ترکیب الکترولیت

3.3.1 انتخاب الکترولیت برای PEO

تحقق عملی فرایند PED نیازمند ترکیب دقیق فلز – الکترولیت میباشد. برای فرایند PEO این را میتوان بر اساس داده‏های آزمون قطبیت به دست آورد که این آزمونها بطور رایجی برای مطالعه خوردگی فلز استفاده میشوند. الکترولیتهایی که میتوانند در تولید پوششهای اکسیدی روی آلیاژهای آلومینیومی استفاده شوند در قسمت منابع مقایسه شده‏اند. شکل 8 نشان میدهد که شش گروه زیر را میتوان شناسایی کرد:

1. محلولهای نمکی که انحلال سریع آلومینیوم را فراهم میکنند، مثل NaCl، NaClO₃، NaOH، HCl، NaNO₃؛

2. الکترولیتهایی که انحلال آرام فلز را فراهم میکنند، مثل H₂SO₄، (NH₄)₂S₂O₈، Na₂SO₄؛

3. الکترولیتهایی که خوردگی فلز را در یک طیف کوچکی از ولتاژها فراهم میکنند، مثل سدیم استات یا اسید فسفریک؛

4. الکترولیتهای فلوریدی که با رفتارهای پیچیده شناخته میشوند، مثل KF، NaF؛

5. الکترولیتهایی که خوردگی آرام فلز را ارتقا میدهند؛

6. الکترولیتهایی که خوردگی قوی فلز را ارتقا میدهند، مثل اسید بوریکها و نمکهای اسید کربنیک و اسید فسفریک، پلیمرهای غیرآلی (مثلاً سیلیکاتها، آلومیناتها، تانگستاتها، ملیبداتها) و فسفاتهای فلزهای قلیایی (که میتوانند آنیونهای پلیمری را شکل دهند).

شکل 8: تابع I = f(U) الکترولیتهای مختلف که برای عملیات PEOی آلومینیوم آزمایش شده‏اند. قطبیت آندی میتواند منجر به این موارد شود: 1) انحلال سریع فلز 2) انحلال آرام فلز 3) خوردگی فلز در فواصل کم ولتاژ 4) رفتار پیچیده با فواصل وسیع خوردگی 5) خوردگی آرام و 6) خوردگی قوی فلز.

همانطور که در شکل 8 دیده میشود، الکترولیتهای گروه‏های (4)-(6) موجب میشوند که به راحتی به ولتاژ جرقه زنی برسیم و مفیدترین الکترولیت برای تولید پوشش توسط تکنیک PEO میباشد. این الکترولیتها بر اساس سهم آنها در ترکیب پوشش، به چهار دسته تقسیم میشوند:

الف) محلولهایی که فقط اکسیژن را در پوشش بکار میبرند؛

ب) الکترولیتهای حاوی مولفه‎های آنیونی که عناصر دیگری را در پوشش بکار میبرند؛

پ) الکترولیتهای حاوی مولفه‏های کاتیونی که عناصر دیگری را در پوشش بکار میبرند؛

ت) تعلیقاتی که انتقال کاتافوریکیِ درشت‏ذره‏ها را فراهم میکنند که در ترکیب پوشش سهم دارند.

در الکترولیتهای گروه ب و پ، پوشش توسط اکسایش زیرلایه و با ته‏نشست دیگر مواد الکترولیت روی سطح زیرلایه شکل میگیرد. این امر امکان اصلاحات وسیعی در ترکیب و خصوصیات پوشش را فراهم میکند و بنابراین، این گروه‏ها به عنوان امیدبخش‏ترین گروه در نظر گرفته میشوند. محلولهای کلوئیدی سیلیکات سدیم یا پتاسیم، و همچنین الکترولیتهای چندمولفه‏ایِ سیلیکاتی، به میزان زیادی در فرایندهای PEO استفاده میشوند. گذشته از سیلیکاتها، این محلول میتواند حاوی موادی باشد که رسانایی الکترولیت را افزایش میدهند [مثلاً NaF (0.5 تا 20 g/l)، NaOH یا KOH (1 تا 50 g/l)] و یا برای لایه اکسیدی، عناصر تثبیت کننده را فراهم میکنند [مثلاً  گلیسیرین (10 g/l)،  یا ] و مولفه‏های اصلاح کننده [مثلاً (2 تا 20 g/l)، ]. برای اهداف خاص، پودرهای نرمِ موادی با نقطه ذوب سخت و بالا و یا مواد روغنی خشک (برای اصطکاک و سایش بهتر) و یا مواد رنگی (برای خصوصیات بصری و تزئین) را میتوان به الکترولیتها اضافه کرد تا اثرات کاتافوریکی با فرایند اکسایش متحد شوند.

3.3.2 انتخاب الکترولیت برای PES

انتخاب الکترولیت برای فرایند PES نسبتاً ساده است. به عنوان مثال، برای PEC/N، الکترولیت متشکل از ترکیبات آلی حاوی C/N و 5 الی 10 درصد از الکترولیت در محلول رسانا، مثل KCl+H₂O میباشد. برخلاف عملیات معمولیِ بسته‏ای و مایعی با استفاده از سیانید، از ترکیبات آلی زیست‏دوستِ مختلفی میتوان استفاده کرد تا با تجزیه گرمایی پلاسما، یونهای مطلوب کربن/نیتروژن و یا اتمهایی برای فرایند عملیات فراهم کرد. بنابراین، فرمامید (HCONH₂)، اتانولامین [H₂N(CH₂)₂OH] و کاربامید [CO(NH₂)₂] بطور رایجی به ترتیب برای نیتریددهی، نیترید-کربن‏دهی و کربن‏دهی استفاده میشوند. محتوای آبی بر پارامترهای الکتریکی تاثیر میگذارد؛ یعنی کمتر از 5% H₂O موجب افزایش ولتاژهای بحرانی برای تثبیت پوشش پلاسما میشود؛ بیشتر از 10% H₂O منجر به افزایش زیادِ شیب منحنی ولتاژ – دما میشود.

4. ترکیب و ساختار سطح

4.1 پوششهای اکسیدی روی آلیاژهای آلومینیومی

مطالعات ساختاری معمولاً سه نوع منطقه مشخص را در پوششهای تولید شده روی آلیاژهای آلومینیومی توسط تکنیک PEO نشان میدهند (شکل 9). منطقه متخلخل بیرونی، غالباً از فازهای کم دما و بی‏شکلِ اشعه ایکسی تشکیل شده است. یک منطقه داخلی متراکم، با اصلاحات دمایی بالا شکل میگیرد درحالیکه فازهای پیچیده‏ی عناصر آلیاژی زیرلایه در یک منطقه نازک و دورویه‎ی زیر لایه‏ی متراکم مشاهده میشوند. اندازه‏های نسبی مناطق، ساختار و ترکیب آنها اساساً تحت تاثیر ترکیب زیرلایه، ترکیب الکترولیت و رژیم عملیاتی میباشند.

شکل 9: میکروفتوگراف یک پوشش اکسیدیِ تولید شده توسط تکنیک PEO روی یک آلیاژ آلومینیومی. (a) تصویر SEM برش عرضیِ پوشش که در آن (1) منطقه (خارجی) متخلخل (2) منطقه میانجی (درونی) متراکم (3) منطقه (انتشار) نازک با فاز پیچیده‏ی آلیاژ زیرلایه است. (b) تصویر بصریِ سطحِ منطقه واسط بعد از صیقل دادن جهت زدودنِ لایه‏های خارجی متخلخل که فازهای توزیع آلومینای (روشن) با دمای بالا و آلومینوسیلیکات (تاریک) را نشان میدهد.

مطالعات جامع این اثرات برای عملیات آلیاژهای آلومینیومی در محلولهای سیلیکاتی انجام شده‏اند. مشاهده شده است که کاربردِ محلولهای قلیایی و سیلیکات/قلیاییِ حل شده (مثلاً 2 تا 20 g/l Na₂SiO₃ و 2 تا 4 g/l KOH) منجر به انبساط لایه درونی متراکم شده که عمدتاً متشکل از فازهای γ و αی Al₂O₃ (شکل 9) همراه با چند فاز پیچیده‏ی Al – Si – O میباشد. قسمت نسبیِ فاز سخت‏تر α با بالا بردنِ چگالی جریان، افزایش می‎یابد. محتوای آلومینای α میتواند برای پوششهای شکل گرفته روی زیرلایه‎های آلومینیومیِ حاوی مس، به مقدار 60% برسد درحالیکه فاز γ-Al₂O₃ غالباً روی آلیاژهای آلومینیومیِ حاوی منیزیوم شکل میگیرد. پوششهای بر مبنای فاز مولیت روی مواد زیرلایه حاوی سیلیکون شکل میگیرند.

درباره اثر سیلیکون، با جزئیات بیشتر در قسمت منابع بحث شده است. نشان داده شده است که افزایش غلظت سیلیکات در الکترولیت منجر به رشد سریع پوشش میشود که ناشی از بکارگیری Si در ساختار پوشش و تشکیل فازهای پیچیده‏ی Al – Si – O میباشد (جدول 3). بنابراین، یک لایه واسط ساختاربندی شده‏ی دو فازی (شکل 9(b)) میتواند شکل گیرد که در آنجا نسبتهای فاز میتوانند به میزان وسیعی تغییر کنند.

توزیع عنصری از میان ضخامت پوشش، زمانیکه سیلیکون وارد الکترولیت قلیایی میشود، بر اساس نوع ذرات حاوی Si تغییر میکند. پوششهای شکل گرفته در یک محلول قلیاییِ 2 g/l بدون هیچ افزوده‏ی سیلیکاتی، توزیعی یکنواخت از آلومینیوم را از میان ضخامت و عناصر آلیاژی خاص زیرلایه (مثلاً Cu و Mg) که به سمت سطح جایگزین میشوند نشان میدهد که طبق فعالیت آنها با اکسیژن است (شکل 10). افزودنِ سیلیکات سدیم در 15 g/l به درون الکترولیت منجر به نفوذ 3 تا 5% سیلیکون به درون پوشش و کاهش اساسیِ غلظتهای Cu و Mg میشود که در نتیجه در منطقه واسط نیز افزایش می‏یابند. همچنین موقعیتهای محتوای Cu و Mg به زیرلایه منتقل میشوند. وقتی سیلیکا به عنوان پودر نرم اضافه میشود، محتوای Si در پوشش به مقدار قابل توجهی افزایش یافته (تا 40 الی 60% روی سطح) اما بطور غیریکنواخت در میان ضخامت توزیع میشود. بدین ترتیب، پروفیلهای Al و دیگر عناصر آلیاژی نیز تغییر میکنند.

وقتی از محلولهای حل شده‏ی قلیایی سیلیکاتی استفاده میکنیم، یکنواختی ضخامت پوشش بطور پیچیده‏ای به ترکیب الکترولیت بستگی پیدا میکند. پوششهای یکنواخت را میتوان تنها در ترکیبات خاصی از سیلیکات و قلیا تولید کرد. افزایش غلظت سیلیکات موجب افزایش رشد پوشش روی لبه‏های نمونه میشود که در آنجا فرایندهای بسپارش تراکمی  به دلیل قوسی شدنِ شدیدتر، تسهیل میشوند. بطور عکس، افزایش مقدار قلیایی موجب انحلال موضعیِ لایه اکسیدی و ایجاد حفره در سراسر سطح نمونه میشود.

پوششهای اکسیدی که در محلولهای غلیظ سیلیکاتی (50-300 g/l) تولید شده‏اند، ضخیمتر و یکنواخت‎‏تر هستند. با این حال، یک لایه خارجی منبسط دارند که میتواند به 90% از ضخامت کلِ پوشش برسد. چنین لایه‏های غالباً بی‏شکل اشعه ایکسی هستند و معمولاً متشکل از 40 تا 43% Si، 1 تا 4% Al، 1 تا 4% Na و 49 تا 58% O میباشند. قانوناً این پوششهای سیلیکاتی دارای یک ساختار اسفنجی شکل بوده که مواد حجیم متخلخل بسیار و خصوصیات نسبتاً ضعیف مکانیکی دارد. ترکیب این پوششها میتواند فقط به قیمت مواد اضافیِ وارد شده به الکترولیت تغییر کند. اغلب برای این اهداف، از الکترولیتهای حاوی پودرهای نرمی مثل  استفاده میشود. با این حال، به دلیل تخلخل زیاد مواد حجیم، توزیع عنصری در سراسر چنین پوششهایی فوق العاده غیریکنواخت است.

جدول 3: رژیمهای PEO و بعضی از ویژگیهای پوششهای اکسیدیِ تولید شده روی آلومینیوم

شکل 10: توزیع عنصری (درصد اتم) در سراسر پوششهای اکسیدیِ تولید شده توسط عملیات PEOی آلیاژ Al 3.0Cu 1.5Mg 0.5 Mn در محلولهای قلیایی و سیلیکات – قلیایی.

شکل 11: سینتیک رشد پوشش تحت شرایط مختلفِ فرایند PES

4.2 لایه‏های سطحی نیترید/کاربید روی فولادها

به روشی مشابه عملیات انتشار گرماشیمیاییِ معمول، لایه‏های سطحیِ تولید شده توسط PEN/C روی فولادها، متشکل از دو منطقه هستند. زیر سطح، یک منطقه درونی انتشارِ آلیاژ آهن و کربن و آستنیت حفظ شده (با عناصر منتشر شونده در محلول جامد) به تدریج به یک لایه خارجی سفید غیرقلم‏زنی تبدیل میشود که اصولاً از نیتریدهای آهن و کاربیدها درست شده است. خصوصیات این مناطق ساختاری به ولتاژ کاربردی (و متعاقباً به دما)، زمان عملیات و نوع عنصر انتشاری بستگی دارد. شکل 11 ویژگیهای سینتیکِ PES فولاد نرم را توسط کربن و نیتروژن در زمانیکه بطور انفرادی یا همزمان استفاده میشوند نشان میدهد. واضح است که انتشار همزمان کربن و نیتروژن، اشباع سریعترِ سطح و یک لایه عملیاتیِ ضخیمتری را فراهم میکند. قطبیت الکترود به مقدار کمی روی سینتیک اشباع تاثیر میگذارد.

میکروگرافهای عرضی از لایههای سطحی اشباع شده‏ی نوعی که توسط الکترولیز پلاسما تولید شده است در شکل 12 نشان داده شده‏اند. پوشش نیتریدی، متشکل از یک لایه خارجی سفید با فاز میباشد که به یک لایه درونی انتشارِ حاویِ ترکیبی از نیتریدها و فازهای حاوی نیتروژن، با ضخامت کلیِ 40-50 µm متصل است (شکل 12(a)). در پوشش کربونیتریدی، واسطِ بین لایه سفید و منطقه انتشارِ فازهای کاربید/نیترید، تیره‏تر (تارتر) است (شکل 12(b)). به دلیل سرمایش سریع در جریان الکترولیت، یک ساختار سخت و شکننده اولیه مشاهده میشود. یک پوشش کاربیدِ خنک شده با هوا (شکل 12(c))، یک لایه سفید ضخیمتر و یک منطقه نازکترِ انتشار دارد که متشکل از به ترتیب چدن و آلیاژ آهن و کربن میباشد.

دمای فرایند، یک عامل بسیار مهم در رسیدن به اشباع همزمان هم با C و هم با N میباشد. پروفیلهای غلیظ نیتروژن و کربن در سطح خارجی و لایه‏های انتشار درونی که یا در دمای 670 درجه یا 820 درجه سانتیگراد تولید شده‏اند، قبلاً در قسمت منابع مطالعه شده‏اند. لایه‏هایی با ضخامت 100-150 µm و در بعضی شرایط تا 200 µm ، در ظرف 3 دقیقه شکل میگیرند (شکل 13). با این حال، توزیع عنصری در سراسر لایه در هر مورد متفاوت است. در دماهای پایین، انتشار نیتروژن تدریجاً جذب کربن را در نزدیک سطح متوقف میکند. در دمای 670 درجه سانتیگراد، یک لایه خارجی سفید با ضخامت 10-20 µm حاوی 5 تا 6% N و تنها 0.7% C ایجاد میشود درحالیکه حداکثر مقدار کربن (1.23%) در لایه درونی با عمق 100 µm مشاهده میشود (شکل 13(a)). برخلاف این موضوع، انتشار کربن بر انتشار نیتروژن در دماهای بالاتر غالب می‏آید (شکل 13(b)). در دمای 820⁰C، این امر موجب کاهش مقدار متوسطِ حداکثر کربن 0.91% در سطح میشود (شکل 13(b)). ریزساختارِ لایه‎های سطحی داخلی و بیرونی از یک لایه (سفید) مرکب مشخص با یک منطقه انتشار پنهان به یک لایه انتشار منبسط تبدیل میشود که غالباً از ماده فلزی سخت و شکننده با کربن/نیتروژن بالا درست شده است.

شکل 12: میکروگرافهای عرضیِ لایه سطحی فولادی 0.4C 1.0Cr بعد از 4 دقیقه عملیات: (a) PEN در دمای 640⁰C ، (b) PEC/N در دمای 800 درجه و (c) PEC در دمای 860 درجه سانتیگراد.

شکل 13: پروفیلهای نیتروژن و کربن برای فولادی با کربنِ کم که توسط فرایند PEC/C به مدت 2 دقیقه در دمای (a) 670 درجه و (b) 820 درجه سانتیگراد عمل‏آوری شده است.

5. عملکرد پوشش اکسیدی

5.1 ویژگیهای مکانیکی

پوششهای اکسیدی اثر تحکیم کننده‏ی قابل توجهی را روی زیرلایه‏های آلومینیومی فراهم میکنند. این اثر برای زیرلایه‏های صفحه با بیشترین وضوح نشان داده میشود و در آنجا یک افزایش 100 الی 200 درصدی در مدول موثر یانگ مشاهده شده است. این افزایش به ضخامت صفحه و عمق نسبیِ لایه اکسیدی بستگی دارد.

چسبندگی موثرِ لایه اکسیدی، آنگونه که توسط آزمونهای فرورفتگیهای ریز ارزیابی شده‏اند، با ضخامت پوشش افزایش می‏یابد. در پوششهایی با ضخامت 200 تا 250 µm ، قدرت چسبندگی میتواند به 350 تا 380 GPa برسد، یعنی در مقایسه با محدودیت کششیِ زیرلایه‏ی آلومینیومی. یک توضیح برای افزایش چسبندگی در تغییر ساختاری در منطقه درونی پوشش قرار دارد که ناشی از فرایندهای انتشار است. احتمال این نیز وجود دارد که یک پوشش ضخیمتر، حمایت باری بهتری را ارائه کند و بنابراین منطقه واسط تحت بارِ اعمال شده، تنش کمتری دارد.

تغییرات ساختاری تمایل به ایجاد توزیعهای غیریکنواخت سختی در سراسر پوشش اکسیدی دارند (شکل 14). سخت‏ترین منطقه معمولاً در فاصله حدود 20 تا 30 µm از واسط پوشش – زیرلایه قرار دارد و به حداکثر محتوای فازهایی با دمای بالا در منطقه پوشش درونیِ متراکم مربوط میشود. حداکثر مقادیر سختی با 17 الی 22 GPa برای پوششهایی بر مبنای آلفا آلومینا، 10 تا 15 GPa برای پوششهای فاز γ و 4 تا 9 GPa برای پوششهایی بر مبنای مولیت مطابقت دارد. در هر مورد، مناطق خارجی متخلخلِ پوشش دارای سختی کمتری میباشد.

5.2 عملکرد تریبولوژیکی

5.2.1 مقاومت سایشی

نوارهای تولید شده روی آلیاژهای آلومینیوم توسط تکنیک PEO در مقایسه با کامپوزیتهای بر مبنای WC، پوششهای انتشار بورید و کورندم، در برابر سایش مقاومت نشان میدهند. شکل 15 مقاومت سایشیِ نسبیِ مواد و پوششهای مختلف را به تصویر میکشد که پتانسیل پوششهای PEO را نشان میدهد.

شکل 14: پروفیلهای ریزسختی در سراسر پوششهای اکسیدی بر اساس (1) αآلومینا (2) γ آلومینا و (3) مولیت.

شکل 15: نمودارهای مقاومت سایشیِ نسبی (ɛ_w) برای بعضی مواد با توجه به یک طلق. H سختی ماده است.

شکل 16: (a) تغییرات سایش I (1)، سختی H (2) و میزان سایش dI/dt (3) در برابر زمان، و تخلخل P (4) در سراسر یک پوشش PEO با ضخامت h؛ ضخامت منطقه I (لایه خارجی/متخلخل) 30 الی 60 µm، منطقه II (لایه متراکم داخلی) 100 الی 170 µm و منطقه III (لایه انتشار) 3 الی 5 µm میباشد.

زوال پوششهای PEO تحت آزمونهای چرخ سمباده با پودر SiC با سایز کوچکتر مساوی 70 µm در قسمت منابع مطالعه شد. با در نظر گرفتن تغییرات تخلخل و توزیع سختی غیریکنواختِ تبعی (غیرمستقیم) در سراسر پوشش، مراحل زیر را درباره رژیمهای سایشی میتوان شناسایی کرد که در شکل 16 نشان داده شده‏اند:

1. میزان بالای سایشِ لایه خارجی (منطقه I، شکل 16) توسط سختیِ نسبتاً کم و تخلخل ایجاد میشود؛

2. حداقل میزان سایش در منطقه داخلیِ پوشش (منطقه II) با بیشترین سختی و کمترین تخلخل در این منطقه مرتبط است؛

3. میزان سایشِ شدیداً افزایش یافته در واسطِ پوشش – زیرلایه (منطقه III) ناشی از کاهش ناگهانی سختی و حمایت بار به عنوان هسته زیرلایه آلومینیومیِ عمل‏آورده نشده است که مشخص میشود.

مقاومت سایشی مولفه‏ها را میتوان با الکترولیز پلاسما، در محیطهای خورنده بهبود بخشید. مثلاً خصوصیات خوبِ مقاومت سایشی در محیطی حاوی هیدروکربن و ترکیبات سولفوریک یافت شدند. در اینجا مکانیسمهای سایشِ لایه‏های اکسیدی با مکانیسمهای فلز فرق دارند. فرایندهای زوالِ مکانیکی و خورندگیِ فلزها میتواند بطور همزمان رخ دهد. برخلاف این موضوع، این فرایندها میتوانند بطور جداگانه روی سطح اکسیدی پیش بروند. سایش در نواحی اتفاق می‏افتد که در تماس با یک بدنه شمارشگر باشد درحالیکه خورندگی در منافذ لایه اکسیدی رخ میدهد.

5.2.2 رفتار اصطکاکی

5.2.2.1 اصطکاک روغنی شده عملکرد اصطکاکی پوششهای اکسیدی تحت شرایط روغنی برای محیطهای آبی و روغنی مطالعه شده است. زمانیکه نوار اکسیدیِ متخلخل با روغن اشباع شده است، کاهشی در ضریب اصطکاک برای جفتهای اکسید – فولاد از 0.4 برای تماسهای فولاد روی فولاد به مقدار  ثبت شده است.

ویژگیهای اصطکاکی بلوکه روی صفحه برای پوششهای PEOی روی آلیاژهای آلومینیومی در مقابل یکدیگر، در محیطهای صنعتی آبی و آب دریایی مطالعه شده‎اند. گفته شده است که یک جفت ترکیبی از پوششهای بر مبنای مقدار تا 0.025 را در فشارهایی تا 16 MPa نشان داده است. جفتهای پوششیِ بر مبنای مقدار  تا 0.008 را تا فشار بحرانی 8 MPa به دست میدهد. جفتهای اصطکاکی بر اساس پوششهای مولیت میتوانند با فشارهای بحرانی تا 4 MPa تطابق یابند.

5.2.2.2 اصطکاک غیر روغنی شده رفتار اصطکاکی پوششهای اکسیدی آلومینیومی تحت شرایط خشک نیز مطالعه شده‏اند. آزمونهای میله روی صفحه در برابر Al₂O₃، فولاد و مواد توپیِ سطح تماسی WC-Co در خلأ انجام شدند که تحت نیتروژن و هوا با رطوبتِ کنترل شده بودند. نتایجِ نشان داده شده در شکل 17 را میتوان با در نظر گرفتن مولفه‏های مکانیکی و شیمیاییِ کنتاکت اصطکاکی توضیح داد. ضرایب اصطکاکِ مواد کنتاکتی با خصوصیات مکانیکی مشابه مثل پوششهای اکسیدی در برابر Al₂O₃ یا پوشش در برابر خودش، توسط برهمکنشهای تریبوشیمیایی بین سطوح تماسی تعریف میشوند. این برهمکنشها به شدت به ترکیب محیط خارجی بستگی دارند. بنابراین، برای مثال، افزایش رطوبت هوا تا 80% ، تشکیل یک نوار نازک روغنی از هیدروکسید آلومینیوم را ارتقا میدهد که منجر به کاهش ضریب اصطکاک میشود.

شکل 17: ویژگیهای اصطکاکی میله روی صفحه‏ی پوششهای PEO در برابر مواد مختلف در محیطهای متفاوت.

اصطکاک موادی با خصوصیات مکانیکی مختلف، مثل پوششهای اکسیدی در برابر فولاد و WC-Co توسط نوسازی دائم سطح تماس اصطکاکی همراهی میشود. به همین دلیل، برهمکنش شیمیایی در سطح تماس تسریع شده که موجب افزایش ضریب اصطکاک میشود. برای کاهش اصطکاکِ خشک در این جفتها، ته‏نشست نوارهای باریک کربن روی پوشش اکسیدی در نظر گرفته شده است. این کار موجب کاهش ضریب اصطکاک از 062-0.49 به 0.32-0.17 در برابر یک سطح تماس توپی WC-Co میشود.

پژوهشهای اخیر نشان میدهد که ضخامت کلیِ پوشش اکسیدی میتواند خودش تاثیر زیادی روی خصوصیات مکانیکی بگذارد که به رژیم تماسی بستگی دارد. از لحاظ عملکرد تریبولوژیکی، پوششهای ضخیم PEO در آزمونهای لغزش، خراش و ضربه بهترین عملکرد را دارند، درحالیکه  پوششهای نازک میتوانند در سایش لغزشیِ کم بار و ضربه به میزان قابل توجهی موثر واقع شوند. پوششهای PEOی ضخامت میانجی عملکرد نسبتاً ضعیفی را در همه آزمونهای تریبولوژیکی نشان دادند. مشخصاً حیطه قابل توجهی برای تنظیم ریزساختار و ترکیب و همچنین ضخامت این پوششها وجود دارد تا عملکرد را برای شرایط تماسی خاص بهینه کنند. با در نظر گرفتنِ ویژگیهای عالیِ باریِ پوششهای آلومینای PEO، چشم اندازهای زیادی برای توسعه ساختارهای پوششیِ جدیدِ چندلایه‏ای و هیبرید/دو رشته‏ای برای حفاظت از آلومینیوم وجود دارد، مثلاً بر اساس یک پوشش PEO به عنوان پیش‏ماده‏ی PVD (یا دیگر) فرایندهای ته‏نشست پوشش.

5.3 مقاومت در برابر گرما

از آنجاییکه آلومینا و سیلیکا هر دو نقاط ذوب بالایی دارند، خصوصیات خوبِ محافظ در برابر گرما ممکن است از چنین پوششهای اکسیدی انتظار برود. با این حال، ضریب انبساط گرماییِ این لایه‏ها اساساً با ضریب ماده زیرلایه تفاوت دارد (به میزان 10 تا). علیرغم این، پوششهای تولید شده در (مثلاً) الکترولیتهای غلیظ سیلیکاتی میتوانند بطور موفقیت‏آمیزی در برابر شارهای گرمایی خارجی مقاومت کنند و آسیب چسبندگی نداشته باشند که تا حدی بخاطر تخلخل زیاد آنها میباشد.

5.4 خصوصیات دی الکتریک

مقاومت الکتریکی بالا و قدرت جرقه زنیِ سیلیکا و آلومینا موجب خصوصیات قویِ دی الکتریک در پوششهای PEO میشود. این خصوصیات در قسمت منابع ارزیابی شدند که در آنها مقادیر خاصی از مقاومت از 2.7×10¹⁴ تا 3.5×10¹³ Ω m به دست آمدند. پوششهای تولید شده در محلولهایی با 1 تا 5% سیلیکاتِ حل شده، دارای بهترین خصوصیات میباشند.

مقاومت الکتریکی نیز یک عامل در الکترولیز پلاسما میباشد. وقتی فرایند به رژیم تخلیه قوسی تبدیل میشود این نیز کاهش می‏یابد و سپس بطور مستقل از زمان اکسایش، ثابت باقی میماند. اگرچه که خصوصیات آن بهتر از شیشه سدیمی نیست، اما از این پوششها میتوان به عنوان ماده دی الکتریکِ کم ولتاژ استفاده کرد اگرکه روش عملیاتی مناسبی انتخاب شود.

شکل 18: پروفیلهای معمولی سختی برای SAE 1020 که توسط PEC/PEN به مدت 3 دقیقه در (1) 250 ولت و (2) 220 ولت به عمل آمده است.

6. عملکرد لایه‏های سطحی نیترید/کاربید

6.1 ریزسختی

عملکرد مکانیکی لایه‏های سطحی نیترید/کاربید روی فولاد SAE 1020 بعد از یک عملیات PEN/C به مدت 3 دقیقه در الکترولیتی متشکل از  ارزیابی شد. پتانسیلهای منفی کاربردیِ 220 و 250 ولت، دماهای سطحی 670 و 820 درجه سانتیگراد را به ترتیب ایجاد کردند. پروفیلهای معمولیِ سختی برای این لایه‏های اشباع شده در شکل 18 نشان داده شده‏اند. سختی بیرونی‏ترین لایه سطحی با افزایش ولتاژ الکترود کاهش می‏یابد که با تغییری در ریزساختار سطحی از یک لایه سفید آهن – نیترید به یک لایه انتشاری منبسط آهن – کربن – نیتروژن مطابقت دارد. در پی سختی سطحی بالا (HV1300)، یک کاهش سریع در عمقی مشخص (یعنی زیر لایه سفید نیترید) برای گونه‏ی عمل‏آورده در 220 ولت به وجود می‏آید. با این حال، میزان شیب (گرادیان) کاهش سختی برای گونه‏ی عمل‏آورده در 250 ولت، کم‏عمق‏تر است.

جدول 4: ویژگیهای تریبولوژیکی مقایسه‏ایِ فولادهایی با لایه‏های نیتریدی

6.2 خصوصیات اصطکاک و سایش

سختی زیاد لایه‏های سطحیِ تولید شده با PES امکان بهبود خصوصیات اصطکاک و سایشِ بسیاری از مواد را فراهم میکند اما فولادها، گزینه‏های مشخص هستند. سایش سمباده برای فولاد ضدزنگ (0.2% C ، 13% Cr) در مقایسه با سخت‏شدگی گرمایی معمولی و PEN در 620⁰C در الکترولیتی حاوی کلرید آمونیوم و اسید نیتریک مطالعه شدند. افزایش مقاومت سایشی به مقدار 20-15%  برای نمونه‏های تحت عملیاتِ اشباع نیتروژنی یافت شد. اثر رژیمهای PEN روی عملکرد تریبولوژیکی لایه‏های نیتریدی روی یک فولاد کربنی واسط (0.4% C ، 1.0% Cr) در قسمت منابع با جزئیات بیشتری مطالعه شد. وقتی در همان الکترولیت تولید شود، لایه‏ها ضخامتی تا 0.5 mm و سختی 6 تا 9 GPa داشتند. سخت‏ترین لایه‏ها در دمای 700-750⁰C به دست آمدند و متشکل از یک لایه خارجی سفید نیتریدیِ 30 µmی و یک منطقه انتشار داخلی با ماده سخت و شکننده دارای نیتروژنِ زیاد میباشند. ویژگیهای اصطکاکیِ این لایه در لغزش میله روی صفحه‏ی غیر روغنی در برابر TiC زینتر (با سختی 29 GPa) همراه با چند ماده/عملیات دیگر جهت مقایسه، در جدول 4 خلاصه شده‏اند. نتایج نشان میدهد که اگرچه ضرایب اصطکاک µ لایه‏های PEN کمترین ضرایب نبودند اما کمترین میزان سایش I و دما در ناحیه تماسی T_cont را فراهم میکند.

مقاومت سایشی نسبیِ لایه‏های N/C روی فولاد SAE 1020 در قسمت منابع مطالعه شده است. میزان خطی سایش برای گونه‏ها، قبل و بعد از عملیات الکترولیتی پلاسما، مقایسه شد. نتایج نیز نشان دادند که گونه‏های تحت عملیات، مقاومت سایشی خیلی بهتری داشتند.

رفتار خوردگی گونه‎های SAE 1020 که به مدت 3 دقیقه در 220 ولت تحت PEN/C عمل‏آوری شدند نیز برآورد شد. گونه‏ها در یک محلول اسید سولفوریک 0.1 N به مدت 10 دقیقه غوطه‏ور بودند و سپس یک ولتاژ AC اعمال شد. مقایسه مقادیر مقاومت خوردگی نشان داد که مقاومت خوردگی نمونه فولاد SAE 1020 عمل‏آوری شده، تقریباً 30 برابر بیشتر از مقاومت نمونه عمل‏آوری نشده بود. برای مواد آلیاژی آهن‏دار دیگر نیز همین بهبودها مشاهده شدند.

7. کاربردهای ممکن

برنامه‏های مختلفی برای پیشرفت کاربرد صنعتی تکنیکهای الکترولیز پلاسما طی دهه اخیر گذاشته شده‏اند. خلاصه‎ای از کاربردهای گزارش شده تاکنون در جدول 5 آمده است.

جدول 5: کاربردها و ویژگیهای مشخصه‏ای در تکنیکهای PED

داده‏های جدول 5 نشان میدهد که پوششهای PEO میتوانند بطور موفقیت‏آمیزی با تکنیکهای اکسایش گرمایی و انودیزه کردن رقابت کنند و همچنین گزینه‏ی ارزان و سبکی را بجای مواد "دشوار" (از لحاظ ساخت و پردازش) در طیف وسیعی از صنایع فراهم کنند. ویژگیهای عالی سایشی، اصطکاکی، خوردگی و گرماییِ این پوششها در ماشینهای پارچه‏بافی، ارکان هوافضایی و استخراج گاز/نفت و ماشین‏آلات تصفیه، کاربرد خوبی دارند.

به دلیل تجهیزات نسبتاً ساده‏ای که نیاز دارند، کاراییهای عملیاتی بالا و امکان عملیات پیوسته‏ی قطعات کاری، متدهای بر مبنای PES نیز امید خوبی برای کاربردهای عملی صنعتی نشان میدهند. لایه‏های سخت، مقاوم در برابر خوردگی و پایدار از لحاظ گرماییِ بوریدها، نیتریدها یا کاربیدها را میتوان روی سطوح مختلف فلزی تولید کرد. قطعات کاری بزرگ که عمل‏آوری آنها در فرایند حفره‏ای مشکل است، میتوانند به راحتی جای بگیرند. علاوه بر این، متدهای PES را میتوان به عنوان پیش‏عملیاتهایی در فرایندهای دوپلکس (مضاعف) استفاده کرد که این فرایندها با آبکاری، PVD یا پوششهای دیگر سر و کار دارند. برای مثال، پوششهای نازک و سخت PVD میتوانند روی یک لایه ضخیم انتشارِ روغنی شده با PEN/C ته‎نشین شوند تا چسبندگی خوب و پشتیبانی باری روی زیرلایه‏هایی با آلیاژ کم را فراهم کنند. تکنولوژی PES بطور بالقوه برای بعضی فلزها به عنوان پیش‏ماده جهت ته‏نشست الماس یا پوششهای الماسی‏شکل مناسب هستند. علاوه بر این، این تکنیک میتواند به عنوان جایگزینی برای سخت‏گردانی القایی معمولی نیز استفاده شود که بخاطر خصوصیت گرمایش سریع آن است که میتوان از آن برای ایجاد یک تفاوت دمایی بالا بین سطح زیرلایه و محیط داخل استفاده کرد.

8. خلاصه و نتایج

متدهای PEDی توصیف شده در این مقاله به دلیل گسترش فرایندهای متداول الکترولیز در حوزه پلاسما/آرکهای یونیزه شده‏ی پرانرژی، در اختیار قرار گرفته‏اند. در پتانسیلهای فراتر از بعضی از مقادیر بحرانی (U₂ یا U₅ در شکل 2)، چندین پدیده تخلیه بار الکتریکی را که در ناحیه نزدیک الکترود فعالند میتوان بکار گرفت تا شکل‏شناسی واسط الکترود – الکترولیت را تغییر دهد و فرایندهای عملیاتی را کنترل کنند. تخلیه‏های پلاسما، فرایندهای گرمایش و انتشار، اثرات کاتافوریکی و واکنشهای گرماشیمیایی پلاسما را در سطح الکترود افزایش میدهند. بر اساس ترکیب الکترولیت و قطبیت الکترود، بسیاری از فرایندها مثل PEO و PES را میتوان بکار برد.

PEO  تکنیکی است که در پتانسیلهای بالای ولتاژ جرقه زنیِ یک نوار اکسیدیِ در حال رشد روی سطح آندِ فلزی زنگ زده عمل میکند و با قوسهای چندگانه که به سرعت روی سطحِ تحت عملیات حرکت میکنند مشخص میشود. ترکیبات پیچیده میتوانند درون کانالهای شکافیِ ولتاژ بالایِ شکل گرفته در سراسر لایه اکسیدیِ در حال رشد درست شوند.  این ترکیبات متشکل از اکسیدهای ماده زیرلایه (معمولاً آلومینیوم) و عناصر اصلاح کننده الکترولیتی (مثلاً سیلیکون) هستند. برهمکنشهای گرماشیمیایی پلاسما در تخلیه‏های چندگانه سطحی منجر به پوششی میشوند که در هر دو مسیر از سطح زیرلایه رشد میکند. اگرچه دماهای موضعی آناً بیش از حد بالا هستند اما معمولاً دمای زیرلایه حجیم زیر 100 درجه سانتیگراد است. در ترکیب خاصی از ترکیب الکترولیت و رژیم جاری، تخلیه بار، ریزساختار و ترکیب فازِ زیرلایه را از آلیاژ فلز به اکسید پیچیده سرامیک تغییر میدهد (اصلاح میکند). در نتیجه، لایه‏های ضخیمِ مقاوم در برابر سایش (حداکثر سختی 18 تا 23 GPa و حداکثر ضخامت حدود 500 µm)  با چسبندگی عالی را میتوان روی مولفه‏های آلیاژ آلومینیوم به دست آورد، و هزینه تولید با هزینه فرایندهای معمولی انودیزه کردن قابل رقابت است.

PES  در پتانسیلهایی فراتر از ولتاژ جرقه زنیِ حبابهای گازیِ شکل گرفته روی سطح قطعه کار، که در این مورد میتواند با توجه به الکترولیت، کاتدی یا آندی باشد، عمل میکند. در بعضی از ولتاژهای بحرانی، الکترولیت بخار شده و یا گاز آزاد شده توسط فرایندهای اکسایش/کاهش روی سطح الکترولیت، یک پوشش پیوسته بخار پیرامون الکترود شکل میدهد که در آن یک پلاسمای قوسی ایجاد شده و عناصر رآکتیو را برای عملیات زیرلایه فراهم میکند. به دلیل چگالی خیلی بیشترِ جریان که در چنین تخلیه‏های اتمسفری به دست می‏آید، در مقایسه با عملیات پلاسمای خلأ معمولی، بارشِ شدید یون روی سطح قطعه کار میتواند رخ دهد و بنابراین موجب گرمایش سریع و فعالسازی پیشرفته‏ی سطح زیرلایه میشود. بنابراین، فقط مدت زمانهای کوتاه عملیات (5-3 دقیقه) برای ساخت لایه‏های انتشار/اشباع ضخیم 500-200 µm لازمند که خصوصیات مکانیکی و خوردگی خوبی دارند. ترکیبات مختلفی چون نیتریدها، کاربیدها و بوریدها میتوانند در یک الکترولیتی که به درستی انتخاب شده است شکل گیرند.

پتانسیل پوشش جدید الکترولیتی پلاسما و فرایندهای عملیاتی فوق الذکر مشخصاً قابل توجه هستند. میتوان از آنها انتظار داشت که در طیفی از کاربردها که دائماً در حال گسترشند مفید باشند، مخصوصاً از نظر افزایش تقاضا برای استفاده از مواد کم وزن یا موادی با نسبت زیادِ قدرت – به – وزن. علاوه بر این، احتمال میرود که از این متدها به عنوان عملیاتهای پیش‏ماده در ترکیب با دیگر متدهای پوشش استفاده شوند تا فرایندهای هیبریدی (دورگه‏ای) یا دوپلکس (دورشته‏ای) فراهم کنند تا تواناییهای الکترولیز پلاسما و دیگر تکنیکهای پوشش را گسترش دهند.