THE PHYSICAL AND MECHANICAL MODEL OF ELECTROCHEMICAL PROCESSES OF FORMING COPPER AND ELECTROСORUNDUM MICRO- AND NANOCOMPOSITE COATINGS

Abstract


The article describes a mathematical model and the results of a numerical study of electrochemical, diffuse and kinetic processes of co-deposition of metallic copper and micro- and nanoparticles of electrocorundum on the surface of a metal electrode. A math-ematical apparatus for complex physical and chemical mathematical modeling of the processes accompanying the formation of nanocomposite coatings from copper sul-phate electrolytes is presented, i.e. the electrochemical deposition of metallic copper on the cathode surface, physical adsorption of micro- and nanoparticles on the cathode surface and growth of the coating layer. To describe the movement of the electrolyte, the k-ε model based on the averaged Reynolds equations with damping functions according to the Abe – Kondoh – Nagano model (k-ε AKN) was used. The modelling results are compared with the experimental data. The mathematical modeling results of the electro-chemical deposition of metallic copper Cu on a rotating cylindrical electrode are pre-sented. The mass transfer of the electroactive electrolyte ions occurs due to three main mechanisms: diffusion, migration and convection. Ion and particle mass transfer is de-scribed by the equations of convective diffusion and studied in the entire volume of the electrolytic bath. The cathodic and anodic processes are described on the basis of the tertiary current distribution. The mathematical modeling results of the joint electrochemi-cal deposition of Cu-Al2O3 composite coatings on a rotating cylindrical electrode are presented taking into account the hydrodynamics of the electrolyte flow. The simulation is carried out in the entire volume of the electrochemical cell, and not only within the diffusion layer, which allows taking into account the transfer of electrolyte particles and ions by convection and migration. The current numerical study made it possible to inves-tigate in detail the kinetics of these processes and showed good agreement with the experimental results.

Full Text

Одним из способов нанесения микро- и нанокомпо-зиционных покрытий (КЭП) меди и электрокорунда на металлическую поверхность машиностроительных де-талей является процесс совместного электрохимическо-го осаждения (СЭО). Покрытие формируется благодаря двум процессам, протекающим одновременно: электро-химическое осаждение металлической меди на поверх-ности катода и физическая адсорбция наночастиц на поверхности катода. Схематически процесс совместного электрохими-ческого осаждения отображен на рис. 1. Покрытия, полученные данным способом, облада-ют рядом уникальных физических, химических и экс-плуатационных характеристик [1–17]. Наличие на поверхности твердого деформируемого тела тонкого слоя композиционного покрытия сущест-венно повышает прочностные и эксплуатационные свойства готового изделия. Однако применение микро- и нанокомпозиционных покрытий в промышленности сдерживает отсутствие отра¬ботанных технологических процессов, математи-ческих моделей, обобщающих результаты ранее прове-денных экспериментальных работ. Исторически первые модели, описывающие исследуемый процесс СЭО, ба-зировались на принципе механического захвата частиц растущим слоем гальванического покрытия и не име¬ли подтверждающих их экспериментальных дан¬ных. Раз-витием темы послужили многошаговые модели Bazzard и Boden, Guglielmi, Kariapper и Foster, Celis, Roos и Buelens, Valdes [18]. Однако эти модели вклю¬чали в се-бя большое количество эмпирических пара¬метров. Рис. 1. Процесс совместного электрохимического осаждения Fig. 1. Co-electrochemical deposition process Ряд авторов [19–22] использовали уравнения конвек¬тивной диффузии для описания массопереноса электроактивного вещества и частиц дисперсной фазы. Но влияние движения электролита учитывалось в этих моделях лишь изменением величины диффузионного слоя вблизи поверхности рабочего электрода, в преде-лах которого проводилось моделирование, а действие электрокинетических сил не учитывалось вовсе. Ре-зультаты вычислений с указанными допущениями не обеспечивают данные, адекватно совпадающие с ре-зультатами эксперимента, поэтому актуальность и це-лесообразность разработки методики исследования процесса с использованием методов численного моде-лирования вполне обоснована. СЭО является сложным многофакторным процес-сом, в котором на свойства КЭП влияет большое число параметров осаждения. Применение в качестве дис-персной фазы веществ, находящихся в микро- и нано-размерном состоянии, еще больше усложняет процесс СЭО, поскольку на свойства КЭП оказывает влияние дисперсность, концентрация, форма, химический со-став, кристаллическая структура наночастиц, а также состав и концентрация поверхностно-активных веществ в растворе. Следует отметить, что механизм формиро-вания данного класса композиционных покрытий изу-чен недостаточно. Настоящая работа направлена на разработку математического аппарата и на моделиро-вание электрохимических процессов и гидродинамики электролита в ячейке с вращающимся цилиндрическим электродом (ВЦЭ) при осаждении КЭП Cu–Al2O3 из сернокислого электролита. В моделировании использо-ваны предыдущие работы авторов [23; 24].

About the authors

E. K. Molchanov

UdmFRC UB RAS, Izhevsk, Russian Federation

A. V. Vakhrushev

UdmFRC UB RAS, Izhevsk, Russian Federation

References

  1. Raghavendra C.R., Basavarajappa S., Sogalad I. Compa¬rative study on Ni and Ni-α-Al2O3 nano composite coating on Al6061 substrate material // Materials Today: Proceedings. – 2020. – Vol. 24. – Р. 975–982. doi: 10.1016/j.matpr.2020.04.410
  2. Raghavendra C.R., Basavarajappa S., Sogalad I. A review on Ni based nano composite coatings // Materials Today: Proceedings. – 2021 – Vol. 39. – P. 6–16. doi: 10.1016/j.matpr.2020.04.810
  3. Pinate S., Leisner P., Zanella C. Wear resistance and self-lubrication of electrodeposited Ni-SiC:MoS2 mixed particles composite coatings // Surface and Coatings Technology. – 2021. – Vol. 421. doi: 10.1016/j.surfcoat.2021.127400
  4. Electrochemical behavior and electro-crystallization mechanism of Cu-Ni/Nano-Al2O3 coating with a deposition current density dependence / Y. Zhang, J. Zhang, Z. Wang, J. Liu // Journal of Alloys and Compounds. – 2023. – Vol. 952. doi: 10.1016/j.jallcom.2023.169988
  5. Ayoola A., Fayomi O., Popoola A. Anticorrosion properties and thin film composite deposition of Zn-SiC-Cr3C2 coating on mild steel // Defence Technology. – 2019. – Vol. 15. – P. 106–110. doi: 10.1016/j.dt.2018.04.008
  6. Wang Y., Qi Y. Study on electrodeposition of ZnNi/Al2O3 composite coating on 40Mn steel and its corrosion behavior in simulated concrete pore solution // International Journal of Electrochemical Science. – 2022. – Vol. 17. doi: 10.20964/2022.10.46
  7. Guglielmi N. Kinetics of the deposition of inert particles from electrolytic baths // Journal of The Electrochemical Society. – 1972. – Vol. 119. – P. 137–146. doi: 10.1149/1.24043
  8. Guo H., Qin Q., Wang A. Mass transport process of solid particles in composite electrodeposition // Electrochem. Soc. – 1988. – Vol. 46. – P. 8–18
  9. Fransaer J. Analysis of the electrolytic codeposition of non-brownian particles with metals // Journal of The Electrochemical Society. – 1992 – Vol. 139. – P. 413–420. doi: 10.1149/1.2069233
  10. Walsh F.C., Ponce de Leon C. A review of the electrodeposition of metal matrix composite coatings by inclusion of particles in a metal layer: an established and diversifying technology // Transactions of the IMF. – 2014. – Vol. 92. – P. 83–98. doi: 10.1179/0020296713Z.000000000161
  11. Walsh F.C., Wang S., Zhou N. The electrodeposition of composite coatings: Diversity, applications and challenges // Current Opinion in Electrochemistry. – 2020. – Vol. 20. – P. 8–19. doi: 10.1016/j.coelec.2020.01.011
  12. Magnetic and electrical transport properties of electrodeposited Ni–Cu alloys and multilayers / I. Bakonyi, E. Toth-Kadar, J. Toth, T. Becsei, T. Tarnoczi, P. Kamasa // J. Phys. Condens. Matter. – 1999. – Vol. 11. – P. 963–973. doi: 10.1088/0953-8984/11/4/004
  13. Structural characterization of electro-codeposited Ni–Al2O3–SiC nanocomposite coatings / M. Alizadeh, M. Mirak, E. Salahinejad, M. Ghaffari, R. Amini, A. Rossta // J. Alloys. Compd. – 2014. – Vol. 611. – P. 161–166. doi: 10.1016/j.jallcom.2014.04.181
  14. Li R., Hou Y., Liang J. Electro-codeposition of Ni–SiO2 nanocomposite coatings from deep eutectic solvent with improved corrosion resistance // Appl. Surf. Sci. – 2016. – Vol. 367. – P. 449–458. doi: 10.1016/j.apsusc.2016.01.241
  15. Effect of particle concentration on the structure and tribological properties of submicron particle SiC reinforced Ni metal matrix composite (MMC) coatings produced by electrodeposition / H. Gülb, F. Kılıc, M. Uysal, S. Aslan, A. Alp, H. Akbulut // Appl. Surf. Sci. – 2012 – Vol. 258. – P. 4260–4267. doi: 10.1016/j.apsusc.2011.12.069
  16. Casati R., Vedani M. Metal matrix composites reinforced by nano-particles // A review, Metals. – 2014. – Vol. 4. – P. 65–83. doi: 10.3390/met4010065
  17. Aliofkhazraei M. Development of electrodeposited multilayer coatings: A review of fabrication, microstructure, properties and applications // Applied Surface Science Advances. – 2021. – Vol. 6. – P. 100–141. doi: 10.1016/j.apsadv.2021.100141
  18. Frank C.W., Shuncai W., Nan Z. The electrodeposition of composite coatings: Diversity, applications and challenges // Current Opinion in Electrochemistry. – 2020. – Vol. 20. – P. 8–19. doi: 10.1016/j.coelec.2020.01.011
  19. Hwang B.J., Hwang J.R. Kinetic model of anodic oxidation of titanium in sulphuric acid // Journal of Applied Electrochemistry. – 1993. – Vol. 23. – P. 1056–1062. doi: 10.1007/BF00266129
  20. Huerta M.E., Pritzker M.D. EIS and statistical analysis of copper electrodeposition accounting for multi-component transport and reactions // Journal of Electroanalytical Chemistry. – 2006. – Vol. 594. – P. 118–132. doi: 10.1016/j.jelechem.2006.05.026
  21. Lee J., Talbot J.B. A model of electrocodeposition on a rotating cylinder electrode // Journal of The Electrochemical Society. – 2007. – Vol. 154. – P. 70–77. doi: 10.1149/1.2398819
  22. Eroglu D., West A.C. Mathematical modeling of Ni/SiC co-deposition in the presence of a cationic dispersant // Journal of the Electrochemical Society. – 2013. – Vol. 160. – P. 354–360. doi: 10.1149/2.052309jes
  23. Vakhrushev A.V. Computational multiscale modeling of multiphase nanosystems. Theory and applications. – Waretown, New Jersey, USA: Apple Academic Press, 2017. – 402 p. doi: 10.1201/9781315207445
  24. Vakhrushev A.V., Molchanov E.K. Hydrodynamic modeling of electrocodeposition on a rotating cylinder electrode // Key Engineering Materials. – 2015. – Vol. 654. – P. 29–33. doi: 10.4028/www.scientific.net/KEM.654.29
  25. Stojak J.L., Talbot J.B. Effect of particles on polarization during electrocodeposition using a roatatig cylinder electrode // Journal of Applied Electrochemistry. – 2001. – Vol. 31. – P. 559–564. doi: 10.1023/A:1017558430864
  26. Stojak J.L., Talbot J.B. Investigation of electrocodepo¬sition using a rotating cylinder electrode // Journal of The Electrochemical Society. – 1999. – Vol. 146. – P. 4504–4513. doi: 10.1149/1.1392665
  27. Wilcox D.C. Turbulence modeling for CFD. – Califor¬nia: DCW Industries, 1998. – 477 p. doi: 10.1017/S0022112095211388
  28. Abe K., Kondoh T., Nagano Y. A new turbulence model for predicting fluid flow and heat transfer in separating and reattaching flows I. Flow field calculations // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 1994. – Vol. 37. – P. 139–151. doi: 10.1016/0017-9310(94)90168-6
  29. Andereck C.D., Liu S.S., Swinney H.L. Flow regimes in a circular Couette system with independently rotating cylinders // Journal of Fluid Mechanics. – 1986. – Vol. 164. – P. 155–183. doi: 10.1017/S0022112086002513
  30. Alizadeh M., Safaei H. Characterization of Ni–Cu matrix, Al2O3 reinforced nano-composite coatings prepared by electrodeposition // Applied Surface Science. – 2018. – Vol. 456. – P. 195–203. doi: 10.1016/j.apsusc.2018.06.095
  31. Comparison of three artificial neural networks for predict the electrodeposition of nano-silver film / H. Gan, G. Liu, C. Shi, R. Tang, Y. Xiong, Y. Liu, H. Liu // Materials Today Communications. – 2021. – Vol. 26. – P. 101–110. doi: 10.1016/j.mtcomm.2020.101950
  32. Fathy A., Megahed A. Prediction of abrasive wear rate of in situ Cu–Al2O3 nanocomposite using artificial neural networks // Int J Adv Manuf Technol. – 2012. – Vol. 62. – P. 953–63. doi: 10.1007/s00170-011-3861

Statistics

Views

Abstract - 137

PDF (Russian) - 60

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2023 Molchanov E.K., Vakhrushev A.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies