Коррозионная стойкость МДО-покрытий на титановых сплавах


Цитировать

Полный текст

Аннотация

Одним из перспективных материалов, применяемых в различных областях техники, является титан и его сплавы. Это объясняется благоприятным сочетанием его физико-химических свойств и повышенной коррозионной стойкостью в атмосферных условиях. Однако в ряде агрессивных сред, особенно в присутствии абразивного износа, титан и его сплавы подвержены коррозионному разрушению. Гальванический метод, применяемый в настоящее время для повышения коррозионной стойкости металлов, имеет ряд недостатков: низкая экологическая безопасность процесса, связанная с агрессивностью применяемых электролитов; необходимость проведения дополнительных операций промывки, обезжиривания, травления; строгое выдерживание температурного режима в процессе обработки. Получаемые покрытия гальваническим методом не удовлетворяют требованиям по коррозионной стойкости в агрессивных средах, особенно в присутствии абразивного износа. Предложен способ повышения коррозионной стойкости титана и его сплавов в агрессивных средах, особенно в присутствии абразивного износа, с помощью нанесения на поверхность металла защитного слоя микродуговым оксидированием. Были проведены исследования морфологии, химического состава и толщины покрытий. Данные исследования показали, что в МДО-покрытии образуется не только фаза у-ТЮ 2, но и фаза a-TiO 2, которая вносит основной вклад в упрочнение слоя. Упрочнение металлов при микродуговом оксидировании происходит за счет образования на их поверхности покрытия, которое состоит из оксида титана и оксидов химических элементов, входящих в состав электролита. Проведенные ускоренные лабораторные испытания коррозионной стойкости покрытий показали, что МДО-покрытия имеют более высокую коррозионную стойкость по сравнению с покрытиями, нанесенными гальваническим анодированием. Наибольшую коррозионную стойкость имеют образцы, обработанные в силикатно-щелочном электролите. Определены технологические режимы для нанесения коррозионно-стойкого покрытия на титане и его сплавах.

Полный текст

Таблица 1 Толщина покрытия Состав электролита Толщина покрытия 30 г/л KOH + 50 г/л Na2SiO3 12 мкм 60 г/л Na2HPO4 50 мкм 15 г/л Na3PO4 30 мкм Введение. Одним из перспективных материалов, применяемых в различных областях техники, является титан и его сплавы. Это объясняется благоприятным сочетанием его физико-химических свойств и повышенной коррозионной стойкостью в атмосферных условиях. Однако в ряде агрессивных сред, особенно в присутствии абразивного износа, титан и его сплавы подвержены коррозионному разрушению. Коррозионная стойкость титана обусловливается наличием на его поверхности естественной оксидной пленки. Однако она имеет небольшую толщину и быстро разрушается под действием абразивного износа [1-4]. В настоящее время распространенным методом повышения коррозионной стойкости металлов является гальваническое анодирование. К недостаткам гальванического метода можно отнести низкую экологическую безопасность процесса, связанную с агрессивностью применяемых электролитов, необходимость проведения дополнительных операций промывки, обезжиривания, травления, строгое выдерживание температурного режима в процессе обработки. Получаемые гальваническим методом покрытия на титане не удовлетворяют требованиям по коррозионной стойкости в агрессивных средах, особенно в присутствии абразивного износа. Перспективным способом повышения коррозионной стойкости титановых сплавов является метод микродугового оксидирования (МДО), который позволяет получать многофункциональные, керамикоподобные покрытия толщиной более 100 мкм [3-7]. В процессе формирования МДО-покрытия большую роль играют плазмохимические и термические процессы, в результате которых на поверхности образуются сложные химические соединения. МДО-покрытия формируются за счет возникновения микродуговых разрядов в электролите при повышенных значениях напряжения и плотности тока, что способствует образованию в покрытии не только фазы у-ТЮ2, но и фазы a-TiO2, которая вносит основной вклад в упрочнение слоя. Кроме оксидов титана в покрытии образуются оксиды химических элементов, входящих в состав электролита [8-23]. По данной тематике содержится недостаточное количество информации, позволяющей полностью раскрыть механизм влияния технологических режимов процесса МДО на коррозионную стойкость титановых сплавов. Поэтому исследования в данном направлении являются актуальными. Экспериментальная часть. Для проведения экспериментальных исследований были изготовлены образцы из титанового сплава ВТ1-0 толщиной 2 мм, размером 55^15 мм. Формирование покрытий проводили в трех электролитах (№ 1 - 30 г/л KOH + 50 г/л Na2SiO3; № 2 - 60 г/л Na2HPO4; № 3 - 15 г/л Na3PO4) на следующих режимах МДО: плотность тока 30...75 А/дм2; продолжительность оксидирования 10 мин; соотношение катодной и анодной составляющей силы тока /к//а от 0,6 до 1,2; напряжение составило 340-480 В; температура электролита 15.40 °С. На образцах были проведены исследования морфологии, химического состава, толщины (табл. 1) и коррозионной стойкости покрытия. При повышении плотности тока толщина покрытия увеличивается. Но при превышении его более 45 А/дм2 рост толщины покрытия прекращается, и при дальнейшем его увеличении покрытие начинает разрушаться. Создание покрытия проходит в два этапа: 1 этап - создание керамического слоя; 2 этап - химическое растворение (травление слоя). На начальном этапе процесса МДО происходит быстрый рост покрытия за счет окисления основного металла в результате действия микроразрядов. С увеличением толщины слоя требуется больше энергии для прохождения и образования микроразрядов, поэтому активность процесса МДО снижается, что приводит к замедлению роста керамического слоя. Дальнейшие исследования были проведены на образцах, обработанных в трех электролитах (№ 1 - 30 г/л KOH + 50 г/л Na2SiO3; № 2 - 60 г/л Na2HPO4; № 3 - 15 г/л Na3PO4) при следующих режимах МДО: плотность тока 40 А/дм2; продолжительность оксидирования 10 мин; соотношение катодной и анодной составляющей силы тока IvJIa 1,2; напряжение 340-480 В; температура электролита 15.40 °С. Анализ химического состава и морфологии МДО- покрытий проводили с использованием рентгеновского энергодисперсионного спектрометра ARL QUANT’X Thermo Fisher Scientific. На рис. 1 представлены микрофотографии морфологии поверхности полученных МДО-покрытий. На рис. 2-4 представлены результаты анализа химического состава полученных покрытий. Исследования показали, что характер поверхности, рельеф, пористость (точечная, поры-кратеры) зависит от применяемого электролита. По результатам стехиометрического анализа следует, что в покрытии преимущественно образуется оксид титана TiO2, а также оксиды элементов, входящих в состав электролита, небольшое содержание оксида фосфора либо оксида кремния, который сконцентрирован больше всего на внутреннем склоне кратера. Это можно объяснить тем, что при ослаблении разряда температура расплавленного оксида титана уменьшается, а скорость охлаждения увеличивается. Следовательно, вблизи кратера наблюдается повышенное содержание оксида титана, при удалении от кратера содержание оксида титана снижается, в то время как содержание оксида кремния и фосфора увеличивается. Коррозионную стойкость оценивали проведением ускоренных лабораторных испытаний. Сущность метода заключается в выдержке образцов с нанесенными покрытиями в сосуде с «царской водкой» состава 35 % HNO3 + 65 % HCl. Сосуд был помещен в печь для поддержания температуры 85 °С на 1 сутки. После выдержки образцы были вынуты из сосуда, промыты, с них были удалены остатки коррозии. После удаления продуктов коррозии образцы были высушены. Для определения скорости коррозии образцы были взвешены до и после выдержки в агрессивной среде и определена потеря массы образцов: Am = m0 - mk, где m0 - масса образца до коррозионных испытаний; mk - масса образца после коррозионных испытаний. Также был проведен внешний осмотр образцов с целью выявления характера и определения площади коррозионного разрушения. После этого были определены коррозионные потери: K = Am/S, где S - площадь поверхности, подверженная коррозии. Результаты весового метода определения коррозионной стойкости покрытий представлены в табл. 2. Электролит № 1 Электролит № 2 Электролит № 3 Рис. 1. Микрофотографии морфологии поверхности полученных покрытий TM300CL5998 2014-06-10 11:23 А х200 500 urn Рис. 2. Химический состав покрытия на образце ВТ 1-0 в электролите № 1 а Рис. 3. Химический состав покрытия на образце ВТ1-0 в электролите № 2: а - на кратере; б - вдали от кратера б Рис. 4. Химический состав покрытия на образце ВТ 1-0 в электролите № 3: а - в поре; б - вдали от поры (начало) а Рис. 4. (окончание) б Коэффициенты коррозионной стойкости покрытий Таблица 2 № обр. Электролит Сплав m0, г mh г Дт, г Дт, % Г-10-5, г/см2-сутки 1 KOH+Na2SiO3 ВТ1-0 6,22 6,196 0,024 0,38 1,45 2 Na2HPO4 ВТ1-0 5,949 5,866 0,083 1,39 5,03 3 Na3PO4 ВТ1-0 5,792 5,754 0,038 0,65 2,3 Весовой метод и визуальный осмотр выявили, что высокой коррозионной стойкостью обладает покрытие на образце № 1, а образцы, обработанные в электролитах № 2 и № 3, подверглись сильному коррозионному разрушению. Таким образом, образцы, обработанные в силикатно-щелочном электролите, обладают высокой коррозионной стойкостью в агрессивной среде. Заключение. В результате проведённых исследований установлено, что для получения коррозионностойких покрытий процесс МДО целесообразнее вести в силикатно-щелочном электролите состава KOH + + Na2SiO3 при плотности тока 40 А/дм2, соотношении Ік/Ia = 1,2 и времени обработки 10 мин. На образцах, обработанных в данном режиме, наблюдается фаза а- TiO2, которая вносит основной вклад в упрочнение слоя и повышает износостойкость покрытия.
×

Об авторах

Дарья Владимировна Раводина

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Email: Dashaorlova12@yandex.ru
аспирант Российская Федерация, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Татьяна Владимировна Трушкина

ОАО «Красноярский машиностроительный завод»

Email: Tatyana.si@mail.ru
ведущий инженер Российская Федерация, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 29

Анатолий Егорович Михеев

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Email: michla@mail.ru
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой летательных аппаратов Российская Федерация, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Алексей Васильевич Гирн

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Email: girn007@gmail.com
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры летательных аппаратов Российская Федерация, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Игорь Иванович Хоменко

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Email: khomenko.igor.iv@gmail.com
инженер Российская Федерация, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Список литературы

  1. Томашов Н. Д., Чернова Г. П. Пассивность и защита металлов от коррозии. М. : Наука, 1965. 208 с.
  2. Воробьева Г. Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств. 2-е изд., доп. и перераб. М. : Химия, 1975. 816 с.
  3. Микродуговое оксидирование (теория, технология, оборудование) / И. В. Суминов [и др.]. М. : ЭКОМЕТ, 2005. 368 с. : ил.
  4. Гордиенко П. С., Гнеденков С. В. Микродуговое оксидирование титана и его сплавов. Владивосток : Дальнаука, 1997. 185 с.
  5. Технологические возможности микродугового оксидирования алюминиевых сплавов / Н. А. Терехин [и др.] // Вестник машиностроения. 2003. № 2. С. 56-63.
  6. Влияние технологических параметров микродугового оксидирования на коррозионную стойкость покрытий / А. В. Гирн [и др.] // Миасс. Механика и процессы управления : материалы XXXXI Всерос. симпозиума. Т. 3. М. : РАН, 2011. С. 168-173.
  7. Трушкина Т. В., Гирн А. В. Коррозионная стойкость МДО-покрытий в агрессивных средах // Вестник СибГАУ. 2014. Вып. 1(53). С. 179-184.
  8. Голенкова А. А., Ивасев С. С., Овсянников М. А. Анализ эффективности технологии для формирования износостойких покрытий на алюминиевых сплавах микродуговым способом // Вестник СибГАУ. 2007. Вып. 1 (14). С.108-111.
  9. Влияние технологических параметров на элементный состав МДО-покрытий на алюминиевых и титановых сплавах / А. В. Гирн [и др.] // Вестник СибГАУ. 2012. Вып. 4 (44). С. 168-171.
  10. Кузнецов Ю. А., Кулаков К. В., Гончаренко В. В. Особенности выбора электролита для получения толстослойных керамических покрытий. URL: http:// science-bsea.narod.ru/2011/mashin_2011_14/kuznecov_ texno.htm.
  11. Николаев А. В., Марков Г. А., Пищевичний Б. Н. Новое явление в электролизе // Изв. СО АН СССР. Сер. Хим. науки. 1977. Вып. 5. С. 32-33.
  12. Пат. 1783004 Российская Федерация, МКИ5 С 25 D 11/02. Способ микродугового оксидирования вентильных металлов и их сплавов / Руднев В. С., Гордиенко П. С., Курносова А. Г., Орлова Т. И. Заявл. 17.10.89 ; опубл. 23.12.92, Бюл. № 47.
  13. Пат. 2096534 Российская Федерация, МПК6 C 25 D 11/02, C 25 D 11/14. Способ получения оптически черных защитных покрытий на вентильных металлах / Яровая Т. П., Гордиенко П. С., Руднев В. С., Недозоров П. М. № 96114575/02 ; заявл. 18.07.1996 ; опубл. 15.03.1998.
  14. Пат. 2061107 Российская Федерация, МПК6 C 25 D 11/06. Способ микродугового получения защитных пленок на поверхности металлов и их сплавов / Руднев В. С., Гордиенко П. С., Курносова А. Г., Орлова Т. И. № 5004969/02 ; заявл. 17.07.91 ; опубл. 27.05.96.
  15. Пат. 2046156 Российская Федерация, МПК6 C 25 D 11/04. Электролит для формирования покрытий на вентильных металлах / Гордиенко П. С., Гнеденко С. В., Хрисанфова О. А., Вострикова Н. Г., Ковряков А. Н. № 5043332/26 ; заявл. 21.05.92 ; опубл. 20.10.95.
  16. Пат. 1156409 Российская Федерация, МПК6 C 25 D 11/26. Электролит для анодирования титана и его сплавов / Гордиенко П. С., Хрисанфова О. А., Нуждаев В. А., Звачайный В. П. № 3653463/02 ; заявл. 01.08.83 ; опубл. 10.06.96.
  17. Бутягин П. И., Хохряков Е. В., Мамаев А. И. Влияние состава электролита на износостойкость МДО-покрытий // Технология металлов. 2005. № 1. С. 36-40.
  18. Жуков С. В. Исследование процессов и разработка технологии формирования многофункциональных покрытий МДО на титановых сплавах в приборостроении : автореф. дис.. к-та техн. наук. М. : МАТИ : Российский государственный технологический университет им. К. Э. Циолковского, 2009.
  19. Нечаев Г. Г. Микродуговое оксидирование титановых сплавов в щелочных электролитах // Конденсированные среды и межфазные границы. 2012. Т. 14, № 4. С. 453-455.
  20. Мамаев А. И., Мамаева В. А. Сильнотоковые микроплазменные процессы в растворах электролитов Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2005. 255 с.
  21. Формирование покрытий на вентильных металлах и сплавах в электролитах с емкостным регулированием энергии при микродуговом оксидировании / П. С. Гордиенко [и др.] // Защита металлов. 2006. Т. 42, № 5.
  22. Формирование наноструктурных неметаллических неорганических покрытий путем локализации высокоэнергетических потоков на границе раздела фаз / А. И. Мамаев [и др.]. Томск : Изд-во Том. ун-та, 2010. 360 c.
  23. Гордиенко П. С. Образование покрытий на аноднополяризованных электродах в водных электролитах при потенциалах искрения и пробоя Владивосток : Дальнаука, 1996. 216 с.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Раводина Д.В., Трушкина Т.В., Михеев А.Е., Гирн А.В., Хоменко И.И., 2014

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах