Corrosion resistance MAO coatings on titanium alloy
- Авторлар: Ravodina D.V.1, Trushkina T.V.2, Miheev A.E.1, Girn A.V.1, Khomenko I.I.1
-
Мекемелер:
- Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev
- JSC “Krasnoyarsk Machine Building Plant”
- Шығарылым: Том 15, № 5 (2014)
- Беттер: 180-186
- Бөлім: Articles
- ##submission.datePublished##: 15.10.2014
- URL: https://journals.eco-vector.com/2712-8970/article/view/504144
- ID: 504144
Дәйексөз келтіру
Толық мәтін
Аннотация
Негізгі сөздер
Толық мәтін
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.Авторлар туралы
Daria Ravodina
Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev
Email: Dashaorlova12@yandex.ru
postgraduate student 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation
Tatiana Trushkina
JSC “Krasnoyarsk Machine Building Plant”
Email: Tatyana.si@mail.ru
postgraduate student 29, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation
Anatolii Miheev
Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev
Email: michla@mail.ru
Dr. Sc., Professor, head of Flying vehicles department 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation
Aleksei Girn
Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev
Email: girn007@gmail.com
Cand. Sc., Docent, Docent of Flying vehicles department 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation
Igor Khomenko
Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev
Email: khomenko.igor.iv@gmail.com
engineer 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation
Әдебиет тізімі
- Томашов Н. Д., Чернова Г. П. Пассивность и защита металлов от коррозии. М. : Наука, 1965. 208 с.
- Воробьева Г. Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств. 2-е изд., доп. и перераб. М. : Химия, 1975. 816 с.
- Микродуговое оксидирование (теория, технология, оборудование) / И. В. Суминов [и др.]. М. : ЭКОМЕТ, 2005. 368 с. : ил.
- Гордиенко П. С., Гнеденков С. В. Микродуговое оксидирование титана и его сплавов. Владивосток : Дальнаука, 1997. 185 с.
- Технологические возможности микродугового оксидирования алюминиевых сплавов / Н. А. Терехин [и др.] // Вестник машиностроения. 2003. № 2. С. 56-63.
- 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.
- Трушкина Т. В., Гирн А. В. Коррозионная стойкость МДО-покрытий в агрессивных средах // Вестник СибГАУ. 2014. Вып. 1(53). С. 179-184.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Бутягин П. И., Хохряков Е. В., Мамаев А. И. Влияние состава электролита на износостойкость МДО-покрытий // Технология металлов. 2005. № 1. С. 36-40.
- 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.
- Нечаев Г. Г. Микродуговое оксидирование титановых сплавов в щелочных электролитах // Конденсированные среды и межфазные границы. 2012. Т. 14, № 4. С. 453-455.
- Мамаев А. И., Мамаева В. А. Сильнотоковые микроплазменные процессы в растворах электролитов Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2005. 255 с.
- 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.
- 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.
- Гордиенко П. С. Образование покрытий на аноднополяризованных электродах в водных электролитах при потенциалах искрения и пробоя Владивосток : Дальнаука, 1996. 216 с.
Қосымша файлдар
