Morphology and porosity of the surface of oxide coatings

Full Text

Алюминиевые сплавы широко применяются в аэрокосмической и других областях промышленности, что связано с их высокими удельными характеристиками. Однако существуют области, где применение этих сплавов ограничено из-за невысокой твердости, износо- и коррозионной стойкости. В связи с этим актуальной является задача повышения поверхностных характеристик алюминиевых сплавов. Перспективным методом осуществления этой задачи является микродуговое оксидирование (МДО) [1]. МДО-покрытия обладают высокой износостойкостью, коррозионной стойкостью, а также электроизоляционными и декоративными свойствами. В настоящее время широкое применение МДО ограничено недостаточными сведениями о влиянии технологических параметров на структуру и свойства оксидных покрытий. Данная работа посвящена изучению влияния технологических параметров процесса МДО на структуру и свойства покрытий [2-4]. Экспериментальные исследования по определению морфологии и пористости МДО-покрытий были проведены на алюминиевом сплаве АМг-6, который широко применяется в машиностроении при производстве летательных и космических аппаратов. Для изготовления образцов был использован листовой прокат толщиной 1 мм, из которого были изготовлены образцы размером 100*100 мм. Формирование покрытий производилось на установке ИАТ-Т в силикатно-щелочном электролите, содержащем КОН (4 г/л) и Na2SiO3 (10 г/л). В процессе обработки менялись следующие технологические параметры: - время обработки 30 и 60 мин; - плотность тока в диапазоне от 10 до 30 А/дм2; - соотношение катодной и анодной токовых составляющих (0,6-1,2). Исследования стехиометрии и фазового состава полученных покрытий описаны в работе [4], выявлено, что покрытия состоят из двух основных слоев: 1) внешнего очень пористого и непрочного слоя, содержащего муллит и различные химические комплексы, которые образуются за счет электрохимических реакций; 2) твердого слоя, примыкающего к металлу и содержащего преимущественно кристаллический оксид алюминия двух модификаций: а-А12Оз и у-А12Оз. Металлографический анализ поперечных шлифов выявил четкую границу раздела фаз верхнего пористого очень рыхлого слоя и глубже - плотного менее пористого твердого слоя (рис. 1). Важным параметром процесса МДО является соотношение катодной и анодной составляющих, которое наряду со временем обработки сильно влияет на толщину покрытия, пористость и шероховатость поверхности. Анализ морфологии поверхности проводился с помощью рентгеновского энергодисперсионного спектрометра ARL QUANT’X Thermo Fisher Scientific. На рис. 2 представлены микрофотографии морфологии поверхности полученных МДО-покрытий. На электронно-микроскопических изображениях видны поры, диаметр которых достигает 3-5 мкм. С увеличением соотношения катодной и анодной составляющих по току идет изменение структуры морфологии поверхности с уменьшением размера пор. Также наблюдаются внутренние поры, диаметр которых составляет 0,1-0,2 мкм. Поры могут иметь разнообразную форму (точечная, канальчатая пористость) и значительно отличаться по размерам. Пористость МДО-покрытий варьируется в интервале от 5 до 50 %, размеры пор колеблются от 0,01 до 10 мкм. Строение пор при толщине покрытия более 5-10 микрон сложное, разветвленное, с множеством ответвлений и замкнутых пространств. При необходимости пористость может быть понижена с помощью пропитки различными материалами либо с помощью нанесения слоя полимера (красителя). Наиболее часто применяется пропитка фторопластами и нанесение полимерных порошковых красок. Покрытия, не содержащие пор, получить невозможно, что обусловлено природой процесса. В ряде случаев пористость является положительным фактором. При работе покрытия на износ в условиях смазки, последняя входит в поры покрытия и обеспечивает постепенное поступление в зону трения. В медицине биоактивные МДО-покрытия могут содержать в порах лекарственные препараты [2]. Значительную площадь на поверхности занимают поры в виде кратера, которые образуются при воздействии локальных разрядов. Их микроструктура визуализируется с оплавленными краями (рис. 3). Быстрое затвердевание расплавленного оксида алюминия образует микротрещины и скопления частиц на разрядных каналах и вокруг них. Пора-кратер состоит из наружной стенки с центральным кратером, внутренней стенки и внутренней полости между ними. Большее количество альфа-фазы находится во внутренних слоях покрытия из-за низкой скорости охлаждения расплавленного оксида алюминия. При высокой скорости охлаждения формируется большое количество гамма-фазы оксида алюминия. * Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования Российской Федерации, государственный контракт № 02.G2531.0043. 145 Вестник СибГАУ. № 2(54). 2014 100 100 Рис. 1. Микрофотографии поперечного шлифа с МДО-покрытием: а - Ща = 0,6; б - Ща = 0,8; в - Ща = 0,1; г - Ща = 1,2 Рис. 2. Морфология поверхности образцов: а, б - тонкослойное МДО-покрытие 19 мкм; в, г - толстослойное МДО-покрытие 61 мкм б а в г б а в г 146 Технологические процессы и материалы ÏM3000_2234 2013-12-12 14:08 AL к1.0к 100um Рис. 3. Микрофотография поры-кратера Гидрооксид алюминия и бемит, образовавшиеся в начальный момент, при повышении температуры преобразовываются в одну из фаз оксида алюминия: A1OH3 ^ 450-750 °С ^ Y-A12O3 (1) AIOH3 ^ > 1100 °С ^ a-A12O3 (2) A100H ^ 450-750 °С ^ y-A12O3 (3) A100H ^ > 1100 °С ^ a-A12O3 (4) Основными химическими элементами, присутствующими в МДО-покрытии, является A1, O, Si. Наиболее вероятными соединениями и фазами на поверхности обработанного с помощью МДО алюминия в силикатно-щелочном электролите являются фазы оксида алюминия, фазы кремнезема, фазы алюмосиликата [2]. Вблизи кратера наблюдается повышенное содержание оксида алюминия, при удалении от кратера содержание оксида алюминия снижается, в то время как содержание оксида кремния увеличивается. Определение общей пористости проводили с помощью программы Siams 700, для чего с кадров микрофотографий морфологии поверхности полученных образцов при увеличении *200 производили визуальный подсчет пор-кратеров методом выделения каждой области темного цвета на фоне общей светлой площади образца. Результаты определения количества и размеров пор представлены в таблице. Результаты измерения пористости МДО-покрытий Параметры Толщина покрытия, мкм 17 19 28 37 61 Число пор на 1 см2 5,013105 2,016 • 105 1,941105 0,985-105 0,893 105 Площадь: минимальное значение, мкм2 0,56 9,20 0,44 0,43 0,88 максимальное значение, мкм2 62,01 395,07 9,67 75,18 221,63 среднее значение, мкм2 8,22 30,41 2,30 7,32 8,21 СКО, мкм2 8,83 24,76 1,34 12,02 13,28 Медиана, мкм2 4,80 24,09 1,76 2,61 4,84 Размах, мкм2 6,59 14,61 0,98 4,19 4,24 Распределение пор по размеру представлено на рис. 4. Число пор в тонкослойных покрытиях высокое и достигает 5,013 105 на 1 см2. Из них примерно 98 % составляют поры с минимальной площадью S = 0,56 мкм2 и примерно 1-2 % занимают поры с площадью до S = 395 мкм2. В толстослойных покрытиях количество пор снижается и составляет 0,893 • 105 на 1 см2. Поры с максимальной площадью S = 221,63 мкм2 занимают примерно 96 %, и 3-4 % занимают поры с площадью до S = 0,88 мкм2. 20 - 15 - 5 - О 1 2 3 4 ^ 5 ^ 6 ' 7 ' 8 ' 9 1(5 а - тонкослойные МДО-покрытия; б - толстослойные МДО-покрытия Зависимость количества пор от толщины покрытия представлена на рис. 5 . а, 3000 в о 1- 1Û 20 *0 40 SO £0 70 A Рис. 5. Зависимость количества пор образцов с МДО-покрытием от толщины покрытия 147 Вестник СибГАУ. № 2(54). 2014 По результатам расчетов среднего значения пор наблюдается тенденция к снижению количества пор с ростом толщины покрытия. Исследования показали, что характер пористости оксидного покрытия зависит от толщины, а следовательно, от технологических режимов обработки. Установлено, что минимальная пористость покрытий получена при следующих режимах: плотность тока -15 А/дм2, напряжение до 520 В, Ща = 0,8 и время обработки - 60 мин. Объясняется это тем, что осаждение оксида происходит и внутри пор, что приводит к уменьшению их диаметра и постепенному зарастанию. Процесс зарастания пор ведет к снижению значения объёмной пористости до 8-10 %.

About the authors

Tatiana Vladimirovna Trushkina

Siberian State Aerospace University named after academician M.F. Reshetnev

Email: Tatyana.si@mail.ru
postgraduate student

Anatolii Egorovich Miheev

Siberian State Aerospace University named after academician M.F. Reshetnev

Email: michla@mail.ru
Doctor of engineering sciences, Professor, head of the Department of Flying vehicles

Aleksei Vasil’evich Girn

Siberian State Aerospace University named after academician M.F. Reshetnev

Email: girn007@gmail.com
Candidate of Engineering Science, associate professor, associate professor of the Department of flying vehicles

Roman Viktorovich Alykretsky

Siberian State Aerospace University named after academician M.F. Reshetnev

Email: ankain-romario@yandex.ru
a student

Drar’ya Vladimirovna Ravodina

Siberian State Aerospace University named after academician M.F. Reshetnev

postgraduate student

References

Supplementary files