ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ МДО-ПОКРЫТИЙ, СФОРМИРОВАННЫХ НА АЛЮМИНИЕВОМ СПЛАВЕ СИСТЕМЫ AL-MG-SC

Полный текст

Введение. Предприятия оборонно-промышленного комплекса (ОПК) при изготовлении ракетно-космической техники (РКТ) в течение длительного времени применяют алюминиевый сплав АМг6 системы Al-Mg в связи с тем, что он обладает высокими удельными характеристиками. Лабораторные эксперименты, проведенные группой исследователей под руководством М. Е. Дрица, установили, что добавление десятых долей процента скандия приводит к существенному повышению прочностных свойств алюминиевого сплава без ущерба для остальных эксплуатационных характеристик. Разработанный в 70-х годах прошлого столетия алюминиевый сплав с присадкой скандия получил название 01570 и содержит в своем химическом составе: 5,8-6,8 % Mg, 0,3-0,5 % Sc, 0,1-0,25 % Mn, 0,05-0,15 % Zr, а также добавки других элементов [1-3]. Алюминиевый сплав 01570 имеет высокие прочностные характеристики (370-390 МПа). При всех положительных свойствах данного сплава его стойкость к коррозии остается невысокой при условиях эксплуатации в агрессивных средах, что влияет на снижение физико-механических характеристик поверхности. Существует возможность решить данную задачу, повысив эксплуатационные свойства данного сплава, например, обработкой поверхности микродуговым оксидированием (МДО). Микродуговое оксидирование - процесс формирования покрытий в высоковольтном режиме на поверхности металлов, находящихся в электролите. МДО представляет собой упрочняющую обработку материалов, в процессе которой совмещаются плазменный и электрохимический механизмы формирования оксидного слоя. Микродуговое оксидирование - это технология получения оксидного покрытия с уникальным комплексом физико-механических свойств и высокой коррозионной стойкостью в агрессивных средах [4-6]. Экспериментальная часть. Экспериментальные исследования были проведены на образцах из алюминиевого сплава 01570. Формирование покрытий производилось на установке ИАТ-Т в силикатно-щелочном электролите, наиболее широко применяемом при МДО [7-14]. В процессе обработки менялись следующие технологические параметры: соотношение катодной и анодной составляющих тока в пределах от 0,8 до 1,2 при фиксированной величине плотности тока I = 40 А/дм2 в течение 15 мин. Технологические режимы обработки выбраны на основании результатов ранее проведенных работ [15-19]. Исследования толщины формируемого слоя и морфологии, количественный анализ химических соединений, присутствующих в покрытии, проводились методами оптической и электронной микроскопии. По результатам исследования характера морфологии формируемых покрытий можно судить о пористости, от которой зависит их коррозионная стойкость в агрессивных средах. Чем ниже пористость, тем меньше вероятность проникновения среды в глубинные слои покрытия и его последующего разрушения. На рис. 1 представлены результаты исследования толщины покрытий, полученных при разных соотношениях катодной и анодной составляющих тока. На графике отображено изменение толщины оксидного слоя с увеличением соотношения катодной и анодной составляющей тока. Толщина МДО-покрытий увеличивается последовательно. Толщина оксидного слоя на сплаве 01570 сравнительно ниже, чем на сплаве АМг6 (которая при аналогичных режимах обработки достигает 120 мкм), предположительно за счет присутствия в составе легирующей присадки скандия, которая обусловливает прочностные свойства сплава. Микрофотографии морфологии покрытий представлены на рис. 2. Исходя из полученных данных, следует, что при увеличении соотношения катодной и анодной составляющих тока морфология изменяет свою структуру: от множественных пор различной формы до разрастающихся безпористых участков. Общее количество пор уменьшается, визуализируется более однородная, сглаженная поверхность. Такая тенденция к изменению морфологии прослеживается на всех образцах. Прочностные характеристики МДО-покрытия обусловлены образованием оксида алюминия, который находится в двух аллотропических модификациях α-Al2O3, γ-Al2O3 [20]. В данной работе проведен количественный анализ состава покрытий, сформированных на рассматриваемом сплаве. На рис. 3 представлены результаты исследования качественного и количественного анализа состава покрытий. Полученные результаты показывают количественное содержание оксидов на поверхности образца в различных спектральных зонах. В плотных бездефектных местах содержание оксида алюминия возрастает, на участках со сложной рельефной структурой преобладают алюмосиликаты и поверхностные комплексы, образовавшиеся из состава электролита. При МДО с увеличением соотношения катодной и анодной составляющих тока происходят изменения в химическом составе, содержание алюмосиликатов снижается, а оксида алюминия - повышается. В покрытии, сформированном на сплаве 01570, содержание оксида алюминия достигает до 80 % при следующих режимах обработки: Ik/Ia = 1,2, I = 40 А/дм2. Рис. 1. Зависимость толщины МДО-покрытий, сформированных в силикатно-щелочном электролите, от соотношения катодной и анодной составляющей тока при I = 40 А/дм2 Рис. 2. Морфология МДО-покрытий, сформированных на алюминиевом сплаве 01570 при различных соотношениях катодной и анодной составляющих тока (Ik/Ia - от 0,8 до1,2 при I = 40 А/дм2): а - Ik/Ia = 0,8; б - Ik/Ia = 1; в - Ik/Ia = 1,2 Спектр O Na Mg Al Si K Спектр 1 50,72 0,86 1,40 16,69 27,67 2,66 Спектр 2 50,30 2,29 34,88 11,81 0,72 Спектр 3 51,13 1,55 0,66 6,83 34,53 5,29 Спектр 4 48,72 2,43 41,51 7,34 Спектр 5 47,55 0,74 0,36 2,81 42,53 6,03 Спектр O Na Mg Al Si K Спектр 1 53,82 1,21 1,04 12,28 27,96 3,70 Спектр 2 54,06 1,29 0,73 11,24 29,11 3,57 Спектр 3 51,86 0,74 2,07 27,67 16,26 1,40 Спектр 4 51,58 1,04 0,99 13,66 29,91 2,81 Спектр 5 44,98 0,52 2,23 37,87 12,92 1,47 Спектр O Na Mg Al Si K Спектр 1 50,31 0,59 1,69 19,83 25,17 2,42 Спектр 2 46,52 0,16 2,03 35,67 15,10 0,52 Спектр 3 50,53 0,69 1,83 19,15 25,46 2,34 Спектр 4 50,71 2,61 39,81 6,70 0,17 Спектр 5 53,82 1,28 0,36 2,84 37,14 4,55 Рис. 3. Микрофотографии поверхности (при ×500) с обозначением спектральных зон на образцах, сформированных при различных соотношениях катодной и анодной составляющих тока: а - Ik/Ia = 0,8 при I = 40 А/дм2; б - Ik/Ia = 1 при I = 40 А/дм2; в - Ik/Ia = 1,2 при I = 40 А/дм2 Так как покрытия, сформированные микродуговым оксидированием, имеют слоистую структуру и поверхностный слой, как правило, содержит муллит, в случае высоких требований к прочностным характеристикам покрытия возможно проведение финишной механической обработки поверхности для снятия рыхлого технологического слоя. На рис. 4 представлены результаты исследования морфологии и количественный анализ состава покрытий, полученных с различными соотношениями катодной и анодной составляющих тока после механической обработки поверхностного слоя. При проведении механической обработки с поверхности удаляются алюмосиликаты и химические комплексы, образовавшиеся из состава электролита, за счет этого процентное содержание оксида алюминия в покрытии повышается. Поверхность образцов имеет преобладающие участки с беспористой структурой, ровной и гладкой. Заключение. В данной работе проведены первичные исследования свойств покрытий, сформированных на алюминиевом сплаве 01570 микродуговым оксидированием. На данной стадии установлено, что покрытия имеют схожую морфологию с покрытиями, полученными ранее на сплаве АМг6. По результатам электронной микроскопии следует, что покрытия имеют в своем составе оксид алюминия, содержание которого возрастает до 80 % при увеличении соотношения катодной и анодной составляющих тока Ik/Ia от 0,8 до 1,2. Данные результаты показывают о целесообразности дальнейших исследований свойств покрытий, полученных микродуговой обработкой сплава 01570 для повышения физико-механических свойств, коррозионной стойкости и других характеристик. Спектр O Mg Al Si K Спектр 1 56,58 1,66 17,70 22,69 1,37 Спектр 2 54,68 2,01 28,14 14,54 0,63 Спектр 3 62,26 2,00 30,74 5,00 Спектр 4 48,43 0,80 8,15 41,44 1,17 Спектр 5 44,46 2,44 29,07 22,54 1,49 Спектр O Na Mg Al Si K Fe Спектр 1 48,98 0,90 2,06 23,64 20,75 3,67 Спектр 2 41,35 1,54 35,13 17,90 4,07 Спектр 3 40,39 1,90 36,06 20,92 0,73 Спектр 4 47,47 2,24 32,74 9,40 8,14 Спектр 5 48,74 0,97 1,81 22,89 21,43 4,15 Спектр O Na Mg Al Si K Спектр 1 46,35 0,78 1,63 21,48 27,26 2,49 Спектр 2 41,88 0,30 3,04 47,27 6,95 0,57 Спектр 3 21,24 0,46 1,10 19,45 55,34 2,41 Спектр 4 50,41 1,13 1,51 9,43 34,07 3,45 Рис. 4. Микрофотографии поверхности (при ×500) после механической обработки с обозначением спектральных зон на образцах, сформированных при различных соотношениях катодной и анодной составляющих тока: а - Ik/Ia = 0,8 при I = 40 А/дм2; б - Ik/Ia = 1 при I = 40 А/дм2; в - Ik/Ia = 1,2 при I = 40 А/дм2

Об авторах

Т. В. Трушкина

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Email: Tatyana.si@mail.ru
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

А. Е. Михеев

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Д. В. Раводина

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

А. В. Гирн

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Список литературы

Дополнительные файлы