Учёные России и Израиля получили макроэффект от использования наночастиц при создании многофункциональных покрытий для защиты от коррозии и износа алюминиевых сплавов.
Плазменно-электролитическое оксидирование (ПЭО) представляет собой обработку в электролите сплавов на основе алюминия, магния и титана, как правило, под действием переменного тока. Технологию отличают высокая экологичность и простота организации процесса. ПЭО позволяет многократно улучшать свойства поверхности изделий, формируя керамический оксидный слой, эффективно защищающий от износа и коррозии. Из-за сочетания хороших механических свойств в объеме изделия и малой плотности алюминиевые и магниевые сплавы широко используют в машиностроении, а также в судостроении.
Однако их поверхность для многих задач оказывается недостаточно износо- и коррозионностойкой. ПЭО позволяет решить большой круг задач по обеспечению необходимых свойств поверхности, но часто требуются еще более высокие свойства для работы изделий в агрессивных средах и в экстремальных условиях изнашивания. Также остается проблемой невысокая производительность ПЭО.
Группа ученых Тольяттинского государственного университета (ТГУ) под руководством доктора физико-математических наук, профессора Михаила Криштала при участии ведущего научного сотрудника Израильского политехнического института (Техниона) физика-теоретика Александра Кацмана модифицировала технологию плазменно-электролитического оксидирования, добавив в электролит твердые частицы карбида титана TiC со средним размером 80 нанометров.
Добавка на литр электролита всего полграмма наночастиц TiC повысила в 1,4 раза твердость, в 3 раза износостойкость и в 10 раз коррозионную стойкость оксидного слоя, сформированного ПЭО на литейном алюминиево-кремниевом сплаве АК7, который широко применяется в промышленности.
Несмотря на кажущуюся простоту метода ПЭО, до сих пор никому не удалось непротиворечиво объяснить и математически описать само явление ПЭО, а тем более объяснить влияние на этот процесс наночастиц, вводимых в электролит. Остаются многие нерешенные вопросы, а вариации режимов оксидирования открывают новые далеко не очевидные эффекты и ставят новые вопросы.
«При ПЭО формирование оксидного слоя происходит в основном за счет плавления и интенсивного окисления жидкого металла. Расплавляющие металл микродуговые разряды возникают в микроскопических каналах, которые пронизывают оксидный слой», – отметил профессор Криштал. – «Перед этим в микроканалах образуются парогазовые пузыри. Мы полагаем, что твердые наночастицы, неся на себе отрицательный электрический заряд, попадают в эти пузыри и ускоряются электрическим полем до таких скоростей, что, как пули или метеориты, с легкостью внедряются в стенки и дно микроканала. За счет трения и разогрева при ударе они теряют электроны и приобретают положительный заряд. Всё это приводит к искрению на внедренных в слой наночастицах, вызывая снижение напряжения инициации микродуги. Поэтому микроскопические электрические дуги горят дольше, а самих таких микроразрядов становится больше. Именно этим объясняется то, что за равное время при добавке наночастиц в электролит окисляется больший объем металла, а сам процесс становится более равномерным. Соответственно, в слое формируется больше равновесных и твердых составляющих, слой становится более однородным, плотным и твердым, а его защитные свойства от износа и коррозии растут».
Исследования выполнены при поддержке Российского научного фонда.
По сообщению пресс-службы ТГУ