Дослідження можливостей фазово-структурної інженерії покриттів на сплаві Д16 при мікродуговом оксидуванні в електролітах різних типів

Автор(и)

  • Valeria Subbotinа Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002, Україна https://orcid.org/0000-0002-3882-0368
  • Oleg Sоbоl Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002, Україна https://orcid.org/0000-0002-4497-4419
  • Valery Belozerov Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002, Україна https://orcid.org/0000-0002-7623-3658
  • Alexander Subbotin Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002, Україна https://orcid.org/0000-0002-9422-4480
  • Yuliya Smyrnova Харківський Національний університет міського господарства імені О. М. Бекетова вул. Маршала Бажанова, 17, м. Харків, Україна, 61002, Україна https://orcid.org/0000-0002-1927-2714

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.209722

Ключові слова:

структурна інженерія, мікродугове оксидування, сплав Д16, тип електроліту, кінетика росту, фазовий склад

Анотація

Досліджено вплив умов електролізу з різними складами електроліту на кінетику росту, фазово-структурний стан і твердість покриттів, отриманих мікродуговим оксидуванням (МДО) на алюмінієвому сплаві Д16 (основа – алюміній, основна домішка Cu). Аналіз отриманих результатів показав, що вибір типу електроліту і умов протікання МДО-процесу дозволяє в широких межах змінювати кінетику росту і фазово-структурний стан покриття на алюмінієвому сплаві Д16. Для всіх типів електролітів зі збільшенням вмісту складових KOH, Na2SiO3 або KOH+Na2SiO3 підвищується швидкість росту МДО-покриттів. Встановлено, що в МДО-покриттях, одержуваних в лужному (KOH) електроліті, формується двофазне (γ-Al2O3 і α-Al2O3 фази) кристалічний стан. Збільшення концентрації KOH призводить до збільшення відносного вмісту α-Al2O3 фази (корунду). При формуванні в силікатному електроліті фазовий склад МДО-покриттів зі збільшенням вмісту рідкого скла (Na2SiO3) змінюється від суміші γ-Al2O3 фази і муллита (3Al2O3∙2SіO2) до рентгеноаморфної фази. Використання комплексного електроліту призводить до двофазного стану покриття з більшим (у порівнянні з лужним електролітом) зрушенням перетворення γ-Al2O3→α-Al2O3 в бік утворення α-Al2O3 фази. Визначено, що значення твердості корелює зі вмістом α-Al2O3 фази в МДО-покритті, досягаючи найбільшої величини 1620 кг/мм2 при найбільшому вмісті (близько 80 об. %) α-Al2O3 фази.

Встановлено два типи залежностей товщини покриття від кількості електрики яке пройшло. Для кількості електрики яке пройшло 10–50 А-год/дм2 залежність товщини визначається, як 4.2 мкм/(А-годину/дм2), що передбачає базовий механізм електрохімічного окислення при утворенні покриття. Для кількості електрики яке пройшло 50–120 А-годину/дм2 залежність товщини визначається значно меншою величиною 1.1 мкм/(А-годину/дм2. Це передбачає перехід до іншого механізму формування покриття – утворення покриття за участі компонентів електролізу

Біографії авторів

Valeria Subbotinа, Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра матеріалознавства

Oleg Sоbоl, Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002

Доктор фізико-математичних наук, професор

Кафедра матеріалознавства

Valery Belozerov, Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002

Кандидат технічних наук, професор

Кафедра матеріалознавства

Alexander Subbotin, Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002

Науковий співробітник

Кафедра матеріалознавства

Yuliya Smyrnova, Харківський Національний університет міського господарства імені О. М. Бекетова вул. Маршала Бажанова, 17, м. Харків, Україна, 61002

Кандидат технічних наук, старший викладач

Кафедра хімії та інтегрованих технологій

Посилання

  1. Smith, J. R., Lamprou, D. A. (2014). Polymer coatings for biomedical applications: a review. Transactions of the IMF, 92 (1), 9–19. doi: https://doi.org/10.1179/0020296713z.000000000157
  2. Fedirko, V. М., Pohrelyuk, І. М., Luk’yanenko, О. H., Lavrys’, S. М., Kindrachuk, М. V., Dukhota, О. І. et. al. (2018). Thermodiffusion Saturation of the Surface of VT22 Titanium Alloy from a Controlled Oxygen–Nitrogen-Containing Atmosphere in the Stage of Aging. Materials Science, 53 (5), 691–701. doi: https://doi.org/10.1007/s11003-018-0125-z
  3. Guo, S., Liu, C. T. (2011). Phase stability in high entropy alloys: Formation of solid-solution phase or amorphous phase. Progress in Natural Science: Materials International, 21 (6), 433–446. doi: https://doi.org/10.1016/s1002-0071(12)60080-x
  4. Azarenkov, N. A., Sobol, O. V., Beresnev, V. M., Pogrebnjak, A. D., Kolesnikov, D. A., Turbin, P. V., Toryanik, I. N. (2013). Vacuum-plasma coatings based on the multielement nitrides. Metallofizika i noveishie tekhnologii, 35 (8), 1061–1084. Available at: http://dspace.nbuv.gov.ua/bitstream/handle/123456789/104178/07-Azarenkov.pdf?sequence=1
  5. Sobol’, O. V., Andreev, A. A., Gorban’, V. F. (2016). Structural Engineering of Vacuum-ARC Multiperiod Coatings. Metal Science and Heat Treatment, 58 (1-2), 37–39. doi: https://doi.org/10.1007/s11041-016-9961-3
  6. Sobol´, O. V., Andreev, A. A., Gorban´, V. F., Meylekhov, A. A., Postelnyk, Н. О. (2016). Structural Engineering of the Vacuum Arc ZrN/CrN Multilayer Coatings. Journal of Nano- and Electronic Physics, 8(1), 01042-1–01042-5. doi: https://doi.org/10.21272/jnep.8(1).01042
  7. Xu, F., Xia, Y., Li, G. (2009). The mechanism of PEO process on Al–Si alloys with the bulk primary silicon. Applied Surface Science, 255 (23), 9531–9538. doi: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2009.07.090
  8. Belozerov, V., Mahatilova, A., Sobol’, O., Subbotinа, V., Subbotin, A. (2017). Improvement of energy efficiency in the operation of a thermal reactor with submerged combustion apparatus through the cyclic input of energy. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2 (5 (86)), 39–43. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.96721
  9. Sobol, O. V., Postelnyk, A. A., Meylekhov, A. A., Andreev, A. A., Stolbovoy, V. A. (2017). Structural Engineering of the Multilayer Vacuum Arc Nitride Coatings Based on Ti, Cr, Mo and Zr. Journal of Nano- and Electronic Physics, 9 (3), 03003-1–03003-6. doi: https://doi.org/10.21272/jnep.9(3).03003
  10. Sobol’, O. V., Andreev, A. A., Gorban’, V. F., Stolbovoy, V. A., Melekhov, A. A., Postelnyk, A. A. (2016). Possibilities of structural engineering in multilayer vacuum-arc ZrN/CrN coatings by varying the nanolayer thickness and application of a bias potential. Technical Physics, 61 (7), 1060–1063. doi: https://doi.org/10.1134/s1063784216070252
  11. Sobol’, O. V., Meilekhov, A. A. (2018). Conditions of Attaining a Superhard State at a Critical Thickness of Nanolayers in Multiperiodic Vacuum-Arc Plasma Deposited Nitride Coatings. Technical Physics Letters, 44 (1), 63–66. doi: https://doi.org/10.1134/s1063785018010224
  12. Sobol’, O. V., Andreev, A. A., Stolbovoi, V. A., Fil’chikov, V. E. (2012). Structural-phase and stressed state of vacuum-arc-deposited nanostructural Mo-N coatings controlled by substrate bias during deposition. Technical Physics Letters, 38 (2), 168–171. doi: https://doi.org/10.1134/s1063785012020307
  13. Lesnevskiy, L. N., Lyakhovetskiy, M. A., Ivanova, S. V., Nagovitsyna, O. A. (2016). Structure and properties of surface layers formed on zirconium alloy by microarc oxidation. Journal of Surface Investigation. X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques, 10 (3), 641–647. doi: https://doi.org/10.1134/s1027451016030289
  14. Laleh, M., Kargar, F., Sabour Rouhaghdam, A. (2011). Formation of a compact oxide layer on AZ91D magnesium alloy by microarc oxidation via addition of cerium chloride into the MAO electrolyte. Journal of Coatings Technology and Research, 8 (6), 765–771. doi: https://doi.org/10.1007/s11998-011-9357-7
  15. Curran, J. A., Clyne, T. W. (2005). Thermo-physical properties of plasma electrolytic oxide coatings on aluminium. Surface and Coatings Technology, 199 (2-3), 168–176. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2004.09.037
  16. Norlin, A., Pan, J., Leygraf, C. (2006). Fabrication of Porous Nb2O5 by Plasma Electrolysis Anodization and Electrochemical Characterization of the Oxide. Journal of The Electrochemical Society, 153 (7), B225. doi: https://doi.org/10.1149/1.2196788
  17. Curran, J. A., Kalkancı, H., Magurova, Y., Clyne, T. W. (2007). Mullite-rich plasma electrolytic oxide coatings for thermal barrier applications. Surface and Coatings Technology, 201 (21), 8683–8687. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2006.06.050
  18. Li, H. X., Li, W. J., Song, R. G., Ji, Z. G. (2012). Effects of different current densities on properties of MAO coatings embedded with and withoutα-Al2O3nanoadditives. Materials Science and Technology, 28 (5), 565–568. doi: https://doi.org/10.1179/1743284711y.0000000084
  19. Veys-Renaux, D., Rocca, E., Henrion, G. (2013). Micro-arc oxidation of AZ91 Mg alloy: An in-situ electrochemical study. Electrochemistry Communications, 31, 42–45. doi: https://doi.org/10.1016/j.elecom.2013.02.023
  20. Cui, S., Han, J., Du, Y., Li, W. (2007). Corrosion resistance and wear resistance of plasma electrolytic oxidation coatings on metal matrix composites. Surface and Coatings Technology, 201 (9-11), 5306–5309. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2006.07.126
  21. Chen, J., Wang, Z., Lu, S. (2012). Effects of electric parameters on microstructure and properties of MAO coating fabricated on ZK60 Mg alloy in dual electrolyte. Rare Metals, 31 (2), 172–177. doi: https://doi.org/10.1007/s12598-012-0486-7
  22. Mota, R. O., Liu, Y., Mattos, O. R., Skeldon, P., Thompson, G. E. (2008). Influences of ion migration and electric field on the layered anodic films on Al–Mg alloys. Corrosion Science, 50 (5), 1391–1396. doi: https://doi.org/10.1016/j.corsci.2008.01.007
  23. Lu, X., Blawert, C., Kainer, K. U., Zheludkevich, M. L. (2016). Investigation of the formation mechanisms of plasma electrolytic oxidation coatings on Mg alloy AM50 using particles. Electrochimica Acta, 196, 680–691. doi: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2016.03.042
  24. Martin, J., Leone, P., Nominé, A., Veys-Renaux, D., Henrion, G., Belmonte, T. (2015). Influence of electrolyte ageing on the Plasma Electrolytic Oxidation of aluminium. Surface and Coatings Technology, 269, 36–46. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2014.11.001
  25. Jovović, J., Stojadinović, S., Šišović, N. M., Konjević, N. (2011). Spectroscopic characterization of plasma during electrolytic oxidation (PEO) of aluminium. Surface and Coatings Technology, 206 (1), 24–28. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2011.06.031
  26. Gu, W., Shen, D., Wang, Y., Chen, G., Feng, W., Zhang, G. et. al. (2006). Deposition of duplex Al2O3/aluminum coatings on steel using a combined technique of arc spraying and plasma electrolytic oxidation. Applied Surface Science, 252 (8), 2927–2932. doi: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2005.04.036
  27. Tseng, C.-C., Lee, J.-L., Kuo, T.-H., Kuo, S.-N., Tseng, K.-H. (2012). The influence of sodium tungstate concentration and anodizing conditions on microarc oxidation (MAO) coatings for aluminum alloy. Surface and Coatings Technology, 206 (16), 3437–3443. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2012.02.002
  28. Asadi, S., Kazeminezhad, M. (2016). Multi Directional Forging of 2024 Al Alloy After Different Heat Treatments: Microstructural and Mechanical Behavior. Transactions of the Indian Institute of Metals, 70 (7), 1707–1719. doi: https://doi.org/10.1007/s12666-016-0967-8
  29. Yerokhin, A. L., Nie, X., Leyland, A., Matthews, A., Dowey, S. J. (1999). Plasma electrolysis for surface engineering. Surface and Coatings Technology, 122 (2-3), 73–93. doi: https://doi.org/10.1016/s0257-8972(99)00441-7
  30. Dunleavy, C. S., Curran, J. A., Clyne, T. W. (2011). Self-similar scaling of discharge events through PEO coatings on aluminium. Surface and Coatings Technology, 206 (6), 1051–1061. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2011.07.065
  31. Matykina, E., Arrabal, R., Pardo, A., Mohedano, M., Mingo, B., Rodríguez, I., González, J. (2014). Energy-efficient PEO process of aluminium alloys. Materials Letters, 127, 13–16. doi: https://doi.org/10.1016/j.matlet.2014.04.077
  32. Melhem, A., Henrion, G., Czerwiec, T., Briançon, J. L., Duchanoy, T., Brochard, F., Belmonte, T. (2011). Changes induced by process parameters in oxide layers grown by the PEO process on Al alloys. Surface and Coatings Technology, 205, S133–S136. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2011.01.046
  33. Belozerov, V., Sоbоl, O., Mahatilova, A., Subbotinа, V., Tabaza, T. A., Al-Qawabeha, U. F., Al-Qawabah, S. M. (2017). The influence of the conditions of microplasma processing (microarc oxidation in anode­cathode regime) of aluminum alloys on their phase composition. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (12 (89)), 52–57. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.112065
  34. Subbotinа, V., Al-Qawabeha, U. F., Belozerov, V., Sоbоl, O., Subbotin, A., Tabaza, T. A., Al-Qawabah, S. M. (2019). Determination of influence of electrolyte composition and impurities on the content of α-AL2O3 phase in MАO-coatings on aluminum. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6 (12 (102)), 6–13. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.185674
  35. Javidi, M., Fadaee, H. (2013). Plasma electrolytic oxidation of 2024-T3 aluminum alloy and investigation on microstructure and wear behavior. Applied Surface Science, 286, 212–219. doi: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2013.09.049
  36. Belozerov, V., Sоbоl, O., Mahatilova, A., Subbotinа, V., Tabaza, T. A., Al-Qawabeha, U. F., Al-Qawabah, S. M. (2018). Effect of electrolysis regimes on the structure and properties of coatings on aluminum alloys formed by anode­cathode micro arc oxidation. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (12 (91)), 43–47. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.121744
  37. Subbotina, V. V., Al-Qawabeha, U. F., Sobol', O. V., Belozerov, V. V., Schneider, V. V., Tabaza, T. A., Al-Qawabah, S. M. (2019). Increase of the α-Al2O3 phase content in MAO-coating by optimizing the composition of oxidated aluminum alloy. Functional Materials, 26 (4), 752–758. doi: https://doi.org/10.15407/fm26.04.752
  38. Friedemann, A. E. R., Gesing, T. M., Plagemann, P. (2017). Electrochemical rutile and anatase formation on PEO surfaces. Surface and Coatings Technology, 315, 139–149. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.01.042
  39. Yao, Z., Liu, Y., Xu, Y., Jiang, Z., Wang, F. (2011). Effects of cathode pulse at high frequency on structure and composition of Al2TiO5 ceramic coatings on Ti alloy by plasma electrolytic oxidation. Materials Chemistry and Physics, 126 (1-2), 227–231. doi: https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2010.11.035
  40. Lv, P. X., Chi, G. X., Wei, D. B., Di, S. C. (2011). Design of Scanning Micro-Arc Oxidation Forming Ceramic Coatings on 2024 Aluminium Alloy. Advanced Materials Research, 189-193, 1296–1300. doi: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.189-193.1296
  41. Clyne, T. W., Troughton, S. C. (2018). A review of recent work on discharge characteristics during plasma electrolytic oxidation of various metals. International Materials Reviews, 64 (3), 127–162. doi: https://doi.org/10.1080/09506608.2018.1466492
  42. Javidi, M., Fadaee, H. (2013). Plasma electrolytic oxidation of 2024-T3 aluminum alloy and investigation on microstructure and wear behavior. Applied Surface Science, 286, 212–219. doi: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2013.09.049
  43. Matykina, E., Arrabal, R., Mohedano, M., Mingo, B., Gonzalez, J., Pardo, A., Merino, M. C. (2017). Recent advances in energy efficient PEO processing of aluminium alloys. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 27 (7), 1439–1454. doi: https://doi.org/10.1016/s1003-6326(17)60166-3
  44. Suminov, I. V., Belkin, P. N., Epel'fel'd, A. V., Lyudin, V. B., Krit, B. L., Borisov, A. M. (2011). Plazmenno-elektroliticheskoe modifitsirovanie poverhnosti metallov i splavov. Vol. 2. Moscow: Tekhnosfera, 512.
  45. Sobol’, O. V., Shovkoplyas, O. A. (2013). On advantages of X-ray schemes with orthogonal diffraction vectors for studying the structural state of ion-plasma coatings. Technical Physics Letters, 39 (6), 536–539. doi: https://doi.org/10.1134/s1063785013060126
  46. Klopotov, A. A., Abzaev, Yu. A., Potekaev, A. I., Volokitin, O. G. (2012). Osnovy rentgenostrukturnogo analiza v materialovedenii. Tomsk: Izd-vo Tom. gos. arhit.-stroit. Un-ta, 276.
  47. Subbotina, V. V., Sobol, O. V., Belozerov, V. V., Makhatilova, A. I., Shnayder, V. V. (2019). Use of the Method of Micro-arc Plasma Oxidation to Increase the Antifriction Properties of the Titanium Alloy Surface. Journal of Nano- and Electronic Physics, 11 (3), 03025-1–03025-5. doi: https://doi.org/10.21272/jnep.11(3).03025
  48. Subbotinа, V., Sоbоl, O., Belozerov, V., Al-Qawabeha, U. F., Tabaza, T. A., Al-Qawabah, S. M., Shnayder, V. (2020). A study of the electrolyte composition influence on the structure and properties of MAO coatings formed on AMg6 alloy. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (12 (105)), 6–14. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.205474
  49. Wang, Y., Jiang, Z., Yao, Z. (2009). Microstructure, bonding strength and thermal shock resistance of ceramic coatings on steels prepared by plasma electrolytic oxidation. Applied Surface Science, 256 (3), 650–656. doi: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2009.08.036
  50. Wang, Y., Jiang, Z., Yao, Z. (2009). Preparation and properties of ceramic coating on Q235 carbon steel by plasma electrolytic oxidation. Current Applied Physics, 9 (5), 1067–1071. doi: https://doi.org/10.1016/j.cap.2008.12.004

##submission.downloads##

Опубліковано

2020-08-31

Як цитувати

Subbotinа V., Sоbоl O., Belozerov, V., Subbotin, A., & Smyrnova, Y. (2020). Дослідження можливостей фазово-структурної інженерії покриттів на сплаві Д16 при мікродуговом оксидуванні в електролітах різних типів. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4(12 (106), 14–23. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.209722

Номер

Том 4 № 12 (106) (2020): Матеріалознавство

Розділ

Матеріалознавство

Ліцензія

Авторське право (c) 2020 Valeria Subbotinа, Oleg Sоbоl, Valery Belozerov, Alexander Subbotin, Yuliya Smyrnova

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.