Експериментальний аналіз впливу составів електроліту, щільності струму і тривалості процесу мікродугового оксидування на структурно-фазовий стан і властивості титанового сплаву ВТ3-1

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
  • Valentin Shnayder Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002, Україна https://orcid.org/0000-0002-2544-4471
  • Oleksandr Smyrnov Харківський науково-дослідний інститут судових експертиз ім. Засл. проф. М.С. Бокаріуса вул. Золочівська, 8а, м. Харків, Україна, 61177, Україна https://orcid.org/0000-0001-6398-2855

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.214308

Ключові слова:

Мікродугове оксидування, ВТ3-1, тип електроліту, кінетика росту, фазовий склад, зносостійкість

Анотація

Досліджено вплив умов електролізу при мікродуговому оксидуванні сплаву ВТ3-1 (на основі титану) на кінетику росту, морфологію поверхні, фазово-структурний стан і фізико-механічні характеристики (твердість, коефіцієнт тертя) оксидних покриттів. Встановлено, що процес в режимі мікродугових розрядів стійко реалізується на сплаві ВТ3-1 в лужному (КOH) електроліті з добавками алюмінату натрію (NaAlO2) і рідкого скла (Na2SiO3). Це дозволяє отримувати покриття товщиною до 250 мкм. При цьому спостерігається лінійна залежність товщини покриття від часу МДО-процесу. Швидкість росту покриття збільшується з підвищенням щільності струму. Найбільша швидкість росту склала 1.13 мкм/хв. Виявлено, що в електроліті який містить 1 г/л КОН+14 г/л NaAlO2 зі збільшенням тривалості оксидування від 60 до 180 хвилин підвищується відносний вміст високотемпературної фази – рутилу. У покриттях, отриманих в електроліті 1,75 г/л КОН+1 г/л Na2SiO3+2 г/л NaAlO2 зі збільшення тривалості МДО-процесу зменшується відносний вміст аморфноподібної фази і збільшується вміст кристалічної фази мулліту (3Al2O3·2SiO2).

Визначено, що в електроліті який містить 1,75 г/л КОН+1 г/л Na2SiO3+2 г/л NaAlO2 при збільшенні щільності струму від 15 А/дм2 до 50 А/дм2 відбувається зміна фазового складу покриття. В 3-х фазному стані (титанат алюмінію, рутил і аморфноподібна фаза) при збільшенні j замість аморфноподібної фази спостерігається поява кристалічної фази мулліту. При цьому твердість покриття збільшується від 5400 МПа до 12500 МПа. Встановлено, що мулліт в поєднанні з титанатом алюмінію є основою досягнення в покритті високої твердості. Формування на поверхні титанового сплаву ВТ3-1 керамічного мікродугового оксидного покриття дозволяє більш ніж в 5 разів знизити коефіцієнт сухого тертя до величини f=0.09

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

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

Аспірант

Кафедра матеріалознавства

Oleksandr Smyrnov, Харківський науково-дослідний інститут судових експертиз ім. Засл. проф. М.С. Бокаріуса вул. Золочівська, 8а, м. Харків, Україна, 61177

Кандидат технічних наук, провідний науковий співробітник

Лабораторія криміналістичних досліджень

Посилання

  1. Vereschaka, A., Tabakov, V., Grigoriev, S., Sitnikov, N., Milovich, F., Andreev, N. et. al. (2020). Investigation of the influence of the thickness of nanolayers in wear-resistant layers of Ti-TiN-(Ti,Cr,Al)N coating on destruction in the cutting and wear of carbide cutting tools. Surface and Coatings Technology, 385, 125402. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.125402
  2. 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
  3. Sobol, O., Meylekhov, A., Postelnyk, A. (2018). Computer Simulation of the Processes of Mixing in Multilayer Nitride Coatings with Nanometer Period. Advances in Design, Simulation and Manufacturing, 146–155. doi: https://doi.org/10.1007/978-3-319-93587-4_16
  4. Mayrhofer, P. H., Mitterer, C., Hultman, L., Clemens, H. (2006). Microstructural design of hard coatings. Progress in Materials Science, 51 (8), 1032–1114. doi: https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2006.02.002
  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., 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
  7. Liu, Y., Wan, H., Zhang, H., Chen, J., Fang, F., Jiang, N. et. al. (2020). Engineering Surface Structure and Defect Chemistry of Nanoscale Cubic Co3O4 Crystallites for Enhanced Lithium and Sodium Storage. ACS Applied Nano Materials, 3 (4), 3892–3903. doi: https://doi.org/10.1021/acsanm.0c00614
  8. Pogrebnjak, A. D., Beresnev, V. M., Bondar, O. V., Abadias, G., Chartier, P., Postol’nyi, B. A. et. al. (2014). The effect of nanolayer thickness on the structure and properties of multilayer TiN/MoN coatings. Technical Physics Letters, 40 (3), 215–218. doi: https://doi.org/10.1134/s1063785014030092
  9. 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
  10. Mareus, R., Mastail, C., Anğay, F., Brunetière, N., Abadias, G. (2020). Study of columnar growth, texture development and wettability of reactively sputter-deposited TiN, ZrN and HfN thin films at glancing angle incidence. Surface and Coatings Technology, 399, 126130. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.126130
  11. Sobol, O. V., Dub, S. N., Pogrebnjak, A. D., Mygushchenko, R. P., Postelnyk, A. A., Zvyagolsky, A. V., Tolmachova, G. N. (2018). The effect of low titanium content on the phase composition, structure, and mechanical properties of magnetron sputtered WB2-TiB2 films. Thin Solid Films, 662, 137–144. doi: https://doi.org/10.1016/j.tsf.2018.07.042
  12. Moscicki, T., Psiuk, R., Słomińska, H., Levintant-Zayonts, N., Garbiec, D., Pisarek, M. et. al. (2020). Influence of overstoichiometric boron and titanium addition on the properties of RF magnetron sputtered tungsten borides. Surface and Coatings Technology, 390, 125689. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.125689
  13. Zavareh, M. A., Sarhan, A. A. D. M., Razak, B. B. A., Basirun, W. J. (2014). Plasma thermal spray of ceramic oxide coating on carbon steel with enhanced wear and corrosion resistance for oil and gas applications. Ceramics International, 40 (9), 14267–14277. doi: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2014.06.017
  14. Bajat, J. B., Vasilić, R., Stojadinović, S., Mišković-Stanković, V. (2013). Corrosion Stability of Oxide Coatings Formed by Plasma Electrolytic Oxidation of Aluminum: Optimization of Process Time. CORROSION, 69 (7), 693–702. doi: https://doi.org/10.5006/0859
  15. Duan, L., Wu, H., Guo, L., Xiu, W., Yu, X. (2020). The effect of phase on microstructure and mechanical performance in TiAlN and TiSiN films. Materials Research Express, 7 (6), 066401. doi: https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab96f6
  16. 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
  17. Sobol, O. V., Andreev, A. A., Gorban, V. F., Meylekhov, A. A., Postelnyk, H. O., Stolbovoy, V. A. (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
  18. Wang, T., Zhang, J., Li, Y., Gao, F., Zhang, G. (2019). Self-lubricating TiN/MoN and TiAlN/MoN nano-multilayer coatings for drilling of austenitic stainless steel. Ceramics International, 45 (18), 24248–24253. doi: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.08.136
  19. Kharanagh, V. J., Sani, M. A. F., Rafizadeh, E. (2013). Effect of current frequency on coating properties formed on aluminised steel by plasma electrolytic oxidation. Surface Engineering, 30 (3), 224–228. doi: https://doi.org/10.1179/1743294413y.0000000190
  20. 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
  21. 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 MAO-coatings on aluminum. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6 (12 (102)), 6–13. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.185674
  22. Arbuzova, S. S., Butyagin, P. I., Bol’shanin, A. V., Kondratenko, A. I., Vorob’ev, A. V. (2020). Microarc Oxidation of Metal Surfaces: Coating Properties and Applications. Russian Physics Journal, 62 (11), 2086–2091. doi: https://doi.org/10.1007/s11182-020-01950-7
  23. Yetim, A. F., Celik, A., Alsaran, A. (2010). Improving tribological properties of Ti6Al4V alloy with duplex surface treatment. Surface and Coatings Technology, 205 (2), 320–324. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2010.06.048
  24. Budinski, K. G. (1991). Tribological properties of titanium alloys. Wear, 151 (2), 203–217. doi: https://doi.org/10.1016/0043-1648(91)90249-t
  25. Yetim, A. F., Yildiz, F., Vangolu, Y., Alsaran, A., Celik, A. (2009). Several plasma diffusion processes for improving wear properties of Ti6Al4V alloy. Wear, 267 (12), 2179–2185. doi: https://doi.org/10.1016/j.wear.2009.04.005
  26. Niinomi, M. (2003). Recent research and development in titanium alloys for biomedical applications and healthcare goods. Science and Technology of Advanced Materials, 4 (5), 445–454. doi: https://doi.org/10.1016/j.stam.2003.09.002
  27. Qin, L., Liu, C., Yang, K., Tang, B. (2013). Characteristics and wear performance of borided Ti6Al4V alloy prepared by double glow plasma surface alloying. Surface and Coatings Technology, 225, 92–96. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2013.02.053
  28. De Viteri, V. S., Barandika, M. G., de Gopegui, U. R., Bayón, R., Zubizarreta, C., Fernández, X. et. al. (2012). Characterization of Ti-C-N coatings deposited on Ti6Al4V for biomedical applications. Journal of Inorganic Biochemistry, 117, 359–366. doi: https://doi.org/10.1016/j.jinorgbio.2012.09.012
  29. Vásquez, V. Z. C., Özcan, M., Kimpara, E. T. (2009). Evaluation of interface characterization and adhesion of glass ceramics to commercially pure titanium and gold alloy after thermal- and mechanical-loading. Dental Materials, 25 (2), 221–231. doi: https://doi.org/10.1016/j.dental.2008.07.002
  30. Özcan, I., Uysal, H. (2005). Effects of silicon coating on bond strength of two different titanium ceramic to titanium. Dental Materials, 21 (8), 773–779. doi: https://doi.org/10.1016/j.dental.2005.01.014
  31. Zinelis, S., Tsetsekou, A., Papadopoulos, T. (2003). Thermal expansion and microstructural analysis of experimental metal-ceramic titanium alloys. The Journal of Prosthetic Dentistry, 90 (4), 332–338. doi: https://doi.org/10.1016/s0022-3913(03)00493-1
  32. Nabavi, H. F., Aliofkhazraei, M., Rouhaghdam, A. S. (2017). Electrical characteristics and discharge properties of hybrid plasma electrolytic oxidation on titanium. Journal of Alloys and Compounds, 728, 464–475. doi: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.09.028
  33. Froes, F. H., Eylon, D., Eichelman, G. E., Burte, H. M. (1980). Developments in Titanium Powder Metallurgy. JOM, 32 (2), 47–54. doi: https://doi.org/10.1007/bf03354547
  34. Curran, J. A., Clyne, T. W. (2006). Porosity in plasma electrolytic oxide coatings. Acta Materialia, 54 (7), 1985–1993. doi: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2005.12.029
  35. Gu, Y., Ma, A., Jiang, J., Li, H., Song, D., Wu, H., Yuan, Y. (2018). Simultaneously improving mechanical properties and corrosion resistance of pure Ti by continuous ECAP plus short-duration annealing. Materials Characterization, 138, 38–47. doi: https://doi.org/10.1016/j.matchar.2018.01.050
  36. Lederer, S., Lutz, P., Fürbeth, W. (2018). Surface modification of Ti 13Nb 13Zr by plasma electrolytic oxidation. Surface and Coatings Technology, 335, 62–71. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.12.022
  37. Simka, W., Sadkowski, A., Warczak, M., Iwaniak, A., Dercz, G., Michalska, J., Maciej, A. (2011). Characterization of passive films formed on titanium during anodic oxidation. Electrochimica Acta, 56 (24), 8962–8968. doi: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2011.07.129
  38. Wei, D., Zhou, Y., Jia, D., Wang, Y. (2008). Chemical treatment of TiO2-based coatings formed by plasma electrolytic oxidation in electrolyte containing nano-HA, calcium salts and phosphates for biomedical applications. Applied Surface Science, 254 (6), 1775–1782. doi: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2007.07.144
  39. Wei, D., Zhou, Y., Jia, D., Wang, Y. (2007). Characteristic and in vitro bioactivity of a microarc-oxidized TiO2-based coating after chemical treatment. Acta Biomaterialia, 3 (5), 817–827. doi: https://doi.org/10.1016/j.actbio.2007.03.001
  40. Wei, D., Zhou, Y., Wang, Y., Jia, D. (2007). Characteristic of microarc oxidized coatings on titanium alloy formed in electrolytes containing chelate complex and nano-HA. Applied Surface Science, 253 (11), 5045–5050. doi: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2006.11.012
  41. Ramazanova, Z. M., Zamalitdinova, M. G. (2020). Study of the Properties of Qxide Coatings Formed on Titanium by Plasma Electrolytic Oxidation Method. Eurasian Chemico-Technological Journal, 22 (1), 51. doi: https://doi.org/10.18321/ectj930
  42. Wheeler, J. M., Collier, C. A., Paillard, J. M., Curran, J. A. (2010). Evaluation of micromechanical behaviour of plasma electrolytic oxidation (PEO) coatings on Ti–6Al–4V. Surface and Coatings Technology, 204 (21-22), 3399–3409. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2010.04.006
  43. Khorasanian, M., Dehghan, A., Shariat, M. H., Bahrololoom, M. E., Javadpour, S. (2011). Microstructure and wear resistance of oxide coatings on Ti–6Al–4V produced by plasma electrolytic oxidation in an inexpensive electrolyte. Surface and Coatings Technology, 206 (6), 1495–1502. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2011.09.038
  44. Yerokhin, A. L., Leyland, A., Matthews, A. (2002). Kinetic aspects of aluminium titanate layer formation on titanium alloys by plasma electrolytic oxidation. Applied Surface Science, 200 (1-4), 172–184. doi: https://doi.org/10.1016/s0169-4332(02)00848-6
  45. Shi, M., Li, H. (2016). The effect of complexing agent on Ti alloy micro-arc oxidation(MAO) coatings in Ca-P electrolyte. Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces, 52 (5), 900–909. doi: https://doi.org/10.1134/s2070205116050233
  46. Shabani, M., Zamiri, R., Goodarzi, M. (2015). Study on the Surface Modification of Titanium Alloy by Nanostructure TiO2 Grown Through Anodic Oxidation Treatment. Austin Chemical Engineering, 2 (1), 1015.
  47. Xue, W., Wang, C., Chen, R., Deng, Z. (2002). Structure and properties characterization of ceramic coatings produced on Ti–6Al–4V alloy by microarc oxidation in aluminate solution. Materials Letters, 52 (6), 435–441. doi: https://doi.org/10.1016/s0167-577x(01)00440-2
  48. 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
  49. Klopotov, A. A., Abzaev, Yu. A., Potekaev, A. I., Volokitin, O. G. (2012). Osnovy rentgenostrukturnogo analiza v materialovedenii. Tomsk: Izd-vo TGASU, 275.
  50. Troughton, S. C., Nominé, A., Dean, J., Clyne, T. W. (2016). Effect of individual discharge cascades on the microstructure of plasma electrolytic oxidation coatings. Applied Surface Science, 389, 260–269. doi: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.07.106
  51. 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
  52. 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

##submission.downloads##

Опубліковано

2020-10-31

Як цитувати

Subbotinа V., Sоbоl O., Belozerov, V., Shnayder, V., & Smyrnov, O. (2020). Експериментальний аналіз впливу составів електроліту, щільності струму і тривалості процесу мікродугового оксидування на структурно-фазовий стан і властивості титанового сплаву ВТ3-1. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5(12 (107), 6–15. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.214308

Номер

Том 5 № 12 (107) (2020): Матеріалознавство

Розділ

Матеріалознавство

Ліцензія

Авторське право (c) 2020 Valeria Subbotinа, Oleg Sоbоl, Valery Belozerov, Valentin Shnayder, Oleksandr Smyrnov

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.