eng
Выпуск #2/2010
Б.Крит, В.Людин, И.Суминов, А.Эпельфельд, Р.Желтухин.
МДО – синтез нанокерамических слоев на деталях из металлов и сплавов
МДО – синтез нанокерамических слоев на деталях из металлов и сплавов
Просмотры: 2337
В экстремальных условиях эксплуатации требования к конструкционным материалам ужесточаются и становятся все более комплексными, поэтому разработка технологий модифицирования поверхности деталей и изделий - актуальная и перспективная задача. Одна из бурно развивающихся технологий в этой области - микродуговое оксидирование (МДО).
МДО - метод формирования многофункциональных керамикоподобных защитных слоев на поверхности и в приповерхностной зоне вентильных металлов и сплавов, основанный на использовании энергии поверхностных электрических разрядов в электролите.
Научно-технологическое развитие МДО началось еще в 70-е годы ХХ века. Практически одновременно в США [1], Японии [2], Германии [3] и России [4, 5] были созданы лабораторно-промышленные установки и проведено исследование особенностей формирования функциональных слоев. Дальнейшее развитие в России метод получил, в частности, в МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского, где в течение ряда лет ведутся работы по изучению механизма процесса, исследованию МДО-слоев и отработке оптимальных технологических параметров модифицирования поверхности различных сплавов, создаются новые образцы современного высокоэффективного оборудования.
Отличительная особенность метода - контрагирование (локализация посредством шнурования) микродугового разряда в микро- и нанопорах стартового барьерного слоя, благодаря чему происходят кратковременный (~10-6 с) локальный разогрев пробойного промежутка до температуры ~104 К и последующее высокоскоростное охлаждение его после угасания разряда. Это создает условия для протекания плазмохимических реакций в системе металл-оксид-электролит и закалки получающихся продуктов. В результате происходит синтез наноразмерных оксидокерамических структурных составляющих, представляющих собой основу формируемого в процессе дальнейшей обработки композиционного слоя толщиной до 400 мкм, прочно сцепленного с металлом-основой. Снимки поперечного (а) и продольного (б) шлифов таких образцов представлены на рис.1.
Управление процессом обработки осуществляется варьированием значений технологических факторов: напряжения, плотности тока, продолжительности и формы импульса анодного и катодного полупериодов, длительности бестоковой паузы, частоты следования импульсов, состава и температуры электролита. Следует отметить, что регулирование состава, размеров и количества структурных компонентов модифицированного слоя обеспечивает возможность контролируемого создания и модифицирования объектов, включающих структуры с размерами менее 100 нм и имеющих принципиально новый фазовый состав. Это, в свою очередь, позволяет радикально изменять макромасштабные параметры широкого круга материалов и изделий из них.
Модифицирующий эффект МДО существенно больше по сравнению с известными методами обработки вентильных сплавов (например, анодированием), он позволяет достичь высокого уровня электроизоляционных свойств, коррозионной стойкости, жаро-, тепло- и износостойкости изделий. Конструкционным материалам в результате удается придавать комплекс свойств, повышающих эксплуатационные характеристики изделий, что может быть проиллюстрировано, например, данными испытаний на износостойкость и стойкость к эрозионному воздействию МДО модифицированного сплава 6061 (аналог Д16) (рис.2, 3).
Как видно из представленных диаграмм, наноструктурированные МДО-поверхности близки по трибологическим характеристикам к твердым сплавам на основе карбида вольфрама и превосходят по износостойкости инструментальные стали и твердохромовые покрытия. Немаловажным фактором, обеспечивающим достижение таких параметров, является применение специального оборудования.
Один из ведущих российских и мировых центров в области технологии МДО, обладающий опытом разработки и внедрения технологических источников тока, -
МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского. В университете проделан широкий спектр работ от создания нескольких первых поколений установок МДО, в которых были реализованы минимальные требования по управлению технологическими параметрами и имелась простейшая аналоговая система мониторинга, до современных автоматизированных установок 5-го поколения мощностью от 1 до 200 кВт с широким спектром варьируемых параметров, электронными системами управления технологическим процессом.
Спектр современных аппаратных средств для МДО включает основное (технологический источник тока, электролитная ванна) и дополнительное (участки подготовки электролита, контроль параметров технологического процесса и пр.) оборудование. Модульный принцип комплектования обеспечивает поставку оборудования лабораторного и промышленного исполнения различной степени сложности: от наиболее простого, реализующего лишь один технологический режим, до сложного, включающего системы импульсно-фазового управления процессом и фронтами импульсов формирующего напряжения, программно-аппаратного управления и мониторинга [6].
На рис.4 в качестве примера показана изготовленная в МАТИ и внедренная на фирме НРВ (Австрия) роботизированная технологическая линия МДО. В настоящее время в процессе разработки на этапе опытно-конструкторских работ и испытаний находятся технологические источники тока 6-го поколения, которые по ряду характеристик (реализуемые электрические параметры, производительность, энергопотребление) превосходят более чем в 2,5 раза оборудование 5-го поколения.
Литература
1. Brown S.D., Kuna K.J., Tran Bao Van. Anodic Spark Deposition from Aqueous Solutions of NaAlO2 and Na2SiO3. - J. Amer. Ceram. Soc., 1971, v. 54, № 4, p. 384-390.
2. Yamada M., Mita I. Formation of η-aluminia by anodic oxidation of aluminium. - Chem. Lett., 1982, № 5,
p. 759-762.
3. Dittrich K.-H., Krysmann W., Kurze P., Schneider H.G. Structure and properties of ANOF layers. - Crystal Res. & Technol., 1984, v. 19, № 1, p. 93-99.
4. А.С. 1485670 СССР (С23С 28/00). Способ защиты от сульфидного растрескивания и износа / Ефремов А.П., Марков Г.А., Ропяк Л.Я., Саакиян Л.С., Эпельфельд А.В. // Зявлено 24.07.85, зарегистрировано 08.02.89.
5. Суминов И.В., Эпельфельд А.В., Людин В.Б., Крит Б.Л., Борисов А.М. Микродуговое оксидирование (теория, технология, оборудование). - М.: ЭКОМЕТ, 2005.
6. Apelfeld A.V., Borisov A.M., Krit B.L., Ludin V.B., Souminov I.V. Soft-hardware control and monitoring system of microarc oxidation installations. // Mathematical modeling and computer simulation material technologies / Proceedings of the 5th Int. conf. MMT-2008, p. 4-31-4-37.
Научно-технологическое развитие МДО началось еще в 70-е годы ХХ века. Практически одновременно в США [1], Японии [2], Германии [3] и России [4, 5] были созданы лабораторно-промышленные установки и проведено исследование особенностей формирования функциональных слоев. Дальнейшее развитие в России метод получил, в частности, в МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского, где в течение ряда лет ведутся работы по изучению механизма процесса, исследованию МДО-слоев и отработке оптимальных технологических параметров модифицирования поверхности различных сплавов, создаются новые образцы современного высокоэффективного оборудования.
Отличительная особенность метода - контрагирование (локализация посредством шнурования) микродугового разряда в микро- и нанопорах стартового барьерного слоя, благодаря чему происходят кратковременный (~10-6 с) локальный разогрев пробойного промежутка до температуры ~104 К и последующее высокоскоростное охлаждение его после угасания разряда. Это создает условия для протекания плазмохимических реакций в системе металл-оксид-электролит и закалки получающихся продуктов. В результате происходит синтез наноразмерных оксидокерамических структурных составляющих, представляющих собой основу формируемого в процессе дальнейшей обработки композиционного слоя толщиной до 400 мкм, прочно сцепленного с металлом-основой. Снимки поперечного (а) и продольного (б) шлифов таких образцов представлены на рис.1.
Управление процессом обработки осуществляется варьированием значений технологических факторов: напряжения, плотности тока, продолжительности и формы импульса анодного и катодного полупериодов, длительности бестоковой паузы, частоты следования импульсов, состава и температуры электролита. Следует отметить, что регулирование состава, размеров и количества структурных компонентов модифицированного слоя обеспечивает возможность контролируемого создания и модифицирования объектов, включающих структуры с размерами менее 100 нм и имеющих принципиально новый фазовый состав. Это, в свою очередь, позволяет радикально изменять макромасштабные параметры широкого круга материалов и изделий из них.
Модифицирующий эффект МДО существенно больше по сравнению с известными методами обработки вентильных сплавов (например, анодированием), он позволяет достичь высокого уровня электроизоляционных свойств, коррозионной стойкости, жаро-, тепло- и износостойкости изделий. Конструкционным материалам в результате удается придавать комплекс свойств, повышающих эксплуатационные характеристики изделий, что может быть проиллюстрировано, например, данными испытаний на износостойкость и стойкость к эрозионному воздействию МДО модифицированного сплава 6061 (аналог Д16) (рис.2, 3).
Как видно из представленных диаграмм, наноструктурированные МДО-поверхности близки по трибологическим характеристикам к твердым сплавам на основе карбида вольфрама и превосходят по износостойкости инструментальные стали и твердохромовые покрытия. Немаловажным фактором, обеспечивающим достижение таких параметров, является применение специального оборудования.
Один из ведущих российских и мировых центров в области технологии МДО, обладающий опытом разработки и внедрения технологических источников тока, -
МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского. В университете проделан широкий спектр работ от создания нескольких первых поколений установок МДО, в которых были реализованы минимальные требования по управлению технологическими параметрами и имелась простейшая аналоговая система мониторинга, до современных автоматизированных установок 5-го поколения мощностью от 1 до 200 кВт с широким спектром варьируемых параметров, электронными системами управления технологическим процессом.
Спектр современных аппаратных средств для МДО включает основное (технологический источник тока, электролитная ванна) и дополнительное (участки подготовки электролита, контроль параметров технологического процесса и пр.) оборудование. Модульный принцип комплектования обеспечивает поставку оборудования лабораторного и промышленного исполнения различной степени сложности: от наиболее простого, реализующего лишь один технологический режим, до сложного, включающего системы импульсно-фазового управления процессом и фронтами импульсов формирующего напряжения, программно-аппаратного управления и мониторинга [6].
На рис.4 в качестве примера показана изготовленная в МАТИ и внедренная на фирме НРВ (Австрия) роботизированная технологическая линия МДО. В настоящее время в процессе разработки на этапе опытно-конструкторских работ и испытаний находятся технологические источники тока 6-го поколения, которые по ряду характеристик (реализуемые электрические параметры, производительность, энергопотребление) превосходят более чем в 2,5 раза оборудование 5-го поколения.
Литература
1. Brown S.D., Kuna K.J., Tran Bao Van. Anodic Spark Deposition from Aqueous Solutions of NaAlO2 and Na2SiO3. - J. Amer. Ceram. Soc., 1971, v. 54, № 4, p. 384-390.
2. Yamada M., Mita I. Formation of η-aluminia by anodic oxidation of aluminium. - Chem. Lett., 1982, № 5,
p. 759-762.
3. Dittrich K.-H., Krysmann W., Kurze P., Schneider H.G. Structure and properties of ANOF layers. - Crystal Res. & Technol., 1984, v. 19, № 1, p. 93-99.
4. А.С. 1485670 СССР (С23С 28/00). Способ защиты от сульфидного растрескивания и износа / Ефремов А.П., Марков Г.А., Ропяк Л.Я., Саакиян Л.С., Эпельфельд А.В. // Зявлено 24.07.85, зарегистрировано 08.02.89.
5. Суминов И.В., Эпельфельд А.В., Людин В.Б., Крит Б.Л., Борисов А.М. Микродуговое оксидирование (теория, технология, оборудование). - М.: ЭКОМЕТ, 2005.
6. Apelfeld A.V., Borisov A.M., Krit B.L., Ludin V.B., Souminov I.V. Soft-hardware control and monitoring system of microarc oxidation installations. // Mathematical modeling and computer simulation material technologies / Proceedings of the 5th Int. conf. MMT-2008, p. 4-31-4-37.
Отзывы читателей
