WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Проведенный в работе анализ показал, что среди оксидных покрытий главенствующие позиции принадлежат оксидам алюминия Al2O3, титана TiO2 и композициям на их основе. Эти покрытия имеют высокую твердость, износостойкость, они коррозионно-индифферентны, обладают высокими тепло- и электроизоляционными свойствами, т. е. многофункциональны. Так, покрытия на основе этих оксидов могут быть сформированы путем модифицирования рабочей поверхности изделия из титанового сплава, например, в алюминатных электролитах, при этом достигается высокая прочность сцепления оксидных слоев с подложкой, благодаря их сродству к металлу основы, из которого они формируются в результате физико-химических превращений. Такими видами обработки для титана могут быть термическое и химическое оксидирование, анодирование, в том числе в водных растворах электролитов и расплавах солей, в плазме тлеющего разряда и плазменно-электролитическое, а также стремительно развивающееся в последние годы микродуговое оксидирование.

При анализе научных работ в области МДО титановых сплавов показано, что микродуговое оксидирование – сложный физико-химический процесс, протекающий с участием микродуговых разрядов (МДР), характеристики которых зависят от многих факторов. Однако многие аспекты механизма микродугового оксидирования на титановых сплавах остаются пока нераскрытыми, мало изучены кинетика формирования ОС на титановых сплавах и влияние технологических параметров процесса МДО на толщину, физико-химические, физико-механические, электрофизические и эксплуатационные характеристики. Не сформулированы основные принципы и директивы разработки технологии анодно-катодного МДО деталей приборов из титановых сплавов с учетом их назначения.

В этой связи в диссертации поставлены задачи по исследованию механизма формирования оксидных слоев и разработке технологии получения многофункциональных МДО-покрытий на титановых сплавах путем управления процессами их формирования для обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик широкого спектра деталей в приборостроении, что представляет собой важную и актуальную научно-прикладную проблему.

Во второй главе приведены результаты исследований влияния ТПП анодно-катодного микродугового оксидирования на характеристики (толщина, абсолютный и относительный прирост исходных размеров изделий, микротвердость, сквозная пористость, прочность сцепления с материалом основы, удельное сопротивление, пробойное напряжение и электрическая прочность, структура и фазовый состав) оксидных слоев, полученных методом МДО, на примере технически чистого титана марки ВТ1-0 и сплава группы + марки ВТ3-1. Исследование ОС проводили согласно разработанному алгоритму проведения экспериментальных исследований с выходом на механизм формирования ОС. МДО-обработку образцов производили на лабораторной установке тиристорно-конденсаторного типа, позволяющей варьировать суммарную плотность тока i и соотношение катодного и анодного токов IK/IA в широких пределах.

В результате предварительных исследований установлено, что продолжительность МДО-процесса, состав и концентрация компонентов электролита оказывают наибольшее влияния на толщину, структуру и фазовый состав оксидных слоев. Меньшее воздействие оказывают электрические ТПП и температура электролита. Установлено, что выбор компонентного состава электролита для МДО титановых сплавов зависит, прежде всего, от требований, предъявляемых к комплексу свойств материала основы и характеристик МДО-покрытия. Исследования показали, что для обработки титановых сплавов применительно к условиям эксплуатации деталей приборов оптимальными являются алюминатно-щелочные электролиты. Это обусловлено наличием алюминия в составе электролита, который инкорпорируется в оксидный слой в виде высокотемпературной фазы оксида алюминия -Al2O3 (корунд) под воздействием микродугового разряда. Кроме того, комплекс механических свойств оксидных слоев повышается за счет формирования более мягкого и менее хрупкого двойного оксида Al2O3*TiO2, который является связкой для корунда, в результате чего формируется благоприятная композиционная структура МДО-покрытий на деталях приборов из титановых сплавов. Также в ходе предварительных исследований были определены диапазоны значений технологических параметров процесса МДО (концентрации компонентов алюминатно-щелочного электролита, суммарной плотности и соотношения катодного и анодного токов, температуры электролита и продолжительности оксидирования), при реализации которых процесс МДО стабилен и возможно получение требуемых характеристик ОС.

Исследование зависимости кинетики роста толщины ОС на сплавах ВТ1-0 и ВТ3-1 от ТПП показало, что процесс формирования оксидных слоев на разных стадиях протекает с различной скоростью. Инициирование (зажигание разряда) и интенсивность протекания процессов МДО существенно зависят как от ТПП, так и от марки сплава. Были выдвинуты предположения о причинах и дано объяснение существованию таких явлений в процессе МДО, как угасание микродуговых и появление дуговых разрядов, травление и эрозия покрытия, выявлены основные закономерности, связывающие состав и температуру электролита, суммарную плотность и соотношение катодного и анодного токов с кинетикой роста толщины ОС. Установлены оптимальные диапазоны ТПП микродугового оксидирования с минимумом различий при обработке этих сплавов.

Так, концентрация КОН и NaAlO2 в алюминатно-щелочном электролите за счет изменения проводимости электролита и содержания материала (Al2O3), инкорпорируемого в покрытие, определяет, главным образом, максимальную продолжительность процесса МДО, после чего ОС перестает расти. Суммарная плотность тока i и соотношение катодного и анодного токов IK/IA существенным образом определяют скорость формирования и структуру ОС за счет интенсификации как электрохимических, так и плазмохимических процессов, сопровождающихся высокотемпературными фазовыми превращениями. Температура электролита отвечает за его ионную проводимость и скорость протекания электрохимических реакций, а также за степень гидролиза алюмината и последующего термолиза его продуктов в микродуговом разряде.

Исследование зависимости характеристик оксидных слоев от ТПП показало, что состав электролита существенным образом определяет комплекс свойств ОС, получаемых на титановых сплавах ВТ1-0 и ВТ3-1. Основное влияние на фазовый состав и характеристики ОС оказывает концентрация NaAlO2, а концентрация KOH – лишь на интенсивность изменения этих характеристик при варьировании содержания алюмината.

По результатам рентгенофазового анализа МДО-покрытий, полученных в алюминатно-щелочном электролите на титановых сплавах ВТ1-0 и ВТ3-1, были идентифицированы (согласно картотеке программы «PHAN» ОАО «ВИЛС») три основные фазы:

с1 - Al2O3*TiO2, решетка орторомбическая, 32 ат. в ячейке, плотность =3,701г/см3;

с2 - -Al2O3, модификация корунд, решетка гексагональная, 30 ат. в ячейке, плотность =3,987г/см3;

с3 - TiO2, модификация рутил, решетка тетрагональная, 6 ат. в ячейке, плотность =4,264г/см3.

Исследования зависимости микротвердости полученных ОС от состава электролита показали наличие корреляции с фазовым составом, прежде всего, с содержанием твердого корунда. Сквозная пористость МДО-покрытий монотонно возрастает при увеличении концентрации обоих компонентов электролита во всем исследуемом диапазоне, причем зависимости электрической прочности полученных ОС имеют обратный характер. При этом установлено, что удельное сопротивление оксидных слоев в большей степени определяется их фазовым составом, чем сквозной пористостью.

В результате исследований было найдено оптимальное сочетание характеристик ОС, которое получается при обработке в электролитах с диапазонами концентраций KOH – от 1,5 до 2,5 кг/м3 и NaAlO2 – от 14 до 20 кг/м3 - для сплава ВТ1-0 и KOH – от 2,0 до 2,5 кг/м3 и NaAlO2 – от 16 до 18 кг/м3 - для сплава ВТ3-1.

Исследования зависимости характеристик покрытий от электрических ТПП показали, что изменение суммарной плотности тока коррелирует со скоростью формирования оксидного слоя.

Исследование влияния соотношения катодного и анодного токов позволило установить, что при увеличении соотношения IK/IA свыше 1 заметно снижается качество оксидных слоев, что связано с их травлением. Фазовый состав ОС, полученных на сплаве ВТ3-1, существенно отличался от фазового состава ОС на сплаве ВТ1-0, причем наблюдалась корреляция микротвердости с фазовым составом слоя. Анализ данных, полученных при измерении сквозной пористости ОС на сплаве ВТ1-0, показал, что увеличение соотношения токов от 0,78 до 1 приводит к уменьшению сквозной пористости, а повышение суммарной плотности тока – к ее росту, при этом можно отметить практически линейный характер последней зависимости. Исследования электрической прочности полученных ОС показали наличие обратной корреляции со сквозной пористостью.

Полученные результаты, можно связать с уменьшением анодной и увеличением катодной составляющих формующего импульса тока при увеличении IK/IA от 0,6 до 1, а, следовательно, со снижением интенсивности заполнения пор оксидного слоя продуктами электролиза компонентов электролита в разрядных каналах под действием анодного импульса и повышением степени оплавления стенок пор ОС под действием катодного импульса. Увеличение плотности тока повышает общее количество прошедшего электричества, что объясняет увеличение толщины оксидного слоя, а интенсификация физико-химических процессов в катодном полупериоде способствует протеканию процессов высокотемпературных полиморфных превращений оксидных фаз. При IK/IA > 1 наблюдается активация процессов эрозии в катодном полупериоде из-за повышения температуры в разрядных каналах и, как следствие, появления дуговых разрядов, прожигающих оксидный слой. При IK/IA менее 0,6 дуговой пробой оксидного слоя происходит в анодный полупериод формующего импульса тока, что проявляется в неравномерности оксидного слоя по толщине и снижении его механических характеристик. Оптимальным сочетанием электрических ТПП являются: суммарная плотность тока в диапазоне 1000 1200 А/м2 и соотношения катодного и анодного токов IK/IA = 0,78 - для сплава ВТ1-0; суммарная плотность тока 1200 1400 А/м2 и соотношение катодного и анодного токов IK/IA = 1 - для сплава ВТ3-1.

В результате проведенных экспериментальных исследований зависимости характеристик оксидных слоев от изменения температуры электролита было выявлено ее существенное влияние. Это можно объяснить тем, что повышение температуры электролита на 10-15 % вызывает рост давления его паров в газоразрядном поровом канале покрытия почти на порядок, вследствие чего происходит падение напряжения зажигания разряда, что, в свою очередь, увеличивает время его жизни и теплового воздействия на покрытие и электролит. Последнее приводит к росту степени гидро-термолиза компонентов электролита и инкорпорации его продуктов в покрытие. Была установлена оптимальная температура алюминатно-щелочного электролита для формирования многофункциональных оксидных покрытий: 16 - 18 °С для сплава ВТ1-0 и 22 – 24 °С для сплава ВТ3-1.

Рис. 1. Зависимость геометрических характеристик оксидных слоев, полученных на сплаве ВТ3-1, от продолжительности процесса МДО (концентрация КОН 2 кг/м3, NaAlO2 20 кг/м3)

Исследование кинетики роста ОС при оптимальных технологических параметрах процесса МДО выявило изменение абсолютного и относительного прироста исходных размеров образца, доли рабочего слоя в общей толщине ОС (рис. 1), скорости формирования оксидного слоя, значение которой, в зависимости от продолжительности оксидирования, составило от 0,3 до 1,8 мкм/мин (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость скорости роста оксидных слоев, полученных на сплаве ВТ3-1, от продолжительности оксидирования

Также было отмечено изменение фазового состава как в технологическом (рис. 3, а), так и в рабочем слоях (рис. 3, б).

а)

б)

Рис. 3. Зависимость фазового состава оксидных слоев, полученных на сплаве ВТ3-1, от продолжительности оксидирования (а технологический слой; б рабочий слой) в электролите с концентрациями КОН 2 кг/м3 и NaAlO2 20 кг/м3

При этом было установлено, что в процессе оксидирования микротвердость технологического слоя изменяется от 800 до 1000 кг/мм2, рабочего слоя – от 1300 до 1500 кг/мм2 (рис. 4, а), прочность сцепления ОС с основой – от 19 до 28 кг/мм2 (рис. 4, а), сквозная пористость – от 8 до 14 % (рис. 4, б), электрическая прочность – от 25 до 37 В/мкм (рис. 4, б), удельное сопротивление – от 1,4 до 2,4 МОм*м (рис. 4, б).

а)

б)

Рис. 4. Зависимость прочности сцепления с основой и микротвердости (а); электрической прочности, удельного сопротивления и сквозной пористости (б) оксидных слоев, полученных на сплаве ВТ3-1, от продолжительности оксидирования (электролите с концентрацией КОН 2 кг/м3 и NaAlO2 20 кг/м3)

На основе результатов проведенных исследований предложен механизм (физическая модель) и разработана математическая модель формирования оксидных слоев на титановых сплавах в анодно-катодном режиме микродугового оксидирования, связывающая ТПП микродугового оксидирования, кинетику и физико-химические процессы, протекающие при МДО, со свойствами получаемых ОС (рис. 5).

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»