Можливості фазово-структурної інженерії і властивості мікродугових оксидних покриттів на сплаві АМг3

Abstract

UK: Мета роботи: встановлення закономірностей впливу складу лужно-силікатного електроліту й умов електролізу під час мікродугового оксидування алюмінієвого сплаву АМг3 на кінетику формування оксидного покриття, його структуру та умови формування α-Al2O3 фази. Результати. Визначено можливість формування високощільних МДО-покриттів на алюмінієвому сплаві АМг3 за електролізу в лужно-силікатних електролітах. Виявлено закономірності кінетики зростання МДО-покриттів за різного складу електроліту та часу оксидування. Встановлено, що фазовий склад МДО-покриттів складається з наступних фаз – α-Al2O3, -Al2O3 і муліт (3Al2O3  2SiO2), співвідношення яких змінюється за зміною кількості силікату натрію (Na2SiО3). З’ясовано, що введення добавки в електроліт неорганічної розчинної солі, яка має в складі кисень (K2Cr2O7), викликає якісні зміни фазового складу – збільшення кількості фази -Al2O3 у складі покриттів і зростання твердості. При цьому з’являється можливість отримати МДО-покриття малої товщини (до 90 мкм) з великим умістом фази -Al2O3 (до 40 %), що не вдається реалізувати в лужно-силікатному електроліті. Аналіз впливу високотемпературних відпалів МДО-покриттів на вигляд дифракційного спектра дозволив виявити появу тетрагональності в кристалічній ґратці γ-А12О3 фази. Структурний стан із тетрагонально викривленими ґратками – це етап γ-А12О3 → -Al2O3 перетворення. Наукова новизна. Встановлено, що у разі використання для електролізу лужно-силікатного електроліту додавання рідкого скла (Na2SiO3) зумовлює збільшення швидкості зростання покриття, але при цьому стимулює формування муліту (3Al2O3 × 2SiО2) як фазової складової. Збільшення лужної (КOH) складової спричинює зменшення швидкості зростання (до 0,6...0,7 мкм/хв) та стимулює формування γ-Al2O3 фази. Формування α-Al2O3 (корунду) фази стимулюється при великої тривалості процесу, коли збільшується товщина діелектричного шару й потужність пробою. Збільшення кількості -Al2O3 викликає підвищення твердості покриттів. Ізотермічні відпали з температурою яка перевищує 1 000 °С, стимулюють γ-Al2O3 → -Al2O3 поліморфне перетворення. Початковим етапом такого перетворювання стає поява тетрагональності в кристалічній ґратці γ-Al2O3 фази. Практичне значення. Проведене дослідження дозволяє запропонувати добавку до лужно-силікатного електроліту у вигляді солі К2Сr2О7, яка підвищує швидкість формування МДО-покриттів до  1,4 мкм/хв, при цьому якісно і кількісно змінює фазовий склад покриттів, підвищуючи його твердість.

RU: Цель работы: установление закономерностей влияния состава щелочно-силикатного электролита и условий электролиза при микродуговом оксидировании алюминиевого сплава АМг3 на кинетику формирования оксидного покрытия, его структуру и условия формирования -Al2O3 фазы. Результаты. Определена возможность формирования высокоплотных МДО-покрытий на алюминиевом сплаве АМг3 при электролизе в щелочно-силикатных электролитах. Выявлены закономерности кинетики роста МДО-покрытий при различном составе электролита и времени оксидирования. Установлено, что фазовый состав МДО-покрытий состоит из следующих фаз – -Al2O3, -Al2O3 и муллит (3Al2O3  2SiO2), соотношение которых меняется при изменении количества силиката натрия (Na2SiО3). Установлено, что введение добавки в электролит неорганической растворимой соли, которая имеет в составе кислород (K2Cr2O7), приводит к качественному изменению фазового состава – увеличению количества фазы -Al2O3 в составе покрытий и росту твердости. При этом появляется возможность получить МДО-покрытия малой толщины (до 90 мкм) с большим содержанием фазы α-Al2O3 (до 40 %), что не удается реализовать в щелочно-силикатном электролите. Анализ влияния высокотемпературных отжигов МДО-покрытий на вид дифракционного спектра позволил выявить появление тетрагональности в кристаллической решетке γ-А12О3 фазы. Структурное состояние с тетрагонально искаженной решеткой является этапом γ-А12О3 → α-А12О3 превращения. Научная новизна. Установлено, что при использовании для электролиза щелочно-силикатного электролита добавления жидкого стекла (Na2SiO3) приводит к увеличению скорости роста покрытия, но при этом стимулирует формирование муллита (3Al2O3 × 2SiО2) в качестве фазовой составляющей. Увеличение щелочной (КOH) составляющей приводит к уменьшению скорости роста (до 0,6…0,7 мкм/мин.) и стимулирует формирование γ-Al2O3 фазы. Формирование α-Al2O3 (корунда) фазы стимулируется при большой длительности процесса, когда увеличивается толщина диэлектрического слоя и мощность пробоя. Увеличение количества -Al2O3 приводит к повышению твердости покрытий. Изотермические отжиги с температурой, превышающей 1 000 °С, стимулируют γ-Al2O3 → -Al2O3 полиморфное превращение. В качестве начального этапа такого превращения отмечено появление тетрагональности в кристаллической решетке γ-Al2O3 фазы. Практическое значение. Проведенное исследование позволяет предложить добавку к щелочно-силикатному электролиту в виде соли К2Сr2О7, которая повышает скорость формирования МДО-покрытий до  1,4 мкм/мин. и при этом качественно и количественно изменяет фазовый состав покрытий, повышая его твердость.

EN: Purpose of the work: to establish the regularities of the alkali-silicate electrolyte composition influence and the conditions of electrolysis during microarc oxidation of the AMг3 aluminum alloy on the kinetics of the oxide coating formation, its structure and the conditions for the formation of the α-Al2O3 phase. Results. The possibility of forming high-density MAO coatings on the AMг3 aluminium alloy during electrolysis in alkali-silicate electrolytes has been determined. The regularities of the kinetics of MAO coatings growth at different electrolyte composition and oxidation time were revealed. It was found that the phase composition of MAO coatings consists of the following phases − α-Al2O3, γ-Al2O3, and mullite (3Al2O3•2SiO2), the ratio of which changes with a change in the amount of sodium silicate (Na2SiO3). It was found that addition of an inorganic soluble salt dopant to the electrolyte, which contains oxygen (K2Cr2O7), leads to a qualitative change in the phase composition − an increase in the amount of α-Al2O3 phase in the coating composition and an increase in hardness. In this case, it becomes possible to obtain MAO coatings of small thickness (up to 90 μm) with a high content of the α-Al2O3 phase (up to 40 %), which cannot be carried out in an alkali-silicate electrolyte. Analysis of the effect of high-temperature annealing of MAO coatings on the shape of the diffraction spectrum made it possible to reveal the appearance of tetragonality in the crystal lattice of the γ-А12О3 phase. The structural state with a tetragonally distorted lattice is a stage of γ-А12О3 → α-А12О3 transformation. Scientific novelty. It was found that when using an alkaline-silicate electrolyte for electrolysis, the addition of liquid glass (Na2SiO3) leads to an increase in the growth rate of the coating, but at the same time it stimulates the formation of mullite (3Al2O3 × 2SiO2) as a phase component. An increase in the alkaline (KOH) component leads to a decrease in the growth rate (to 0,6…0,7 μm/min) and stimulates the formation of the γ-Al2O3 phase. The formation of the α-Al2O3 (corundum) phase is stimulated with a long process duration, when the thickness of the dielectric layer and the breakdown power increase. An increase in the amount of α-Al2O3 leads to an increase in the hardness of the coatings. Isothermal annealing at temperatures exceeding 1 000 °C stimulates the γ-Al2O3 → α-Al2O3 polymorphic transformation. The initial stage of such a transformation is the appearance of tetragonality in the crystal lattice of the γ-Al2O3 phase. Practical value. This study allows us to propose an additive to the alkali-silicate electrolyte in the form of a K2Cr2O7 salt, which increases the rate of formation of MAO coatings to 1,4 μm/min and, at the same time, qualitatively and quantitatively changes the phase composition of the coatings, increasing its hardness.