РОЗДІЛ 2
МАТЕРІАЛИ ТА МЕТОДИКИ ДОСЛІДЖЕНЬ
2.1. Досліджувані матеріали та їх властивості
Досліджували магнієві сплави, що випускаються промисловістю, а саме, МА18, ВМД10, МА15, МА2-1, та МА21 (ИМВ2), леговані алюмінієм, літієм та цинком, що забезпечувало їм широкий діапазон властивостей по міцності та корозивній тривкості.
Таблиця 2.1.
СплавХімічний склад досліджуваних сплавівMnAlZnLiYCdZrLaМА21
(ИМВ2)0,1-0,54-61,37,0-104МА180,1-0,40,5-12,310-11,5ВМД100,87,1-7,90,630,5МА152,31,2-20,45-0,90,7-1,1МА 2-10,324,70,9
МА 2-1 - високоміцний сплав системи Mg-Al-Zn-Mn, в якому алюміній та цинк знаходяться в сплаві у твердому розчині [1]. Максимальне зміцнення сплаву досягається при вмісті алюмінію 4,7 %, а цинку 0,9 %. Присутність в сплаві марганцю приводить не тільки до зміцнення, а і до підвищення корозивних властивостей. МА15 сплав системи Mg-Zn-Zr також відноситься до високоміцних сплавів. Рідкоземельні елементи приводять до утворення хімічних сполук та позитивно впливають на механічні властивості при нормальній та підвищеній температурах. Кадмій має необмежену розчинність в твердому магнії і підвищує технологічну пластичність, що забезпечує можливість більш високих ступенів деформації і приводить до підвищення міцності та пластичності при нормальних та підвищених температурах (1500С).
Магнієво-літієві сплави МА21 (ИМВ2) та МА18 є надлегкими конструкційними матеріалами. Їх густина 1,3-1,6 г/см3, що на 10 - 30% менше густини стандартних магнієвих сплавів. Крім цього, вони мають підвищену пластичність, деформівні властивості та інші. Основним їх недоліком вважається низька корозивна тривкість внаслідок формування на їх поверхні оксиду та гідрооксиду літію, який не дає можливості сформувати на їх поверхні захисні покриття.
2.2. Методика процесу синтезу оксидокерамічних покриттів на магнієвих сплавах в електролітній плазмі
Формування оксидокерамічних покриттів можливе на алюмінієвих, магнієвих, цирконієвих і деяких інших вентильних матеріалах, оксиди яких мають декілька поліморфних модифікацій. Високотемпературні фази оксидів формуються при підведенні в зону реакції висококонцентрованої енергії. Такі процеси проходять в електролітній плазмі іскрового розряду в електролітах на основі води. Внаслідок дисоціації води частина кисню, що утворюється, вступає в реакцію з металом і на його поверхні виникає оксид. Електричне поле є джерелом енергії для формування покриття на робочому електроді. Анодний процес, що проходить при збільшенні напруги в системі метал - електроліт, ділиться на три характерні області: І - фарадеївська; ІІ - іскріння; ІІІ - мікродугових розрядів (див. рис. 1.1).
Електрохімічні процеси, що проходять в фарадеївській області, відомі в літературі, як анодування [33, 87]. Оксидна плівка утворюється внаслідок окислення металу анода киснем, що виникає за електролізу електроліту під дією електричного поля. На аноді можуть проходити три окислювальні процеси: електрохімічне окислення води з виділенням кисню, розряд аніона (тобто його окислення), електрохімічне окислення металу. В лужному середовищі електрохімічне окислення води з виділенням кисню описується рівнянням:
4ОН-=О2+2Н2О+4е-. (2.1)
З вищеназваних процесів буде проходити той, який найбільш енергетично вигідний. Якщо потенціал анода в ряді стандартних потенціалів знаходиться попереду обох інших електрохімічних систем, то буде проходити анодне розчинення металу. Збільшення позитивного анодного потенціалу приводить до протікання процесу окислення, який приводить до вивільнення електронів. Подальше збільшення анодного потенціалу приводить до пробою діелектричної або напівпровідникової плівки анода, який виникає під дією електричного поля внаслідок лавиноподібної інжекції електронів із забороненої зони в зону провідності. Стимулювати цей процес можуть також електрони, що виділяються внаслідок електрохімічних реакцій на аноді. У пробійному каналі сильно зростає температура, проходить дисоціація та іонізація електроліту і формується плазмовий згусток, в якому реалізуються плазмохімічні реакції синтезу оксиду.
В області мікроіскрового розряду енергія локальної іскри достатньо висока і тому існує можливість утворення MgO з атомів та іонів магнію та кисню. В момент вичерпання носіїв заряду розрядний канал гасне, проходить кристалізація синтезованого оксиду і виділяється надлишкове тепло. Проведення процесу в корозійно активних електролітах разом з формуванням оксидної фази проходить до її розчинення та сповільнення часу проходження процесів. Для зменшення розчинення покриття підведення енергії доцільно здійснювати в імпульсному режимі. При цьому час плазмохімічної реакції в розрядному каналі і об'єм синтезованого оксиду лімітуються тривалістю імпульсу. Після цього проходить швидке охолодження невеликого об'єму оксиду, що зменшує імовірність розчинення новоутворених об'ємів оксиду. Разом з цим імпульсний режим синтезу оксиду покращує локальний тепловідвід, дає можливість підтримувати локальну температуру нижче критичної, при якій можливий скол покриття внаслідок різних коефіцієнтів теплового розширення основного металу і покриття та пришвидшує процеси дифузії в області локального розряду.
З робіт [88, 89] відомо, що присутність водню в технологічних середовищах впливає на формування покриття, покращує їх параметри і властивості. Аналізуючи вищезгадані положення, оптимальний процес синтезу буде проходити при почерговому проходженні окисних і відновних реакцій на робочому електроді, тобто почерговій подачі анодних і катодних імпульсів в систему метал електроліт. Кількість оксиду в покритті залежить від умов його синтезу, а саме: вольт-амперних характеристик процесу; складу і концентрації електроліту, які впливають на формування первинної оксидної плівки і стан та склад плазми; наявності легувальних елементів, які впливають на інжекцію електронів і кристалізацію оксиду.
Синтез оксидів на маг