Исследование свойств МДО-покрытий, сформированных на алюминиевом сплаве системы Al-Mg-Sc

Введение. Предприятия оборонно-промышленного комплекса (ОПК) при изготовлении ракетно-космической техники (РКТ) в течение длительного времени применяют алюминиевый сплав АМг6 системы Al–Mg в связи с тем, что он обладает высокими удельными характеристиками. Лабораторные эксперименты, проведенные группой исследователей под руководством М. Е. Дрица, установили, что добавление десятых долей процента скандия приводит к существенному повышению прочностных свойств алюминиевого сплава без ущерба для остальных эксплуатационных характеристик. Разработанный в 70-х годах прошлого столетия алюминиевый сплав с присадкой скандия получил название 01570 и содержит в своем химическом составе: 5,8–6,8 % Mg, 0,3–0,5 % Sc, 0,1–0,25 % Mn, 0,05–0,15 % Zr, а также добавки других элементов [1–3].

Алюминиевый сплав 01570 имеет высокие прочностные характеристики (370–390 МПа). При всех положительных свойствах данного сплава его стойкость к коррозии остается невысокой при условиях эксплуатации в агрессивных средах, что влияет на снижение физико-механических характеристик поверхности. Существует возможность решить данную задачу, повысив эксплуатационные свойства данного сплава, например, обработкой поверхности микроду-говым оксидированием (МДО). Микродуговое оксидирование – процесс формирования покрытий в высоковольтном режиме на поверхности металлов, находящихся в электролите. МДО представляет собой упрочняющую обработку материалов, в процессе которой совмещаются плазменный и электрохимический механизмы формирования оксидного слоя. Микроду-говое оксидирование – это технология получения оксидного покрытия с уникальным комплексом физикомеханических свойств и высокой коррозионной стойкостью в агрессивных средах [4–6].

Экспериментальная часть. Экспериментальные исследования были проведены на образцах из алюминиевого сплава 01570. Формирование покрытий производилось на установке ИАТ-Т в силикатнощелочном электролите, наиболее широко применяемом при МДО [7–14]. В процессе обработки менялись следующие технологические параметры: соотношение катодной и анодной составляющих тока в пределах от 0,8 до 1,2 при фиксированной величине плотности тока I = 40 А/дм² в течение 15 мин. Технологические режимы обработки выбраны на основании результатов ранее проведенных работ [15–19].

Исследования толщины формируемого слоя и морфологии, количественный анализ химических соединений, присутствующих в покрытии, проводились методами оптической и электронной микроскопии.

По результатам исследования характера морфологии формируемых покрытий можно судить о пористости, от которой зависит их коррозионная стойкость в агрессивных средах. Чем ниже пористость, тем меньше вероятность проникновения среды в глубинные слои покрытия и его последующего разрушения.

На рис. 1 представлены результаты исследования толщины покрытий, полученных при разных соотношениях катодной и анодной составляющих тока.

На графике отображено изменение толщины оксидного слоя с увеличением соотношения катодной и анодной составляющей тока. Толщина МДО-покры-тий увеличивается последовательно. Толщина оксидного слоя на сплаве 01570 сравнительно ниже, чем на сплаве АМг6 (которая при аналогичных режимах обработки достигает 120 мкм), предположительно за счет присутствия в составе легирующей присадки скандия, которая обусловливает прочностные свойства сплава.

Микрофотографии морфологии покрытий представлены на рис. 2.

Исходя из полученных данных, следует, что при увеличении соотношения катодной и анодной составляющих тока морфология изменяет свою структуру: от множественных пор различной формы до разрастающихся безпористых участков. Общее количество пор уменьшается, визуализируется более однородная, сглаженная поверхность. Такая тенденция к изменению морфологии прослеживается на всех образцах.

Прочностные характеристики МДО-покрытия обусловлены образованием оксида алюминия, который находится в двух аллотропических модификациях α-Al2O3, γ-Al2O3 [20]. В данной работе проведен количественный анализ состава покрытий, сформированных на рассматриваемом сплаве.

На рис. 3 представлены результаты исследования качественного и количественного анализа состава покрытий.

Полученные результаты показывают количественное содержание оксидов на поверхности образца в различных спектральных зонах. В плотных бездефектных местах содержание оксида алюминия возрастает, на участках со сложной рельефной структурой преобладают алюмосиликаты и поверхностные комплексы, образовавшиеся из состава электролита. При МДО с увеличением соотношения катодной и анодной составляющих тока происходят изменения в химическом составе, содержание алюмосиликатов снижается, а оксида алюминия – повышается. В покрытии, сформированном на сплаве 01570, содержание оксида алюминия достигает до 80 % при следующих режимах обработки: Ik / Ia = 1,2, I = 40 А/дм 2 .

Рис. 1. Зависимость толщины МДО-покрытий, сформированных в силикатно-щелочном электролите, от соотношения катодной и анодной составляющей тока при I = 40 А/дм²

соотношениях катодной и анодной составляющих тока ( Ik / Ia – от 0,8 до1,2 при I = 40 А/дм 2 ): а – Ik / Ia = 0,8;

б – Ik / Ia = 1; в – Ik / Ia = 1,2

Спектр	O	Na	Mg	Al	Si	K
Спектр 1	50,72	0,86	1,40	16,69	27,67	2,66
Спектр 2	50,30		2,29	34,88	11,81	0,72
Спектр 3	51,13	1,55	0,66	6,83	34,53	5,29
Спектр 4	48,72		2,43	41,51	7,34
Спектр 5	47,55	0,74	0,36	2,81	42,53	6,03

Спектр	O	Na	Mg	Al	Si	K
Спектр 1	53,82	1,21	1,04	12,28	27,96	3,70
Спектр 2	54,06	1,29	0,73	11,24	29,11	3,57
Спектр 3	51,86	0,74	2,07	27,67	16,26	1,40
Спектр 4	51,58	1,04	0,99	13,66	29,91	2,81
Спектр 5	44,98	0,52	2,23	37,87	12,92	1,47

Спектр	O	Na	Mg	Al	Si	K
Спектр 1	50,31	0,59	1,69	19,83	25,17	2,42
Спектр 2	46,52	0,16	2,03	35,67	15,10	0,52
Спектр 3	50,53	0,69	1,83	19,15	25,46	2,34
Спектр 4	50,71		2,61	39,81	6,70	0,17
Спектр 5	53,82	1,28	0,36	2,84	37,14	4,55

Рис. 3. Микрофотографии поверхности (при ×500) с обозначением спектральных зон на образцах, сформированных при различных соотношениях катодной и анодной составляющих тока: а – Ik / Ia = 0,8 при I = 40 А/дм 2 ; б – Ik / Ia = 1 при I = 40 А/дм 2 ; в – Ik / Ia = 1,2 при I = 40 А/дм 2

Так как покрытия, сформированные микродуго-вым оксидированием, имеют слоистую структуру и поверхностный слой, как правило, содержит муллит, в случае высоких требований к прочностным характеристикам покрытия возможно проведение финишной механической обработки поверхности для снятия рыхлого технологического слоя.

На рис. 4 представлены результаты исследования морфологии и количественный анализ состава покрытий, полученных с различными соотношениями катодной и анодной составляющих тока после механической обработки поверхностного слоя.

При проведении механической обработки с поверхности удаляются алюмосиликаты и химические комплексы, образовавшиеся из состава электролита, за счет этого процентное содержание оксида алюминия в покрытии повышается. Поверхность образцов имеет преобладающие участки с беспористой структурой, ровной и гладкой.

Заключение. В данной работе проведены первичные исследования свойств покрытий, сформированных на алюминиевом сплаве 01570 микродуговым оксидированием. На данной стадии установлено, что покрытия имеют схожую морфологию с покрытиями, полученными ранее на сплаве АМг6. По результатам электронной микроскопии следует, что покрытия имеют в своем составе оксид алюминия, содержание которого возрастает до 80 % при увеличении соотношения катодной и анодной составляющих тока Ik / Ia от 0,8 до 1,2. Данные результаты показывают о целесообразности дальнейших исследований свойств покрытий, полученных микродуговой обработкой сплава 01570 для повышения физико-механических свойств, коррозионной стойкости и других характеристик.

ЭОмкт                1 Электронное изображение 1

Спектр	O	Mg	Al	Si	K
Спектр 1	56,58	1,66	17,70	22,69	1,37
Спектр 2	54,68	2,01	28,14	14,54	0,63
Спектр 3	62,26	2,00	30,74	5,00
Спектр 4	48,43	0,80	8,15	41,44	1,17
Спектр 5	44,46	2,44	29,07	22,54	1,49

Электронное изображение 1

Спектр	O	Na	Mg	Al	Si	K	Fe
Спектр 1	48,98	0,90	2,06	23,64	20,75	3,67
Спектр 2	41,35		1,54	35,13	17,90	4,07
Спектр 3	40,39		1,90	36,06	20,92	0,73
Спектр 4	47,47		2,24	32,74	9,40		8,14
Спектр 5	48,74	0,97	1,81	22,89	21,43	4,15

Рис. 4. Микрофотографии поверхности (при ×500) после механической обработки с обозначением спектральных зон на образцах, сформированных при различных соотношениях катодной и анодной составляющих тока: а – Ik / Ia = 0,8 при I = 40 А/дм 2 ; б – Ik / Ia = 1 при I = 40 А/дм 2 ; в – Ik / Ia = 1,2 при I = 40 А/дм 2

Спектр	O	Na	Mg	Al	Si	K
Спектр 1	46,35	0,78	1,63	21,48	27,26	2,49
Спектр 2	41,88	0,30	3,04	47,27	6,95	0,57
Спектр 3	21,24	0,46	1,10	19,45	55,34	2,41
Спектр 4	50,41	1,13	1,51	9,43	34,07	3,45

Acknowledgments. This work was financially supported by the Ministry of Education of the Russian Federation, the state contract № 2.G2531.0043.