Файл: Отчет по теме Микродуговое оксидирование титана и титановых сплавов.docx
Добавлен: 06.11.2023
Просмотров: 177
Скачиваний: 4
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Увеличение производительности жидкостных сепараторов для разделения многофазных систем (фруктовых соков, дрожжевой суспензии, вина, питательных сред в медицинской промышленности) напрямую связано с увеличением скорости вращения барабана и его диаметром. При возрастании центробежных сил в деталях может возникнуть напряжение, способное привести к разрушению. Так как титан обладает удельным весом вдвое меньшим, чем сталь и более высоким запасом прочности, его использование для производства таких сепараторов намного целесообразнее. Особенно это актуально при производстве крахмала, где жидкие среды имеют высокую коррозионную активность.
Титан в авиации:
Благодаря высоким эксплуатационным качествам: износостойкости, высокой удельной прочности, титановые сплавы широко применяется в современной авиации. Возможность усовершенствовать конструкцию летательных аппаратов, облегчить вес, увеличить надёжность ответственных узлов. Благодаря таким материалам появилась возможность обеспечить более длительную надежную работу современных авиадвигателей. Уникальные свойства титановых сплавов обусловлены сбалансированным составом и особой технологией обработки. Добавка ниобия и алюминия в титановые сплавы способствует измельчению зерна, за счет выделения частиц ниобий-алюминий NbAl3 , являющихся центром кристаллизации. Максимальный эффект измельчения зерна наблюдается в присутствии 0,6−0,8% ниобия, при этом оптимизируются механические свойства. Подобные материалы характеризуются точностью химического состава, тщательность изготовления и обработки, отсутствие примесей.
Авиация стала первой отраслью, которая по достоинству оценила замечательные качества титановых сплавов. Создание летательных аппаратов, рассчитанных на сверхзвуковые скорости, потребовало применение материалов нового поколения. Температура на поверхности обшивки планера при сверхзвуковых скоростях превосходит уровень термостойкости алюминиевых и магниевых сплавов. Титановые сплавы пригодны для изготовления обшивки планера с расчетной скоростью 4000 км/ч. Повышенные рабочие температуры характерны и для авиадвигателей. Так при увеличении тяги двигателя на 10−15% температура газовой струи повышается на 50 °C. Из титана изготавливаются лонжероны, детали шасси, балки, шпангоуты, что даёт выигрыш вес 30−40%. Применение титановых сплавов подняло авиастроении на новый уровень. Это объясняется его высокими прочностными характеристиками при небольшом удельном весе. Так, из титановых сплавов производят каркасные детали, также их используют в оформлении обшивки, двигателя, воздухозаборников. Кроме того, применение титановых сплавов в авиации связано с выпуском топливных баков, которые испытывают чрезмерные нагрузки в широком диапазоне температур.
Применение титана в других сферах:
Химическая и перерабатывающая отрасль, опреснение морской воды, гальванотехника, чёрная и цветная металлургия, пищевая отрасль, целлюлозно-бумажная, строительная лесотехническая отрасль, фармацевтика, медицина, приборостроение, авиация, морское судостроение, металлообработка, автомобилестроение, электротехника, сельскохозяйственное машиностроение, геологоразведка, ракетостроение, морское судостроение, автомобилестроение, геологоразведка, электротехника, приборостроение, криогенная техника, архитектура. 6
ПРОЦЕСС МИКРОДУГОВОГО ОКСИДИРОВАНИЯ (МДО)
Микродуговое оксидирование – это электрохимический процесс модификации (окисления) поверхности вентильных металлов и их сплавов (например, сплавы Al, Mg, Ti и др.) в электролитной плазме с целью получения оксидных слоев (покрытий) 10. Процесс этот берет свое начало от анодирования, однако проводится при большем напряжении, за счет чего происходят микродуговые разряды в точках пробоя барьерного слоя на поверхности. В области пробоя резко повышаются температура и давление, часть металла переходит в раствор, где присутствует в виде ионов. Другая часть расплавленного металла взаимодействует с компонентами электролита и формирует МДО-покрытие. Благодаря этому покрытие формируется не только на поверхности, но и вовнутрь изделия. Помимо этого, высокие температуры в зоне пробоя приводят к формированию градиентного переходного слоя на границе металл-покрытие. Этот слой обеспечивает прочное сцепление МДО-покрытия с подложкой, что в свою очередь обеспечивает адгезию полимерных покрытий наносимых на поверхность детали. Технология МДО реализуется на оборудовании аналогичном гальваническому оборудованию. Аппаратурное оформление для МДО ближе всего к процессу анодирования алюминия. Их принципиальные различия состоят в используемых источниках питания и электролитах, являющихся собственными разработками. Это отличает технологию не только от анодирования и гальваники как таковой, но и от МДО реализуемого на других предприятиях.
Основными техническими характеристиками МДО-технологии являются: высокая производительность; применение надежных источников питания, позволяющих получать покрытие за более короткое время и с меньшими энергозатратами (0,12 кВт/м2 по сравнению с МДО других организаций); возможность покрытия сложнопрофильных деталей; возможность получения покрытия различного функционального назначения; высокая скорость формирования покрытия – от 1 до 1,5 мкм/мин; экологическая безопасность.
Основными преимуществами микродуговых покрытий являются:
* возможность создания сверхпрочных покрытий, уступающих по прочности только алмазам
* возможность нанесения покрытий на внешних и внутренних поверхностях деталей любой конфигурации
* возможность получения разных цветов покрытий без дополнительной покраски
* отсутствие необходимости в предварительной обработке поверхностей
* высокое сопротивление коррозионной усталости (высокий предел выносливости). 8
Титановые сплавы широко применятся в аэрокосмической и других областях промышленности, что связано с их высокими удельными характеристиками. Однако существуют области, где применение этих сплавов ограничено их невысокой твердостью и износостойкостью. В связи с этим актуальной является задача поверхностного упрочнения титановых сплавов. Перспективным методом поверхностного упрочнения является микродуговое оксидирование (МДО). Упрочнение металлов при МДО происходит за счет образования на поверхности металла покрытия, которое состоит из оксида металла подложки и оксидов химических элементов, входящих в состав электролита. Важной задачей, особенно при получении покрытий различной цветовой гаммы и покрытий с высокой излучающей способностью, является качественное и количественное определение их химического состава. В процессе формирования МДО-покрытия большую роль играют плазмохимические и термические процессы, в результате которых на поверхности образуются сложные химические соединения.
При получении на поверхности изделий, выполненных титановых сплавов, черных покрытий в электролите, в состав которого входят гексаметафосфат натрия и метаванадат натрия или аммония, результаты рентгенофазового анализа показали, что в них содержатся оксиды ванадия V4O9 и V2O4. На основании количественных анализов следует, что внешний слой покрытия преимущественно состоит из V4O9 и V2O4 с включением оксидов фосфора и незначительным включением оксидов алюминия. Слой покрытия, прилегающий к металлу, состоит из собственного оксида обрабатываемого металла. Механизм образования черных пленок со слоистой структурой схематически можно представить следующим образом. Первоначально в доискровой области обработки идет окисление металла с образованием собственного оксида. При достижении определенной толщины пленки появляются искровые разряды. Далее, при достижении определенного напряжения на аноде, механизм образования покрытия претерпевает изменение. Внешне это проявляется в изменении характера искрения на аноде и появлении на серо-белой первичной пленке черных точек зародышей фаз оксидов ванадия. При дальнейшем ведении процесса оксидирования черные участки разрастаются, покрывая всю поверхность пленки. При этом напряжение на аноде остается примерно постоянным. В этот период возникают условия для преимущественного роста пленки за счет оксидов ванадия, что можно объяснить возникновением трудностей в диффузии ионов металла подложки во внешнюю часть растущей пленки за счет формирования объемных зарядов в пленке и образованием микроплазменных разрядов в пространстве между областью объемных зарядов и электролитом, т. е. в поверхностной части растущей пленки, что приводит к ее дальнейшему росту за счет элементов электролита, причем преимущественно за счет оксидов ванадия. При обработке титана в электролите, содержащем алюминат, сульфат, тетраборат натрия и борат алюминия, образуется эмалевидная пленка, плотная белого цвета, состоящая из рутила TiO
2, шпинели Al2×TiO5 и корунда α-Al2O3. При нанесении покрытия на титановые сплавы в электролите, содержащем фосфат натрия и иодат калия, локальное повышение температуры (до 2800–3000 °С) в момент искрения, приводит к переплавке продуктов оксидирования.
Адсорбированные в начальный период анодирования (до 100 В) ионы под воздействием высокого напряжения (400–500 В) и температуры образуют соединения с двуокисью титана типа фосфидов или P2O5, о чем свидетельствует наличие на всех рентгенограммах обширной аморфной фазы, которую на основании данных ОЖЕ-спектроскопии необходимо отнести к соединениям типа фосфидов или P2O5. Фосфорный ангидрид образует с двуокисью титана дифосфат титана по реакции
TiO2+ P2O5=TiP2O7
Кроме того, при сплавлении TiO2 с фосфатом натрия происходит образование комплексного соединения триортофосфатодититаната натрия:
TiO2+ NaPO3 (распл.)= Na[Ti2 (PO4)3]
Эти соединения улучшают электрофизические свойства оксидных пленок. В работе авторы, исследуя фазовый состав покрытий, формируемых на титане в фосфатном электролите, пришли к выводу, что появление рутильной фазы связано с возникновением интенсивных микродуг на поверхности анода при высоких потенциалах формирования. Это подтверждает тот факт, что температурный фактор является одним из основных при формировании соответствующих структур при МДО-процессе; при более низких потенциалах формирования в составе покрытий обнаружены TiO2 (анатаз), TiP2O7, NaTi2(PО4)3 и аморфная фаза. Образование TiP2O7 на аноднополяризованном электроде из титана возможно в результате взаимодействия оксида титана с ортофосфорной кислотой или с фосфорным ангидридом при воздействии высоких температур:
TiO2+2Н3PO4= TiP2O7+3H2O
TiO2+ P2O5= TiP2O7
На аноде температурный режим для протекания указанных реакций реализуется в зонах пробоя. Синтез триортофосфатодититаната натрия NaTi2(PO4) характерен для гидротермальных процессов с системе TiO2 –NaHPO4 –H2O. Обнаруженные рентгеноаморфные фазы в покрытии, по предположениям авторов, состоят из стеклофаз, формируемых в системе Na2O–P2O5 –TiO2. Таким образом, несмотря на большое количество исследований элементного состава МДО-покрытий, количественное соотношение соединений, входящих в покрытие, исследовано недостаточно. Поэтому в работе проведены экспериментальные исследования по определению количественного соотношения химических соединений, входящих в МДО-покрытия, при различных технологических режимах обработки на титановых сплавах. 12
ЗАЧЕМ ОКСИДИРОВАТЬ ТИТАН И ЕГО СПЛАВЫ
Оксидирование титана – это преднамеренное окисление поверхностного слоя металлических изделий, введение его в пассивное состояние. Полученные в результате оксидирования титана пленки позволяют:
* повысить химическую стойкость металла
* изменить окраску его поверхности, придавая декоративность
* повысить адсорбционную способность поверхности для последующего нанесения лакокрасочных покрытий.
Титан и его сплавы отличаются низкой износостойкостью, что затрудняет их применение для деталей, работающих в условиях фрикционного износа. В резьбовых соединениях наблюдается задирание и наволакивание металла.
Титан недостаточно устойчив в некоторых химических средах (растворы серной, соляной, фосфорной кислот). Для устранения этих недостатков рекомендуется применять оксидные покрытия. Тонкие оксидные пленки улучшают фрикционные свойства, повышают химическую стойкость металла, изменяют окраску его поверхности. Пленки повышенной толщины обладают хорошей адсорбционной способностью.
Оксидирование проводится анодной обработкой деталей в растворах серной, щавелевой, фосфорной, хромовой кислот или их смесей, иногда с добавками других компонентов. Оксидные пленки черного цвета, повышающие стойкость титана в 40 %-ной H2SO4, могут быть получены анодной обработкой его в 18 %-ном растворе H2SO4 по следующему режиму: температура электролита 80 °С, плотность тока 0,5 А/дм2, продолжительность обработки до 8 ч. Толщина получаемых при этом пленок около 2,5 мкм. Оксидные пленки толщиной около 1 мкм получаются при электролизе в течение 2 ч при 100 °С и плотности тока 1 А/ дм2.
Фрикционные свойства титановых деталей улучшаются, если на их поверхность нанесены оксидные пленки толщиной 0,2-0,3 мкм. Такие покрытия формируются в 5 %-ном растворе щавелевой кислоты. Электролиз ведут при 18-25 °С в течение 60 мин. Анодную плотность тока в начале процесса устанавливают I - 1,5 А/дм2 и поддерживают постоянной в течение 5-10 мин, напряжение на ванне за это время повышается до 100-120 В. В дальнейшем плотность тока понижается до 0,2-0,3 А/дм2. При эксплуатации в отсутствии смазки лучшие результаты показывают оксидные пленки, полученные при указанных условиях, за исключением температуры, которая должна быть понижена до 6-8 °С. Использование коллоидно-графитовой смазки еще больше повышает износостойкость оксидированной поверхности. Для получения оксидных пленок толщиной 20-40 мкм предложен электролит, содержащий (г/л) 350-400 H