Влияние внешних физических воздействий на микроплазмохимические процессы при электрохимическом формировании оксидных покрытий на сплавах алюминия - Автореферат
Анализ соотношений, позволяющих рассчитывать величины токовых составляющих процесса микродугового оксидирования. Описание модели, объясняющей возникновение и распределение микроразрядов на обрабатываемой по методу микродугового оксидирования поверхности.
Аннотация к работе
Микроплазмохимические электролитические процессы, и в частности микродуговое оксидирование (далее МДО) - новое и весьма перспективное направление в технологии электрохимического формирования сплавленных и кристаллизованных оксидных покрытий. Варьирование необходимыми функциональными свойствами покрытий, получаемых методом МДО, весьма сложно, слабо предсказуемо, а, зачастую, и невозможно. впервые предложена модель, позволяющая объяснить возникновение и распределение микроразрядов на обрабатываемой по методу микродугового оксидирования поверхности возникновением флуктуаций объемной плотности заряда на квазикатоде; теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность влиять на распределение микроразрядов, на их параметры и свойства покрытия, формируемого методом МДО путем наложения внешнего электромагнитного поля и ультразвуковых колебаний электролита; полученные экспериментальные данные о массе формируемых МДО покрытий и их сопоставление с массой покрытия, рассчитанной по математической модели, позволили высказать предположение, что в условиях протекания микроплазмохимических процессов покрытие формируется по механизму анодного оксидирования, а свойства формирующегося покрытия, его структура определяются характеристиками плазмы.При подаче на деталь, погруженную в электролит, положительного напряжения, в электролите начинается перераспределение зарядов. Наконец, ток через канал разряда перестает течь, после чего охлаждение области канала приводит сначала к втягиванию образовавшихся продуктов реакции в канал, а затем к конденсации и кристаллизации оксидов на дне и стенках канала. Через нее начинает вновь протекать ток до тех пор, пока нагрев электролита в поре вновь не приведет к вскипанию в ней электролита и образованию парового пузыря и развитию микроразряда. Паровые пузырьки в расположенных поблизости от микроразряда порах со временем остывают, схлопываются, и поры вновь оказываются заполненными электролитом, а электрохимический процесс начинает протекать как при обычном толстослойном анодировании. Зависимость плотности тока в электролите от напряженности Е электрического поля имеет вид: j = EZ no (u u-)E, (7) где е - элементарный заряд; Z - валентность положительных ионов в растворе; no - концентрация положительных ионов в электролите; u и u- - подвижности соответственно положительного и отрицательного ионов, то есть средние скорости направленного движения этих ионов под действием электрического поля, напряженность которого равна единице.С использованием предложенной модели эквивалентных сопротивлений определен предполагаемый вклад каждого из процессов в образование покрытия при микродуговом оксидировании. Установлено, что микроплазменные процессы вносят не столь большой вклад в образование массы покрытия, как это следовало ожидать из результатов проведенных расчетов. Основная масса покрытия при микродуговом оксидировании образуется в процессе электрохимического анодного окисления металла. Обнаружено, что наложение внешних электромагнитного поля и ультразвуковых колебаний на процесс МДО приводит к некоторому снижению толщины покрытия, но при этом позволяет увеличить его микротвердость. Установлено, что причиной большого возрастания силы тока в момент начала процесса МДО в анодно-катодном режиме является большая емкость двойного электрического слоя на начальной стадии процесса, и, как следствие, большой ток перезарядки при проведении процесса на переменном токе.
План
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Вывод
1. С использованием предложенной модели эквивалентных сопротивлений определен предполагаемый вклад каждого из процессов в образование покрытия при микродуговом оксидировании. Проведено экспериментальное определение массы покрытия, формируемого способом МДО.
2. Установлено, что микроплазменные процессы вносят не столь большой вклад в образование массы покрытия, как это следовало ожидать из результатов проведенных расчетов. Основная масса покрытия при микродуговом оксидировании образуется в процессе электрохимического анодного окисления металла.
3. Подтверждено, что масса образовавшегося покрытия в процессе МДО в значительной степени зависит от состава электролита.
4. При микродуговом оксидировании микроплазменные образования влияют на процессы оплавления, кристаллизации и изменение фазового состава формируемых покрытий.
5. Обнаружено, что уменьшение плотности тока приводит к перераспределению микроразрядов на поверхности детали. Это связано с уменьшением скорости подвода ионов к поверхности электрода. Напряженность электрического поля между металлом анода и ионным квазикатодом в электролите уменьшается, и величина ее оказывается недостаточной для пробоя толстого оксидного покрытия. Микроразряды возникают только там, где толщина покрытия минимальная. При уменьшении плотности тока до определенной величины (~ 1,5А/дм2) микродуговые разряды горят только на внутренней поверхности проходного канала заготовки, при плотности тока менее 0,4 А/дм2 микроразряды не возникают вообще. Это явление может быть использовано для выравнивания толщины покрытия при нанесении покрытия по методу МДО на детали сложной формы.
6. На основании разработанных нами модельных представлений о процессах, происходящих при микроразрядах, и известных данных о характеристиках микроразрядов в качестве внешних воздействующих физических факторов выбраны электромагнитное поле и УЗК. Аналитически определены пределы частотных и амплитудных значений используемых физических факторов.
7. Обнаружено, что наложение внешних электромагнитного поля и ультразвуковых колебаний на процесс МДО приводит к некоторому снижению толщины покрытия, но при этом позволяет увеличить его микротвердость.
8. Установлено, что причиной большого возрастания силы тока в момент начала процесса МДО в анодно-катодном режиме является большая емкость двойного электрического слоя на начальной стадии процесса, и, как следствие, большой ток перезарядки при проведении процесса на переменном токе. Для устранения или существенного уменьшения данного явления предложено использование комбинированного токового режима: на начальном этапе процесс проводится в анодном режиме до выхода на стадию искрения, после чего токовый режим изменяется на анодно-катодный.
9. На основе анализа причин возникновения микроразрядов и их распределения на поверхности детали при МДО высказано предположение, что возникновение микроразрядов на поверхности детали связано с флуктуациями плотности объемного заряда квазикатода.
10. Доказана возможность изменения распределения микроразрядов на поверхности обрабатываемой детали в процессе МДО наложением внешнего электромагнитного поля. Отсутствие визуально наблюдаемого влияния УЗК на распределение микроразрядов связано, по-видимому, как с незначительными размерами образцов, которые были значительно меньше длинн волн ультразвука, так и с тем, что в ходе экспериментов не удалось добиться эффекта «стоячей волны».
11. Методом рентгенофазового анализа установлено, что в состав покрытия входят Al2O3 и шпинельные фазы.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В ИЗДАНИЯХ, РЕКОМЕНДОВАННЫХ ВАК РФ
1. Нечаев Г.Г. Микроплазмохимический синтез оксидных покрытий (микродуговое оксидирование) как синергетическое явление. Моделирование процесса методом эквивалентных сопротивлений / Г.Г.Нечаев, С.С.Попова // Вестник Саратовского государственного технического университета.- 2007.- №1. Вып.2. - С.48-52.- ISBN 5-7433-1781-X.- Статья принята к опубликованию 24.10.06.
7. Нечаев Г.Г. О возможности внешнего воздействия на микрораряды при микроплазмохимическом электролитическом процессе / Г.Г.Нечаев, С.С.Попова // Покрытия и обработка поверхности. Качество, эффективность, конкурентноспособность. Материалы 2-й Междунар. конф. / Центр междунар. торг.- Москва, 2005 г. - С. 63-64.
8. Нечаев Г.Г. О возможности внешнего воздействия на микроразряды при микроплазмохимическом электролитическом оксидировании / Г.Г.Нечаев, С.С.Попова // Актуальные проблемы электрохимической технологии: сборник статей молодых ученых / Сарат. гос. техн. ун-т.- Саратов, 2005 г.- С.214-216.- ISBN 5-7433-1542-6.
9. Нечаев Г.Г. Влияние емкости двойного электрического слоя на процесс микродугового оксидирования / Г.Г.Нечаев, С.С.Попова // Актуальные проблемы электрохимической технологии: сборник статей молодых ученых / Сарат. гос. техн. ун-т.- Саратов, 2008 г.- С.175-177.- ISBN 978-5-7433-1906-0.
10. Липчанский А.Б. Микродуговое оксидирование - новый метод формирования композиционных металлокерамических материалов и покрытий для ИЭТ/ А.Б.Липчанский, В.А.Цветков, Г.Г.Нечаев, О.В.Якушева, Н.В.Захарцева // Обзоры по электронной технике. Сер.7. Технология, организация производства и оборудование.- М.: Изд-во ЦНИИ «Электроника», 1991г.- 66 с.