ОБРАЗОВАНИЕ ГРАДИЕНТНЫХ ОКСИДНЫХ ПОКРЫТИЙ В МИКРОПЛАЗМЕННОМ РЕЖИМЕ
Введение
Разработка новых методов обработки алюминия и его сплавов импульсными токами большой плотности, которая приводит к образованию покрытий, обладающих высокой износостойкостью, механической прочностью, термостойкостью [1], связана с исследованием физико-химических закономерностей образования данных покрытий.
В данной работе дано математическое описание процесса образования градиентных оксидных покрытий в микроплазменном режиме для случая, когда лимитирующей стадией процесса является стадия доставки ионов из раствора электролита к поверхности электрода.
Методика эксперимента
При проведении электрохимических измерений использовали трехэлектродную электрохимическую ячейку, которая включала рабочий электрод, выполненный из сплава алюминия Д-16, электрод сравнения (стандартный платиновый электрод ЭПЛ-02) и вспомогательный электрод из нержавеющей стали. Для измерения значения токов, задающего, поляризующего напряжений был использован информационно-измерительный комплекс [2]. Для определения значения толщины покрытий применяли вихревой толщиномер ВТ-10НЦ. В качестве электролита использовали щелочной электролит (А), содержащий фосфаты, фториды, бораты щелочных металлов. Электролит готовили на дистиллированной воде из реактивов марки "ч.д.а", "х.ч.".
Теоретическая часть
Рассмотрим процессы, протекающие на поверхности электрода при прохождении анодно-катодного электрического тока. При прохождении анодной составляющей электрического на поверхности металла образуется оксидная пленка и происходят изменения концентрации ионов в приэлектродном слое. Образующаяся оксидная пленка и концентрационные изменения ионов в приэлектродном слое создают барьерный слой. Если напряженность на границе раздела металлраствор, создаваемая источником питания, выше чем электрическая прочность барьерного слоя, то возникает электрический пробой (микродуга). В "шнуре" микродуги за короткий промежуток времени развиваются высокие температура и давление, которые приводят к образованию паро-газовой среды в объеме. Газовая полость состоит из ионов кислорода, водорода, паров воды, причем анодная часть микродуги в основном состоит из ионов кислорода, которые диффундируют вглубь металла. Параллельно на электроде идут электрохимические реакции.
Микроплазменные разряды приводят к локальному плавлению металла основы, который выбрасывается в раствор дуговым процессом, где часть его гидратируется, а часть остается в ионной форме в растворе. Гидратированные ионы металла под воздействием высокой температуры переходят в оксиды. Образующиеся оксиды встраиваются в покрытие.
Рассмотрим модель образования градиентных оксидных покрытий, когда лимитирующей стадией процесса является диффузия ионов к поверхности электрода, и сделаем следующие приближения [3]:
1.Электрическое поле вблизи поверхности электрода не оказывает влияние на движение ионов
2.Скорость прямого перехода металла основы в оксид под действием микроплазменного процесса мала.
Распределение ионов кислорода, гидроксид-ионов, ионов металла на границе металл-оксид-раствор представлены на рис.1.
На границе x=0 происходит выделение кислорода, который диффундирует вглубь металла - зона (М), кривая 1 (рис.1).
Начальные и граничные условия описываются уравнениями (1):
(1)
где: СА - концентрация ионов кислорода, D - коэффициент диффузии, t -время, С0 - концентрация ионов кислорода на границе х=0 в любой момент времени.
Анализ распределения концентрации ионов кислорода на границе металл-раствор при граничных условиях (1) показал, что с увеличением времени обработки внедрение кислорода в металл повышается (рис. 2).
В пористом оксидном слое (О) в связи с низкой скоростью диффузии изменение концентрации анионов OH- остается постоянным во времени и линейно уменьшается от границы раздела металл-оксид до границы раздела оксид-раствор - зона О, кривая 2 (рис.1) и выражается следующим уравнением:
CВ (x, t) =Cbs-bx
0 < x < h (2),
где, СBS - поверхностная концентрация анионов OH- при х=0, b- коэффициент пропорциональности.
Распределение концентрации гидроксид-ионов OH- в растворе - зона (Р), кривая 3 (рис.1) описывается уравнениями:
(3)
где, ССо, ССS - соответственно объемная и поверхностная концентрации гидроксид ионов в приэлектродном слое a- коэффициент пропорциональности.
Поток гидроксид-ионов (анионов) будет определяться соотношением:
(4)
Распределение концентрации ионов металла СМ в приэлектродном слое - зона Р, кривая 4 (рис.1 ) описывается системой уравнений:
где, СоМ, СMS - соответственно объемная и поверхностная концентрация ионов металла в приэлектродном слое, К- константа химического равновесия. Поток ионов металла на границе оксид-раствор имеет вид:
(6)
Толщина покрытия зависит от потока гидроксид ионов и ионов металла и соотношения их в растворе.
1.При избытке в растворе анионов толщина покрытия зависит от величины коэффициента диффузии ионов металла DM , поверхностной, объемной концентрации ионов металла, времени процесса и определяется уравнением:
(7)
2.При избытке в растворе катионов металла толщина покрытия зависит от
величины коэффициента диффузии анионов DA , поверхностной, объемной концентрации анионов, времени процесса и описывается уравнением:
(8)
3.При эквивалентном соотношении концентраций анионов и катионов:
где, Сt, K1, K2, K3 - коэффициенты, учитывающие изменение состава, объема, массы металла при переходе его в оксид.
Экспериментальная часть
Согласно теоретическим положениям скорость образования покрытий (поток ионов) лимитируется процессом доставки и определяется природой электролита и природой металла. Экспериментально это подтверждается изменением плотности тока от длительности импульса. Для исследования потоков анионов предварительно готовили образец из Д-16. Для этого на образец наносили оксидный слой в микроплазменном режиме в электролите (А) при напряжении анодного импульса 350В в течение 300 секунд. Зависимость плотности максимума импульсного анодного тока от длительности импульса представлена на рис. 3. Величина плотности тока уменьшается с увеличением длительности импульса. Это связано с тем, что с увеличением длительности импульса, количество ионов в приэлектродном слое уменьшается, уменьшается градиент концентрации и, соответственно, плотность тока.
При расчете скорости роста покрытия толщину покрытия определяли уравнением 7, так как используемый нами электролит щелочной. Расчеты по теоретическим уравнениям связаны с определением величин Ct и Kn , где Kn =K1 ,K2 ,K3 . Эти величины зависят от состава и пористости покрытия. Поскольку теория пористости покрытий в процессе микроплазменной обработки в настоящее время не разработана, величину произведения СM ×Ct ×Kn =S можно определить из экспериментальных зависимостей и в дальнейшем использовать величину S как параметр при расчетах. Теоретические и экспериментальные зависимости толщины оксидного покрытия от времени в импульсном режиме представлены на рис. 4. Эксперименты проводились в электролите (А) в импульсном режиме при длительности импульса 200 мкс и частоте 50 Гц. При расчетах учитывали, что во время пауз между импульсами ток равен нулю.
Сравнение экспериментальной зависимости толщины покрытия от времени в импульсном режиме с теоретическими расчетами (рис. 4) показывает, что они удовлетворительно согласуются.
Рис.1. Схема градиентного оксидного покрытия;
1-распределение ионов кислорода в металле, 2-распределение концентрации гидроксид-ионов в окисном слое, 3-распределение концентрации гидроксид-ионов в приэлектродном слое, 4-распределение концентрации ионов металла в приэлектродном слое
Рис.2.Распределение концентрации ионов кислорода в металле
Рис.3. Экспериментальная зависимость плотности максимума импульсного анодного тока от длительности импульса.
Рис.4. Теоретическая зависимость толщины покрытия от времени t, полученная по уравнению 7 (кривая 1), при условии D = 10-5 см-2с-1, СМ = 1 г/см3, СMS = 0,01 г/см3, S=0,002; 2 - по уравнению h = A(i × t)n [4] в гальваностатических условиях n=0.45, Аi0,45=4 для импульсного процесса при длительности импульса 200мкс, частоте 50 Гц; 3- экспериментальная зависимость толщины покрытия от времени.
Выводы
- Дано описание процесса образования градиентного оксидного покрытия в микроплазменном режиме для случая, когда лимитирующей стадией процесса является стадия доставки ионов из раствора к поверхности электрода.
- Установлено, что толщина градиентного оксидного покрытия зависит от соотношения концентраций ионов металла, гидроксид-ионов.
- Получены уравнения, описывающие скорость образования покрытия в нейтральных, кислых, щелочных растворах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Марков Г.А., Терлеева Г.А., Шулепко Е.К. Микродуговые и дуговые методы нанесения защитных покрытий. Тр. МИНХ и ГП им. И.М.Губкина, 1985, т.185, с.54-65.
- Мамаев А.И., Рамазанова Ж.М., Бутягин П.И., Выборнова С.Н., Савельев Ю.А., Димаки В.А., Виклов В.Ю. Информационно-измерительный комплекс для определения параметров микроплазменных процессов в растворах. Защита металлов.1996. Т.32, №2, с.203-207.
- Рамазанова Ж.М. Физико-химические закономерности образования слоистых оксидных материалов. Томск 1997. Конструкторско-технологический институт "Республиканский инженерно-технический центр" СО РАН. 161с.
- Гордиенко П.С., Руднев В.С. О кинетике образования МДО покрытий на сплавах алюминия. Защита металлов.1990. Т. 26, № 3, с.467-469.
Статья в формате PDF 308 KB...
02 05 2024 4:24:30
Статья в формате PDF 143 KB...
01 05 2024 23:28:22
Статья в формате PDF 233 KB...
30 04 2024 23:13:45
Проведено поэтапное исследование, которое включало в себя оценку индивидуальных резервов соматического здоровья (СЗ) и оценку функционального состояния вегетативной нервной системы на основе исследования вариабельности ритма сердца (ВРС). Уровень СЗ оценивался в баллах. В результате проведенного нами исследования было выявлено, что риск манифестации хронической сосудистой патологии достаточно высок в группе с низкими энергетическими резервами организма (уровнем здоровья «низким» и «ниже среднего»), а таковых у нас оказалось 54,5 % из всех обследованных студентов БелГУ. Следующим этапом исследования была проверка этой версии. При анализе вариабельности сердечного ритма учитывались: показатель общей мощности спектра нейрогумopaльной регуляции сердечного ритма (TP); показатель, отражающий реактивность парасимпатического отдела вегетативной нервной системы при проведении АОП; визуальная оценка степени кардио-респираторной синхронизации на основании данных спектрального анализа ВРС и пневмограммы. У обследуемых с низким уровнем соматического здоровья признаки вегетативной дисфункции различной степени выраженности наблюдались в 92,5 % случаев. В группе с низким уровнем СЗ реактивность парасимпатического отдела ВНС, отражающая адаптационные резервы организма, оказалась так же низкой. Таким образом, наша версия о взаимосвязи уровня соматического здоровья и частотой встречаемости вегетативной дисфункции полностью подтвердилась. Чем ниже уровень соматического здоровья, тем более вероятна манифестации хронической сосудистой патологии. При высоком уровне здоровья риск возникновения хронической соматической патологии минимален. ...
29 04 2024 23:28:34
На основании многолетних наблюдений за комплексом внешних условий и состоянием популяций мелких млекопитающих количественно оценено распределение влияний внутрипопуляционных и внешних факторов на динамику их численности и структуры. Показано, что основное влияние на демографические процессы полевок на протяжении всего сезона размножения оказывают плотностно-зависимые механизмы регуляции (эндогенные факторы). Экзогенные (хищники, кормовые и погодные) факторы выступают в качестве воздействий, ограничивающих рост населения популяции, и наиболее эффективны в переходные осеннее-зимний и зимне-весенний периоды. ...
26 04 2024 20:59:26
Статья в формате PDF 121 KB...
24 04 2024 16:27:19
Статья в формате PDF 120 KB...
23 04 2024 11:40:44
Впервые описывается клиническая картина ятрогенного заболевания, вызываемого инъекторами и лекарственными средствами, вводимыми в тело пациентов медицинскими работниками. Заболевание названо «инъекционной болезнью (болезнью Уpaкова)». Клинически заболевание хаpaктеризуется локальным острым течением, появлением разноцветной пятнистости кожи в месте инъекции, преимущественным поражением подкожно-жировой клетчатки, других клетчаточных тканей и крови. Указываются этиология, патогенез, варианты течения, исходы, лечение и меры профилактики новой болезни. ...
22 04 2024 10:55:40
Статья в формате PDF 115 KB...
21 04 2024 5:48:43
Статья в формате PDF 118 KB...
20 04 2024 23:48:18
Изучено состояние процесса перекисного окисления липидов и антиокислительной системы в различных участках миокарда при его инфаркте у крыс с разной резистентностью к гипоксии. Выявлено что, в норме активность перекисного окисления липидов несколько выше у высокоустойчивых к гипоксии крыс по сравнению с низкоустойчивыми, однако активность антиокислительных ферментов, наоборот, выше у высокоустойчивых крыс. При коронароокклюзии интенсивность перекисного окисления липидов существенно повышается у низкоустойчивых к гипоксии крыс. ...
19 04 2024 2:14:27
Статья в формате PDF 115 KB...
17 04 2024 11:46:55
Рассматриваются психические, социальные и личностные компоненты здоровья. Анализируются различия между медицинской (психиатрической) и психологической моделью психического здоровья. Показано, что концепция «позитивного психического здоровья» подходит для оценки личностного здоровья. Важнейшие критерии личностного здоровья – способность выполнять социальные роли и зрелось личности. Исследование психического здоровья личности осуществляется с помощью психологических методик. ...
16 04 2024 17:29:44
Статья в формате PDF 297 KB...
15 04 2024 13:48:17
Статья в формате PDF 317 KB...
13 04 2024 22:47:46
Статья в формате PDF 130 KB...
11 04 2024 21:28:14
Статья в формате PDF 205 KB...
09 04 2024 21:58:25
При моделировании микроускорений возникает вопрос о функции распределения этой величины. В работе исследуется статистическая функция распределения микроускорений внутри космического аппарата, имеющего большие упругие элементы, после выключения управляющих paкетных двигателей. ...
08 04 2024 12:10:21
Статья в формате PDF 302 KB...
05 04 2024 16:51:19
Статья в формате PDF 363 KB...
04 04 2024 1:28:16
Проведены исследования в области экструдирования многокомпонентных смесей из отходов различных производств, предложена технологическая схема линии по получению ДПКТ. Экспериментальные исследования проводились в два этапа и определялись параметры процесса – производительность, мощность сил полезного сопротивления, в зависимости от угловой скорости вращения шнека пресса-экструдера, от температуры экструдируемого материала, от влажности экструдируемой смеси и процентного содержания компонентов смеси. ...
03 04 2024 10:13:23
Статья в формате PDF 236 KB...
01 04 2024 6:20:40
Статья в формате PDF 206 KB...
31 03 2024 3:53:48
Статья в формате PDF 262 KB...
30 03 2024 3:48:12
Статья в формате PDF 142 KB...
28 03 2024 7:58:33
Статья в формате PDF 242 KB...
27 03 2024 20:29:24
Статья в формате PDF 112 KB...
26 03 2024 7:40:34
Статья в формате PDF 129 KB...
25 03 2024 21:11:14
Еще:
Поддержать себя -1 :: Поддержать себя -2 :: Поддержать себя -3 :: Поддержать себя -4 :: Поддержать себя -5 :: Поддержать себя -6 :: Поддержать себя -7 :: Поддержать себя -8 :: Поддержать себя -9 :: Поддержать себя -10 :: Поддержать себя -11 :: Поддержать себя -12 :: Поддержать себя -13 :: Поддержать себя -14 :: Поддержать себя -15 :: Поддержать себя -16 :: Поддержать себя -17 :: Поддержать себя -18 :: Поддержать себя -19 :: Поддержать себя -20 :: Поддержать себя -21 :: Поддержать себя -22 :: Поддержать себя -23 :: Поддержать себя -24 :: Поддержать себя -25 :: Поддержать себя -26 :: Поддержать себя -27 :: Поддержать себя -28 :: Поддержать себя -29 :: Поддержать себя -30 :: Поддержать себя -31 :: Поддержать себя -32 :: Поддержать себя -33 :: Поддержать себя -34 :: Поддержать себя -35 :: Поддержать себя -36 :: Поддержать себя -37 :: Поддержать себя -38 ::