powderИзвестия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытияPowder Metallurgy аnd Functional Coatings (Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional'nye Pokrytiya)1997-308X2412-8767НИТУ "МИСИС"10.17073/1997-308X-2018-1-59-66powder-348Research ArticleНаноструктурированные материалы и функциональные покрытияNanostructured Materials and Functional CoatingsФАЗОВЫЙ СОСТАВ ПОКРЫТИЙ, ФОРМИРУЮЩИХСЯ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ПЛАЗМЕННО-ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ОКСИДИРОВАНИЯ СПЛАВА ВТ6, И ИХ ИЗНОСОСТОЙКОСТЬPHASE COMPOSITION AND WEAR RESISTANCE OF COATINGS FORMED ON VT6 (TI–6AL–4V) TITANIUM ALLOY BY PLASMA ELECTROLYTIC OXIDATIONРакочА. Г.RakochA. G.

докт. хим. наук, профессор кафедры металлургии стали, новых производственных технологий и защиты металлов НИТУ «МИСиС»

119049, Москва, Ленинский пр-т, 4

Dr. Sci. (Chem.), prof., Department «Metallurgy of steel, new production technologies and protection of metals» (MSNPT&PM), National University of Science and Technology (NUST) «MISIS»

119049, Russia, Moscow, Leninskii pr., 4

rakoch@mail.ruЧыонгФан ВанTruongPhan Van

аспирант той же кафедры

postgraduate student, Department of MSNPT&PM, NUST «MISIS»

Mr.Phan112@yandex.ruГладковаА. А.GladkovaA. A.

канд. хим. наук, доцент той же кафедры

Cand. Sci. (Chem.), associate prof., Department of MSNPT&PM, NUST «MISIS»

sascha-gladkova@yandex.ruПредеинН. А.PredeinN. A.

аспирант той же кафедры

postgraduate student, Department of MSNPT&PM, NUST «MISIS»

predein.nik@mail.ruНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияNational University of Science and Technology (NUST) «MISIS»Russian Federation201819032018015966Copyright © НИТУ "МИСИС", 20182018НИТУ "МИСИС"НИТУ "МИСИС"https://powder.misis.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://powder.misis.ru/jour/article/view/348

Исследована кинетика роста покрытия при плазменно-электролитическом оксидировании (ПЭО) сплава ВТ6 с заданной плотностью 10 А/дм2 в щелочном водном растворе,  содержащем 40 г/л алюмината натрия (NaAlO2). Изучена износостойкость покрытий  различной толщины (30 и 80 мкм), сформированных на сплаве ВТ6, методом «шарик–диск»  с использованием автоматической машины трения «High-temperature tribometer» и  оптического профилометра WYKO NT1100В. Установлены зависимости фазового состава  покрытий от длительности протекания процесса ПЭО, а также износостойкости покрытий от  этого состава. Предложены следующие механизмы роста толщины покрытий, которые  объясняют его кинетические особенности: 1) миграция и диффузия катионов металла к  внешней границе раздела фаз на участках, прилегающих к микроразрядам; 2)  термохимическое преобразование осажденных ионов или полианионов, в частности  тетрагидроксоалюмината; 3) высокотемпературное окисление металлической основы дна  сквозных пор, в которых реализовались плазменные анодные микроразряды. Рассмотренная эквивалентная схема протекания анодной составляющей переменного тока при ПЭО  титанового сплава позволяет понять причины существенного первоначального снижения  скорости роста покрытия при ПЭО сплава ВТ6 без уменьшения анодного напряжения.  Особенностью этой схемы является наличие реостатов, так как сопротивление протеканию  составляющих переменного тока в значительной степени зависит от длительности проведения процесса ПЭО. Показано, что присутствие высокотемпературной  модификации (α-Al2O3) в покрытии, основой которого является шпинель TiAl2O5, позволяет  увеличить износостойкость сплава ВТ6 практически в 6 раз, если толщина покрытия составляет ~80 мкм.

The study covers the growth kinetics of the coating formed on VT6 titanium alloy by plasma electrolytic oxidation (PEO) at a specified  current density of 10 А/dm2 in the alkali aqueous solution containing 40 g/l of NaAlO2. Coatings with varied thicknesses (30, 80 μm) formed on VT6 titanium alloy was tested for wear resistance by the «pin-on-disc» test using the Hightemperature tribometer and WYKO  NT1100В optical surface profiler. Relationships between phase  coating composition and PEO process duration, as well as wear  resistance are determined. The mechanisms of coating thickness  growth that explain its kinetic features are suggested. The  mechanisms are as follows: 1) migration and diffusion of metal  cations towards the outer phase boundary on sections adjacent to  microdischarges; 2) thermochemical transformation of deposited  ions or polyanions, in particular, tetrahydroxyaluminate; 3) high-temperature oxidation of the metal substrate at the bottom of coating pores where plasma anode microdischarges occurred. The  considered equivalent scheme of the anodic component of the  alternating current at titanium alloy PEO allows us to understand the causes of a significant decrease in the initial coating growth rate at VT6 alloy PEO without anodic voltage reduction. The peculiarity of this scheme is the presence of rheostats since the flow resistance of alternate current components depends largely on the PEO process time. It is shown that the presence of a high-temperature modification (α-Al2O3) in the TiAl2O5 spinel coating makes it possible to increase VT6 alloy wear resistance by almost 6 times when the coating thickness is ~80 μm.

титановый сплав ВТ6плазменно-электролитическое оксидированиеизносостойкостьмеханизм роста покрытийвысокотемпературная модификация алюминияVT6 titanium alloyplasma electrolytic oxidationwear resistancecoating growth mechanismhigh-temperature alumina modificationReferencesКолачев Б.А., Елисеев Ю.С., Братухин А.Г., Талалаев В.Д. Титановые сплавы в конструкциях и производстве и авиационно-конструкторской технике. М.: Изд-во МАИ, 2001.Kolachev B.A., Eliseev Yu.S., Bratukhin A.G., Talalaev V.D. Titanovye splavy v konstruktsiyakh i proizvodstve i aviatsionno-konstruktorskoi tekhnike [Titanium alloys in structures and production and aircraft engineering]. Moscow: Izd-vo MAI, 2001.Колачев Б.А., Ливанов В.А., Буханова А.А. Механические свойства титана и его сплавов. М.: Металлургия, 1974.Kolachev B.A., Livanov V.A., Bukhanova A.A. Mekhanicheskie svoistva titana i ego splavov [Mechanical properties of titanium and its alloys]. Moscow: Metallurgiya, 1974.Бабичев А.П., Бабушкина Н.А., Братковский А.М. и др. Физические величины: Справочник / Под. ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергозатрат, 1991.Babichev A.P., Babushkina N.A., Bratkovskii A.M. et al. Fizicheskie velichiny: Spravochnik [Physical quantities: Reference book]. Eds. I.S. Grigor’ev, E.Z. Meilikhov. Moscow: Energozatrat, 1991.Глазунов С.Г., Важенин С.Ф., Зюков-Батырев Г.Д., Ратнер Я.Л. Применение титана в народном хозяйстве. Киев: Техника, 1975.Glazunov S.G., Vazhenin S.F., Zyukov-Batyrev G.D., Ratner Ya.L. Primenenie titana v narodnom khozyaistve [The use of titanium in the national economy]. Kiev: Tekhnika, 1975.Глазунов С.Г., Моисеев В.Н. Конструкционные титановые сплавы. М.: Металлургия, 1974.Glazunov S.G., Moiseev V.N. Konstruktsionnye titanovye splavy [Structural titanium alloys]. Moscow: Metallurgiya, 1974.Гордиенко П.С., Гнеденков С.В. Микродуговое оксидирование титана и его сплавов. Владивосток: Дальнаука, 1997.Gordienko P.S., Gnedenkov S.V. Mikrodugovoe oksidirovanie titana i ego splavov [Microarc oxidation of titanium and its alloys]. Vladivostok: Dal’nauka, 1997.Yerokhin A.L., Leyland A., Matthews A. Kinetic aspects of aluminiumtitanate layer formation on titanium alloys by plasma electrolytic oxidation // Appl. Surf. Sci. 2002. Vol. 200. P. 172—184.Yerokhin A.L., Leyland A., Matthews A. Kinetic aspects of aluminiumtitanate layer formation on titanium alloys by plasma electrolytic oxidation. Appl. Surf. Sci. 2002. Vol. 200. P. 172—184.Жуков С.В., Суминов И.В., Эпельфельд А.В., Желтухин Р.В., Кантаева О.А. Физикo- механические свойства, структура и фазовый состав МДО-покрытий на титане // Вестн. МАТИ. 2007. No. 13 (85). С. 60—66.Zhukov S.V., Suminov I.V., Epel’fel’d A.V., Zheltukhin R.V., Kantaeva O.A. Fiziko-mekhanicheskie svoistva, struktura i fazovуi sostav MDO-pokrytii na titane [Physico-mechanical properties, structure and phase composition of MAO coatings on titanium]. Vestnik MATI. 2007. No. 13 (85). P. 60—66.Sun X.T., Jiang Z.H., Xin S.G., Yao Z.P. Composition and mechanical properties of hard ceramic coating containing α-Al2O3 produced by microarc oxidation on Ti—6Al—4V alloy // Thin Solid Films. 2005. No. 471. Р. 194—199.Sun X.T., Jiang Z.H., Xin S.G., Yao Z.P. Composition and mechanical properties of hard ceramic coating containing α-Al2O3 produced by microarc oxidation on Ti—6Al—4V alloy. Thin Solid Films. 2005. No. 471. P. 194—199.Cheng Yingliang, Peing Shaomei, Wu Xianguan, Jiu Hui Cao, Sheldon P., Thompson G.E. A comparison of plasma electrolytic onidation of Ti—6AL—4V and Zircaloy-2 alloys in a silicate-hexametaphosphate electrolyte // Elecrochim. Acta. 2015. No. 165. P. 301—313.Cheng Yingliang, Peing Shaomei, Wu Xianguan, Jiu Hui Cao, Sheldon P., Thompson G.E. A comparison of plasma electrolytic onidation of Ti—6AL—4V and Zircaloy-2 alloys in a silicate-hexametaphosphate electrolyte. Elecrochim. Acta. 2015. No. 165. P. 301—313.Yerokhin A.L., Nie X., Leyland A., Matthews A. Characterisation of oxide films produced by plasma electrolytic oxidation of a Ti—6Al—4V alloy // Surf. Coat. Technol. 2000. Vol. 130. P. 195—206.Yerokhin A.L., Nie X., Leyland A., Matthews A. Characterisation of oxide films produced by plasma electrolytic oxidation of a Ti—6Al—4V alloy. Surf. Coat. Technol. 2000. Vol. 130. P. 195—206.Wang Y.M., Jia D.C., Guo L.X., Lei T.Q., Jiang B.L. Effect of discharge pulsating on microarc oxidation coatings formed on Ti—6Al—4V alloy // Mater. Chem. Phys. 2005. Vol. 90. P. 128—139.Wang Y.M., Jia D.C., Guo L.X., Lei T.Q., Jiang B.L. Effect of discharge pulsating on microarc oxidation coatings formed on Ti—6Al—4V alloy. Mater. Chem. Phys. 2005. Vol. 90. P. 128—139.Sundararajan G., Rama Krishna L. Mechanisms underlying the formation of thick alumina coatings through the MAO coating technology // Surf. Coat. Technol. 2003. Vol. 167. P. 269—277.Sundararajan G., Rama Krishna L. Mechanisms underlying the formation of thick alumina coatings through the MAO coating technology. Surf. Coat. Technol. 2003. Vol. 167. P. 269—277.Баковец В.В., Полякова О.В., Долговесова И.В. Плазменно-электролитическая анодная обработка металлов. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1990.Bakovets V.V., Polyakova O.V., Dolgovesova I.V. Plazmenno-elektroliticheskaya anodnaya obrabotka metallov [Plasma electrolytic anodic treatment of metals]. Novosibirsk: Nauka. Sibirskoe otdelenie, 1990.Ракоч А.Г., Дуб А.В., Гладкова А.А. Анодирование легких сплавов при различных электрических режимах. Плазменно-электролитическая нанотехнология. М: ООО «Старая Басманная», 2012.Rakoch A.G., Dub A.V., Gladkova A.A. Anodirovanie legkikh splavov pri razlichnykh elektricheskikh rezhimakh. Plazmenno-elektroliticheskaya nanotekhnologiya [Anodizing of light alloys under various electrical conditions. Plasma electrolytic nanotechnology]. Moscow: OOO «Staraya Basmannaya», 2012.Rakoch A.G., Gladkova A.A., Zayar Linn, Strekalina D.M. The evidence of cathodic microdischarges during plasma electrolytic oxidation of light metallic alloys and micro-discharge intensity depending on pH of the electrolyte // Surf. Coat. Technol. 2015. No. 269. P. 138—144.Rakoch A.G., Gladkova A.A., Zayar Linn, Strekalina D.M. The evidence of cathodic microdischarges during plasma electrolytic oxidation of light metallic alloys and micro-discharge intensity depending on pH of the electrolyte. Surf. Coat. Technol. 2015. No. 269. P. 138—144.Shelekhov E.V., Sviridova T.A. Programs for X-ray analysis of polycrystals // Met. Sci. Heat Treat. 2000. Vol. 42. No. 8. P. 309—313.Shelekhov E.V., Sviridova T.A. Programs for X-ray analysis of polycrystals. Met. Sci. Heat Treat. 2000. Vol. 42. No. 8. P. 309—313.Аверьянов Е.Е. Справочник по анодированию. М: Машиностроение, 1988.Aver’yanov E.E. Spravochnik po anodirovaniyu [Anodizing handbook]. Moscow: Mashinostroenie, 1988.Мамаев А.И., Мамаева В.А. Сильнотоковые микроплазменные процессы в растворах электролитов. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2005.Mamaev A.I., Mamaeva V.A. Sil’notokovye mikroplazmennye protsessy v rastvorakh elektrolitov [High-current microplasma processes in electrolyte solutions]. Novosibirsk: Izd-vo SO RAN, 2005.Суминов И.В., Эпельфельд А.В., Людин В.Б., Крит Б.Л., Борисов А.М. Микродуговое оксидирование (теория, технология, оборудование). М.: ЭКОМЕТ, 2005.Suminov I.V., Epel’fel’d A.V., Lyudin V.B., Krit B.L., Borisov A.M. Mikrodugovoe oksidirovanie (teoriya, tekhnologiya, oborudovanie) [Microarc oxidation (theory, technology, equipment)]. Moscow: EKOMET, 2005.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.