Разработка научных основ создания нанодисперсных многокомпонентных модифицирующих систем для плазменно-электролитического оксидирования алюминиевых и магниевых сплавов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-19-00656

НазваниеРазработка научных основ создания нанодисперсных многокомпонентных модифицирующих систем для плазменно-электролитического оксидирования алюминиевых и магниевых сплавов

Руководитель Криштал Михаил Михайлович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тольяттинский государственный университет" , Самарская обл

Конкурс №55 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые слова плазменно-электролитическое (микродуговое) оксидирование; оксидный слой; наночастицы; структурно-фазовое состояние; фазовое превращение; фазы высокого давления; неупорядоченные системы; многокомпонентные системы; алюминиевые сплавы; магниевые сплавы; трибология; коррозионная стойкость

Код ГРНТИ53.49.21; 55.22.23

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время активно исследуются и широко внедряются в производство методы инженерии поверхности, связанные с различными видами высокоэнергетического воздействия, в частности плазменное модифицирование, плазменно-химическое осаждение из газовой фазы (Plasma-enhanced chemical vapor deposition – PECVD), плазменное импульсное распыление графита в вакуумной камере с получением алмазоподобного покрытия (Diamond Like Coating – DLC), плазменно-дуговое напыление плавящимся электродом (Plasma Transferred Wire Arc Spray – PTWAS), газотермическое напыление (Thermal spraying), лазерное модифицирование (Laser Cladding и Laser Alloying) и другие. Применение этих технологий часто ограничено себестоимостью обработки, воспроизводимостью и стабильностью получаемых характеристик поверхности, техническими требованиями к рабочим свойствам изделий и экологическими требованиями. Перспективным и экологически безопасным методом обработки поверхности сплавов на основе металлов вентильной группы (Al, Mg, Ti, Zr и других) является плазменно-электролитическое (микродуговое) оксидирование (ПЭО), позволяющее многократно повышать износостойкость и коррозионную стойкость изделий за счет формирования на их поверхности оксидных слоев из вещества обрабатываемого материала и электролита. Значительная часть современных исследований ПЭО посвящена влиянию наноразмерных частиц, вводимых в электролит в качестве нерастворимой дисперсной фазы, на формирование и свойства оксидных слоев (покрытий). Как правило, исследования заключаются в переборе технологических параметров и эмпирическом подборе концентраций наночастиц в электролите с целью поиска оптимальной комбинации параметров обработки для достижения наилучших свойств модифицированной поверхности. Большинство исследований проведено в несравнимых между собой и часто невоспроизводимых условиях: отличаются электролиты, электротехнические режимы обработки и сами обрабатываемые сплавы. Теоретические оценки, как правило, отсутствуют: условия взаимодействия в системе «электролит – наночастицы – микродуговые разряды – формирующийся оксидный слой» обсуждаются, в основном, на уровне качественных моделей и феноменологических схем. В том числе, не учитываются термические напряжения вблизи канала пробоя во время горения и после гашения микродугового разряда, которые могут повлиять на фазовые переходы в оксидном слое, а также на образование новых поровых каналов и микротрещин, обеспечивающих доступ электролита к барьерному слою. Недостаточное внимание уделяется параметрам наночастиц и физическим особенностям их взаимодействия с оксидным слоем, в частности, влиянию размерного распределения наночастиц на фазовый состав слоя и его физические свойства (например, при ударном взаимодействии частиц со слоем в результате их разгона электрическим полем в паро-газовых пузырях, образующихся перед пробоем). Таким образом, необходимая теоретическая база для описания поведения наночастиц, а также их влияния на условия кристаллизации и фазовые переходы при формировании оксидного слоя в процессе ПЭО, отсутствует. Все это препятствует обобщению имеющихся результатов и выводу общих закономерностей, позволяющих прогнозировать влияние варьируемых параметров на характеристики оксидных слоев. Вместе с тем, современные исследования показывают, что добавки в электролит наночастиц одного типа не позволяют получать оксидные слои, одновременно удовлетворяющие различным требованиям. Основная цель проекта – на основе учета комплекса физических свойств частиц, вводимых в электролит в виде нерастворимой нанодисперсной фазы (температура плавления, модуль упругости, электропроводность, теплопроводность), обосновать, разработать и апробировать научные основы создания модифицирующих систем из двух и более компонентов для получения методом ПЭО оксидных слоев (покрытий) с комплексом улучшенных эксплуатационных характеристик (коррозионная стойкость, износостойкость, эрозионная стойкость, адгезия), удовлетворяющих современным и перспективным требованиям аэрокосмической, машиностроительной и других отраслей. Обоснованность и перспективность подобного подхода следует из его успешного применения для сталей и цветных сплавов (разработка различных систем легирования с твердорастворным упрочнением), конструкционных многокомпонентных керамик и композитов. В проекте планируется выявить и изучить эффекты от применения в качестве модифицирующих систем для ПЭО алюминиевых и магниевых сплавов в электролитах-суспензиях комбинаций двух и более видов наночастиц разного типа проводимости («диэлектрик + диэлектрик», «диэлектрик + проводник», «проводник + проводник»), а также различных типов химических соединений (оксид, нитрид, карбид). На основе анализа полученных результатов планируется разработать научно обоснованные технологические рекомендации, позволяющие составлять электролиты-суспензии с нанодисперсной фазой из двух и более веществ для получения методом ПЭО требуемого комплекса свойств оксидных слоев. В развитие теории поведения наночастиц в жидкости, парогазовой фазе и плазме планируется разработать физическую модель взаимодействия частиц с оксидным слоем, учитывающую упругие и неупругие соударения частиц с его поверхностью. Фазовые превращения наночастиц внутри оксидного слоя будут рассмотрены как с учетом возможности достижения условий фазовых переходов в результате неупругого удара, так и с учетом возможного воздействия на частицы термических напряжений, возникающих из-за быстрого локального разогрева материала вокруг канала пробоя, формируемого микродуговым разрядом через растущий оксидный слой. Анализ термических напряжений также будет использован для описания условий формирования новых поровых каналов и микротрещин, обеспечивающих доступ электролита к барьерному слою. Это позволит предсказать условия для возникновения в оксидном слое фазовых переходов, в том числе появления высокотемпературных фаз и фаз высокого давления внутри внедряемых наночастиц. Также предполагается найти критерии перехода от инертного взаимодействия частиц со слоем к химически активному взаимодействию. Такой подход в известной литературе не описан, представляется новым и перспективным для данной области знаний. Об актуальности работы свидетельствует все возрастающее число научных публикаций в международных изданиях по тематике ПЭО различных сплавов. О научной новизне и оригинальности выбранного в исследовании подхода говорит крайне слабая изученность эффектов от применения в качестве добавок в электролит двух и более типов наночастиц, а также практически полное отсутствие физических оценок и зависимостей, связывающих свойства и состав вводимых в электролит наночастиц и/или их комплексов со свойствами формируемого при ПЭО оксидного слоя. Таким образом, предлагаемый проект актуален, обладает научной новизной и практической значимостью и соответствуют классической парадигме материаловедения. Предлагаемое исследование позволит углубить понимание процессов формирования и трансформации материалов в условиях импульсного плазменного воздействия, лучше понять физику и электрохимию высокотемпературных фазовых переходов в наноструктурированных керамических материалах в условиях высоких градиентов температур и напряжений.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Боргардт Е. Д., Кацман А. В., Криштал М. М. Effect of TiN particles on mechanical and anticorrosive properties of oxide layers formed by PEO on silumin Journal of Physics: Conference Series, Volume 2144, 012009 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2144/1/012009

2. Засыпкин С.В., Черетаева А.О., Шафеев М.Р., Мерсон Д.Л., Криштал М.М. Mechanical properties and corrosion resistance of Mg-RE cast alloys and their plasma electrolytic oxidation Journal of Physics: Conference Series, Vol. 2144, 012010 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2144/1/012010

3. Боргардт Е.Д., Черетаева А.О., Полунин А.В., Криштал М.М. МОДИФИЦИРОВАНИЕ ЧАСТИЦАМИ TiN ОКСИДНЫХ СЛОЕВ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ПЛАЗМЕННО-ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ОКСИДИРОВАНИЯ НА СИЛУМИНАХ Сборник материалов конференции "X Физичевское материаловедение" и " Актуальные проблемы прочности"/ под ред. Д.Л. Мерсона. – Тольятти : Изд-во ТГУ, 2021. – 328 с., с. 74-75 (год публикации - 2021)

4. Боргардт Е.Д., Черетаева А.О., Полунин А.В., Криштал М.М. ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ И КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ СИЛУМИНОВ ПЛАЗМЕННО-ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИМ ОКСИДИРОВАНИЕМ С ДОБАВКОЙ НАНОЧАСТИЦ TiN В ЭЛЕКТРОЛИТ Сборник тезисов докладов Международной конференции "ФИЗИКА И ТЕХНОЛОГИИ ПЕРСПЕКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ – 2021", с. 105 (год публикации - 2021)

5. Полунин А.В., Боргардт Е.Д., Шафеев М.Р., Черетаева А.О., Денисова А.Г., Кацман А.В., Криштал М.М. Mechanical and corrosion properties of nano-TiN enhanced PEO coatings on cast Al-Si alloy AIP Conference Proceedings, том 2533, выпуск 1, статья 020006 (год публикации - 2022)
10.1063/5.0098845

6. Криштал М.М., Кацман А.В.. Полунин А.В. Effects of silica nanoparticles addition on formation of oxide layers on Al-Si alloy by plasma electrolytic oxidation: The origin of stishovite under ambient conditions Surface and Coatings Technology, Том 441, статья 128556 (год публикации - 2022)
10.1016/j.surfcoat.2022.128556

7. Полунин А.В., Боргардт Е.Д., Черетаева А.О., Кацман А.В., Криштал М.М. Влияние концентрации наночастиц SiO2 в электролите на состав и свойства оксидных слоев, формируемых плазменно-электролитическим оксидированием на силумине АК7 Металловедение и термическая обработка металлов, номер 11, стр.18-31 (год публикации - 2022)

8. Полунин А.В., Боргардт Е.Д., Черетаева А.О., Кацман А.В., Криштал М.М. Effect of Concentration of SiO2 Nanoparticles in the Electrolyte on the Composition and Properties of Oxide Layers Formed by Plasma-Electrolytic Oxidation on Silumin AK7 Metal Science and Heat Treatment, Vol. 64, Nos. 11 – 12, p. 626–638 (год публикации - 2023)
10.1007/s11041-023-00864-8

9. Криштал М.М., Кацман А.В., Полунин А.В., Черетаева А.О. The effect of silica NPs incorporation on protective properties of oxide layers formed by PEO on Mg97Y2Zn1 alloy with LPSO-phase Heliyon, Volume 9, Issue 11, e22435 (год публикации - 2023)
10.1016/j.heliyon.2023.e22435

10. Полунина А.О., Полунин А.В., Криштал М.М. The influence of addition of ZrO2 nanoparticles to the electrolyte on the structure and anticorrosion properties of oxide layers formed by plasma electrolytic oxidation on the Mg97Y2Zn1 alloy Frontier Materials & Technologies, vol.4,XXXX (год публикации - 2023)
10.18323/2782-4039-2023-4-66-00

11. Криштал М.М., Кацман А.В., Полунин А.В., Черетаева А.О. New insights into ceramic metal oxide coatings formation by hybrid plasma electrolytic treatment: interaction scenarios of ceramic NPs with oxide layers Ceramics International (год публикации - 2023)

Публикации