В ТГУ защитили от коррозии высокопрочные магниевые сплавы

Учёные Тольяттинского государственного университета (ТГУ) разработали гибридную технологию создания керамических металло-оксидных «покрытий» на поверхностях изделий из магниевых сплавов с особой упрочняющей фазой. Основная область их применения – машиностроение и двигателестроение, где требуется высокая прочность, пожаробезопасность и коррозионная стойкость. 

Магниевые сплавы с упрочняющей LPSO-фазой (long-period stacking-ordered или упорядоченная длиннопериодическая фаза) были изобретены лишь в начале XXI века, и пока остаются не до конца изученными. Такие сплавы обладают выдающимися механическими характеристиками и потому имеют очень большой потенциал к применению. Сегодня уже известен первый опыт использования таких сплавов для изготовления корпусных деталей двигателей внутреннего сгорания (ДВС), включая блок цилиндров малогабаритных ДВС, деталей цилиндропоршневой группы, поршней ДВС и др.

– Предел прочности и пластичность таких сплавов оказался на уровне или выше конструкционной качественной стали. И это при том, что магний в 4,5 раза легче железа. То есть удельная прочность LPSO-сплавов как минимум в 4,5 раза выше, чем у стали. Это позволяет использовать магниевые LPSO-сплавы не только в изделиях, работающих в обычных условиях, например, в ноутбуках, сотовых телефонах, велосипедах, колёсных дисках автомобилей, но и в продукции, эксплуатируемой в условиях экстремальных нагрузок и агрессивной внешней среды, – поясняет ведущий научный сотрудник (НИО) «Оксидные слои, плёнки и покрытия», кандидат технических наук Антон Полунин. – Однако LPSO-фаза провоцирует коррозию, поэтому поверхность LPSO-сплавов надо защищать.

Хороший эффект по защите поверхности изделий из сплавов алюминия, магния, титана и некоторых других даёт плазменно-электролитическое оксидирование (ПЭО): на поверхности формируются керамические металло-оксидные слои или покрытия, которые позволяют поднять износостойкость и коррозионную стойкость в десятки раз. Немаловажно и то, что это экологически чистая технология.

Изучением и усовершенствованием технологии ПЭО в Тольяттинском госуниверситете занимаются сотрудники научно-исследовательского отдела (НИО) «Оксидные слои, плёнки и покрытия» под научным руководством профессора, доктора физико-математических наук Михаила Криштала при участии ведущего научного сотрудника Израильского политехнического института (Технион) физика-теоретика, PhD Александра Кацмана и поддержке Российского научного фонда.

– Казалось бы, вот оно решение для LPSO-сплавов, однако ПЭО на LPSO-сплавах не даёт ожидаемого результата при обычных режимах. Оксидный слой получается очень рыхлым, непрочным, и в этом тоже виновата LPSO-фаза. Резко повышая объёмные механические характеристики, она одновременно отрицательно влияет на поверхность, при этом снижая не только коррозионную стойкость, но и возможность получить качественный керамический слой путём ПЭО, – отмечает Михаил Криштал.

Положительный эффект даёт значительное увеличение частоты электрического тока при ПЭО, но и его недостаточно.

– Технически наилучший результат даёт разработанная испанскими учеными комбинированная технология, при которой после ПЭО на пористую керамическую поверхность наносят герметизирующий состав, осаждаемый из электролита. Но это приводит к увеличению времени обработки и существенному удорожанию готового изделия, – говорит Михаил Криштал.

В Тольяттинском госуниверситете на базе ПЭО разрабатываются новые гибридные плазменно-электролитические технологии, которые включают введение в электролит при ПЭО наночастиц различных оксидов. В процессе ПЭО эти частицы внедряются в формируемый оксидный слой. Примечательно, что очень небольшие объёмы добавок могут давать огромный эффект.

Именно этого и добились ученые ТГУ, добавляя наночастицы диоксида кремния (по сути, наночастицы песка) в электролит при высокочастотной ПЭО LPSO-сплавов.

– В итоге пористость керамического слоя снизилась почти в 3 раза, средняя толщина и адгезия слоя увеличились примерно на треть, а плотность тока коррозии уменьшилась примерно в 5,5 раза. Эти значения соответствуют наилучшему результату для LPSO-сплавов с двухступенчатой комбинированной технологией на базе ПЭО. При этом наша технология не дороже обычной ПЭО, и даже позволяет сократить время обработки, получая требуемый результат, – резюмирует Михаил Криштал.

Таким образом, в ТГУ найдена возможность устранить недостаток поверхности LPSO-сплавов и полностью раскрыть потенциал их уникальных объёмных механических свойств в изделиях, которые смогут найти применение в том числе в авиационной и ракетно-космической отрасли. При этом скорость обработки таких изделий и её стоимость снижена, что делает эту технологию экономически эффективной.

Результаты своих исследований учёные описали в статье «Влияние внедрения наночастиц кремнезёма на защитные свойства оксидных слоев, формируемых ПЭО на сплаве Mg97Y2Zn1 с LPSO-фазой», которую опубликовал Heliyon – ежемесячный междисциплинарный рецензируемый высокорейтинговый (Q1 по SJR, Impact Factor 2023 – 4.0, индексируется Scopus и Web of Science) научный журнал, принадлежащий одному из крупнейших мировых издательств Elsevier BV.