Защита, которая сама себя лечит

Учёные Тольяттинского государственного университета улучшили защитные покрытия для магниевых сплавов, получаемые с помощью микродугового оксидирования. Теперь керамический слой, создаваемый на поверхности деталей, кратно повышает коррозионную и износостойкость и может «самовосстанавливаться» в агрессивных средах. Это расширит возможности применения лёгких конструкционных сплавов в авиакосмической промышленности, автомобилестроении и энергетическом машиностроении, где ранее их использование ограничивалось низкой коррозионной стойкостью.

Магниевые сплавы сегодня применяются в самых разных областях – от транспорта до медицины. Лёгкие и прочные, они уже могли бы заменить более тяжёлые материалы, но пока проигрывают из-за двух слабостей: детали быстро изнашиваются, а в агрессивной среде ржавеют, как обычное железо.

Специалисты научно-исследовательского института прогрессивных технологий ТГУ нашли способ нивелировать эти недостатки, модифицировав технологию плазменно-электролитического (микродугового) оксидирования (ПЭО). Это процесс электрохимической обработки, при которой на поверхности изделий из лёгких сплавов (алюминия, магния, титана и других) формируют защитные керамические оксидные слои. ПЭО использует электрические разряды (микродуги), что позволяет получать более толстые, прочные и многофункциональные покрытия, чем при традиционном анодировании.

В своём новом исследовании учёные ТГУ добавили в электролит микро- и наноразмерные частицы диоксида церия, а вместо традиционного среднечастотного режима обработки применили высокочастотный.

– С магниевыми сплавами, в состав которых входят редкоземельные металлы, работать особенно сложно, – поясняет руководитель научной группы, профессор, доктор физико-математических наук Михаил Криштал. – Разные структурные составляющие сплава создают на поверхности множество микрогальванических пар, и это провоцирует коррозию. Традиционные методы защиты не всегда дают нужный результат. Мы решили использовать оксид церия как многофункциональную добавку, которая, по нашим расчётам, должна была не только упрочнить покрытие, но и работать как долговременный защитный барьер, сдерживающий коррозию.

Во время экспериментов выяснилось, что частицы диоксида церия внедряются в формирующийся оксидный слой по-разному. Самые мелкие из них проникают в поры растущего керамического слоя и остаются там, работая как микроарматура. Крупные частицы буквально вплавляются в «покрытие» – их захватывают раскалённые выплески металла, которые возникают на поверхности, во время микровзрывов.

При этом все частицы сохраняют свой химический состав, не вступая в реакции с окружающими веществами, и работают как физические упрочнители. Это позволило учёным чётко отследить их путь от электролита до готового защитного покрытия.

– Мы детально проследили, как частицы оксида церия распределяются по толщине покрытия – от барьерного слоя у подложки до поверхности, – комментирует начальник лаборатории структурно-фазового анализа НИИ прогрессивных технологий ТГУ, кандидат технических наук Антон Полунин. – Химическая неоднородность по церию сохраняется, но именно это сочетание локальных включений и равномерного фона даёт уникальный синергетический эффект: покрытие становится одновременно более твёрдым и износостойким – это особенно важно, приобретает способность лучше сохранять и даже частично восстанавливать свои антикоррозионные характеристики при длительном воздействии коррозионной среды.

Магниевые сплавы с редкоземельными элементами считаются слишком капризными для эксплуатации в агрессивных средах. Разработка учёных ТГУ может это исправить. В авиакосмической промышленности она позволит облегчить конструкции без потери коррозионной стойкости. В автомобилестроении такие детали смогут работать в узлах трения с высокой устойчивостью к износу. А в медицине расширятся возможности биорезорбируемых (растворяющихся) имплантатов из магния, так как контролируемая скорость коррозии критически важна для периода реабилитации пациентов.

Исследователи также подтвердили, что высокочастотный режим ПЭО сам по себе улучшает свойства покрытия, но кратный эффект даёт именно синергия с оксидом церия. Это показывает, что направленный подбор параметров процесса и модификаторов электролита позволяет точно прогнозировать и управлять свойствами конечного покрытия.

Разработка выполнена в рамках передовой инженерной школы «Гибридные и комбинированные технологии» ТГУ при поддержке Российского научного фонда. Статья о ней опубликована в Russian Journal of Non-Ferrous Metals – авторитетном научном журнале, индексируемом в международных базах Scopus и Web of Science.