CC BY
4ТЕХНОЛОГИЯ УДК 621.9.047
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
АНОДНОЕ ПОВЕДЕНИЕ ТИТАНОВОГО СПЛАВА МАРКИ ОТ-4 ПРИ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО РАСТВОРЕНИЯ*
Х.М. РАХИМЯНОВ, доктор. тех. наук, профессор К. Х. РАХИМЯНОВ, канд. техн. наук, доцент, А. И. ЖУРАВЛЕВ, доцент, Н. П. ГААР, ассистент А.А. ЛОКТИОНОВ, аспирант (НГТУ, г Новосибирск)
Статья поступила 3 марта 2011 г.
Рахимянов Х.М. - 630092, Новосибирск, пр. К.Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет, e-mail: tms_ngtu@mail.ru
Проведены исследования по анодному растворению титанового сплава ОТ-4 в условиях лазерного воздействия длиной волны инфракрасного спектра излучения в растворах хлорида и нитрата натрия. Установлены параметры лазерного излучения, оказывающие наибольшее влияние на скорость электрохимического растворения.
Ключевые слова: поляризационные исследования, титановый сплав, лазерное излучение, пассивация, растворение.
ВВЕДЕНИЕ
Титановые сплавы нашли широкое применение в современных химических, биологических, машиностроительных и других отраслях промышленности. Преимуществом конструкций, выполненных из данного класса материалов, является их надежность, обусловленная высокой коррозионной и эрозионно-кавитационной стойкостью, малым весом, относительно малыми тепловыми деформациями и др. [1]. Для изготовления деталей из титановых сплавов наряду с механическими видами обработки широко используют и электрохимическую размерную обработку (ЭХРО) [2].
Электрохимическая размерная обработка основана на копировании анодом-деталью формы катода-инструмента при растворении материала в токопроводящей среде-электролите. Наиболее распространенным для титановых сплавов составом электролита является 5-10 %-й водный раствор хлорида натрия [2]. Особенностью ЭХРО титановых сплавов служит проведение процесса при повышенных значениях температуры (37...47 °С) либо потенциала (свыше 16 В). Это связано с образованием на поверхности титановых сплавов в процессе электрохимической обработки труднорастворимых пленок. Согласно данным [3] толщина пленок достигает значений 20 А. Однако образование такой толщины пленок оказыва-
ется достаточным, чтобы процесс электрохимического растворения полностью прекратился.
Введение лазерного излучения в рабочую зону электрохимического растворения позволяет реализо-вывать различные механизмы его активации [4, 5], в том числе благоприятные для обработки титановых сплавов.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
Для исследования активации лазерным излучением (длина волны 1,06 мкм - инфракрасный диапазон спектра) процесса электрохимической размерной обработки использовались поляризационные кривые, полученные при помощи потенцио-статического метода [6], с использованием электрохимической ячейки, описанной в работе [7], на базе установки с применением потенциостата 1РС-Рго-М [8]. В электрохимии этот метод применяется для оценки общего поведения материала в том или ином электролите с установлением областей потенциалов активного и пассивного растворения обрабатываемого материала. Значение плотности мощности излучения - 1,05-106 Вт/м2 - выбрано по данным работы [9] исходя из условий протекания процесса. Диапазон исследуемых потенциалов от 0 до 5 В. В качестве представителя титановых сплавов был выбран титан марки ОТ-4 (содержание титана в
* Работа выполнена при финансовой поддержки ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы», мероприятие 1.3.1. (проект П2571)
№ 2 (51) 2011 11
обработка металлов
ТЕХНОЛОГИЯ
химическом составе не менее 92 %). В качестве электролитов - водные 10 %-е растворы хлорида и нитрата натрия.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Поляризационные исследования анодного растворения титанового сплава в 10 %-х растворах хлорида и нитрата натрия показали, что плотность тока в использованных электролитах в исследуемом диапазоне потенциалов (от 0 В до 5 В) равна нулю. Это свидетельствует о том, что электрохимического растворения материала не происходит. Повышение температуры электролита в диапазоне от 20 до 70 °С не оказало существенного влияния на электрохимический процесс растворения. Это подтверждает данные о том, что образующиеся на титане пленки достаточно прочно соединены с материалом, и повышение реакционной способности анионов электролита за счет сообщения им дополнительной энергии через повышение температуры не оказывает на них действия.
При введении в зону электрохимического растворения титанового сплава ОТ-4 в водном растворе хлорида натрия лазерного излучения с длиной волны 1,06 мкм и плотностью мощности 1,05 106 Вт/м2 процесс электрохимического растворения начинает реализовываться уже при потенциале, близком к 0 В, о чем свидетельствует характер поляризационной кривой (рис. 1). Рост плотности тока во всем диапазоне потенциалов указывает на активное электрохимическое растворение. Изменение частоты следования импульсов не оказало существенного влияния ни на характер электрохимического растворения, ни на значение достигаемой плотности мощности.
1100
О 1 2 3 4 5
Потенциал, В
Рис. 1. Поляризационная кривая, полученная при помощи потенциодинамического метода для титанового сплава ОТ-4 в 10 %-м водном растворе хлорида натрия при лазерной интенсификации ЭХРО длиной волны 1,06 мкм при плотности мощности 1,05-106 Вт/м2 и частоте следования импульсов 5 кГц
б
Рис. 2. Состояние поверхности титанового сплава ОТ-4 после ЭХРО с наложением лазерного излучения с длиной волны
1,06 мкм в 10 %-м водном растворе хлорида натрия:
а - общий вид образца; б - в зоне наложения лазерного излучения
Состояние поверхности титана (рис. 2) после лазерно-электрохимической обработки подтверждает активное растворение материала в зоне наложения лазерного излучения. Вне зоны наложения лазерного излучения электрохимического растворения не наблюдается.
Несколько иное электрохимическое поведение титанового сплава ОТ-4 видим при его активации в водном растворе нитрата натрия. В технологии электрохимической обработки считается, что нитрат натрия не подходит для обработки титановых сплавов ввиду его пассивности. Однако при лазерной активации ЭХРО титанового сплава в водном растворе нитрата натрия после 3 В происходит рост плотности тока с увеличением потенциала, что свидетельствует об активном характере растворения исследуемого материала (рис. 3, кривая 2). Таким образом, можно предположить, что анионам электролита в данных условиях хватает энергии, чтобы пробить образующуюся на титановом сплаве пленку. Изменение частоты следования импульса приводит к увеличению значения плотности тока. Наибольшее значение плотности тока достигается при частоте следования импульсов 10 кГц.
Состояние поверхности титанового сплава после лазерной активации ЭХРО также подтверждает активное растворение материала в зоне наложения лазерного излучения.
12 № 2 (51) 2011
ТЕХНОЛОГИЯ
3
I III " 2
Г , i
u
Рис. 3. Поляризационные кривые, полученные при помощи потенциодинамического метода для ОТ-4 в 10 %-м водном растворе нитрата натрия при лазерной интенсификации ЭХРО длиной волны 1,06 мкм при плотности мощности 1,05-106 Вт/м2 и частоте следования импульсов: 1.2,5 кГц;
2.5 кГц; 3.10 кГц
Рис. 4. Состояние поверхности титанового сплава ОТ-4 после ЭХРО с наложением лазерного излучения с длиной волны 1,06 мкм в 10 %-м водном растворе нитрата натрия
ВЫВОД
Активация лазерным излучением инфракрасного спектра анодного растворения титанового сплава ОТ-4 является эффективным методом интенсификации ЭХРО как в водном растворе хлорида натрия, так и в водном растворе нитрата натрия.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Список литературы
1. Титановые сплавы в машиностроении / под ред. Г.И. Капырина. - Л.: Машиностроение, 1977. - 248 с.
2. Электрофизические и электрохимические методы обработки. В 2 т. Том 1. Обработка материалов с использованием материалов / под ред. В.П. Смоленцева. - М.: Высш. шк., 1983. - 247 с.
3. Некипелов С.В., Сивков В.Н., Ширяева Л.Л. Исследование методами ИК-спектроскопии степени окисления тонких пленок З^металлов / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - М.: ООО "ТЕСТ-ЗЛ". - № 7. Т. 73. - 2007. - С. 44-47.
4. Possible ways for intensification of dimensional electrochemical machining (DECM) /Kh.M. Rakhimyanov, N.P. Gaar // IFOST. Novosibirsk- Tomsk, Russia, June 2329, 2008 -Proceedings of the third international forum on strategic technologies. - Novosibirsk, NSTU-2008. -P. 106-107.
5. Пути интенсификации электрохимической размерной обработки /Х. М. Рахимянов, Н. П. Гаар // Ползу-новский альманах. - Барнаул: Изд-во «АлтГТУ», 2008. -№ 4. - С. 191-192.
6. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А., ЦирлинаГ.А. Электрохимия. - М.: Химия, 2001. - 624 с.
7. Электрохимическая ячейка для исследования интенсификации ЭХРО лазерным излучением / Х.М. Рахи-мянов, Н. П. Гаар // Современные пути развития машиностроения и автотранспорта Кузбасса. Труды первой Всерос. науч.-техн. конф. - Кемерово: ГУ КузГТУ, 2007. -С. 251-254.
8. Установка для исследования электрохимических процессов в условиях лазерной активации процесса электрохимической размерной обработки / Х. М. Рахи-мянов, А.И. Журавлев, Н.П. Гаар // Научный вестник НГТУ. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2010. - № 2 (39). С.133-144.
9. Математическое моделирование при лазерной термоактивации электрохимической размерной обработке/ Х.М. Рахимянов, Н.П. Гаар// Современные технологические системы в машиностроении (СТСМ-2006). Сб. тезисов докладов международ. науч.-технич. Конференции. -Барнаул: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та им И.И.Ползунова, 2006. - С. 45-47.
Anodic behavior of titanium alloy OT-4 with electrochemical stripping in the conditions of laser influence
Kh. М. Rakhimyanov, K Kh. Rakhimyanov, A. I. Zhuravlev, N.P. Gaar, A. A. Loktionov
Researches on anode dissolution of titanium alloy ОТ-4 in the conditions of laser influence with length of wave of an infra-red spectrum was conducted in two most used electrolytes - chloride of sodium and sodium nitrate. Parameters of laser radiation which most strongly influence on speed of electrochemical dissolution are established.
Key words: polarization tests, titanium alloy, passivation, dissolution.
№ 2 (51) 2011
