CC BY
7ФИЗИКА (PHYSICS)
УДК 621.789
Садофьев А.В.
канд. техн. наук, начальник отдела оборудования и инфраструктуры Филиал АО «Объединённая двигателестроительная корпорация» «Научно-исследовательский институт технологии и организации производства двигателей» (Филиал АО «ОДК» «НИИД») (г. Москва, Россия)
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ ПРИ ПЛАЗМЕННО-ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОМ ОКСИДИРОВАНИИ
Аннотация: в работе рассмотрены физические процессы, протекающие при плазменном электролитическом оксидировании, описана структура формируемого слоя, рассмотрены процессы горения электрических разрядов.
Ключевые слова: оксидирование, оксидный слой, корунд, электролит, барьерный слой, искровой разряд, динамика горения.
Одной из важнейших задач машиностроения является повышение надежности и долговечности деталей машин. Новые возможности решения этих задач открывают методы поверхностной обработки, позволяющие создать на изделиях и деталях машин керамические защитные поверхностные слои с заданными свойствами. Плазменно-электролитическое оксидирование (ПЭЛО) позволяющее создать оксидные слои из материала детали, сделанной из различных сплавов, в том числе из алюминиевых. При этом отсутствуют данные о физических процессах, протекающих ПЭЛО.
Формируемый слой представляет собой многослойную структуру [1]. К металлу примыкает так называемый барьерный слой, состоящий из а-АЬОз (корунда), он характеризуется большой плотностью, далее
располагается рабочий слой (пористый). Этот слой пронизан сквозными порами, начиная с поверхности и до барьерного слоя, Его состав меняется, так у барьерного слоя он состоит из а-АЬОз (корунда), который плавно переходит в у- АЬОз (глинозем). На поверхности находится шуба - очень рыхлый слой, состоящий из 3АЬОз х2БЮ2 (муллита) (рис.1).
А1 а-АЬОз у-АЪОз ЗАЬ03х28Ю2
Рис.1. Вид формируемого слоя:
1 - барьерный слой, 2 - рабочий слой, 3 - рыхлый слой.
Процесс образования керамического слоя можно разделить на несколько стадий.
Стадия 1: Образование барьерного слоя. - Это электрохимическое оксидирование, в результате которого вся деталь покрывается оксидным слоем. На этой стадии появляется вентильный эффект, а в завершение этой стадии появляются искры.
Стадия 2: Искрение. Происходит увеличение барьерного слоя и образование рыхлого слоя. Определение этой стадии можно проводить по началу искрения, а завершение по переходу искр в дуговой режим (изменение спектра свечения разрядов).
Стадия 3: Формирование рабочего пористого слоя. - Это завершающая
стадия.
При больших токовых нагрузках возможно получение 4. стадии, в результате которой мощные одиночные дуговые разряды разрушают поверхностный слой.
На начальной стадии образования оксида алюминия процесс проходит как обычное электрохимическое окисление. Оксид алюминия по своим электрическим свойствам относиться к полупроводникам. Когда полностью сформируется барьерный слой, возникает выпрямляющий эффект, по отношению к переменному току, связанный с односторонней проводимостью контакта металл - полупроводник [2].
На границе контакта металл-полупроводник возникает барьерный слой, который оказывает выпрямляющее действие. Причем при подаче отрицательного потенциала на металл образца внешнее поле снимает потенциальный барьер, в результате чего ток беспрепятственно протекает через контакт. При подаче положительной полуволны на металл образца внешнее поле увеличивает потенциальный барьер, и ток через контакт не проходит. На рис.2 показан вентильный эффект снятый на двух лучевом осциллографе С 8-17.
Рис.2. Вентильный эффект при плазменно-электролитическом оксидировании. (1 деление соответствует: т = 0.002 с, I = 1 A (график тока пульсирует), U = 100 B)
В процессе оксидирования происходит обильное газовыделение, кроме того, происходит закипание электролита в порах [3], в условиях высоких
напряжений (200...220 В), возникают ситуации благоприятные для зажигания электрических разрядов в газовых пузырях. Поскольку источник стабилизирует ток и может значительно поднять напряжение, электрический разряд становится стационарным. На начальной стадии оксидирования разряды горят в большом количестве, постепенно разрушая оксидный слой, в месте своей анодной привязки образуя тем самым небольшие поры.
Процесс образования газовых пузырей начинается с дефектов на поверхности там, где первоначально концентрируются токовые потоки. Далее по мере разрастания газового пузыря он полностью блокирует токоперенос в отдельно взятом канале. Как только большая часть проводящих каналов закроется пузырями, в некоторых из них начнут зажигаться электрические разряды. Динамика горения электрических разрядов представлена на рис. 3, снятых на скоростную камеру СК-4, как видно разряды носят прерывистый, крнтрагирующий характер.
Рис.3. Горение электрических разрядов. Снято на скоростную камеру СК-4
Электрические разряды начинаются с пробоя газового промежутка [4]. Главным элементом процесса пробоя является электронная лавина. В данном случае, возможно, описать процесс размножения лавин уравнением Таунсенда, поскольку рё < 1000 торрхсм. В данном случае р « 750 торрхсм (р = 1 торр = 1 мм.рт.ст. = 133.322 Па), ё = 1.. .100 мкм (10 Л. .10 2 см)
рё = 0.075...7.5 << 1000 торрхсм.
Затем в поре зажигается самостоятельный разряд. Он носит дуговой характер, поскольку только дуговым разрядам свойственны большие токи (1 ~ 10 -1.10 "5 А) намного превышающие токи в тлеющем разряде (1 ~ 10 "4 .10 -1 А). Велики по сравнению с тлеющим разрядом плотности тока на катоде ]к ~ 10 2...10 7 А/см 2
В проводимых экспериментах токи составляли 1.5 А [1, 2], учитывая, что в разные стадии процесса горит от 100 до 1 разряда. Получим на начальной стадии (5 мин) порядка 100 разрядов, размер пор 1.10 мкм, суммарная площадь пор составляет 100x10 -8.100х10 -6 см 2 - плотность тока ] = 10 4...10 6 А/см 2. На конечной стадии (60 мин) горит 1.2 разряда, размер пор ~ 10 мкм, суммарная площадь пор составляет (1.2)х10 -6 см 2 - плотность тока ] = 5x10 5.5х10 6 А/см 2.
При горении дуги с холодного (электролитного катода) ток протекает через одно или несколько быстро перемещающихся катодных пятен. Механизм эмиссии таких пятен, на легкоплавких катодов, является автоэлектронным, поскольку разогреть такого вида катоды невозможно.
Таким образом, образование оксида алюминия проходит как обычный электрохимический процесс. Определяющим фактором является переносимый электрический заряд. Электрический разряд носит дуговой характер и может быть описан классическими уравнениями физики дугового разряда. Вентильный эффект возникает на границе основы оксидного слоя и обусловлен р-п-переходом. а-АЬОз (корунд) образуется за счет высокой температуры, создаваемой электрической дугой, и большой скорости охлаждения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Черненко В. И. и др. Получение покрытий анодно-искровым электролизом. - Л: Химия, 1991. - 128с.
2. Поликристаллические полупроводники. Физические свойства и применение. / Бурре А, и др. (пер. с англ. Е.А.Андрющина). - М.: Мир, 1989. -397 с.
3. Томашов Н.Д., Тюкина М.Н.и Заливалова Ф.П. Толстослойное анодирование алюминия и алюминиевых сплавов. - М.: Машиностроение, 1968. - 157 с.
4. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. - М.: Наука, 1992. - 536 с.
Sadofiev A.V.
Candidate of Technical Sciences, Head of Equipment and Infrastructure Department
Branch of JSC "United Engine Corporation" Research Institute of Technology and Organization of Engine Production
(Moscow, Russia)
PHYSICAL PROCESSES OCCURRING DURING PLASMA-ELECTROLYTIC OXIDATION
Abstract: the paper considers the physical processes occurring during plasma electrolytic oxidation, describes the structure of the formed layer, and considers the combustion processes of electrical discharges.Gorenje
Keywords: oxidation, oxide layer, corundum, electrolyte, barrier layer, spark discharge, gorenje dynamics.
