CC BY
29
рз^ ^
1
Мукаееа В. Р. Микаеуа V. Я.
кандидат технических наук, старший научный сотрудник кафедры «Теоретические основы электротехники», ФГБОУВО « Уфимский государственный авиационный техническийуниверситет», г. Уфа, Российская Федерация
Горбаткое М. В. вогЬагкогМ. V.
аспирант кафедры «Теоретические основы электротехники», ФГБОУВО «Уфимский государственный авиационный техническийуниверситет», г. Уфа, Российская Федерация
Фаррахое Р. Г. ЕаггаккоуК. С.
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Теоретические основы электротехники», ФГБОУВО «Уфимский государственный авиационный техническийуниверситет», г. Уфа, Российская Федерация
Парфенов Е. В. Раг/епогЕ. V.
доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Теоретические основы электротехники», ФГБОУВО «Уфимский государственный авиационный техническийуниверситет», г. Уфа, Российская Федерация
УДК 621.9.047.7:519.8
ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЦЕССА ПЛАЗМЕННО-ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ОКСИДИРОВАНИЯ АЛЮМИНИЯ
Плазменно-электролитическое оксидирование (ПЭО) — современный экологичный технологический процесс, который позволяет получать многофункциональные покрытия на поверхности металлов и сплавов, отличающиеся высокой коррозионной и износостойкостью. Так, в нефтехимической и газовой промышленности ПЭО-покрытия применяются на алюминиевых сплавах для центробежных насосов, торцевых уплотнений и позволяют увеличить срок их службы. Важной особенностью ПЭО является то, что оксидные слои растут в обе стороны относительно исходной поверхности детали на границах металл-оксид и оксид-электролит, но с различной скоростью. Скорости роста покрытия взаимосвязаны с комплексом физических процессов, в которых, наряду с процессами электрохимического окисления на границе металл-оксид и растворения на границе оксид-электролит, в местах локализации микроразряда происходит переплавление покрытия и подложки, а расплавленный металл выбрасывается на поверхность детали и немедленно окисляется и осаждается.
60 -
Electrical and data processing facilities and systems. № 3, v. 14, 2018
Таким образом, для обеспечения точных размеров детали актуальна задача диагностики скорости роста покрытия на различных стадиях обработки. Известно, что процесс ПЭО сопровождается кипением электролита, вспышками микроразрядов; данные явления являются источниками акустических колебаний, характеристики которых зависят от стадии процесса ПЭО. Поэтому в работе проведен поиск информативных параметров акустических колебаний для контроля скорости роста ПЭО-покрытия. В статье приведены результаты экспериментальных исследований акустических характеристик и свойств поверхности в ходе ПЭО технически чистого алюминия в биполярном импульсном режиме. Выбор режима определяется преимуществом с точки зрения микротвердости, адгезии и шероховатости по сравнению с униполярными импульсным режимом и режимом постоянного тока. Проведен анализ экспериментальных данных и предложен подход для определения скорости роста покрытия без прерывания процесса. Показано, как изменяются акустические параметры на разных стадиях роста покрытия. Получена закономерность, позволяющая рассчитать скорость роста покрытия на каждой стадии по интенсивности акустических колебаний на частотах первой и второй гармоники импульсов рабочего напряжения.
Ключевые слова: плазменно-электролитическое оксидирование, биполярный режим, микроразряды, акустические характеристики, регрессионное моделирование.
A STUDY OF THE ACOUSTIC CHARACTERISTICS OF PLASMA ELECTROLYTIC OXIDATION OF ALUMINUM
Plasma electrolytic oxidation (PEO) is a modern environmentally friendly technological process, which helps to obtain multifunctional coatings providing high corrosion and wear resistance on the surface of metals and alloys. Thus, in the petrochemical and gas industry, PEO-coatings on aluminum alloys are used for centrifugal pumps, mechanical seals; this allow to increase their service life. An important feature of PEO is that the oxide layer grows in both directions with respect to the initial surface of the sample: at the metal-oxide and oxide-electrolyte interfaces, and at different rates. The coating growth rate is connected with a complex of physical processes: electrochemical oxidation at the metal-oxide interface, dissolution at the oxide-electrolyte interface. In addition, at the microdischarge site, the coating and the substrate melt and resoldify. The molten metal is released onto the surface of the part, immediately gets oxidized and precipitates back. Therefore, there is an important task of diagnosing the growth rate of the coating at various stages of processing to ensure accurate production of the sample size. The PEO process is accompanied by the electrolyte boiling and microdischarges. These phenomena are the sources of acoustic waves. The acoustic characteristics depend on the stage of the PEO process. Therefore informative parameters of acoustic characteristics which help to monitor the PEO process were searched in this work. This article presents the results of experimental studies of acoustic characteristics and surface properties during PEO of pure aluminum in pulsed bipolar mode. This mode is better than unipolar pulsed mode and DC mode in terms of coating microhardness, adhesion and roughness. Experimental data was analyzed and a new approach was proposed for determining the coating growth rate without interrupting the process. It was shown how the acoustic parameters change at different stages of the coating growth. A regularity was obtained to calculate the growth rate of the coating at each stage according to the intensity of acoustic oscillations at fundamental and second harmonic frequencies of the technological voltage pulses.
Key words: plasma electrolytic oxidation, bipolar mode, microdischarges, acoustic characteristics, regression modeling.
Введение
Пламенно-электролитическое оксидирование (ПЭО) — современный, экологичный технологический процесс формирования покрытий на сплавах вентильных металлов А1, Т1, М^, Ъг. Особенностью данного процесса является использование высокого напряжения, превышающего напряжение
пробоя растущего оксидного слоя [1]. В таких условиях на поверхности обрабатываемой детали образуются микроразряды, которые играют ключевую роль в процессе формирования покрытия. Наряду с процессами электрохимического окисления на границе металл-оксид и растворения на границе оксид-электролит, в местах локализации
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 3, т. 14, 2018
микроразряда происходит оплавление покрытия и подложки, расплавленный металл выбрасывается на поверхность детали и немедленно окисляется и осаждается [2, 3]. Характер микроразрядов изменяется в ходе обработки, что отражается на свойствах оксидного слоя. Для разработки способов контроля роста покрытия авторами анализируются видеоизображения микроразрядов [4], оптические спектры [5] и отклики в электрическом сигнале [6]. Также отмечается изменение акустического излучения в ходе ПЭО [7, 8]. Авторами [9] исследовались типы акустических колебаний, создаваемые различными микроразрядами для ПЭО магниевых сплавов в режиме постоянного тока. Наше исследование посвящено изучению акустического излучения в ходе ПЭО алюминия в режиме «мягкого искрения» (soft sparking) при импульсном биполярном напряжении. Данный режим обработки описан в литературе и позволяет получать покрытия с улучшенными свойствами микротвердости, адгезии, меньшей шероховатостью по сравнению с униполярными импульсным режимом и режимом постоянного тока [3, 10]. Исследование направлено на поиск закономерностей, позволяющих разделить стадии процесса ПЭО с характерными скоростями роста покрытия.
Экспериментальные исследования
Эксперименты проводились на автоматизированной экспериментальной установке для изучения электролитно-плазменных процессов в режиме импульсного биполярного напряжения со стабилизацией напряжения [11]. Частота следования импульсов 2 кГц. В качестве электролита использовался водный раствор, содержащий 1 г/л КОН, 2 г/л Na4P207-10H20 и 2 г/л Na2Si03. Температура поддерживалась 20 °С. Для определения изменения толщины покрытия во времени проводилась серия экспериментов длительностью 1, 3, 6, 10, 17, 30 и 45 мин. Толщина покрытия на образцах измерялась вихрето-ковым толщиномером Defelsko Positector 6000. Микрофотографии поверхности получены с помощью электронного микроскопа JEOL JSM-6490.
В ходе процесса регистрировались средние и мгновенные значения тока и напряже-
62 -
Electrical and
ния с частотой 1 Гц и 1 МГц соответственно. Также проводилась видеосъемка с аудиозаписью с частотой 48 кГц в ходе опыта длительностью 20 мин. После обработки данные измерений электрических параметров и wav-аудиофайл были обработаны в программной среде MATLAB. Для выявления акустических колебаний на рабочей частоте и кратных гармониках были рассчитаны периодограммные оценки акустического спектра по методу Уэлча [12] с окном Кайзера. Разрешение по времени составило 5 с, разрешение по частоте — 9,3 Гц. Измерения усреднялись в интервале 1 мин. Осциллограммы тока были преобразованы в спектр с использованием алгоритма быстрого преобразования Фурье.
Результаты и их обсуждение
Как показано на рисунке 1, а, среднее значение плотности тока в ходе оксидирования уменьшается в начале обработки и устанавливается на уровне 0,2 А/см2 при достижения толщины покрытия 19-20 мкм после 10-14 мин обработки. Стабилизация величины тока при постоянных амплитудах импульсов напряжения свидетельствует о том, что после достижения определенной толщины покрытия на границе металл-оксид протекают реакции характерные для режима «мягкого искрения». По результатам быстрого преобразования Фурье выделены частоты: первая гармоника импульсов рабочего напряжения 2 кГц и вторая гармоника 4 кГц. Амплитуды колебаний тока на данных частотах также стремятся к постоянному значению.
В первой стадии обработки 1-10 мин наблюдается быстрый рост покрытия, в дальнейшем скорость замедляется. Каждый этап, как показано на рисунке 1, б, можно аппроксимировать прямыми:
h= l,66t + 3,47, t= 1.. .10 мин; h = 0,22t+17,56,t=10...45MHH, (1) где h — толщина покрытия, мкм; t — длительность обработки, мин; коэффициенты Vj = 1,66 и v2 = 0,22 отражают скорости роста покрытия на первой и второй стадиях.
На рисунке 1, в представлены акустические колебания на частотах 2 кГц и 4 кГц. Изменение во времени амплитуд колебаний на выбранных частотах может объясняться эволюцией микроразрядов и изменением интенсивности кипения у поверхности
data processing facilities and systems. № 3, v. 14, 2018
детали. Изменение характера микроразрядов отражается и на микрорельефе поверхности покрытия, как показано на рисунке 1, а.
Первые 4 мин обработки микроразряды — искровые (рисунок 1, г). Такие микроразряды возникают при тонкой оксидной пленке, не требующей большой энергии электрического пробоя. При достижении толщины покрытия 16-18 мкм возникают более крупные микродуговые разряды, которые медленнее затухают и приводят к формированию более крупных кратеров и пор в поверхностном слое. При такой толщине покрытия необходимо больше энергии для возникновения пробоя между подложкой и электролитом. Можно предположить, что из-за малого времени жизни для вспышек пузырьков газа с искровыми микроразрядами характерны механические колебания на более высоких частотах, по сравнению с более энергоемкими микродуговыми разрядами. Поэтому на рисунке 1, в с ростом
покрытия мы наблюдаем уменьшение амплитуды колебаний А2 на частоте 4 кГц и усиление колебаний А! на частоте 2 кГц.
При дальнейшей обработке, когда устанавливается постоянная величина тока, покрытие равномерно растет. Растущее покрытие препятствует прохождению заряда, поэтому количество микродуговых разрядов на поверхности покрытия сокращается (рисунок 1, г). Звуковые колебания на рабочей частоте импульсов напряжения также уменьшаются. В то же время нарастает амплитуда на частоте второй гармоники 4 кГц импульсов рабочего напряжения. На данном этапе в процессе преобладает формирование внутреннего слоя покрытия. Наблюдается свечение образца. Можно предположить, что люминесценцию вызывают малые искровые микроразряды, возникающие на границе металл-оксид.
Таким образом, стадийность процесса ПЭО в выбранном режиме обработки отра-
Рисунок 1. Изменение во времени параметров процесса ПЭО алюминия: средняя плотность]ср, плотность тока]П и }£1 на частотах 2 кГц и 4 кГц (а); толщина покрытия и микрофотографии рельефа поверхности после 1,6и30 мин обработки (б); интенсивность акустических колебаний А1 и А2 на частотах 2 кГц и 4 кГц (в); кривые скорости роста покрытия, полученные на основе уравнений аппроксимации экспериментальных данных (---)и по акустическим характеристикам (—А—) (г)
- 63
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 3, т. 14, 2018
жается в акустических характеристиках. Для поиска взаимосвязи акустических колебаний со скоростью роста покрытия v (мкм/мин) было проведено регрессионное моделирование. Получено уравнение:
v = k0 + k1-A1 + k2-A2, (2)
где ко = -0,15, kl = 1,1-105 и к2 = 8,22-104 — коэффициенты регрессионной модели; А1 и А2 — интенсивности звуковых колебаний на частотах 2 кГц и 4 кГц.
На рисунке 1, г представлены две кривые: первая, полученная в результате регрессионного моделирования и кривая с двумя уровнями скорости Vj и v2; вторая, полученная на основе линейных уравнений аппроксимации экспериментальных данных. Коэффициент детерминации и стандартное отклонение отсчетов второй кривой относительно первой составляют 0,98 и 0,15 мкм/мин соответственно. Общий закономерный характер кривых свидетельствует о том, что изменение стадии процесса ПЭО и скорость роста покрытия можно идентифицировать по акустическим характеристикам.
Выводы
Проведены экспериментальные исследования технически чистого алюминия в
Список литературы
1. Yerokhin A.L., NieX., Leyland A., Matthews A., Dowey S.J. Plasma Electrolysis for Surface Engineering. Review // Surface and Coatings Technology. 1999. Vol. 122. P. 73-79.
2. Yerokhin A.L. Snizhko L.O., Gure-vina N.L., Leyland A., Pilkington A., Matthews A. Spatial Characteristics of Discharge Phenomena in Plasma Electrolytic Oxidation of Aluminum alloy // Surface and Coatings Technology. 2004. Vol. 177-178. P. 779-783.
3. Gebarowski W., Pietrzyk S. Influence of the Cathodic Pulse on the Formation and Morphology of Oxide Coatings on Aluminium Produced by Plasma Electrolytic Oxidation // Archives of Metallurgy and Materials. 2013. Vol. 58 (1). P. 241-245.
4. Парфенов E.B., Лазарев Д.М., Фат-куллин А.Р, Ерохин А.Л. Идентификация технологического процесса плазменно электролитического оксидирования // Автоматизация и современные технологии. 2011. №4. С. 6-13.
режиме «мягкого искрения» (soft sparking) при биполярном напряжении со стабилизацией напряжения. После 30 мин обработки достигнута толщина покрытия 25 мкм. Выявлены стадии технологического процесса с характерной средней плотностью тока, скоростью роста покрытия, микрорельефом поверхности, акустическим спектром и видом микроразрядов.
Проведена аппроксимация экспериментальных данных для определения скорости роста покрытия на каждой стадии. Коэффициент детерминации данных относительно аппроксимационных моделей 0,97. Определены информативные параметры акустического излучения (интенсивность колебаний на 1-ой и 2-ой гармонике импульсов рабочего напряжения), на основе которых построена регрессионная модель для определения скорости роста покрытия.
Работа подготовлена в рамках гранта РФФИ 16-38-60062. Исследовательская часть работы выполнена с использованием оборудования ЦКП «Нанотех» ФГБОУ ВО «УГАТУ» http://nanotech.ugatu.ac.ru.
5. Горбатков М.В., Парфенов Е.В., Мукаева В.Р, Жернаков С.В., Ерохин А.Л. Измерение толщины покрытия в ходе процесса плазменно-электролитического оксидирования по оптическим спектрам // Датчики и системы. 2018. № 1. С. 36-39.
6. Пат. 2360045 РФ, МПК С 25 F 5/00. Способ определения момента окончания процесса электролитно-плазменного удаления покрытия / Парфенов Е.В., Невьян-цева P.P., Быбин А.А. 2007137307/02; Заявлено 08.10.07; Опубл. 27.06.09, Бюл. № 18.
7. Slonova A.I., Tereleeva О.Р Morphology, Structure, and Phase Composition of Microplasma Coatings Formed on Al-Cu-Mg Alloy // Protection of Metals. 2011. Vol. 44 (1). P. 65-75.
8. Matykina E., Arrabal R., Scurr D.J., Baron A., Skeldon P., Thompson G.E. Investigation of the Mechanism of Plasma Electrolytic Oxidation of Aluminium Using 180 Tracer // Corrosion Science. 2010. Vol. 52 (3). P. 1070-1076.
Electrical and data processing facilities and systems. № 3, v. 14, 2018
9. Boinet М., Verdier S., Maximovitch S., Dalard F. Plasma Electrolytic Oxidation of AM60 Magnesium Alloy: Monitoring by Acoustic Emission Technique. Electrochemical Properties of Coatings // Surface and Coatings Technology. 2005. Vol. 199. P. 141-149.
10. Wang J.-H., Du M.-H., Han F.-Z., Yang J. Effects of the Ratio of Anodic and Cathodic Currents on the Characteristics of Micro-Arc Oxidation Ceramic Coatings on A1 Alloys //Applied Surface Science. 2014. No. 292. P. 658-664.
11. Fatkullin A.R., Parfenov E.V., Yero-khin A., Lazarev D.M., Matthews A. Effect of Positive and Negative Pulse Voltages on Surface Properties and Equivalent Circuit of Plasma Electrolytic Oxidation Process II Surface and Coatings Technology. 2015. Vol. 284. P. 427-437.
12. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. СПб.: Питер, 2002. 608 с.
References
1. Yerokhin A.L., Nie X., Leyland A., Matthews A., Dowey S.J. Plasma Electrolysis for Surface Engineering. Review. Surface and Coatings Technology, 1999, Vol. 122, pp. 73-79.
2. Yerokhin A.L., Snizhko L.O., Gurevi-na N.L., Leyland A., Pilkington A., Matthews A. Spatial Characteristics of Discharge Phenomena in Plasma Electrolytic Oxidation of Aluminum Alloy. Surface and Coatings Technology, 2004, Vol. 177-178, P. 779-783. [inRussian],
3. Gebarowski W., Pietrzyk S. Influence of the Cathodic Pulse on the Formation and Morphology of Oxide Coatings on Aluminium Produced by Plasma Electrolytic Oxidation. Archives of Metallurgy and Materials, 2013, Vol. 58 (1). pp. 241-245. [in Russian],
4. Parfenov E.V., Lazarev D.M., Fatkullin A.R., Erohin A.L. Process Identification of Plasma Electrolytic Oxidation. Automation and Modern Technologies, 2011, No. 4, pp. 6-13. [in Russian],
5. Gorbatkov M.V., Parfenov E.V., Muka-eva V.R., Zhernakov S.V., Erohin A.L. A Coating Thickness Measuring Technique During Plasma Electrolytic Oxidation Based on Optical Emission Spectra. Sensors and Systems, 2018, No. 1, pp. 36-39. [inRussian],
6. Parfenov E.V., Nevyantseva R.R., By-bin A.A. The Methodfor Determining the End of the Process of Electrolytic-Plasma Removal of the Coating. Patent RF, No. 2360045, 2009. [in Russian],
7. Slonova A.I., Tereleeva O.P. Morphology, Structure, and Phase Composition of Microplasma Coatings Formed on Al-Cu-Mg Alloy. Protection of Metals, 2011, Vol. 44 (1), pp. 65-75.
8. Matykina E., Arrabal R., Scurr D.J., Baron A., Skeldon P., Thompson G.E. Investigation of the Mechanism of Plasma Electrolytic Oxidation of Aluminium Using 180 Tracer. Corrosion Science, 2010, Vol. 52 (3), pp. 1070-1076.
9. Boinet M., Verdier S., Maximovitch S., Dalard F. Plasma Electrolytic Oxidation of AM60 Magnesium Alloy: Monitoring by Acoustic Emission technique. Electrochemical Properties of Coatings. Surface and Coatings Technology, 2005, Vol. 199, P. 141-149.
10. Wang J.-H., Du M.-H., Han F.-Z., Yang J. Effects of the Ratio of Anodic and Cathodic Currents on the Characteristics of Micro-Arc Oxidation Ceramic Coatings on A1 Alloys. Applied Surface Science, 2014, No. 292, pp. 658-664.
11. Fatkullin A.R, Parfenov E.V., Yerokhin A., Lazarev D.M., Matthews A. Effect of Positive and Negative Pulse Voltages on Surface Properties and Equivalent Circuit of Plasma Electrolytic Oxidation Process. Surface and Coatings Technology, 2015, Vol. 284, pp. 427-437.
12. Sergienko A.B. Digital Signal Processing. Saint-Petersburg, Piter Publ., 2002. 608 p. [in Russian],
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 3, т. 14, 2018
