научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ КЕРАМОПОЛИМЕРНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОКРЫТИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СПЕКТРОМЕТРИИ ЯДЕРНОГО ОБРАТНОГО РАССЕЯНИЯ Физика

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ КЕРАМОПОЛИМЕРНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОКРЫТИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СПЕКТРОМЕТРИИ ЯДЕРНОГО ОБРАТНОГО РАССЕЯНИЯ»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 3, с. 11-14

УДК 620.197:621.762

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ КЕРАМОПОЛИМЕРНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОКРЫТИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СПЕКТРОМЕТРИИ ЯДЕРНОГО ОБРАТНОГО РАССЕЯНИЯ

© 2015 г. В. А. Аникин1, А. М. Борисов1,2, *, В. Г. Востриков2, А. В. Гусев3, Б. Л. Крит1, К. А. Маилян3, Е. А. Романовский2, Н. В. Ткаченко1,2, Д. Б. Чудинов1

1МАТИ — Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского,

121552 Москва, Россия

2Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына,

119991 Москва, Россия 3Институт теоретической и прикладной электродинамики РАН, 125412 Москва, Россия

*Е-таИ: anatoly_borisov@mail.ru Поступила в редакцию 09.09.2014 г.

Проведено исследование покрытий, сформированных методом микродугового оксидирования (МДО) алюминиевых сплавов АМг-3 и В-95 с последующим наполнением остаточных пор поли-пара-ксилиле-ном методом газофазной полимеризации на поверхности. Найдено, что полимерное наполнение позволяет уменьшить сквозную пористость МДО-покрытия более чем в пять раз. Показана эффективность и неразрушающий характер метода спектрометрии ядерного обратного рассеяния протонов с энергией 7.5 МэВ для измерения состава и толщины композиционных керамополимерных покрытий.

Ключевые слова: микродуговое оксидирование, алюминиевые сплавы, поли-пара-ксилилен, кера-мополимерное покрытие, пористость, спектрометрия ядерного обратного рассеяния.

Б01: 10.7868/$020735281503004Х

ВВЕДЕНИЕ

Одним из перспективных методов модифицирования свойств поверхности металлических изделий служит микродуговое оксидирование (МДО), позволяющее создавать износостойкие, коррозионно-стойкие и теплостойкие защитные покрытия [1—5]. Неотъемлемой чертой МДО-покрытий является наличие остаточной сквозной пористости, которая необходима для обеспечения процесса МДО, являясь составной частью реализации его физико-химических механизмов [1, 6]. Следовательно, при разработке и применении метода важно учитывать наличие остаточной пористости (особенно сквозной) синтезируемых МДО-слоев. В том случае, когда не ставится задача целенаправленного формирования на поверхности пористой структуры, пористость следует рассматривать как недостаток, существенно снижающий характеристики материалов и изделий и не позволяющий в полной мере достичь требуемых результатов модифицирования.

Для регулирования остаточной пористости (вплоть до полного ее устранения), а также придания поверхности окончательных потребительских свойств применяют различные виды дополнительной обработки МДО-покрытий. Среди таковых можно назвать пропитку органическими или неорганическими жидкостями и расплавами

металлов; наполнение различными веществами (химическими элементами и соединениями, полимерами); оплавление; механическую обработку, которые способны улучшить свойства и существенно расширить области применения оксидированных деталей [1, 7].

Для условий, когда изделия не подвергаются экстремальным нагрузкам, в работах [8, 9] предложен метод наполнения МДО-покрытий путем газофазной полимеризации на поверхности пара-ксилилена. Преимущество метода состоит в том, что газообразный мономер пара-ксилилена обладает высокой проникающей способностью, поэтому образующийся при полимеризации слой формируется одновременно по всей поверхности субстрата, независимо от ее профиля, и образует на ней защитную, однородную по толщине пленку одинаково хорошего качества даже вблизи острых краев и кромок.

Таким образом, газофазная полимеризация на поверхности позволяет получать слоистые композиционные керамополимерные покрытия, для исследования которых в настоящей работе использовали метод спектрометрии ядерного обратного рассеяния (ЯОР). Метод ЯОР зарекомендовал себя как безэталонный неразрушающий метод послойного химического анализа поверхностного слоя с повышенной чувствительностью к легким элемен-

200

«

и

н

3

р

м о С се Я

и

В

4 о Н

150

100 -

50

0 100 200 300 400

Продолжительность МДО, мин

Рис. 1. Зависимости толщины МДО-покрытий от времени оксидирования сплава АМг-3 (1) и сплава В-95 до (2) и после (3) абразивной обработки.

там (B, C, N, O и др.) на глубине до 100 мкм от поверхности с разрешением ~0.5 мкм [3—5, 10—13].

ЭКСПЕРИМЕНТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Синтез МДО-покрытий проводили на установке МД0-100 МАТИ [1]. Для исследований использовали цилиндрические образцы из алюминиевых сплавов АМг-3 (М§ 3.2-3.8; 81 0.5-0.8; Мп 0.3-0.6; Fe до 0.5; 2п до 0.2; Т1 до 0.1; Си до 0.1 мас. %; ост. А1) и В-95 (2п 5-7; М§ 1.8-2.8; Си 1.4-2; Мп 0.2-0.6; Fe до 0.5; 81 до 0.5; Сг 0.10.25; Т1 до 0.05 мас. %; ост. А1) диаметром 20 и высотой 6 мм. МДО проводили в водном растворе щелочи №ОН (2 г/л) и жидкого стекла (9 г/л) в анодно-катодном режиме длительностью от 10 до 400 мин. Средняя плотность тока при МДО составляла 10 А/дм2 при равном соотношении анодного и катодного токов.

Наполнение полимерным материалом проводили на установке газофазной полимеризация Института теоретической и прикладной электродинамики РАН. Установка состоит из трех последовательно соединенных нагреваемых зон и реактора полимеризации объемом 40 л. После загрузки в зону сублимации исходного димера (парацикло-фана, ПЦФ) установку вакуумировали до давления ~1 Па в реакторе полимеризации. В результате нагрева зоны сублимации при температуре 150°С происходит возгонка ПЦФ, его пары попадают в пиролизную зону (Т = 600-700°С), в которой молекула ПЦФ распадается на две молекулы пара-ксилилена. Проходя через зону промежуточного охлаждения (Т = 200°С), молекулы пара-ксили-лена попадают в реактор полимеризации, где они конденсируются на относительно холодной (Т =

= 25°C) поверхности и самопроизвольно полиме-ризуются с образованием пленки поли-пара-кси-лилена. Длительность процесса по наполению МДО-покрытий составляла около пяти часов.

Толщину МДО-покрытий измеряли с помощью вихретокового толщиномера ВТ-201, который предназначен для быстрого и неразрушающего контроля толщины неметаллических покрытий, нанесенных на металлическое немагнитное основание (алюминий, медь, титан). Сквозную пористость покрытий определяли методом, основанным на измерении электрического сопротивления двухэлектродной электрохимической ячейки, одним из электродов которой является испытуемый образец с покрытием [1]. Погрешность данных методик не превышает 5% измеряемой величины.

Для определения состава и распределения элементов по толщине покрытия использовали метод спектрометрии ядерного обратного рассеяния. Метод основан на использовании закономерностей рассеяния ускоренных заряженных частиц ядрами атомов анализируемого вещества и торможения частиц в его среде [13]. Облучение проводили коллимированным пучком протонов диаметром 2 мм с энергией 7.5 МэВ на циклотроне НИИЯФ МГУ. Угол регистрации рассеянных протонов составлял 160°. Для регистрации и анализа обратно рассеянных частиц по энергии использовали поверхностно-барьерный полупроводниковый детектор, оснащенный зарядочувствительным усилителем, с последующим амплитудным анализом импульсов рассеянных протонов спектрометрическими устройствами. Измеряемые спектры представляли в виде зависимости числа импульсов (выход ЯОР) от энергии зарегистрированных частиц. Определение профилей распределения элементов проводили в соответствии с методикой, описанной в работе [13], путем сопоставления экспериментальных и расчетных спектров. Расчетные спектры получали моделированием обратного рассеяния протонов слоистым поверхностным слоем предполагаемой структуры и элементного состава с помощью программы NBS Simulation.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Известно, что технология МДО позволяет получать на алюминиевых сплавах толстые, порядка сотен микрометров, оксидные керамикоподоб-ные покрытия [1, 6].

Для сплавов АМг-3 и В-95 наблюдаются типичные пропорциональные зависимости толщины МДО-покрытия от времени обработки (рис. 1). Из рисунка видно, что скорости роста покрытий для исследуемых сплавов являются близкими и определяются, при прочих равных условиях, особенностями оксидирования базового компонента сплавов. Известно также, что для МДО-покрытия на алюминии и его сплавах характерно образование твердой (внутренней) части, состоящей,

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ КЕРАМОПОЛИМЕРНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОКРЫТИЙ 13

6 5 — . В-95 • ■ АМг-3 АМг-3 □ о^ - - ' ~ ^ □ □ 'о

4 --тЬ о

3 ■о ^

2 - • — •— •

1 - • ч

0 50 100 150 200

Толщина покрытия, мкм

Рис. 2. Зависимость сквозной пористости от толщины МДО-покрытия до (открытые символы) и после (заполненные символы) наполнения полимером.

Энергия протонов, кэВ

Рис. 3. Спектры ядерного обратного рассеяния протонов с энергией 7.5 МэВ для МДО-покрытия на поверхности сплава В-95 при длительности оксидирования 80 мин до (открытые символы) и после (заполненные символы) полимерного наполнения.

главным образом, из корунда, и относительно мягкой наружной части, обогащенной алюмосиликатами. Наружная часть при необходимости может быть удалена абразивной обработкой [1]. Толщина наружной части, как это видно из рис. 1, для сплава В-95 составляет 30—40% от общей толщины оксидного слоя.

Величина сквозной пористости, являющейся (как отмечалось во Введении) неотъемлемым свойством МДО-покрытий, измеренная на оксидированных образцах сплавов АМг-3 и В-95, меняется от 3 до 6% в зависимости от толщины покрытия (рис. 2). Толщина покрытия выбрана в качестве аргумента по той причине, что она, с одной стороны, напрямую зависит от продолжительности МДО (рис. 1), а с другой стороны, она является контролируемым параметром оценки результата модифицирования. На рис. 2 прямая линия, проведенная пунктиром, отражает зависимость линейного роста сквозной пористости от толщины покрытия, приблизительно одинаковую для обоих сплавов.

Исследования керамополимерного покрытия показали, что наполнение МДО-покрытия поли-пара-ксилиленом позволяет в несколько раз уменьшить сквозную пористость покрытия (рис. 2). Наиболее значительное уменьшение пористости отмечено для максимальной в данной серии экспериментов тол

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»