Новая защита для промышленных и медицинских изделий: в ТГУ усовершенствовали технологию на основе наночастиц

Плазменно-электролитическое оксидирование (ПЭО) используется для создания защитных керамических оксидных покрытий (слоев) на изделиях из легких сплавов, работающих в экстремальных условиях.

Изучением и усовершенствованием технологии ПЭО в Тольяттинском госуниверситете занимаются при поддержке Российского научного фонда в научно-исследовательском отделе (НИО) "Оксидные слои, плёнки и покрытия" под научным руководством профессора, доктора физико-математических наук Михаила Криштала при участии ведущего научного сотрудника Израильского политехнического института (Технион) физика-теоретика, PhD Александра Кацмана.

– Направленный поиск оптимальных решений (подбор параметров ПЭО) затруднен отсутствием четкого понимания физических основ формирования таких покрытий. Поэтому создание физической модели ПЭО как совокупности физических явлений остается высоко актуальной задачей, – говорит Михаил Криштал. – В то же время технология ПЭО не так давно была молицирована путем введения в электролит различных керамических наночастиц. Поскольку возникающие при этом синергетические эффекты фактически привели к появлению новой еще более эффективной технологии гибридной плазменно-электролитической обработки (ГибПЭО), это ещё более усложнило понимание физики процесса. Исследования ПЭО с добавками наночастиц активно ведутся во всем мире с нарастающей интенсивностью в последние 5-10 лет. По сути идёт период накопления информации, причём в достаточно хаотичном режиме. Поэтому мы почувствовали острую необходимость обобщения своих и других известных результатов для выхода на качественно иной уровень исследований и разработок.

В итоге исследователи ТГУ разработали теорию, которая позволяет описать и количественно предсказать семь видов взаимодействия частиц с оксидным слоем, и доказали её состоятельность, проведя многочисленные эксперименты, а также обобщив данные других исследователей из сотни источников.

– В нашей работе обобщены и теоретически обоснованы общие и отличительные особенности механизмов взаимодействия наночастиц с оксидным покрытием, формируемым методом ГибПЭО на лёгких сплавах. Мы использовали в основном силумины (сплавы алюминия с кремнием) и сплавы на основе магния при их ГибПЭО с наночастицами карбида титана, диоксида кремния и диоксида циркония. Однако обобщение распространяется и на другие материалы и частицы, – поясняет начальник лаборатории структурно-фазового анализа НИИ прогрессивных технологий ТГУ. кандидат технических наук Антон Полунин.

Исследователи показали, что взаимодействие заряженных керамических ускоренных электрическим полем наночастиц с оксидным слоем определяется трансформацией кинетической энергии наночастиц в нагрев и пластическую деформацию, в фазовые превращения, а также в создание новых поверхностных дефектов. Одним из основных контролирующих факторов стало соотношение твёрдости частиц и оксидного слоя, а также поверхностного заряда на частицах.

– В случае подробно рассмотренного в работе взаимодействия частиц диоксида кремния с оксидным слоем, формируемым на силуминах, образующееся покрытие оказывается твёрже керамических наночастиц, а в остальных случаях наоборот – наночастицы оказываются твёрже оксидного слоя. Это определило две основные группы сценариев взаимодействия наночастиц с покрытием, формируемым при ГибПЭО, – говорит Михаил Криштал. – Но сценарии зависят не только от соотношения твёрдости слоя и добавляемых частиц, а также от распределения введённых в электролит частиц по размерам, от температурно-барических условий фазовых превращений в наночастицах (включая условия их расплавления) и от основных параметров процесса ПЭО.

В итоге ученые с единых позиций описали 7 различных сценариев взаимодействия добавленных в электролит керамических наночастиц с оксидным слоем при его формировании методом ГибПЭО.

– Поскольку в электролите всегда присутствуют частицы не одного размера, а в некотором диапазоне размеров – как правило, от 10-30 до 100 нм и более – это определяет возможность одновременной реализации до четырёх сценариев взаимодействия наночастиц с оксидным слоем. Синергизм гибридной обработки проявляется в несводимости получаемых эффектов к простой сумме плазменно-электролитического воздействия на материал и добавок наночастиц в электролит – малое количество вводимых частиц (как правило в диапазоне 0,3–3 г/л электролита) приводит к кратным и многократным эффектам, – отмечает Михаил Криштал.

В конечном итоге с помощью наночастиц при ГибПЭО удается в разы повысить износостойкость покрытий и в десятки раз их коррозионную стойкость, а также сократить время обработки и энергоёмкость процесса в несколько раз. Таким образом, эффективность технологии повышается многократно.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда в рамках передовой инженерной школы "Гибридные и комбинированные технологии", созданной ТГУ в 2023 году при поддержке высокотехнологичных компаний, включая генерального партнера АО "АВТОВАЗ".