О технологии и функциональности мдо-покрытия

мдо-покрытие, керамическое покрытие

Что такое МДО?

Микродуговое оксидирование (МДО) - новый вид поверхностной обработки и упрочнения главным образом металлических материалов, относящийся к электрохимическим процессам. Микродуговое оксидирование позволяет получать многофункциональные керамоподобные покрытия с широким комплексом свойств, в том числе износостойкие, коррозионностойкие, теплостойкие, электроизоляционные и декоративные покрытия. Технология МДО хорошо отработана для группы вентильных металлов и их сплавов: титана, магния, тантала, ниобия, циркония, бериллия, но, прежде всего, - для алюминия.

Отличительными чертами процесса МДО являются его экологичность, относительная универсальность, а также отсутствие необходимости тщательной предварительной подготовки обрабатываемой поверхности.

Для МДО-покрытий, получаемых на алюминиевых сплавах, характерны следующие данные:

      толщина — до 400 мкм
      микротвердость — до 2500 кг/мм²
      пробойное напряжение — до 6000 В
      теплостойкость — выдерживает тепловой удар до 25000С
      коррозионная стойкость — 1-й балл по десятибалльной шкале
      износостойкость — на уровне твердых сплавов
      пористость — от 2 до 50% (регулируемая)

Области применения технологии МДО

Многофункциональность МДО-покрытий определяет их применение в различных отраслях промышленности (машиностроении, аэрокосмической, приборостроении, электронной, химической, нефтегазовой, автомобильной, инструментальной, текстильной, медицинской, строительных конструкций, производстве товаров бытового назначения и др.) в самых разных узлах оборудования (запорная арматура, детали насосов и компрессоров, пресс-оснастка, детали двигателей внутреннего сгорания и многое другое) для повышения износостойкости, коррозионно-защитных свойств, диэлектрических, теплозащитных и декоративных характеристик.

Авиационная и автомобильная промышленности

В авиационной и автомобильной промышленности нанесение покрытий на детали цилиндро-поршневой группы, в частности на поршни двигателей внутреннего сгорания, позволяет защитить их от высокотемпературной газовой эрозии и снизить температуру металла основы примерно в 1,5 раза. Это относится также к лопаткам турбин и соплам двигателей.

Приборостроение, электротехническая и электронная промышленности

В приборостроении, электротехнической и электронной промышленности МДО-покрытия нашли применение в качестве антидиффузионных слоев нагревательных систем, используемых в производстве чипов; диэлектрических слоев теплоотводов интегральных микросхем; матированных, дающих диффузное рассеяние, и черных, поглощающих (до 96-98 % в диапазоне волн 370600 нм) слоев, работающих в качестве абсорберов радиаторов, а также при изготовлении катодов для установок реактивного ионного травления. Применение МДО для формовки танталовых анодов электролитических конденсаторов позволяет увеличить их объемную удельную емкость в 2-5 раз при многократном сокращении времени процесса.

МДО-покрытия нашли применение для защиты от газо- и гидроабразивного износа быстровращающихся деталей расходомеров жидкостей и газов широкой номенклатуры. МДО-покрытия также применяются для длительной защиты от коррозии, в том числе радиационной, деталей автономных радиоизотопных источников питания.

Нефтехимическая и газовая промышленности

В нефтехимической и газовой промышленности хорошо показали себя коррозионно-износостойкие МДО-покрытия на алюминии и двухслойные покрытия (напыленный алюминий - МДО) на стали для плунжеров насосов, торцевых уплотнений (вместо силицированного графита и твердого сплава) и шиберов задвижек, повышая их срок службы в сероводородсодержащих средах многократно. Имеются наработки по защитным кожухам датчиков для дефектоскопии нефте- и газопроводов, по оксидированным алюминиевым бурильным трубам и сведения об использовании МДО-покрытий в качестве катализаторов для оксидного катализа.

В городском хозяйстве МДО-покрытия можно применять для защиты от коррозии и износа гребней и настилов алюминиевых ступеней эскалаторов.

Водохозяйство

В водохозяйстве МДО-покрытия нашли применение для защиты корпусов, крыльчаток, крышек, роторов, статоров и торцевых уплотнений водяных и погружных насосов и запорной арматуры водопроводных кранов - для защиты от износа и коррозии.

Медицинская промышленность

В медицинской промышленности возможным применением является защита от коррозии нерабочих частей - ручки из алюминиевых сплавов - различного инструмента, изготовление неотторгаемой биокерамики на базе титана и циркония для имплантантов в стоматологии, искусственных суставов и позвонков, для костной реконструкции, а также в качестве тонких фильтров и мембран для плазмы крови.

Машиностроение

В машиностроении в качестве примеров использования можно привести быстровращающиеся детали вакуумных безмасляных насосов и компрессоров, а также высокопроизводительных измельчителей-дезинтеграторов, изготавливаемых из алюминиевых и титановых сплавов с последующим оксидированием взамен легированной стали, для работы в тяжелых триботехнических условиях (размол сахара, зерна, кофе и др. в пищевой промышленности); литейные формы и стержни высокого качества; облегченные оправки для формования изделий из стеклоткани с улучшенным сходом изделий.

Инструментальная промышленность

Для инструментальной промышленности перспективны калибры (вместо твердосплавных) и притиры из дуралюминов с износостойким МДО-покрытием, а также оксидированные диски из алюминиевых сплавов взамен алмазных для заправки твердосплавного инструмента и корпуса-держатели для легких высокоскоростных фрез.

Текстильная промышленность

В текстильной промышленности успешно применяются изготовленные из алюминиевых сплавов с износостойкими МДО-покрытиями веретена для скручивания натуральной нити, втулки и тарелочки натяжных приборов, пары и крючки контрольно-очистительных приборов мотальных и тростильных машин, а также раскладочные ролики, требующие повышенной износостойкости, теплостойкости и определенной степени шероховатости при производстве полиэфирной нити.

Производство строительных конструкций

В производстве строительных конструкций в качестве защитно-декоративных могут быть использованы цветные светостойкие МДО-покрытия как для наружного, так и для внутреннего архитектурного оформления зданий и сооружений.

Бытовое назначение

Применение МДО-покрытий в производстве товаров бытового назначения также достаточно перспективно. Так, при нанесении их на сковороды и подошвы утюгов из алюминиевых сплавов, помимо декоративного эффекта, достигается повышение поверхностной твердости в 5-6 раз при снижении коэффициента трения приблизительно в 1,5 раза и улучшении антипригарных свойств.

Износостойкие покрытия на подающих роликах типографских машин (счетчиков купюр) повысили их долговечность многократно. Хорошо себя зарекомендовали оксидированные алюминиевые «мусаты», поскольку МДО-покрытия оказались хорошим материалом для тонкой правки режущей кромки ножей. Нашли применение МДО-покрытия на алюминии в производстве классических бритвенных лезвий для повышения износостойкости направляющих столов в линиях их транспортировки, а также для защиты от коррозии и износа деталей спортивных велосипедов и других изделий из магниевых сплавов.

ООО «КОНВЕРТ» освоил технологию упрочнения титановых лопаток авиационных двигателей с целью повышения их износостойкости при работе в условиях повышенной пыльности (взлет и посадка вертолета на неподготовленную площадку). Кроме того, упрочнение лопаток особенно актуальная проблема для двигателей наземного использования (очистка железнодорожных путей и стрелок в карьерах горно-обогатительных комбинатов и прочее).

Сравнительная оценка износостойкости

Сравнительная оценка износостойкости керамических покрытий

Сравнительная оценка износостойкости керамических покрытий, сформированных методом микродугового оксидирования относительно других методов упрочнения поверхностей формированных методом МДО.

На рисунке представлены результаты испытаний на абразивное изнашивание МДО-покрытия и ряд других материалов, получаемых современными методами обработки материалов, такими как ВИП-технологии , лазерное упрочнение, приведенных к износу выбранного эталона – Ст.3. В частности, чугун СЧ18-36, Сталь 45. Эти материалы применяемы для конструкций не требующих повышенной износостойкости. СГ-П (силицированный графит) и WC90 (бориды) материалы, применяемые в трущихся парах, то есть в нагруженных узлах и механизмах повышенной износостойкости.


Сравнительные показатели износостойкости материалов и покрытий.
Линейный износ покрытий
Зависимость относительной износостойкости материалов и упрочненных слоев ε от соотношения твердости материала и абразива Hа/Hм
Зависимость относительной износостойкости материалов и упрочненных слоев

На рисунках видно, что МДО-покрытия имеют очень высокую износостойкость, сопоставимую с износостойкостью материалов и покрытий, традиционно применяющихся против абразивного износа: композитов WC-Cu-Ni, боридных слоев (FeB, Fe2B), ионно-вакуумных покрытий.

МИСиС

Результаты предварительных исследований, заключение

«... Создание износостойких, термостойких, твердых  покрытий на поверхности промышленных сплавов на основе титана, в частности ВТ6, ВТ5, ВТ8, широко применяемых в авиа- и судостроении, методом плазменно-электролитического оксидирования (ПЭО) является одной из важнейших задач, которую не удалось решить исследователями, занимающимися изучением процесса ПЭО. В настоящее время сотрудниками кафедры защиты металлов и технологии поверхности НИТУ «МИСиС» были достигнуты успехи в этом направлении.

В частности, на поверхность образцов из этих сплавов были получены равномерные по толщине декоративные бело-бежевого цвета покрытия толщиной от 40 до 100 мкм (рис.1, 2).

Толщина покрытия от 40 до 100 мкм - Рис.1, 2
Линейный износ покрытий

Благодаря этим покрытиям существенно возросла микротвердость поверхностных слоев титановых сплавов (от 320 до 750 HV), что указывает на увеличение их износостойкости и эрозионной стойкости. Испытание на термостойкость покрытий показали:после 50 циклов нагрева до температуры 650°С и охлаждения до комнатной температуры с промежуточной  изотермической выдержки в течение 1 ч не происходит растрескивание и осыпание покрытия; оно сохраняет свои функциональные свойства, в частности микротвердость.

Производительность процесса получения покрытий на промышленные титановые сплавы является высокой – до 5 мкм/мин. При этом относительно малая энергия, выделяемая в плазменных микроразрядах при проведении ПЭО в разработанных оптимальных по составу электролитах, по сравнению с энергией, выделяемой в них при проведении этого процесса в стандартных электролитах, позволяет считать, что покрытия этим методом можно получать на острых кромках турбинных лопаток и других изделиях из этих сплавов.

Типичный фазовый состав покрытий приведен в таблицах 1,2.

Типичное распределение элементов по толщине покрытий, приведенное на рисунках 3, 4 и в таблице 1, 2, подтверждает увеличение твердости и, очевидно, износостойкости и эрозионной стойкости модифицированных поверхностных  слоев титанового сплава.

Таблица 1 - Фазовый состав покрытия при симметричной съёмке

Фаза стр. тип Об. доля, % Вес. доля, % Периоды, англ.
TiAl2 O5 oC32/4 78 76 A= 3.590
B= 9.442
C= 9.669
Ti O2 (rutile, type C4) tP6/1 14 16 A= 4.587
C= 2.958
alpha-Al2 O3 ( type D5.1 ) hR10/1 8 8 A= 4.762
C=13.019

Таблица 2 - Фазовый состав покрытия при ассимметричной съёмке

Фаза стр. тип Об. доля, % Вес. доля, % Периоды, англ.
TiAl2 O5 oC32/4 70 67 A= 3.582
B= 9.417
C= 9.638
Ti O2 (rutile, type C4) tP6/1 18 20 A= 4.576
C= 2.949
alpha-Al2 O3 ( type D5.1 ) hR10/1 12 13 A= 4.748
C=12.996

Рисунок 3. Типичное распределение элементов по толщине покрытия
Распределение элементов по толщине покрытия Распределение элементов по толщине покрытия - достижения после покрытия мдо
Рисунок 4. Типичное распределение элементов по толщине покрытия
Распределение элементов по толщине покрытия
Продуктом данной технологии является увеличенный срок эксплуатации - ресурс надежности деталей нагруженных узлов и механизмов работающих в условиях агрессивных сред.

Цель

Увеличение назначенных ресурсов наработки лопаток и дисков вентилятора и компрессора авиационного двигателя за счет их обработки по технологиям МДО.

Планируемые к решению задачи

      создание покрытий с повышенной износостойкостью (фреттингостойкостью) лопаток и дисков вентилятора и компрессора авиадвигателя;
      создание термостойких покрытий высокой чистоты, требуемых при изготовлении деталей авиадвигателя;
      создание защитных покрытий на деталях, работающих в условиях агрессивной среды;
      снижение веса деталей авиадвигателя путем замены стали на металлы вентильной группы;
      создание высокопрочных покрытий деталей, изготовленных из металлов вентильной группы, предназначенных для замены деталей из стали.

МДО-покрытия - это перспективный подход к обеспечению стойких защитных свойств покрытий на металлах.


МИСиС

Выводы по работам МИСиС

«... - применение ПЭО (МДО) на титановых лопатках авиадвигателя позвооляет существенно улучшить защитные свойства поверхности. В том числе и износостойкость, что увеличивает срок их эксплуатации...»

«... - данная технология может быть применима и к другим нагруженным узлам и механизмам детаали которых выполнены из вентильных сплавов... »