Руководство по плазменному электролитическому оксидированию (PEO)

История металлургии — это поиск идеального сплава. Люди всегда искали самый дешёвый, самый лёгкий и при этом самый прочный металл.

Увы, такого не существует. Дешёвые лёгкие металлы не бывают прочными. Прочные лёгкие металлы не бывают дешёвыми. Суть вы поняли.

Процесс анодирования стал шагом вперёд. Он преображает лёгкие металлы и делает их устойчивыми к коррозии, то есть прочнее. Однако он связан с токсичными выбросами и недолговечностью компонентов.

В конце XX века инженеры открыли покрытие методом плазменного электролитического оксидирования. Конечно, доработки ещё возможны. Тем не менее учёные ожидают, что эта процедура изменит отношение человечества к металлам.

Что такое плазменное электролитическое оксидирование (PEO)?

Плазменное электролитическое оксидирование (PEO) — это метод создания оксидно-керамических слоёв на металлах. Его также называют микродуговым оксидированием (MAO) и электролитическим плазменным оксидированием (EPO).

Этот процесс напоминает анодирование. Он также предполагает погружение металлической детали в раствор электролита. Главное отличие в том, что PEO использует более высокие потенциалы и, соответственно, создаёт более сильное электрическое поле.

В результате в растворе возникают разряды и искры, которые изменяют структуру обрабатываемой детали. Внешний слой металла химически превращается в его оксид, который растёт внутрь и наружу от поверхности.

Функции плазменного электролитического оксидирования

Покрытия, получаемые методом плазменного электролитического оксидирования, придают металлам ряд характеристик.

Прежде всего, они становятся более устойчивыми к износу, нагреву и коррозии. Это значит, что менее прочные (и более дешёвые) металлы становятся прочнее.

Оксидно-керамические слои PEO также обеспечивают химическую стойкость. Обработанные металлы не будут реагировать с окружающей средой. Таким образом, в обычных условиях они дольше сохранят свои полезные свойства.

И наконец, эти металлы улучшают свои электроизоляционные свойства. Благодаря этому они могут служить для новых задач с высокой интенсивностью износа.

• Повышенная износостойкость
• Повышенная коррозионная стойкость
• Повышенная термостойкость
• Химическая стойкость
• Электроизоляция

История развития

Как уже упоминалось, предшественником плазменного электролитического оксидирования является анодирование. Этот вид электролитической пассивации впервые начали применять в промышленности в 1920-х годах. Основное применение он нашёл в архитектуре.

Однако в 1960-х годах анодирование в основном вытеснило порошковое напыление. Этот процесс был быстрее, менее загрязняющим, а слои защиты получались толще.

Вернуть научные умы к оксидированию в ванне заставила космическая гонка. В начале 1970-х советские инженеры открыли PEO и начали экспериментировать с ним. Полтора десятилетия спустя на станции «Мир» уже были детали с покрытием PEO.

Тем не менее процесс во многом оставался непредсказуемым. Даже с наступлением нового века реальность, похоже, не соответствовала лабораторным прогнозам. Разрыв между теоретическими и экспериментальными результатами был слишком велик, чтобы объявлять о победе.

Однако в последнее время нескольким компаниям, таким как Keronite и IBC, это удалось. Они заявляют, что усовершенствовали эту непредсказуемую и дорогостоящую процедуру. Теперь, по их словам, она промышленно осуществима.

Преимущества покрытия методом плазменного электролитического оксидирования

Процесс плазменного электролитического оксидирования имеет множество преимуществ перед анодированием.

Керамическое покрытие, которое он обеспечивает, достигает степени кристаллизации, что означает более прочный конечный продукт.

Предварительная подготовка материала также намного проще. В отличие от анодирования, большинству компонентов для подготовки к PEO требуется лишь незначительное обезжиривание.

В этом процессе используемые электролиты могут передавать керамике часть своих свойств. Это значит, что их можно менять в зависимости от того, для чего будет использоваться готовая деталь.

Кроме того, это экологически чистый процесс. Вся процедура чистая и не содержит тяжёлых металлов.

Короче говоря, PEO лучше анодирования, потому что:

• Благодаря кристаллизации получается более прочный продукт
• Его предварительная подготовка гораздо проще
• Керамика приобретает свойства электролитов
• Это экологически чистый процесс

Недостатки покрытия методом плазменного электролитического оксидирования

Как и у любого нового метода, у покрытий микродугового оксидирования есть возможности для совершенствования.

Например, по сравнению с традиционными процессами, такими как анодирование, он всё ещё дорог. С учётом всех факторов стоимость покрытия 1 м² металла составляет 2–5 долларов США.

Процедура также требует очень высокой температуры и давления. Это, в свою очередь, влияет на количество энергии, необходимой для работы оборудования. Кроме того, это сокращает срок службы электролитов.

В целом, PEO, возможно, ещё не готово к широкому промышленному применению. Вот почему:

Процедура также требует очень высокой температуры и давления. Это, в свою очередь, влияет на количество энергии, необходимой для работы оборудования. Кроме того, это сокращает срок службы электролитов.

В целом, PEO, возможно, ещё не готово к широкому промышленному применению. Вот почему:

• Требует высокой температуры и давления
• Потребляет большое количество энергии
• Требует постоянной замены электролитов
• Это слишком дорого

Какие металлы можно оксидировать микродуговым методом?

Микродуговое оксидирование работает главным образом с вентильными металлами, а также с большинством их сплавов. Что такое вентильные металлы? Это группа, включающая алюминий, магний, титан, цирконий, тантал, ниобий, гафний и кобальт.

Их главная особенность в том, что они естественным образом образуют пассивирующий оксидный слой. PEO превращает этот оксид в кристаллические формы, которые гораздо твёрже.

На практике процесс применяется для сплавов алюминия, магния и титана. Остальные перечисленные металлы гораздо дороже.

Подводя итог, эти металлы можно оксидировать микродуговым методом:

• Алюминий
• Магний
• Титан
• Цирконий
• Тантал
• Ниобий
• Гафний
• Кобальт
• Большинство их сплавов

Примеры изделий и применений

Благодаря исключительным свойствам, которые PEO придаёт лёгким металлам, оно имеет широкий спектр применений. Однако из-за высокой стоимости его использование несколько ограничено.

Аэрокосмическая отрасль, оборонная, медицинская и технологическая отрасли входят в число его пользователей.

Например, аэрокосмические компании наносят PEO-покрытие на свои лёгкие сплавы, чтобы сделать их прочнее. Армия США испытала его на поршнях и топливных насосах Humvee. Эти детали приобрели повышенную термостойкость и увеличенный срок службы. Медицинская сфера также применяет микродуговое оксидирование для создания более совершенных протезов для замены костей. Технологические компании покрывают корпуса мобильных телефонов методом PEO.

PEO применялось, помимо прочего, к:

• Аэрокосмические детали
• Деталям военной техники
• Протезам для замены костей
• Корпусам мобильных телефонов

Как нанести покрытие на деталь методом плазменного электролитического оксидирования?

Метод плазменного электролитического оксидирования — сложный процесс. Он требует тщательной подготовки и следующих этапов.

Этап 1. Обезжиривание

Чтобы процесс прошёл успешно, подложки — то есть металлы, которые предстоит покрыть, — должны быть в максимально чистом виде. Пятна и загрязнения негативно сказываются на результате. Поэтому, хотя металл может выглядеть чистым, его подвергают процедуре обезжиривания.

Сначала обезжиривание включает использование очень мелкой наждачной бумаги. Это позволяет отполировать образец металла до зеркального блеска.

Затем деталь очищают ультразвуком в ацетоне, этаноле и дистиллированной воде. Когда все прилипшие частицы удалены, металл готов к обработке.

Этап 2. Микродуговое оксидирование

Ключевой частью обработки MAO является электролитическая ячейка. Она, в свою очередь, состоит из трёх компонентов: электролита и двух электродов (катода и анода).

Металл, который нужно преобразовать, служит анодом, а катодом обычно является пластина из нержавеющей стали.

Обе эти детали погружены в водный электролитический раствор. Эта жидкая среда может различаться в зависимости от свойств, необходимых для получаемого материала. Например, в эксперименте, проведённом китайскими и корейскими учёными, использовались карбонат натрия, фосфат натрия и ацетат моногидрат. Для создания необходимых разрядов они использовали импульсный источник питания.

Напряжение составляло от 200 до 500 В, частота импульсов — 900 Гц, коэффициент заполнения — 3%, а длительность — 5 минут.

Этап 3. Запечатывание

После микродугового оксидирования образец ещё раз промывают дистиллированной водой. Затем его оставляют сушиться при комнатной температуре.

Этот заключительный этап процесса необходим для герметизации оксидных слоёв. Они растут как внутрь, так и наружу от поверхности металла. Адгезия достигает максимально возможной прочности, которую не может обеспечить ни одна другая процедура.

Необходимое оборудование для плазменно-электролитического оксидирования

Оборудование для плазменно-электролитического оксидирования играет большую роль в процессе. Используемые машины требуют тонкой настройки и следующих компонентов.

1. Источник питания для микродугового оксидирования

Чтобы достичь требуемых температурных и барических условий, в первую очередь необходим эффективный источник питания.

Сравним две разные машины. Одна принадлежит лаборатории Гордона, собственности Кембриджского университета. Её объём составляет 25 литров, а выходная мощность должна достигать максимум 10 кВт.

Почему? Во-первых, машина должна работать на частоте 50 Гц. Кроме того, она подаёт анодные потенциалы до 600 В и катодные потенциалы до 200 В. Эти потенциалы регулируются для поддержания стабильного тока 1,5 кА на квадратный метр.

Вторая машина принадлежит компании Keronite. Она обеспечивает PEO-покрытия на промышленном уровне. Для этого ей необходимо выдавать 300 кВт мощности на объёмы до 3500 литров.

Мощность подаётся в виде чрезвычайно коротких импульсов. Это позволяет достигать очень высоких пиков энергии в электролитической ячейке, тем самым максимизируя эффективность процесса.

2. Ванна для микродугового оксидирования и вспомогательные устройства

Как уже упоминалось, покрытие MAO наносится в ванне. Это означает, что подложка помещается в ванну, где она покрывается водным раствором электролита.

Растворы меняются в зависимости от желаемых характеристик покрытия. При анодировании обычно применялась высокозагрязняющая серная кислота (H2SO4). MAO, в свою очередь, использует одноразовые и чистые растворы, в основном фирменные.

Конструкцию ванны дополняет система циркуляционного охлаждения. Через трубы, контактирующие с раствором, она обеспечивает способы снижения температуры процесса.

3. Материал катода

Электролитические ячейки требуют анода и катода. Образцы подложки служат анодами. Инертный материал, обычно нержавеющая сталь, служит катодом.

Поскольку аноды и катоды не могут контактировать, образцы подвешиваются на держателе в течение всего процесса.

Часто задаваемые вопросы

Заключение

Плазменно-электролитическое оксидирование заменяет анодирование в качестве метода номер один для промышленного улучшения лёгких металлов. После десятилетий исследований процесс был доведён до совершенства, чтобы сделать дешёвые металлы более стойкими к нагреву и коррозии.

PEO по-прежнему дорого и требует передовых технологий. Однако компании и университеты работают над его широким распространением.