Садофьев А.В.
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ ПРИ ПЛАЗМЕННО-ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОМ ОКСИДИРОВАНИИ *
Аннотация:
в работе рассмотрены физические процессы, протекающие при плазменном электролитическом оксидировании, описана структура формируемого слоя, рассмотрены процессы горения электрических разрядов.
Ключевые слова:
оксидирование, оксидный слой, корунд, электролит, барьерный слой, искровой разряд, динамика горения.
Одной из важнейших задач машиностроения является повышение надежности и долговечности деталей машин. Новые возможности решения этих задач открывают методы поверхностной обработки, позволяющие создать на изделиях и деталях машин керамические защитные поверхностные слои с заданными свойствами. Плазменно-электролитическое оксидирование (ПЭЛО) позволяющее создать оксидные слои из материала детали, сделанной из различных сплавов, в том числе из алюминиевых. При этом отсутствуют данные о физических процессах, протекающих ПЭЛО. Формируемый слой представляет собой многослойную структуру [1]. К металлу примыкает так называемый барьерный слой, состоящий из (_x001E_Al2O3 (корунда), он характеризуется большой плотностью, далее располагается рабочий слой (пористый). Этот слой пронизан сквозными порами, начиная с поверхности и до барьерного слоя, Его состав меняется, так у барьерного слоя он состоит из (_x001E_Al2O3 (корунда), который плавно переходит в (_x001E_ Al2O3 (глинозем). На поверхности находится шуба – очень рыхлый слой, состоящий из 3Al2O3(2SiO2 (муллита) (рис.1).Процесс образования керамического слоя можно разделить на несколько стадий.Стадия 1: Образование барьерного слоя. – Это электрохимическое оксидирование, в результате которого вся деталь покрывается оксидным слоем. На этой стадии появляется вентильный эффект, а в завершение этой стадии появляются искры.Стадия 2: Искрение. Происходит увеличение барьерного слоя и образование рыхлого слоя. Определение этой стадии можно проводить по началу искрения, а завершение по переходу искр в дуговой режим (изменение спектра свечения разрядов).Стадия 3: Формирование рабочего пористого слоя. - Это завершающая стадия.При больших токовых нагрузках возможно получение 4. стадии, в результате которой мощные одиночные дуговые разряды разрушают поверхностный слой. На начальной стадии образования оксида алюминия процесс проходит как обычное электрохимическое окисление. Оксид алюминия по своим электрическим свойствам относиться к полупроводникам. Когда полностью сформируется барьерный слой, возникает выпрямляющий эффект, по отношению к переменному току, связанный с односторонней проводимостью контакта металл _x001E_ полупроводник [2].На границе контакта металл_x001E_полупроводник возникает барьерный слой, который оказывает выпрямляющее действие. Причем при подаче отрицательного потенциала на металл образца внешнее поле снимает потенциальный барьер, в результате чего ток беспрепятственно протекает через контакт. При подаче положительной полуволны на металл образца внешнее поле увеличивает потенциальный барьер, и ток через контакт не проходит. На рис.2 показан вентильный эффект снятый на двух лучевом осциллографе С 8_x001E_17.Рис.2. Вентильный эффект при плазменно-электролитическом оксидировании. (1 деление соответствует: ( = 0.002 с, I = 1 A (график тока пульсирует), U = 100 B)В процессе оксидирования происходит обильное газовыделение, кроме того, происходит закипание электролита в порах [3], в условиях высоких напряжений (200…220 В), возникают ситуации благоприятные для зажигания электрических разрядов в газовых пузырях. Поскольку источник стабилизирует ток и может значительно поднять напряжение, электрический разряд становится стационарным. На начальной стадии оксидирования разряды горят в большом количестве, постепенно разрушая оксидный слой, в месте своей анодной привязки образуя тем самым небольшие поры.Процесс образования газовых пузырей начинается с дефектов на поверхности там, где первоначально концентрируются токовые потоки. Далее по мере разрастания газового пузыря он полностью блокирует токоперенос в отдельно взятом канале. Как только большая часть проводящих каналов закроется пузырями, в некоторых из них начнут зажигаться электрические разряды. Динамика горения электрических разрядов представлена на рис. 3, снятых на скоростную камеру СК-4, как видно разряды носят прерывистый, крнтрагирующий характер. Рис.3. Горение электрических разрядов. Снято на скоростную камеру СК-4 Электрические разряды начинаются с пробоя газового промежутка [4]. Главным элементом процесса пробоя является электронная лавина. В данном случае, возможно, описать процесс размножения лавин уравнением Таунсенда, поскольку pd < 1000 торр(см. В данном случае p ( 750 торр(см (p = 1 торр = 1 мм.рт.ст. = 133.322 Па), d = 1…100 мкм (10 –4…10 –2 см)pd = 0.075…7.5 << 1000 торр(см.Затем в поре зажигается самостоятельный разряд. Он носит дуговой характер, поскольку только дуговым разрядам свойственны большие токи (i ~ 10 _x001E_1…10 _x001E_5 A) намного превышающие токи в тлеющем разряде (i ~ 10 _x001E_4 …10 _x001E_1 A). Велики по сравнению с тлеющим разрядом плотности тока на катоде jk ~ 10 2…10 7 А/см 2В проводимых экспериментах токи составляли 1…5 А [1, 2], учитывая, что в разные стадии процесса горит от 100 до 1 разряда. Получим на начальной стадии (5 мин) порядка 100 разрядов, размер пор 1…10 мкм, суммарная площадь пор составляет 100(10 –8…100(10 –6 см 2 – плотность тока j = 10 4…10 6 А/см 2. На конечной стадии (60 мин) горит 1…2 разряда, размер пор ~ 10 мкм, суммарная площадь пор составляет (1…2)(10 –6 см 2 – плотность тока j = 5(10 5…5(10 6 А/см 2.При горении дуги с холодного (электролитного катода) ток протекает через одно или несколько быстро перемещающихся катодных пятен. Механизм эмиссии таких пятен, на легкоплавких катодов, является автоэлектронным, поскольку разогреть такого вида катоды невозможно.Таким образом, образование оксида алюминия проходит как обычный электрохимический процесс. Определяющим фактором является переносимый электрический заряд. Электрический разряд носит дуговой характер и может быть описан классическими уравнениями физики дугового разряда. Вентильный эффект возникает на границе основы оксидного слоя и обусловлен p-n-переходом. (_x001E_Al2O3 (корунд) образуется за счет высокой температуры, создаваемой электрической дугой, и большой скорости охлаждения.
Номер журнала Вестник науки №10 (67) том 3
Ссылка для цитирования:
Садофьев А.В. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ ПРИ ПЛАЗМЕННО-ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОМ ОКСИДИРОВАНИИ // Вестник науки №10 (67) том 3. С. 541 - 546. 2023 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/10311 (дата обращения: 17.05.2024 г.)
Вестник науки СМИ ЭЛ № ФС 77 - 84401 © 2023. 16+