Науково-технологічні засади плазмо-електролітного формування гетерооксидних покриттів для екотехнологій

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.17.03 ‒ технічна електрохімія (161 – хімічні технології та інженерія). ‒ Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2020. Дисертацію присвячено розробці наукових засад технології плазмо-електролітного формування гетерооксидних покриттів заданого складу і функціональних властивостей на сплавах Al (Ti) для екотехнологій. Висунуто та експериментально доведено гіпотези щодо гомогенізації поверхні багатокомпонентних сплавів та формування заданого рельєфу оксидної матриці плазмо-електролітним оксидуванням в лужних розчинах дифосфатів та формування міцноадгезованих гетерооксидних покриттів із широким спектром функціональних властивостей за присутності сполук металів-допантів. З використанням диференціальних залежностей dU/dt–U описано кінетичні закономірності та встановлено стадійність процесу ПЕО сплавів різного хімічного складу. Встановлено, що використання розчинів дифосфатів дозволяє зменшити вміст легувальних елементів у поверхневих шарах в 4–5 разів та сформувати розвинену оксидну матрицю металу-носія. Доведено, що в лужних електролітах при додаванні солей металів-допантів в режимі "спадаючої потужності" з варіюванням густини струму формуються гетерооксидні покриття із Ѡ(Mn) до 36,0 ат. % та з Ѡ(Co) до 24,0 ат. %, що дозволило визначити оптимальні умови синтезу. Підтверджено утворення в запропонованих режимах матриці металу-носія, в яку інкорпоровані оксиди металів-допантів змінної валентності. Доведено, що термообробка гетерооксидних покриттів при температурах до 600°С зумовлює зміну співвідношення оксидних форм допувальних компонентів при збереженні високих показників мікротвердості. Встановлено, що одностадійна плазмо-електролітна обробка поршня двигуна КамАЗ-740 у розроблених електролітах та режимах дозволяє сформувати рівномірні міцноадгезовані каталітичні і теплозахисні гетерооксидні покриття оксидами мангану та кобальту, активність яких доведено в робочому процесі каталітичного горіння палива. Розроблено варіативні схеми плазмо-електролітної обробки багатокомпонентних сплавів Al (Ti) з підвищеним вмістом активних компонентів й заданими функціональними властивостями. За результатами комплексу експериментальних досліджень та тестувань властивостей покриттів в модельних середовищах й технологічних умовах визначено перспективні області застосування одержаних матеріалів.Thesis for scientific degree of Doctor of Technical Sciences in the Specialty of 05.17.03 – Technical Electrochemistry (161 – Chemical Technology and Engineering). – National Technical University "Kharkіv Polytechnic Institute", Kharkіv, 2020. The thesis is devoted to the development of scientific bases of plasma-electrolytic formation of heterooxide coatings of a given composition and functional properties on Al (Ti) alloys for ecotechnologies. Hypotheses were generated and experimentally proved concerning the homogenization of the surface of aluminum (titanium) multicomponent alloys and the formation of a given relief of the oxide matrix by plasma-electrolyte oxidation in alkaline solutions of diphosphates and the formation of strongly adhesed heteroxide coatings with a wide range of functional properties on aluminium (titanium) alloys by executing plasma-electrolytic oxidation in alkaline solutions of diphosphates with the presence of dopant metal compounds in one technological process. With the use of differential dependences dU/dt–U in order to describe the kinetic laws and establish the stages of the process of plasma-electrolytic oxidation of alloys of different chemical composition. It found that the use of complex electrolytes based on alkali metal allows to reduce the content of alloying components in the surface layers by 4–5 times and to form developed oxide matrix of the metal-carrier. It proved that in the mode of "decreasing power" with variation of current density heteroxide oxide coatings with Ѡ(Mn) up 36.0 аt. % and with Ѡ(Co) up 24.0 аt. %, that allowed to determine the optimal synthesis conditions. The formation of matrix of metal-carrier in proposed modes, in which oxides of dopant metals of variable valence are incorporated, is confirmed. It is proved that heat treatment of heteroxide coatings at temperatures up 600°C causes a change in the ratio of oxide forms of alloying components while maintaining high microhardness values. It is established that one-stage plasma-electrolyte treatment of the KamAZ-740 engine piston in in developed electrolytes and modes allows to form uniform strongly adhered catalytic and heat-protective heteroxide coatings by oxides of manganese and cobalt, high activity of which was proved in the process of catalytic fuel combustion. The variation schemes of of plasma-electrolytic treatment of multicomponent Al (Ti) alloys with the increased content of active components and the set functional properties were suggested. The perspective areas of the application of the obtained materials according to the results of experimental researches and tests of properties in model environments and technological conditions are determined.