Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время широко рассматривается перспектива использования нанокристаллических алюминиевых сплавов с ультрамелкозернистой (УМЗ) структурой благодаря их уникальным физическим и механическим свойствам, которые обусловлены малыми размерами и большой протяженностью границ зерен, высокой плотностью дислокаций.
В связи с высокой прочностью на сжатие и изгиб, а также высокой пластичностью, алюминиевые сплавы с УМЗ структурой рассматриваются как перспективные конструкционные и функциональные материалы, применяемые в авиакосмической промышленности, а также для изготовления несущих конструкций травматологических аппаратов.
Известно, что материалы с УМЗ структурой чувствительны к повышениям температуры. При температурном воздействии происходит рекристаллизация, увеличение зерен и появление субзеренных фрагментов в УМЗ структуре алюминиевых сплавов, поэтому перспективным методом для получения деталей из алюминиевых сплавов с УМЗ структурой является электрохимическая обработка (ЭХО), при которой не нарушается структурность матрицы сплава. Для этого необходимо изучить закономерности высокоскоростного анодного растворения алюминиевых сплавов с УМЗ структурой в сравнении с их крупнозернистыми (КЗ) аналогами, разработать технологические режимы и составы электролитов, обеспечивающих высокие показатели процесса (производительность, точность, качество).
Реализация методов ЭХО в технологических процессах обработки алюминиевых сплавов с УМЗ структурой, позволит за одну операцию на оборудовании небольшой мощности получать детали сложной формы, значительно уменьшить трудоемкость и стоимость изготовления изделия, тем самым резко повысить коэффициент использования материала, уменьшить объем механической обработки.
Характерной особенностью УМЗ алюминиевых сплавов после равноканального углового прессования (РКУП) является образование интерметаллидов различного состава по границам зерен. К моменту постановки настоящей работы коррозионная стойкость алюминиевых сплавов с УМЗ структурой и влияние на нее интерметаллидов практически не изучено. В данной работе впервые изучались коррозионная стойкость и повышение коррозионной стойкости, а также высокоскоростное анодное растворение алюминиевых сплавов с УМЗ структурами, полученных методом РКУП в сравнении с их КЗ аналогами.
В качестве объектов исследования были выбраны промышленные алюминиевые сплавы 1420, 1421, 5083 системы Al-Mg с КЗ и УМЗ структурами, отличающиеся формой, размером зерен и плотностью дислокаций. Выбор использованных материалов обусловлен тем, что они являются высоколегированными сплавами и относятся к классу деформируемых алюминиевых
сплавов, широко используемых в авиакосмической и автомобильной промышленностях, а также судостроении.
Коррозионные исследования работы проводились в рамках гранта «Электрофизикохимические микро- и нанотехнологии», государственный контракт № 02.517.11.9039 от 2007 г.
Цель диссертационной работы. Для алюминиевых сплавов марок 1420, 1421, 5083 с ультрамелкозернистой структурой:
установить закономерности коррозионного поведения в электролитах на основе хлорида натрия и разработать пути повышения их коррозионной устойчивости;
установить закономерности высокоскоростного анодного растворения и разработать технологические рекомендации по электрохимической обработке деталей из этих сплавов.
В соответствии с поставленной целью сформулированы следующие задачи исследования:
Установить закономерности коррозионного поведения алюминиевых сплавов 1420, 1421, 5083 с УМЗ структурой в сравнении с их КЗ аналогами в различных средах.
Определить влияние УМЗ структуры и интерметаллидного состава на коррозионное разрушение алюминиевых сплавов и разработать технологические рекомендации по повышению их коррозионной стойкости. Показать влияние химической пассивации на повышение коррозионной стойкости алюминиевых сплавов 1420, 1421, 5083 с УМЗ структурой в сравнении с их КЗ аналогами.
Раскрыть влияние УМЗ структуры алюминиевых сплавов на высокоскоростное анодное растворение в сравнении с их КЗ аналогами. Изучить влияние УМЗ структуры, природы и концентрации электролита на производительность процесса электрохимической обработки (скорость съема, выход по току), на точность процесса электрохимической обработки (изучение локализующей способности электролита) и на качество поверхности после ЭХО.
Разработать технологические рекомендации по ЭХО алюминиевых сплавов 1420, 1421, 5083 с УМЗ структурами.
Показать влияние ЭХО на коррозионную стойкость алюминиевых сплавов с УМЗ структурой.
Научная новизна. Впервые показано влияние УМЗ структуры (размера зерна, протяженности границ зерен, количества дислокаций и составов интерметаллидов) на коррозионное поведение и высокоскоростное анодное растворение алюминиевых сплавов 1420, 1421, 5083 в сравнении с их КЗ аналогами.
1. Установлены закономерности коррозионного поведения алюминиевых
сплавов с УМЗ структурой в сравнении с их КЗ аналогами. Скорости коррозии сплавов с УМЗ структурой в электролите 3%NaCl в 1,4-2,4 раз выше, чем скорости коррозии их КЗ аналогов. В коррозионной среде с добавкой пероксида водорода
(0,1%) скорость коррозии алюминиевых сплавов с УМЗ структурой замедляется по сравнению с КЗ состоянием в 1,2-1,3 раза. Установлено, что значительный вклад в увеличение скоростей коррозии в активирующих электролитах, наряду с размером зерен, степенью и плотностью дислокаций (активными центрами), вносят количество и состав интерметаллидов, образованных по границам зерен УМЗ сплавов после РКУП.
Показано, что химическая пассивация алюминиевых сплавов с УМЗ структурами в растворе 80%Н3РО4+20%Н2О2 способствует повышению их коррозионной стойкости в 3%NaCl в сравнении с КЗ аналогами в 3-7,5 раз.
Выявлены закономерности высокоскоростного анодного растворения алюминиевых сплавов с УМЗ структурой в сравнении с их КЗ аналогами. Сплавы с УМЗ структурой в активирующих электролитах (NaCl) ионизируются с большими плотностями поляризующего тока и при более отрицательных значениях электродного потенциала в сравнении с КЗ аналогами. В пассивирующих электролитах (ЫаЫОз и NH4NO3) ионизация УМЗ сплавов протекает при более положительных значениях потенциалов, чем их КЗ аналогов. Температурно-кинетическим методом было установлено, что высокоскоростное анодное растворение алюминиевых сплавов с УМЗ структурами протекает в области смешанной кинетики.
Показано влияние УМЗ структуры алюминиевых сплавов 1420, 1421, 5083 на выходные параметры ЭХО. Установлено, что для УМЗ структур алюминиевых сплавов в активирующих электролитах наблюдается увеличение производительности процесса ЭХО, и повышение качества обработанной поверхности в пассивирующих электролитах.
Выявлено, что ЭХО способствует повышению коррозионной стойкости алюминиевых сплавов 1421, 5083 с УМЗ структурами в 13,5 и 70 раз соответственно.
Практическая значимость. Разработаны технологические рекомендации по повышению коррозионной стойкости алюминиевых сплавов с УМЗ структурой методом химической пассивации в растворе 80%Н3РО4+20%Н2О2.
Разработаны технологические рекомендации по электрохимической размерной обработке (рабочие среды, режимы обработки для изготовления деталей) для алюминиевых сплавов 1420, 1421, 5083 с УМЗ структурой.
По материалам диссертационной работы в ОАО ИНТЦ «Искра» проведены опытно-производственные испытания по ЭХО и повышению коррозионной стойкости алюминиевых сплавов 1420, 1421, 5083 с УМЗ структурой. Результаты исследований будут использованы ОАО ИНТЦ «Искра» при изготовлении деталей из алюминиевых сплавов с УМЗ структурой.
Апробация работы. Основные положения, результаты и выводы диссертационной работы докладывались на следующих научно-практических, всероссийских и международных конференциях: Международной конференции «Современная электротехнология в промышленности России» (Тула, 2003); IV международном научно-практическом семинаре «Современные электрохимические
технологии в машиностроении» (Иваново, 2003); Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Проблемы современного машиностроения» (Уфа, 2004); V международном научно-практическом семинаре «Современные электрохимические технологии в машиностроении» (Иваново, 2005); 1 всероссийской школе-конференции «Молодые ученые - новой России. Фундаментальные исследования в области химии и инновационная деятельность» (Иваново, 2005); Международной научно-технической конференции «Современные электротехнологии в машиностроении» (Тула, 2007); Международном симпозиуме «Bulk nanostructured materials from fundamentals to innovations» (Уфа, 2007); Всероссийской молодёжной научной конференции «Мавлютовские чтения» (Уфа, 2007).
Достоверность результатов исследований. Результаты работы и ее выводы являются достоверными, научные положения аргументированы. Достоверность полученных результатов базируется на использовании современных физико-химических методов исследования и высокой воспроизводимости экспериментальных данных в пределах заданной точности. Исследования проводились на приборах, прошедших метрологическую аттестацию. Оценка погрешностей результатов проводилась с использованием методов математической статистики.
Личный вклад автора. Автором лично получены все экспериментальные данные, приведенные в данной работе, проведена их обработка и систематизация. Постановка задач исследования и обсуждение экспериментальных данных осуществлялись совместно с научным руководителем и соавторами публикаций.
Публикации: основное содержание диссертационной работы изложено в 12 работах, из них 5 статей, 7 тезисов докладов.
Структура диссертационной работы: Содержание диссертационной работы изложено в 5 главах на 158 страницах, работа содержит 98 рисунков, 14 таблиц, и список из 166 цитированных источников.
Работа выполнена при научно-методической консультации профессора Р.З. Валиева, директора Института физики перспективных материалов (ИФПМ УГАТУ).
