Введение к работе
Актуальность работы
В настоящее время одним из основных требований, предъявляемых к материалам, используемым для изготовления деталей и элементов оборудования, является долговечность и высокая надежность эксплуатации. Для обеспечения этого металлы и сплавы должны характеризоваться высокими функциональными свойствами, такими как, изностойкость, твердость, жаростойкость и, в том числе, коррозионная стойкость. Антикоррозионные свойства определяются наличием на поверхности защитных покрытий, которые уменьшают воздействие на металл агрессивной среды. Металлы и сплавы чаще всего имеют естественно образованные поверхностные слои, которые в некоторой степени защищают внутренние слои материала. Однако вследствие наличия большого количества дефектов, несплошности таких пленок, коррозионная стойкость бывает недостаточной. В связи с этим целесообразна такая обработка поверхности металла, которая приводила бы к созданию новых или модификации имеющихся естественных защитных слоев.
Для искусственного создания защитных слоев на поверхности металлических материалов используются различные способы обработки. В последнее время было показано, что одними из перспективных, являются высокоэнергетические методы воздействия, которые позволяют формировать новые либо модифицировать существующие естественные поверхностные слои. Среди таких высокоэнергетических методов можно выделить импульсную лазерную обработку, а также ионную имплантацию.
Работа поддержана программой «УМНИК» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно–технической сфере (2015).
Цель работы – изучить влияние короткоимпульсной лазерной обработки и ионной имплантации на коррозионно–электрохимическое поведение железа, в том числе на примере нелегированных сталей, алюминия и меди, показать возможность создания оксидных и других нанослоев, обеспечивающих повышение коррозионной стойкости металлических материалов.
Основные задачи работы:
показать возможность формирования поверхностных оксидных,
карбидных и нитридных слоев методом ионной имплантации с
целью повышения антикоррозионных свойств металлических
материалов;
показать повышение коррозионной стойкости металлических
материалов, обработанных короткоимпульсным лазерным
излучением за счет создания на поверхности оксидных слоев;
исследовать анодные процессы, протекающие на поверхности
металлов и сплавов, подвергнутых использованным
высокоэнергетическим методам обработки;
изучить структуру и состав поверхностных слоев на
металлических материалах, установить взаимосвязь между их
составом и коррозионно–электрохимическим поведением
обработанных материалов;
определить оптимальные технологические параметры
использованных методов на поверхность металлических
материалов.
Научная новизна:
показано повышение коррозионной стойкости армко–железа, нелегированной стали, меди и алюминия, подвергнутых коротокимпульсному лазерному воздействию с целью создания поверхностных оксидных слоев;
показано улучшение антикоррозионных свойств армко–железа,
меди и алюминия, на поверхности которых синтезированы
оксидные защитные слои методом ионной имплантации
кислорода, а также железа, на поверхности которого
синтезированы тем же методом нитридные и карбидные слои;
предложен механизм анодных процессов, протекающих на
поверхности металлических материалов, подвергнутых
высокоэнергетическим методам обработки;
сформированы данные о влиянии состава и структуры
синтезированных и модифицированных поверхностных слоев на
коррозионно–электрохимическое поведение металлических
материалов, подвергнутых высокоэнергетическим методам обработки;
- предложен способ повышения антикоррозионных свойств металлов и сплавов методом короткоимпульсной лазерной обработки, который защищен патентом РФ.
Практическая значимость
Создание на поверхности металлов и сплавов адсорбционных слоев с помощью различных методов обработки приводит к повышению антикоррозионных свойств таких материалов, в том числе и за счет облегчения перехода их в пассивное состояние. Перспективными в данном направлении являются изученные в настоящей работе высокоэнергетические способы обработки поверхности: короткоимпульсное лазерное излучение и ионная имплантация. При этом на поверхности металлов возможно создание нестехиометрических метастабильных фаз и структур, отличных от равновесных, и определяющих физико-химические свойства модифицированного слоя. Также при короткоимпульсной лазерной обработке сохраняются геометрические размеры деталей, так как синтезируемый функциональный слой имеет толщину не более 100 нм. Кроме того, такая обработка не приводит к общему разогреву обрабатываемой детали, высокотемпературные процессы синтеза сосредоточены только в зоне короткого импульса лазерного излучения. Таким образом, данный метод позволит создать защитные слои, повышающие коррозионную стойкость элементов оборудования, и соответственно даст возможность использовать в качестве подложки для создания функциональных слоев более дешевые и доступные материалы. Синтезированные посредством лазерного излучения функциональные слои могут быть созданы на уже готовых элементах технологического оборудования, в том числе и находящихся в эксплуатации.
Перспективным является применение данных методов обработки для повышения коррозионной стойкости электрических контактов, производимых из сплавов меди. Электрические контакты должны обладать высокой коррозионной стойкостью, так как при атмосферной коррозии возможно образование продуктов, увеличивающих контактное сопротивление. На примере медных контактов показано, что коррозионная стойкость их поверхности повышается, в частности, в результате лазерной обработки, при этом не происходит увеличения величины контактного сопротивления.
Апробация результатов работы
Основные положения и результаты работы представлялись на ежегодных Всероссийских научных конференциях студентов-физиков и молодых ученых ВНКСФ, 2014 - 2017 г.г.; на двух Международных конференциях «От наноструктур, наноматериалов и нанотехнологий к наноиндустрии», г. Ижевск, 2015 г., 2017 г.; на Ульяновском молодежном инновационном форуме, г. Ульяновск, 2015 г., 2016 г.; на III Международной конференции «Фундаментальные аспекты коррозионного материаловедения и защиты металлов от коррозии», г. Москва, 2016 г.; на XX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии, г. Екатеринбург, 2016 г.; на Международной научной конференции «Повышение эффективности и экологические аспекты использования ресурсов в сельскохозяйственном производстве», г. Тамбов, 2016 г.; на Всероссийской юбилейной конференции, с международным участием «Современные достижения химических наук», г. Пермь, 2016 г.; на IV Международной научно-практической конференции «Теория и практика современных электрохимических производств», г. Санкт-Петербург, 2016 г.
Публикации
Результаты, представленные в диссертационной работе, опубликованы в 6 печатных работах в журналах, рекомендованных ВАК РФ, в том числе 1 статья, реферируемая в системах WoS и Scopus. По материалам диссертации получен патент РФ. Отдельные результаты работы опубликованы в сборниках тезисов научных конференций, указанных выше.
Структура и объем диссертационной работы