В ТГУ нашли «эликсир долголетия» для сплавов магния
Специалисты Тольяттинского государственного университета (ТГУ) разработали инновационный метод защиты магниевых сплавов с редкоземельными элементами, широко используемых в авиации, автомобилестроении и других отраслях. Исследователи смогли значительно повысить коррозионную и износостойкость этих сплавов, что позволяет использовать изделия и конструкции из них в агрессивных условиях и не приводит к значительному удорожанию изделий.
Магниевые сплавы ценятся за свою лёгкость и прочность, но, к сожалению, подвержены коррозии. Это означает, что они активно взаимодействуют с окружающей средой, разрушаясь и теряя свои полезные свойства. Над решением этой проблемы работают ведущие мировые и российские научные коллективы: учёные Гельмгольц-Центра (Германия), Университета Манчестера (Великобритания), Института химии ДВО РАН, Московского авиационного института (МАИ), в том числе команда специалистов из научно-исследовательского института прогрессивных технологий (НИИПТ) ТГУ под руководством доктора физико-математических наук, профессора Михаила Криштала.
В своей новой работе исследователи из ТГУ использовали технологию, включающую в себя сочетание плазменно-электролитического оксидирования (ПЭО) и добавления в электролит наночастиц карбида вольфрама (WC) или карбида титана (TiC) при которой на поверхности магниевого сплава создаётся защитный оксидный слой.
– Проведя серию экспериментов, мы обнаружили, что наночастицы карбида вольфрама или карбида титана, добавляемые в электролит в определённом диапазоне концентраций при ПЭО, улучшают свойства защитного «покрытия», – комментирует старший научный сотрудник НИИПТ ТГУ Алиса Полунина. – Они не вступают в химические реакции, но внедряются в оксидный слой подобно «армирующим» частичкам и делают этот слой более твёрдым, прочным и устойчивым к коррозии.
Исследование показало, что использование наночастиц позволяет повысить производительность формирования (толщину) «покрытия» на 50-65% при одинаковой длительности обработки и примерно в 3-4 раза снизить скорость коррозии магниевого сплава. Снижение носит кратковременный характер, что особенно важно для изделий с ограниченным сроком службы, когда деталь, к примеру, запорная арматура, должна выполнить свою функцию в агрессивной среде и затем раствориться. При этом учёные обнаружили, что слишком высокие концентрации наночастиц в электролите могут ухудшить качество оксидного слоя и, следовательно, долговременную защиту магниевой подложки.
– Мы нашли, на наш взгляд, удачный баланс, – говорит Алиса Полунина. – Использование низких концентраций наночастиц тугоплавких карбидов в виде дисперсной фазы позволяет значительно улучшить свойства оксидного покрытия, обеспечивая надёжную защиту магниевых сплавов от коррозии и износа, при этом не приводит к значительному удорожанию процесса. Мы планируем продолжить изучение влияния различных типов наночастиц и оптимизировать процесс ПЭО для достижения максимальной коррозионной стойкости и износостойкости перспективных магниевых сплавов с редкоземельными элементами, в том числе с длиннопериодической упорядоченной структурой (LPSO-structure)*. Также надеемся, что, в ближайшей перспективе наши подходы будут апробированы и для биорезорбируемых магниевых сплавов, но, разумеется, с другими модифицирующими веществами – всё-таки медицина и техника предъявляют разные требования к материалам.
Результаты исследования учёных ТГУ открывают новые возможности для применения магниевых сплавов в различных отраслях промышленности, где важны лёгкость и прочность материалов.
– В последнее время разработка новых материалов на основе лёгких сплавов с уникальными покрытиями развивается очень быстро. Плазменно-электролитическое оксидирование – перспективный метод получения таких «покрытий», но использование нанопорошков карбидов вольфрама и титана в электролите практически не исследовалось, – подчёркивает Алиса Полунина. – В мире пока нет опубликованных научных работ по ПЭО Mg-сплавов с LPSO-структурой в электролитах-суспензиях на основе карбидов тугоплавких металлов. Наша работа представила новые данные о влиянии этих наночастиц на процесс формирования, состав, механические и антикоррозионные свойства ПЭО-покрытий,
Подробности экспериментов специалисты описали в статье, которая опубликована в журнале «Электрохимия»/«Russian Journal of Electrochemistry». Это авторитетный журнал, издаваемый РАН с 1965 года. В журнале публикуются оригинальные статьи по всем разделам современной фундаментальной и прикладной электрохимии, а также электрохимии материалов.
Исследования ведутся в рамках программы развития университета до 2030 года, с которой ТГУ стал участником двух федеральных проектов – «Приоритет 2030» и «Передовые инженерные школы».
*Такие сплавы по своим механическим свойствам намного превосходят промышленные литейные и деформируемые магниевые сплавы, а также многие алюминиевые и титановые сплавы. При этом их выдающиеся прочностные характеристики, как правило, сочетаются с низкой коррозионной стойкостью и неоднозначными данными по усталостной прочности, а значит такие сплавы нуждаются в защите.