Плазменно-электролитическая обработка алюминиевых и титановых сплавов

А.Г. Ракоч  
А.А. Гладкова
А.В. Дуб
Плазменно-электролитическая 
обработка алюминиевых 
и титановых сплавов

ǘǔǙǔǝǞǑǜǝǞǎǚ ǚǍǜnjǓǚǎnjǙǔǫ ǔ Ǚnjǟǖǔ ǜǠ 
ǠǑǐǑǜnjǗǨǙǚǑ ǏǚǝǟǐnjǜǝǞǎǑǙǙǚǑ njǎǞǚǙǚǘǙǚǑ ǚǍǜnjǓǚǎnjǞǑǗǨǙǚǑ ǟǣǜǑǒǐǑǙǔǑ  
ǎǧǝǤǑǏǚ ǚǍǜnjǓǚǎnjǙǔǫ  
«ǙnjǢǔǚǙnjǗǨǙǧǕ ǔǝǝǗǑǐǚǎnjǞǑǗǨǝǖǔǕ ǞǑǡǙǚǗǚǏǔǣǑǝǖǔǕ ǟǙǔǎǑǜǝǔǞǑǞ «ǘǔǝǴǝ» 
 
 
 
 
ǖǬȀDZǰǼǬ dzǬȅǴǾȇ ǸDZǾǬǷǷǺǮ Ǵ ǾDZȁǹǺǷǺǯǴǴ ǻǺǮDZǼȁǹǺǽǾǴ 
 
nj.Ǐ. ǜǬǶǺȃ   
nj.nj. ǏǷǬǰǶǺǮǬ 
nj.ǎ. ǐǿǭ 
 
 
ǛǷǬdzǸDZǹǹǺ-ȉǷDZǶǾǼǺǷǴǾǴȃDZǽǶǬȋ 
ǺǭǼǬǭǺǾǶǬ ǬǷȊǸǴǹǴDZǮȇȁ  
Ǵ ǾǴǾǬǹǺǮȇȁ ǽǻǷǬǮǺǮ 
 
ǘǺǹǺǯǼǬȀǴȋ 
 
 
 
ǘǺǽǶǮǬ  2017 

УДК 621.785:621.357:669.71:669.295 
 
Р193 
Р е ц е н з е н т ы :  
проф., д-р техн. наук В.Н. Малышев (РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина); 
проф., д-р техн. наук Н.А. Белов (НИТУ «МИСиС») 
Ракоч А.Г. 
Р193  
Плазменно-электролитическая обработка алюминиевых и 
титановых сплавов : моногр. / А.Г. Ракоч, А.А. Гладкова, 
А.В. Дуб. - М. : Изд. Дом МИСиС, 2017. - 160 с. 
ISBN 978-5-906846-51-8 
Представлены данные, имеющиеся в научной литературе, необходимые 
для разработки высокопроизводительных способов получения методом плазменно-электролитической обработки (ПЭО) износостойких и антикоррозионных декоративных покрытий на основе алюминиевых и титановых сплавов, а также технологические режимы их получения методом ПЭО на этих 
сплавах. Особое внимание уделено влиянию состава алюминиевых сплавов и 
природы электролитов, концентрации компонентов в них на свойства формируемых покрытий; механизму влияния катодной составляющей переменного тока на фазовый состав и свойства формируемых покрытий; условиям 
протекания процессов ПЭО в основном по механизму оксидирования металлической основы или по механизму электролиза с последующей термохимической обработкой осажденных полианионов или анионов на участках покрытия, расположенных близко к плазменным микроразрядам, или одновременному росту покрытий по этим механизмам; кинетическим особенностям 
роста покрытий на основе алюминиевых и титановых сплавов на различных 
этапах проведения процессов ПЭО; условиям проведения процессов ПЭО, 
соблюдение которых позволяет получать износостойкие покрытия с небольшой толщиной внешнего пористого слоя. 
Монография предназначена для специалистов в области наукоемких технологий, использующих изделия из алюминиевых и титановых сплавов в 
агрессивных условиях, а также для аспирантов и магистрантов, изучающих 
процессы плазменно-электролитической обработки сплавов.  
 
УДК 621.785:621.357:669.71:669.295 
 
 
 
ISBN 978-5-906846-51-8 
А.Г. Ракоч,  
А.А. Гладкова,  
А.В. Дуб, 2017 
НИТУ «МИСиС», 2017 
”
 
 
”
 
2 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
Введение ................................................................................................... 6
1. Кинетика и предлагаемые механизмы протекания процессов 
плазменно-электролитического оксидирования алюминиевых 
сплавов, строение и фазовый состав покрытий .................................... 8
1.1. Модельные представления о механизме плазменноэлектролитического оксидирования алюминиевых сплавов .......... 8
1.2. Строение, элементный и фазовый состав покрытий, 
сформированных после плазменно-электролитического 
оксидирования алюминиевых сплавов 
............................................ 17
1.3. Кинетические особенности роста покрытий в основном 
по механизму оксидирования (ПЭОк) алюминиевых сплавов 
при их ПЭО в щелочно-силикатных электролитах 
........................ 27
2. Влияние формы тока и комбинированных электрических 
режимов на кинетику роста плазменно-электролитических 
покрытий на поверхности алюминиевых сплавов 
.............................. 37
2.1. Механизм влияния катодной составляющей тока 
на кинетику роста плазменно-электролитических покрытий ....... 37
2.2. Влияние формы тока и комбинированных электрических 
режимов на кинетику роста плазменно-электролитических 
покрытий и их предельную толщину .............................................. 40
3. Влияние растворенных оксидов двухвалентных металлов 
в покрытиях на основе оксида алюминия на их фазовый состав, 
износостойкость и толщину внешних пористых слоев 
...................... 52
3.1. Фазовый состав, износостойкость и толщина внешних 
пористых слоев, сформированных на алюминии (99,99 ) 
и сплавах Al - 3,7  мол. Co; Al - 3,1  мол. Cu способом 
плазменно-электролитического оксидирования 
............................. 52
3.2. Получение декоративного износостойкого покрытия  
способом плазменно-электролитического оксидирования  
на сплаве Д16 
..................................................................................... 60
3.3. Гипотетический механизм влияния оксидов двухвалентных 
металлов на изменение фазового состава, микротвердости 
и износостойкости покрытий на основе оксида алюминия, 
сформированных после проведения процессов ПЭОк .................. 62
 
3

4. Способы электролизно-плазменно-термохимической  
обработки алюминиевых сплавов, позволяющие получать 
антикоррозионные покрытия на основе аморфного SiO2  
при низких затратах электроэнергии 
................................................... 68
4.1. Способ электролизно-плазменно-термохимической  
обработки алюминиевых сплавов в водных растворах,  
содержащих более 100 г/л ТЖС ...................................................... 68
4.2. Комбинированные режимы электролизно-плазменнотермохимической обработки сплава Д16, позволяющие  
получать толстые (более 45 мкм) покрытия на основе 
аморфного SiO2 на сплаве Д16 ......................................................... 75
5. Энергосберегающий бесконтактный плазменноэлектрохимический способ получения покрытий с заданными 
функциональными свойствами на легких конструкционных  
сплавах 
.................................................................................................... 80
5.1. Энергосберегающий плазменно-электрохимический метод 
одновременного получения различных по свойствам покрытий 
на разных участках поверхности образцов или изделий  
из легких сплавов ............................................................................... 80
5.2. Примеры реализации плазменно-электрохимического 
бесконтактного метода ..................................................................... 84
5.3. Автоматизированный энергосберегающий бесконтактный 
способ получения покрытий на лентах или проволоках 
из алюминия или сплавов на его основе с заданными 
функциональными свойствами ........................................................ 91
6. Плазменно-электролитическая обработка титановых сплавов ..... 94
6.1. Модельные представления о механизме протекания  
процессов ПЭОк титанового сплава 
................................................ 94
6.2. Структура, состав и свойства покрытий, получаемых на 
титановых сплавах методом плазменно-электролитического 
оксидирования в щелочно-алюминатных электролитах ............... 99
6.3. Экспериментальное обоснование состава электролита  
для проведения исследований по получению износостойких 
покрытий на сплаве ВТ6 способом плазменно- 
электролитического оксидирвания 
................................................ 104
6.4. Кинетические особенности роста покрытий на титановом 
сплаве ВТ6 при его плазменно-электролитическом  
оксидировании  в щелочно-алюминатном электролите .............. 107
 
4 

6.5. Возможная причина различного фазового состава 
внешних слоев покрытий, сформированных после  
плазменно-электролитического  оксидирования  
на алюминиевом сплаве и ПЭО титанового сплава ..................... 122
6.6. Износостойкость покрытия, полученного на сплаве  
ВТ6 с пропусканием переменного  (Iа/Iк = 1) тока между 
электродами ..................................................................................... 125
6.7. Управление фазовым составом покрытий,  
формирующихся на сплаве ВТ6 при его ПЭО в щелочном  
водном растворе за счет изменения асимметричности  
задаваемого тока 
.............................................................................. 127
6.8. Увеличение износостойкости поверхности сплава Ȗ-TiAl 
после его ПЭО  в щелочно-силикатном  и щелочноалюминатном электролитах ........................................................... 136
7. Высокопроизводительные способы получения декоративных 
черных износостойких покрытий на титановых сплавах ................ 141
7.1. Способ получения декоративных черных износостойких 
покрытий на сплаве ВТ6 
................................................................. 141
7.2. Механизм получения черного покрытия на титановых  
сплавах способом ЭПТХО 
.............................................................. 144
Библиографический список ................................................................ 148
 
 
 
5

ВВЕДЕНИЕ 
В настоящее время большое внимание как в России, так и за рубежом уделяется методу плазменно-электролитической обработки 
легких конструкционных сплавов, позволяющему получать на их 
поверхности износо- и эрозионностойкие, антикоррозионные, теплозащитные, диэлектрические, декоративные покрытия. Метод плазменно-электролитической обработки (ПЭО) легких конструкционных сплавов включает два основных процесса роста покрытий на их 
поверхности: 
окисление 
металлической 
основы 
(плазменноэлектролитическое оксидирование - ПЭОк) и электролиз анионов 
или полианионов на поверхность рабочего электрода с последующей 
их термохимической обработкой (ЭПТХО) на участках покрытия, 
близко расположенных к плазменным микроразрядам. 
У. Нейл и Л. Грасc [1-7] еще в 1956-1965 гг. смогли использовать 
эти процессы для получения на аноде сложных оксидных покрытий 
из компонентов подложки и электролита. 
Необходимо отметить большие заслуги Г.А. Маркова и его сотрудников, работы которых [8-19] и заставили большой ряд ученых 
и исследователей изучать данный метод. В последнее время изучением данного метода, названного зарубежными учеными методом 
плазменно-электролитического оксидирования, плодотворно занимаются Curran J.A., Clyne T.W., Yerokhin A.L., Nie X., Leyland A., 
Matthews A.,Yingliang Cheng Shaomei Peing, Xianguan Wu, Jiu Hui 
Cao, Sheldon P.G.E., Thompson G.E., Sundararajan G., Rama Krishna L., 
Терлеева О.П., Снежко Л.А., Суминов И.В., Эпельфельда А.В., Людина В.Б., Крит Б.Л., Борисов А.М., Малышев В.Н., Гордиенко П.С., 
Гнеденков С.В., Парфенов Е.В. и др. 
Опубликовано большое число научных работ, в том числе монографий [20-27], по данной проблематике. Особое внимание уделяется механизмам возникновения плазменных микроразрядов, временным, пространственным и электрическим характеристикам отдельных микроразрядов и их количеству на различных стадиях протекания процессов ПЭО, температуре в них, строению, структурам, фазовым и элементным составам композиционных оксидных покрытий, 
получаемых методом ПЭО в щелочно-силикатных или в щелочноалюминатных электролитах при использовании различных, как правило, импульсных источников тока. 
 
6 

В частности, в [28-33, 35] установлено, что видимый невооруженным взглядом «отдельный» плазменный микроразряд состоит из 
каскадов отдельных микроразрядов с типичными временными периодами реализации между ними приблизительно 0,1…1 мс и энергией, 
выделяемой в микроразрядах, приблизительно от 1 до 10 мДж. Максимальный ток в разряде составляет от 10 до 100 мА. 
Значительно меньшее внимание уделено разработке технологических режимов получения методом ПЭО покрытий с заданными функциональными свойствами и высокой производительностью процессов 
на образцах и изделиях из различных алюминиевых и титановых сплавов. Последнее является основной причиной неприменения метода ПЭО 
в промышленных масштабах. Для разработки технологических режимов ПЭО легких конструкционных сплавов в первую очередь необходимы знания: 1) о влиянии их состава и природы электролитов, концентрации компонентов в них на свойства формируемых покрытий; 2) зависимости свойств покрытий, полученных на алюминиевых и титановых сплавах, от содержания в них высокотемпературной модификации 
оксида алюминия (Į-Al2O3); 3) механизме влияния катодной составляющей переменного тока на фазовый состав и свойства формируемых 
покрытий; 4) условиях протекания процессов ПЭО в основном по механизму оксидирования металлической основы или по механизму электролиза с последующей термохимической обработкой осажденных полианионов или анионов на участках покрытия, близко расположенных к 
плазменным микроразрядам; 5) кинетических особенностях роста покрытий на алюминиевых и титановых сплавах на различных временных 
интервалах проведения процессов ПЭО; 6) условиях проведения процессов ПЭО, соблюдение которых позволяет получать износостойкие 
покрытия с небольшой толщиной (не более 15  от общей толщины 
покрытия) внешнего пористого слоя. 
Задача данной монографии - систематизировать данные, имеющиеся в научной литературе по данной тематике, и последние исследования, которые необходимы для разработки высокопроизводительных способов получения методом ПЭО износостойких и антикоррозионных декоративных покрытий на алюминиевых и титановых сплавах, а также о разработанных технологических режимах их 
получения методом ПЭО на этих сплавах. 
В монографии приведены фотографии некоторых изделий из 
алюминиевых и титановых сплавов с покрытиями, полученными методом ПЭО сотрудниками НИТУ «МИСиС» по разработанным ими 
технологическим режимам. 
 
7

1. КИНЕТИКА И ПРЕДЛАГАЕМЫЕ 
МЕХАНИЗМЫ ПРОТЕКАНИЯ ПРОЦЕССОВ 
ПЛАЗМЕННО-ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО 
ОКСИДИРОВАНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ 
СПЛАВОВ, СТРОЕНИЕ И ФАЗОВЫЙ СОСТАВ 
ПОКРЫТИЙ 
1.1. Модельные представления о механизме 
плазменно-электролитического оксидирования 
алюминиевых сплавов 
В [25] дано следующее определение метода плазменно-электролитической обработки легких конструкционных сплавов: «это совокупность процессов получения неорганических композиционных покрытий с заданными функциональными свойствами на поверхности 
электропроводящего материала, находящегося в электролите в качестве рабочего электрода, в высоковольтном режиме, обеспечивающем функционирование анодных плазменных микроразрядов, постоянно загорающихся и гаснущих на различных локальных участках 
поверхности электрода, как бы (при визуальном наблюдении) перемещающихся по его поверхности». 
Основные преимущества метода ПЭО перед другими известными 
методами получения защитных покрытий на изделиях из легких конструкционных сплавов: 
1) возможность получения покрытий с высокими показателями 
физико-механических (износостойкость и эрозионная стойкость, адгезия к металлической основе, сопротивление усталости) и физикохимических (теплозащитная и антикоррозионная способность, 
удельное электрическое сопротивление, напряжение пробоя, термостойкость) свойств; 
2) сокращение производственной площади, поскольку не требуется тщательной подготовки поверхности изделий из легких конструкционных сплавов (промывка, травление, обезжиривание, осветление), которая необходима при других методах (в частности, анодировании [56], нанесении покрытий); 
3) высокая экологическая чистота процессов ПЭО вследствие небольшой концентрации разрешенных компонентов в водных растворах; 
 
8 

4) возможность получения равномерных по толщине и одинаковых по свойствам покрытий на всей поверхности изделий сложной 
геометрической формы; 
5) возможность получения декоративных антикоррозионных покрытий с высокой производительностью процессов (средняя скорость может достигать не менее 4 мкм/мин при заданной плотности 
тока 4 А/дм2). 
Если процессы ПЭО проводят c использованием емкостной установки при пропускании переменного тока между электродами (при 
iк/iа = 1, где iк и iа - плотность токов, протекающих через образец в 
катодный и анодный полупериоды соответственно), то напряжение 
самопроизвольно становится асимметричным (рис. 1.1). 
 
Рис. 1.1. Характерный вид кривых мгновенных напряжений в 
анодные и катодные полупериоды протекания переменного тока 
между электродами при проведении процессов ПЭО (
max
a
U
 и 
max
к
U
 - 
амплитудное анодное и катодное напряжение соответственно) 
Данный переход обусловлен тем, что до реализации процесса 
ПЭОк протекание анодных реакций и/или электролиза ионов или 
полианионов вследствие большой эффективной энергии активации, а 
затем вследствие закипания электролита в сквозных порах покрытия 
[25, 36-39] происходит в большей степени, чем последних двух катодных реакций: 
 
2
2
4OH
O
2H O
4 ;
e
 o
n 

 
(1.1) 
 
2
2
Me
H O
Me
H O
;
n
m
m
ne

o
˜


 
(1.2) 
 
9