Специалисты Тольяттинского государственного университета (ТГУ) разработали инновационный метод защиты магниевых сплавов с редкоземельными элементами — эти сплавы широко используются в авиации, автомобилестроении и других отраслях. Исследователи смогли значительно повысить их коррозионную и износостойкость. Это позволяет использовать изделия из сплавов в агрессивных условиях, но не приводит к их сильному удорожанию.
Магниевые сплавы ценятся за свою легкость и прочность, но при этом подвержены коррозии — они активно взаимодействуют с окружающей средой, разрушаясь и теряя полезные свойства. Над решением этой проблемы работают ведущие мировые и российские научные коллективы. Среди них ученые Гельмгольц-Центра (Германия), Университета Манчестера (Великобритания), Института химии ДВО РАН, Московского авиационного института (МАИ), а также команда специалистов из научно-исследовательского института прогрессивных технологий (НИИПТ) ТГУ под руководством доктора физико-математических наук, профессора Михаила Криштала.
В новой работе исследователи ТГУ использовали технологию, включающую сочетание плазменно-электролитического оксидирования (ПЭО) и добавления в электролит наночастиц карбида вольфрама (WC) или карбида титана (TiC), при которой на поверхности магниевого сплава создается защитный оксидный слой.
«Проведя серию экспериментов, мы обнаружили, что наночастицы карбида вольфрама или карбида титана, добавляемые в электролит в определенном диапазоне концентраций при ПЭО, улучшают свойства защитного покрытия, — прокомментировала 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 твердым, прочным и устойчивым к коррозии».
Использование наночастиц повышает производительность формирования покрытия на 50–65%, а также примерно в три-четыре раза снижает скорость коррозии магниевого сплава. Это снижение действует ограниченное время, что особенно важно для изделий, которые должны выполнить свою функцию в агрессивной среде и затем раствориться, как, например, запорная арматура.
При этом ученые 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 надежную 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 стойкости перспективных магниевых сплавов с редкоземельными элементами, в том числе с длиннопериодической упорядоченной структурой (LPSO-structure)».
Она отметила, что LPSO-структура образуется в высокопрочных сплавах, которые по своим механическим свойствам намного превосходят многие другие. Но при этом их выдающаяся прочность сочетается с низкой коррозионной стойкостью, а значит, они нуждаются в защите.
«Также надеемся, что в ближайшей перспективе наши подходы будут апробированы и для биорезорбируемых магниевых сплавов, но, разумеется, с другими модифицирующими веществами — все-таки медицина и техника предъявляют разные требования к материалам», — подвела итог Алиса Полунина.
Таким образом, работа представляет новые данные о влиянии этих наночастиц на процесс формирования, состав, механические и антикоррозионные свойства ПЭО-покрытий.
Исследователи отмечают, что в последнее время разработка новых материалов на основе легких сплавов развивается очень быстро. Перспективный метод получения таких покрытий — плазменно-электролитическое оксидирование. Но использование нанопорошков карбидов вольфрама и титана в электролите практически не исследовалось — в мире пока нет опубликованных научных работ по ПЭО Mg-сплавов с LPSO-структурой в электролитах-суспензиях на основе карбидов тугоплавких металлов.
Результаты исследования ученых ТГУ открывают новые возможности для применения магниевых сплавов в различных отраслях промышленности, где важны легкость и прочность материалов.
Подробности экспериментов опубликованы в журнале «Электрохимия»/«Russian Journal of Electrochemistry», издаваемом РАН с 1965 года.
Проект реализуется в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет-2030» (национальный проект «Молодежь и дети»).
