Учёные из Тольятти защитили непредсказуемый магниевый сплав

Сплавы применимы в ракетно-космической отрасли и медицине. Результаты этой работы опубликованы в журнале Chimica Techno Acta.

Технология плазменно-электролитического оксидирования (ПЭО) – это современная электрохимическая обработка, которая позволяет создать керамический слой на поверхности изделий из сплавов на основе алюминия, магния, титана. Такие слои повышают износостойкость изделий, защищают их от коррозии и повышенных температур.

ПЭО – недорогой, технологичный и экологически чистый процесс. В ТГУ его изучением и совершенствованием занимаются сотрудники научно-исследовательского отдела (НИО) «Оксидные слои, плёнки и покрытия» под научным руководством профессора, доктора физико-математических наук Михаила Криштала при участии ведущего научного сотрудника Израильского политехнического института (Технион) физика-теоретика, PhD Александра Кацмана.

– Мы проверили возможности и выявили особенности процесса оксидирования «хитрых» магниевых сплавов – с упрочняющей фазой, обладающей упорядоченной длиннопериодической структурой (LPSO-структурой), – поясняет кандидат технических наук Антон Полунин, ведущий научный сотрудник (НИО) «Оксидные слои, плёнки и покрытия». – Это сравнительно новый класс сплавов, который был открыт в начале XXI века в Японии профессором Кавамурой и его коллегами и активно исследуется последние лет двадцать. По сравнению со старыми сплавами, которые разрабатывались ещё в 60–70-х годах, LPSO-сплавы обладают рядом преимуществ в части прочности, пластичности и термостабильности именно благодаря LPSO-фазе в составе.

Хитрости обработки этих сплавов заключаются в негативных побочных эффектах, возникающих из-за упрочняющей LPSO-фазы.

– Например, там, где LPSO-фаза выходит на поверхность, возникает «межфазная» (микрогальваническая) коррозия. При ПЭО магний и эта фаза также окисляются по-разному. В результате возникает неоднородность, которая влияет на качество и свойства оксидного слоя, которые могут быть ниже, чем на обычных сплавах.

Чтобы добиться нужного качества, приходится проводить глубокие исследования для совершенствования технологии ПЭО. Учёные ТГУ научились управлять процессом ПЭО, чтобы добиться нужного результата на LPSO-сплавах.

– Мы изучили влияние состава электролита и частоты электрических импульсов при ПЭО на качество и свойства оксидных слоёв, формируемых на магниевом сплаве Mg₉₇Y₂Zn₁ c LPSO-фазой. В итоге мы получили технологию ПЭО, обеспечивающую качественные слои на поверхности LPSO-сплавов, – говорит Антон Полунин. – Это наш первый опыт ПЭО такого материала и, насколько нам известно, подобного опыта в мировой научно-технической литературе практически нет, что и привлекло наше внимание.

В составе таких сплавов используют редкоземельные элементы, что делает их достаточно дорогими, поэтому потенциальная область их применения – авиационные и ракетно-космические изделия, а также дорогие электронные устройства.

– Например, в премиальных ноутбуках и смартфонах LPSO-сплавы уже начали использовать для изготовления корпусов и каркасов, – отмечает Антон Полунин. – Но, конечно, главное направление применения таких материалов – авиационный и ракетно-космический сектор. Это нагруженные детали, которые работают и при повышенных температурах, и при внешних агрессивных воздействиях воздушного потока, жидкости и т. д. Соответственно, такие сплавы, наряду с высокой прочностью, должны обладать очень хорошими поверхностными свойствами – стойкостью к коррозии, к эрозионному воздействию газа и совместному воздействию ряда факторов. С оксидными слоями это возможно.

Как отмечает Антон Полунин, один и тот же материал с некоторыми вариациями может использоваться в самых разных областях, поэтому ещё одним потенциальным направлением применения новых магниевых сплавов может стать медицина.

– Ряд нержавеющих сталей применяется для изготовления хирургических инструментов, кухонной утвари (ножей, кастрюль) и топливных баков. Разница может быть в требованиях по содержанию отдельных элементов и примесей, а также к чистоте материала, – подчёркивает Антон Полунин. – Что касается магниевых сплавов, то в сочетании с защитными слоями они очень перспективны для обеспечения контролируемой и максимально адаптивной стойкости медицинского изделия к разрушению в случае «биомедицинского кейса» в части имплантологии. Но, насколько нам известно, в эту сторону исследования применимости Mg-LPSO сплавов пока идут довольно сдержанно – из-за высокой стоимости сплавов.

Итоги своего исследования материаловеды Тольяттинского госуниверситета описали в статье «Улучшение защитных оксидных слоёв, сформированных высокочастотным плазменным электролитическим оксидированием на сплаве Mg-RE с LPSO-фазой», которая опубликована в журнале Chimica Techno Acta. Это рецензируемый журнал с открытым доступом, в котором на английском языке публикуются оригинальные и высококачественные статьи, обзоры и письма, охватывающие все прикладные аспекты химии и материаловедения.