DOI: https://doi.org/10.20998/2413-4295.2020.01.02

Закономірності впливу мікродугового оксидування алюмінієвих сплавів на фазово-структурний стан формованих оксидних покриттів і особливості γ-Al2O3 →α-Al2O3 поліморфного перетворення при їх відпалі

Oleg Sоbоl, Valeria Subbotinа

Анотація


Досліджено вплив технологічних параметрів мікродугового оксидування на закономірності фазово-структурного стану покриттів, що формуються на алюмінієвих сплавах Д16 (основний елемент легування Cu) і АМг3 (основний елемент легування Mg) і вплив відпалів в інтервалі температур 6001280 °С на фазове перетворення γ-Al2O3 → α-Al2O3. Встановлено, що в покриттях, що формуються при мікродуговому оксидуванні в комплексному (лужно-силікатному) електроліті, виявляються три основні фазово-структурні стани: γ-Al2O3, α-Al2O3 і мулліт (3Al2O3·2SiO2). Визначені умови електролізу які дозволяють формуватися двофазному стану (γ-Al2O3 і α-Al2O3) на сплавах обох типів. Встановлено, що легуючі елементи сплаву АМг3 забезпечують в МДО-покриттях більш високу стабільність структури γ-А12О3, в порівнянні з аналогічним станом в МДО-покриттях на сплаві Д16. Високотемпературний відпал МДО-покриттів дозволив виявити повніше фазове перетворення на сплаві Д16 структкрною основою якого є поява тетрагональности в дефектної кубічної решітці γ-Al2O3 фази. Відпал МДО-покриттів стимулює γ → α перетворення з найбільшою динамікою зміни в покриттях, отриманих на сплаві Д16. При максимальній температурі відпалу 1280 °С (протягом 60 хв.) в результаті γ → α перетворення відносний вміст α-Al2O3 фази в покритті становить 89% (покриття, отримане на сплаві Д16) і 30 % (покриття, отримане на сплаві АМг3). Запропоновано модель поліморфного γ-Al2O3 → α-Al2O3 перетворення в оксиді алюмінію, яка заснована на впорядкування металевої катіонної підсистеми в октаедричних і тетраедричних міжвузлях і посилення цього процесу при ослабленні зв'язку «металкисень» в результаті заміщення іонів Al іонами Cu, які мають відносно малу енергію зв'язку з киснем. Виявлено кореляцію між відносним вмістом α-Al2O3 фази і твердістю МДО-покриття. При найбільшому вмісті α-Al2O3 фази твердість досягає 16000 МПа.


Ключові слова


мікродугове оксидування; алюмінієвий сплав; лужно силікатний електроліт; γ-Al2O3; елементи легування; відпал; міжвузля; тетрагональність; поліморфне перетворення

Повний текст:

PDF (English)

Посилання


Xiang N., Song R.-g., Zhuang J.-j. Song R.-x., Lu X.-y., Su X.-p. Effects of current density on microstructure and properties of plasma electrolytic oxidation ceramic coatings formed on 6063 aluminum alloy. Transactions of nonferrous metals society of china, 2016, 26, Iss. 3, pp. 806–813, doi: 10.1016/S1003-6326(16)64171-7.

Kharanagh V. J., Sani M. AF., Rafizadeh E. Effect of current frequency on coating properties formed on aluminized steel by plasma electrolytic oxidation. Surface engineering, 2014, 30, Iss. 3, pp. 224–228, doi: 10.1179/1743294413Y.0000000190.

Martin J., Melhem A., Shchedrina I., Duchanoy T., Nominé A., Henrion G., Czerwiec T., Belmonte T. Effects of electrical parameters on plasma electrolytic oxidation of aluminium. Surface and coatings technology, 2013, 221, pp. 70–76, doi: 10.1016/j.surfcoat.2013.01.029.

Lesnevskiy L. N., Lyakhovetskiy M. A., Ivanova S. V., Nagovitsyna O. A. Structure and properties of surface layers formed on zirconium alloy by microarc oxidation. Journal of surface investigation. X-ray, synchrotron and neutron techniques, 2016, 10, Iss. 3, pp. 641–647, doi: 10.1134/S1027451016030289.

Li H. X., Li W. J., Song R. G., Ji Z. Effects of different current densities on properties of MAO coatings embedded with and without a-Al2O3 nanoadditives. Materials science and technology, 2012, 28, Iss. 5, pp. 565–568, doi: 10.1179/1743284711Y.0000000084.

Veys-Renaux D., Rocca E., Henrion G. Micro-arc oxidation of AZ91 Mg alloy: An in-situ electrochemical study. Electrochemistry communications, 2013, 31, pp. 42–45, doi: 10.1016/j.elecom.2013.02.023.

Subbotina V., Al-Qawabeha U. F., Belozerov V., Sobol’ O., Subbotin A., Tabaza T. A., Al-Qawabah S. M. Determination of influence of electrolyte composition and impurities on the content of α-Al2O3 phase in mao-coatings on aluminum. Eastern-european journal of enterprise technologies, 2019, 6, Iss. 12 (102), pp. 6–13, doi: 10.15587/1729-4061.2019.185674.

Belozerov V., Mahatilova A., Sobol' O., Subbotina, V., Subbotin A. Investigation of the influence of technological conditions of microarc oxidation of magnesium alloys on their structural state and mechanical properties. Eastern-European journal of enterprise technologies, 2017, 2, Iss. 5 (86), pp. 39–43, doi: 10.15587/1729-4061.2017.96721.

Bron V. A. O rekristallizatsii korunda [About recrystallization of corundum]. Dokladyi Akademii Nauk SSSR, 1951, 80, no. 4, pp. 661–664.

Tsybulya S. V. Kryukova G.N. Nanocrystalline transition aluminas: Nanostructure and features of x-ray powder diffraction patterns of low-temperature Al2O3 polymorphs. Physical Review B, 2008, 77, Iss. 2, pp. 024112, doi:10.1103/PhysRevB.77.024112.

Belozerov, V., Sobol O., Mahatilova A., Subbotinа V., Tabaza T. A., Al-Qawabeha U. F., Al-Qawabah S. M. The influence of the conditions of microplasma processing (microarc oxidation in anode-cathode regime) of aluminum alloys on their phase composition. Eastern-European journal of enterprise technologies, 2017, 5, Iss. 12–89, pp. 52–57, doi: 10.15587/1729-4061.2017.112065.

Rudolph M., Motylenko M., Rafaja D. Structure model of γ-Al2O3 based on planar defects. IUCrJ, 2019, 6, Iss. 1, pp. 116–127, doi: 10.1107/S2052252518015786.

Rudolph M., Salomon A., Schmidt A., Motylenko M., Zienert T., Stöcker H., Himcinschi C., Amirkhanyan L., Kortus J., Aneziris C. G. & Rafaja D. Thermally induced formation of transition aluminas from boehmite. Advanced Engineering Materials, 2017, 19, Iss. 9, p. 1700141, doi: 10.1002/adem.201700141.

Pakharukova V., Yatsenko D., Gerasimov E. Y., Shalygin A., Martyanov O. & Tsybulya S. Coherent 3D Nanostructure of γ-Al2O3: Simulation of whole X-ray powder diffraction pattern. Journal of solid state chemistry, 2017, 246, pp. 284–292, doi: 10.1016/j.jssc.2016.11.032.

Navrotsky A. Energetics of nanoparticle oxides: interplay between surface energy and polymorphism. Geochemical transactions, 2003, 4, no. 6, pp. 34–37, doi: 10.1186/1467-4866-4-34.

Castro R. H. R., Ushakov S. V., Gengembre L., Gouvêa D., and Navrotsky A. Surface energy and thermodynamic stability of γ-alumina: effect of dopants and water. Chemistry of materials, 2006, 18, Iss. 7, pp. 1867–1872, doi: 10.1021/cm052599d.

Wriedt H. A. The Al-O (Aluminum-Oxygen) system. Bulletin of Alloy Phase Diagrams, 1985, 6, pp. 548–553.

Xu Y. N., Ching W. Y. Self-consistent band structures, charge distributions, and optical-absorption spectra in MgO, alpha-Al2O3, and MgAl2O4. Journal physical review B, 1991, 43, Iss. 5, pp. 4461–4472, doi: 10.1103/physrevb.43.4461.

Clyne T. W., Troughton S. C. A review of recent work on discharge characteristics during plasma electrolytic oxidation of various metals. International materials reviews, 2018, 64, Iss. 3, pp. 127–162, doi: 10.1080/09506608.2018.1466492.

Reshetnyak M. V., Sobol O. V. Rasshirenie vozmozhnostey analiza strukturyi i substrukturnyih harakteristik nanokristallicheskih kondensirovannyih i massivnyih materialov kvazibinarnoy sistemyi W2B5-TiB2 pri ispolzovanii programmyi obrabotki rentgendifraktsionnyih dannyih «new_profile» [Expanding the capabilities of analyzing the structure and substructural characteristics of nanocrystalline condensed and massive materials of the quasi-binary system W2B5-TiB2 using the X-ray diffraction data processing program "new_profile"]. FIzichna inzheneriya poverhni, 2008, 6, no. 3–4, pp. 180–188.

Toby B. H., Harlow R. L., Hohmany M. A. The powder suite: Computer Programs for Searching and Accessing the TCPDS-ICDD Powder Diffraction Database. Powder Diffraction, 1990, 5, Iss. 1, pp. 2–7. doi: 10.1017/S0885715600015153.

McHale J. M., Auroux A., Perrota A. J., Navrotsky A., Surface energies and thermodynamic phase stability in nanocrystalline aluminas. Science, 1997, 277, Iss. 5327, pp. 788–791, doi: 10.1126/science.277.5327.788.

Trueba M., Trasatti S. P. γ-Alumina as a support for catalysts: a review of fundamental aspects. European journal of inorganic chemistry, 2005, 2005, № 17, pp. 3393–3403, doi: 10.1002/ejic.200500348.

Zhou R. S., Snyder R. L. Structures and transformation mechanisms of the η, γ and θ transition aluminas. Acta crystallographica Section B, 1991, 47, Iss. 5, pp. 617–630. doi: 10.1107/S0108768191002719.

Wilson S. J., Mc Connell J. D. C. A kinetic study of the system γ-AlOOHAl2O3. Journal of solid state chemistry, 1980, 34, Iss. 3, pp. 315–322, doi: 10.1016/0022-4596(80)90429-6.

Paglia G., Buckley C. E., Rohl A. L., Hart R. D., Winter K., Studer A. J., Hunter B. A., Hanna J. V. Boehmite derived γ-alumina system. 1. Structural evolution with temperature, with the identification and structural determination of a new transition phase, γ′-alumina. Chemistry of materials, 2004, 16, Iss. 2, pp. 220–236. doi: 10.1021/cm034917j.

Paglia G., Buckley C. E., Rohl A. L., Hunter B. A., Hart R. D., Hanna J. V., Byrne L. T. Tetragonal structure model for boehmite-derived γ-alumina. Physical review. B, 2003, 68, Iss. 14, pp. 144110.1–11, doi: 10.1103/PhysRevB.68.144110.

Loyola C., Menendez-Proupin E., Gutierrez G., Atomistic study of vibrational properties of γ-Al2O3. Journal of materials science, 2010, 45, pp. 5094–5100, doi: 10.1007/s10853-010-4477-5.

Prins R. Location of the spinel vacancies in γ-Al2O3. Angewandte chemie, 2019, 131, Iss. 43, pp. 15694–15698, doi: 10.1002/ange.201901497.

Wolverton C., Hass K. C. Phase stability and structure of spinel-based transition aluminas. Physical review B, 2001, 63, Iss. 2, pp. 024102-1–16. doi: 10.1103/PhysRevB.63.024102.

Gutierrez G., Taga A., Johansson B. Theoretical structure determination of γ-Al2O3. Physical Review B, 2001, 65, Iss. 1. pp. 012101-1–4, doi: 10.1103/PhysRevB.65.012101.

Cai S. H., Rashkeev S. N., Pantelides S. T., Sohlberg K. Atomic scale mechanism of the transformation of γ-alumina to θ-alumina. Physical review letters, 2002, 89, Iss. 23, pp. 235501-1–4. doi: 10.1103/PhysRevLett.89.235501.

Cai S. H., Rashkeev S. N., Pantelides S. T., Sohlberg K. Phase transformation mechanism between gamma- and theta-alumina. Physical review B, 2003, 67, Iss. 22, pp. 224104-1–10, doi: 10.1103/PhysRevB.67.224104.

Pinto H. P., Nieminen R. M., Elliott S. D. Ab initio study of Al2O3 surfaces. Physical review B. 2004. 70, Iss. 12, pp. 125402-1–11, doi: 10.1103/PhysRevB.70.125402.

Menendez-Proupin E., Guti.errez G., Electronic properties of bulk γ-Al2O3. Physical review B., 2005, 72, pp. 035116-1–9, doi: 10.1103/PhysRevB.72.035116.

Gusev A. I. Nestehiometriya, besporyadok, blizhniy i dalniy poryadok v tverdom tele [Nonstoichiometry, disorder, short-range and long-range order in a solid body]. M., FIZMATLIT, 2007. 856 p.

Yoshitake M., Bera S., Yamuchi Y., Song W. The growth of well-ordered ultra-thin Al2O3 films on Cu-Al alloy. Hyomen Kagaku, ·2003, 24, no. 7, pp. 438–440, doi: 10.1380/jsssj.24.438.


Пристатейна бібліографія ГОСТ


  1. Xiang N., Song R.-g., Zhuang J.-j. Song R.-x., Lu X.-y., Su X.-p. Effects of current density on microstructure and properties of plasma electrolytic oxidation ceramic coatings formed on 6063 aluminum alloy. Transactions of nonferrous metals society of china. 2016. 26. Iss. 3. P. 806–813. doi: 10.1016/S1003-6326(16)64171-7.
  2. Kharanagh V. J., Sani M. AF., Rafizadeh E. Effect of current frequency on coating properties formed on aluminized steel by plasma electrolytic oxidation. Surface engineering. 2014. 30. Iss. 3. Р. 224–228. doi: 10.1179/1743294413Y.0000000190.
  3. Martin J., Melhem A., Shchedrina I., Duchanoy T., Nominé A., Henrion G., Czerwiec T., Belmonte T. Effects of electrical parameters on plasma electrolytic oxidation of aluminium. Surface and coatings technology. 2013. 221. P. 70–76. doi: 10.1016/j.surfcoat.2013.01.029.
  4. Lesnevskiy L. N., Lyakhovetskiy M. A., Ivanova S. V., Nagovitsyna O. A. Structure and properties of surface layers formed on zirconium alloy by microarc oxidation. Journal of surface investigation. X-ray, synchrotron and neutron techniques. 2016. 10. Iss. 3. P. 641–647. doi: 10.1134/S1027451016030289.
  5. Li H. X., Li W. J., Song R. G., Ji Z. Effects of different current densities on properties of MAO coatings embedded with and without a-Al2O3 nanoadditives. Materials science and technology. 2012. 28. Iss. 5. P. 565–568. doi: 10.1179/1743284711Y.0000000084.
  6. Veys-Renaux D., Rocca E., Henrion G. Micro-arc oxidation of AZ91 Mg alloy: An in-situ electrochemical study. Electrochemistry communications. 2013. 31. P. 42–45. doi: 10.1016/j.elecom.2013.02.023.
  7. Subbotina V., Al-Qawabeha U. F., Belozerov V., Sobol’ O., Subbotin A., Tabaza T. A., Al-Qawabah S. M.  Determination of influence of electrolyte composition and impurities on the content of α-Al2O3 phase in mao-coatings on aluminum. Eastern-European journal of enterprise technologies. 2019. 6. Iss. 12 (102). Р. 6–13. doi: 10.15587/1729-4061.2019.185674.
  8. Belozerov V., Mahatilova A., Sobol' O., Subbotina V., Subbotin A. Investigation of the influence of technological conditions of microarc oxidation of magnesium alloys on their structural state and mechanical properties. Eastern-European journal of enterprise technologies. 2017. 2. Iss. 5 (86). P. 39–43. doi: 10.15587/1729-4061.2017.96721.
  9. Брон В. А. О рекристаллизации корунда. Доклады Академии Наук СССР. 1951. Т. 80. № 4. С. 661–664.
  10. Tsybulya S. V., Kryukova G. N. Nanocrystalline transition aluminas: Nanostructure and features of x-ray powder diffraction patterns of low-temperature Al2O3 polymorphs. Physical Review B. 2008. 77. Iss. 2. P. 024112. doi: 10.1103/PhysRevB.77.024112
  11. Belozerov, V., Sobol O., Mahatilova A., Subbotinа V., Tabaza T. A., Al-Qawabeha U. F., Al-Qawabah S. M. The influence of the conditions of microplasma processing (microarc oxidation in anode-cathode regime) of aluminum alloys on their phase composition. Eastern-European journal of enterprise technologies. 2017. 5. Iss. 12–89. P. 52–57. doi: 10.15587/1729-4061.2017.112065.
  12. Rudolph M., Motylenko M., Rafaja D.  Structure model of γ-Al2O3 based on planar defects. IUCrJ. 2019. 6. Iss. 1. P. 116–127. doi.10.1107/S2052252518015786.
  13. Rudolph M., Salomon A., Schmidt A., Motylenko M., Zienert T., Stöcker H., Himcinschi C., Amirkhanyan L., Kortus J., Aneziris C. G., Rafaja D. Thermally induced formation of transition aluminas from boehmite. Advanced Engineering Materials. 2017. 19. Iss. 9. P. 1700141. doi.10.1002/adem.201700141.
  14. Pakharukova V., Yatsenko D., Gerasimov E. Y., Shalygin A., Martyanov O., Tsybulya S. Coherent 3D Nanostructure of γ-Al2O3: Simulation of whole X-ray powder diffraction pattern. Journal of solid state chemistry. 2017. 246. P. 284–292. doi.10.1016/j.jssc.2016.11.032.
  15. Navrotsky A. Energetics of nanoparticle oxides: interplay between surface energy and polymorphism. Geochemical transactions. 2003. 4. № 6. P. 34–37. doi: 10.1186/1467-4866-4-34.
  16. Castro R. H. R., Ushakov S. V., Gengembre L., Gouvêa D., and Navrotsky A. Surface energy and thermodynamic stability of γ-alumina:  effect of dopants and water. Chemistry of materials. 2006. 18. Iss. 7. P. 1867–1872. doi: 10.1021/cm052599d.
  17. Wriedt H. A. The Al-O (Aluminum-Oxygen) system. Bulletin of Alloy Phase Diagrams. 1985. 6. P. 548–553.
  18. Xu Y. N., Ching W. Y. Self-consistent band structures, charge distributions, and optical-absorption spectra in MgO, alpha-Al2O3, and MgAl2O4. Journal physical review B. 1991. 43. Iss. 5. P. 4461–4472. doi: 10.1103/physrevb.43.4461.
  19. Clyne T. W., Troughton S. C. A review of recent work on discharge characteristics during plasma electrolytic oxidation of various metals. International materials reviews. 2018. 64. Iss. 3. P. 127–162. doi: 10.1080/09506608.2018.1466492.
  20. Решетняк М. В., Соболь О. В. Расширение возможностей анализа структуры и субструктурных характеристик нанокристаллических конденсированных и массивных материалов квазибинарной системы W2B5-TiB2 при использовании программы обработки рентгендифракционных данных «new_profile». Фізична інженерія поверхні. 2008. Т. 6. № 3–4. С. 180–188.
  21. Toby B. H., Harlow R. L., Hohmany M. A. The powder suite: Computer Programs for Searching and Accessing the TCPDS-ICDD Powder Diffraction Database. Powder Diffraction. 1990. 5. Iss. 1. Р. 2–7. doi: 10.1017/S0885715600015153.
  22. McHale J. M., Auroux A., Perrota A. J., Navrotsky A., Surface Energies and thermodynamic phase stability in nanocrystalline aluminas. Science. 1997. 277. Iss. 5327. Р. 788–791. doi: 10.1126/science.277.5327.788.
  23. Trueba M., Trasatti S. P. γ-Alumina as a support for catalysts: a review of fundamental aspects. European journal of inorganic chemistry. 2005. 2005. № 17. Р. 3393–3403. doi: 10.1002/ejic.200500348.
  24. Zhou R. S., Snyder R. L. Structures and transformation mechanisms of the η, γ and θ transition aluminas. Acta crystallographica Section B. 1991. 47. Iss. 5. P. 617–630. doi: 10.1107/S0108768191002719.
  25. Wilson S. J., Mc Connell J. D. C. A kinetic study of the system γ-AlOOHAl2O3. Journal of solid state chemistry. 1980. 34. Iss. 3. P. 315–322. doi: 10.1016/0022-4596(80)90429-6.
  26. Paglia G., Buckley C. E., Rohl A. L., Hart R. D., Winter K., Studer A. J., Hunter B. A., Hanna J. V. Boehmite derived γ-alumina system. 1. Structural evolution with temperature, with the identification and structural determination of a new transition phase, γ′-alumina. Chemistry of materials. 2004. 16. Iss. 2. P. 220–236. doi: 10.1021/cm034917j.
  27. Paglia G., Buckley C. E., Rohl A. L., Hunter B. A. Hart R. D., Hanna J. V., Byrne L. T. Tetragonal structure model for boehmite-derived γ-alumina. Physical review. B. 2003. 68, Iss. 14. P. 144110.1–11. doi: 10.1103/PhysRevB.68.144110.
  28. Loyola C., Menendez-Proupin E., Gutierrez G., Atomistic study of vibrational properties of γ-Al2O3. Journal of materials science. 2010. 45. P. 5094–5100. doi: 10.1007/s10853-010-4477-5.
  29. Prins R. Location of the spinel vacancies in γ-Al2O3. Angewandte chemie.  2019. 131. Iss. 43. P. 15694–15698. doi: 10.1002/ange.201901497.
  30. Wolverton C., Hass K. C. Phase stability and structure of spinel-based transition aluminas. Physical review B. 2001. 63. Iss. 2. P. 024102-1–16. doi: 10.1103/PhysRevB.63.024102.
  31. Gutierrez G., Taga A., Johansson B. Theoretical structure determination of γ-Al2O3. Physical review B. 2001. 65. Iss. 1. P. 012101-1–4. doi: 10.1103/PhysRevB.65.012101.
  32. Cai S. H., Rashkeev S. N., Pantelides S. T., Sohlberg K. Atomic scale mechanism of the transformation of γ-alumina to θ-alumina. Physical review letters. 2002. 89. Iss. 23. P. 235501-1–4. doi: 10.1103/ PhysRevLett.89.235501.
  33. Cai S. H., Rashkeev S. N., Pantelides S. T., Sohlberg K. Phase transformation mechanism between gamma- and theta-alumina. Physical review B. 2003. 67. Iss. 22. P. 224104-1–10. doi:10.1103/PhysRevB.67.224104.
  34. Pinto H. P., Nieminen R. M., Elliott S. D. Ab initio study of Al2O3 surfaces. Physical review B. 2004. 70. Iss. 12. P. 125402-1–11. doi: 10.1103/PhysRevB.70.125402.
  35. Menendez-Proupin E., Guti.errez G., Electronic properties of bulk γ-Al2O3. Physical review B. 2005. 72. P. 035116-1–9. doi: 10.1103/PhysRevB.72.035116.
  36. Гусев А. И. Нестехиометрия, беспорядок, ближний и дальний порядок в твердом теле. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. 856 с.
  37. Yoshitake M., Bera S.,  Yamuchi Y., Song W. The growth of well-ordered ultra-thin Al2O3 films on Cu-Al alloy. Hyomen Kagaku. 2003. 24. № 7. Р. 438–440. doi: 10.1380/jsssj.24.438.