Классификация микроплазменных методов

Впервые была предложена Г. А. Марковым по двум признакам:

1) по характеристикам электрического разряда — микроплазменные, плазменные, плазменный электрофорез;

2) по полярности рабочего электрода-детали — анодные, катодные, анодно-катодные.

Начало изысканиям в области микроплазменных процессов было положено разработкой анодного метода ПЭО для алюминия. Анодные плазменные микроразряды горят между поверхностью оксидной пленки и электролитом, разогревая при этом пленку в анодном пятне до 1000 – 2000 °С, в это время температура металла под пятном составляет от 300 °С, на глубине 5 мкм от границы раздела АОП– металл, до 500 °С – у самой границы. Образующаяся система металл–оксид–разряд-электролит определяется ионной проводимостью, и ток при ПЭО идет практически только через эти разрядные каналы [20].

В электролитах, не содержащих элементов, способных образовывать нерастворимые оксиды, процесс модифицирования направлен вглубь металла за счет его окисления. Если же в электролитах имеются катионы и/или анионы, содержащие такие элементы, то их оксиды, образующиеся в результате гидротермолизных реакций, как правило, включаются в состав покрытия (модифицированного слоя). Это происходит потому, что в разрядном канале, где температура достигает нескольких тысяч градусов и рассеивается большая энергия, возможно инкорпорирование продуктов этих реакций в электрохимически формируемый оксид основного металла с образованием, например, соединений типа шпинелей.

Возможно также протекание полиморфных превращений с образованием высокотемпературных фаз, например α–Аl₂O₃ – корунда (на алюминии и/или в алюминатных электролитах), обладающего очень высокой твердостью.

Под разрядным каналом в разогретом оксиде идет встречная диффузия ионов Аl³⁺ и О^2- с образованием Аl₂O₃, как при анодировании в водных растворах электролитов. В целом анодное ПЭО алюминия позволяет получать пористые (до 40 – 80 %) покрытия спеченного вида толщиной до 50 – 100 мкм с относительно низкой микротвердостью (800 – 930 кг/мм²) и прочностью сцепления с основой (26 – 60 МПа) из-за наличия резкой границы раздела металл–покрытие [20].

Плазменные микроразряды для каждой конкретной комбинации металла основы и электролита существует в определенной области напряжений и плотностей тока, выше которых он скачком или постепенно переходит в дуговой разряд. При этом уменьшается число видимых разрядов, увеличивается их яркость, меняется характер их перемещения по поверхности, соответственно меняется и угол наклона на формовочных кривых напряжения (участок 4 рис. 1).

Граничным значением перехода плазменного микроразряда в плазменный разряд условно был принят ток единичного разряда величиной 30 мА. При этом переходе температура в разряде возрастает примерно до 5000 °С, а ток единичного разряда увеличивается в 2–2,5 раза и составляет 30 – 600 мА [20]. Выделяемой мощности уже хватает для проплавления покрытия (вплоть до металла основы). Разряды горят то на поверхности покрытия, то на поверхности металла, причем кратер плазменного разряда обычно успевает заполниться расплавленным материалом покрытия до кристаллизации, хотя по достижении определенного напряжения начинается необратимое разрушение покрытия.

Покрытия из относительно легкоплавких материалов (например двуокиси кремния) получаются переплавленными, их пористость ниже, а прочность сцепления в 2–3 раза выше, чем у покрытий, получаемых в режиме горения анодных плазменных микроразрядов, микротвердость достигает 1200 кг/мм², хотя износостойкость таких покрытий практически не возрастает из-за их относительной хрупкости.

Для получения таких же оплавленных покрытий из более тугоплавких материалов можно повышать мощность плазменого разряда путем введения в электролит гранул, состоящих из материалов с электронной проводимостью. При этом импульсный ток отдельного разряда может достигать 1 – 70 А, а температура в плазменом разряде – 5000 °С, однако при этом существенно снижается качество покрытий, в частности резко возрастает их шероховатость из-за кипения материала покрытия.

Если в режиме горения микроплазменных или плазменых разрядов вводить в электролит порошки окислов, металлоидов, минералов и т. п., достаточно мелкие для получения суспензий, то электрический разряд обеспечивает протекание так называемого «плазменного электрофореза». При этом частицы порошка за счет электростатического притяжения осаждаются на поверхности покрытия и вплавляются в него, резко увеличивая выход по току, причем следует отметить, что без электрического разряда классический электрофорез в таких условиях не идет.

Начало разработки анодно-катодного ПЭО было положено после обнаружения явления образования оксидно-гидроксидных покрытий на алюминии в условиях катодной поляризации после предварительного нанесения на него малопористой электроизоляционной пленки. Такие покрытия не обладают униполярной проводимостью и имеют высокое сопротивление. При достаточно высоком напряжении возникают катодные микроплазменные и плазменные разряды, токовые характеристики которых приближаются к параметрам электрических разрядов с электропроводными гранулами, в частности они также имеют преимущественную электронную проводимость.

Температура катодной «горячей» области такого разряда (вблизи границы раздела металл-оксид) достигает 10–15 тысяч градусов. Проявляются те же недостатки, которые характерны для разрядов с электропроводными гранулами, а именно кипение и выброс вещества покрытия.

Анодно-катодное ПЭО, объединяющее анодный и катодный методы на одном электроде, устраняет недостатки, упомянутые выше. При анодно-катодном ПЭО на переменном токе электрический разряд горит как в анодном, так и в катодном полупериодах, причем катодный разряд, более яркий, имеет электронную проводимость, а его температура примерно на 1000 °С выше, чем у анодного разряда. Особенность анодно-катодного процесса состоит в том, что катодные разряды, сохраняя температуру и тип проводимости, горят при меньших напряжениях, так как покрытие, сформированное в анодном разряде, имеет униполярную проводимость, а анодный разряд горит на подогретом катодным разрядом покрытии.

Все это обеспечивает более мягкий, чем при анодном ПЭО, спокойный режим формирования модифицированного слоя, состоящего как минимум из двух частей: относительно мягкого и пористого покрытия, дающего приращение толщины обрабатываемому объекту (так называемый «технологический» слой) и внутреннего твердого и почти беспористого «рабочего» слоя, развивающегося в глубь металла основы. В многокомпонентных электролитах часто формируется третий тонкий «переходный» слой между металлом и покрытием.

Это можно объяснить тем, что у стенок разрядного канала и на его полюсах температура будет понижена за счет более активного теплоотвода. В результате фазовый состав сформированного покрытия по толщине оказывается неоднородным, а его строение ячеистым с ядрами из высокотемпературных фаз, окруженных прослойками более пластичных низкотемпературных фаз.