СВЕДЕНИЯ О НАУЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ КАФЕДРЫ ЗМиТП

СВЕДЕНИЯ О НАУЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ КАФЕДРЫ ЗМиТП
1.Краткая информации об основных научных направлениях научных исследований
Научно-исследовательская деятельность кафедры направлена на решение как
фундаментальных проблем коррозии и защиты аморфных, нанокристаллических и
кристаллических металлов и сплавов, в том числе сплавов медицинского назначения, изучение
влияния структуры на коррозионно-электрохимическое поведение сталей различных классов,
разработку новых экспресс-методов диагностики коррозионного состояния металлических
материалов и покрытий, а также на разработку механизмов микродугового оксидирования и
создание новых технологий получения многофункциональных материалов системы «металлпокрытие».
Научное направление: анодирование и микродуговое оксидирование легких
конструкционных алюминиевых и магиневых сплавов для создания материалов нового
поколения
Руководитель: профессор, доктор химических наук Ракоч Александр Григорьевич
Научное направление: Физико-химия поверхности и электрохимия металлов и
сплавов
Руководитель: профессор, доктор химических наук Андреев Юрий Яковлевич
Научное направление 3: Комплексные исследования состояния сплавов медицинского
назначения в коррозионно-активных биологических средах организма человека
Руководитель: доцент, кандидат физико-математических наук Пустов Юрий Александрович
Научное направление: Коррозионная стойкость, структура и магнитные свойства
аморфных и нанокристаллических сплавов на основе железа
Руководитель: доцент, кандидат физико-математических наук Пустов Юрий Александрович
2. Отчеты по научной деятельности за период с 2008 по 2012 годы
2008 г.
1.
Разработана термодинамическая модель твердофазных реакций между
сплавом и пленкой оксида в процессах высокотемпературного окисления сплавов и их
пассивации в водном растворе.
2.
Усовершенствованы модельные представления о механизме протекания
процесса микродуового оксидирования.
3.
Установлена природа и изучены закономерности релаксационных процессов,
протекающих в аморфных сплавах систем Fe-Si-B-Nb-Cu и Fe-Si-B-Nb-Cu-P различного
состава в предкристаллизационный период и ранних стадиях структурной реалксации,
установлена их связь с электрохимическим поведением, на основе чего: 1) - выработаны
рекомендации по режимам оптимизации наноструктуры; 2) – разработаны режимы
получения на поверхности сплавов анодных оксидных покрытий с высокой резистивной
способностью.
4.
Изучены состав и дефекты структуры термических оксидных и пассивных
пленок, формирующихся на поверхности лент аморфных сплавов непосредственно после
изотермического отжига и анодной поляризации отожженных образцов, что позволило
установить механизм формирования приповерхностных сегрегаций атомов меди и
фосфора и их влияние на эксплуатационные характеристики сплавов Fe-Si-B-Nb-Cu и FeSi-B-Nb-Cu-P.
5.
Разработана модель разрушения титановых сплавов медицинского
назначения в биологических средах, изучено влияние циклической динамической
нагрузки на электрохимические характеристики сплавов, установлены кинетические
закономерности восстановления пассивирующих пленок на поверхности сплавов.
6.
Разработаны режимы получения покрытий методом микродугового
оксидирования титановых сплавов, применяемых в качестве имплантанта в
стоматологическом протезировании, определены оптимальные составы растворов для
обеспечения повышенной стойкости к коррозионно-усталостному разрушению сплавов.
7. Разработаны рекомендации по частичной замене или мероприятия по продлению
ресурса металлоконструкций, возможные способы противокоррозионной защиты.
2009 год
1. Установлен механизм влияния периодической катодной поляризации образца, а
также степени асимметричности (по количеству электричества, проходящего при анодной
и катодной поляризации через образец) переменного тока на скорость роста
микродуговых покрытий на поверхности алюминиевых и магниевых сплавов.
2. Установлен механизм влияния электрического режима, а также промежуточных
электрохимических обработок алюминиевых сплавов с микродуговыми покрытиями на
максимально возможную толщину формируемых покрытий.
3. На основании усовершенствованной модели протекания процесса микродугового
оксидирования лёгких сплавов разработаны оптимальные технологические режимы
получения на поверхности алюминиевых сплавов антикоррозионных, износостойких,
твёрдых, теплозащитных, стойких к тепловым ударам диэлектрических покрытий
толщиной до 350 мкм, на поверхности магниевых сплавов – диэлектрических покрытий с
высокой антикоррозионной способностью.
4. Разработан новый электрохимический экспресс-метод анализа коррозионной
стойкости лёгкого конструкционного сплава с покрытием;
5. Показано, что в зависимости от состава электролита, в котором проводят
процесс микродугового оксидирования алюминиевых сплавов электродный потенциал
системы «алюминиевый сплав – микродуговое покрытие» может различаться более чем на
1000 мВ. Только при очень электроотрицательных потенциалах система «алюминиевый
сплав – микродуговое покрытие» не подвержена коррозии при длительных (более трёх
месяцев) выдержках в 3 %-ном растворе NaCl.
6. В рамках модели металл/пассивная плёнка разработан метод расчёта величины
обратимого потенциала электрода (Fe, Ni или Cr) с собственным оксидом на поверхности
(Фладе-потенциал), в котором учитывается поверхностная энергия Гиббса
соответствующего металла. Эта модель будет использована для расчёта Фладепотенциалов пассивирующихся Fe-Cr сплавов для их анодной защиты.
7. Развита модель адсорбционного равновесия на межфазной границе сплав Fe-Cr
(или Ni-Cr)/пассивная (или оксидная) плёнка. Проведен расчёт конкурирующей адсорбции
атомов Fe (или Ni) и Cr в поверхностном слое хромсодержащих сплавов, который показал
очень сильную отрицательную адсорбцию хрома, понижающую его активность в
химических реакциях образования пассивной или оксидной плёнки на поверхности
сплава.
8. Изучено влияния легирования хромом (1,4 % ат.) магнитно-мягких
наноструктурируемых сплавов системы Fe-Si-B-Nb-Cu. Показано, что даже при таком
низком содержании хрома сплав обладает повышенной коррозионной стойкостью,
превышающей коррозионную стойкость железо-хромистных сталей. Показано,
чзотермический отжиг (250-350оС) в пределах аморфного состояния вызывает склонность
сплава к самопассивации в нейтральных средах, нехарактерную для сплавов системы FeSi-B-Nb-Cu, не содержащих хрома.
9. Предложен механизм самопассивации сплава, учитывающий роль легирующих
элементов в формировании поверхностных сегрегаций элементов в сочетании с
пассивирующим действием хрома.
10. Предложен и теоретически обоснован режим двухстадийной термической
обработки Fe-Si-B-Nb-Cu-Cr, обеспечивающий сохранение высоких магнитных
характеристик сплава в сочетании с более высокой коррозионной стойкостью по
сравнению со сплавами, не содержащими добавок хрома.
11. Изучено коррозионно-электрохимическое поведение медицинских сплавов с
памятью формы (Ti-50,7%Ni и Ti-50%Ni) в коррозионно-активных биологических средах,
имитирующих биологическую среду организма человека. Установлены причины и
механизм коррозионно-усталостного разрушения, обоснованы различия в коррозионном
поведении сплавов в связи со структурным состоянием сплавов различного состава.
12. Предложен способ повышения коррозионной стойкости и защиты сплавов от
коррозионно-механического разрушения
2010 год
1. Разработаны научные положения, описывающие влияние электрического
режима, используемого при проведении процесса микродугового оксидирования, на
состав, свойства и кинетику формирования защитных и декоративных покрытий на
изделиях из алюминиевых и магниевых сплавов.
2. Установлены механизмы изменения фазового состава, свойств и скорости
образования анодных покрытий на различных временных интервалах процесса
высоковольтного анодирования алюминиевых сплавов.
3. Установлена возможность одновременного формирования различных по составу
и свойствам неорганических покрытий на различных участках металлической
поверхности за счёт протекания сопряжённых электрохимических процессов, что
позволило разработать новый энергосберегающий способ многофункциональных
покрытий на поверхности образцов и изделий из лёгких конструкционных сплавов.
4. Разработаны новые способы получения равномерных по толщине и свойствам на
всей поверхности изделий сложной геометрической формы, в том числе и на
крупногабаритных.
5. Разработаны неразрушающие способы оценки свойств микродуговых покрытий,
формируемых на поверхности изделий из алюминиевых сплавов.
6. На основе измерений электродных потенциалов методически обоснована
причина высокой коррозионной стойкости алюминиевых сплавов с микродуговыми
покрытиями при высоких отрицательных значениях их стационарного потенциала.
7. Предложены термодинамическая модель и метод расчета энергии Гиббса
образования пассивных нанопленок на железе, никеле и хроме, в которых наряду с учетом
химического сродства этих металлов к кислороду учтен вклад поверхностной энергии
Гиббса этих металлов.
8.
Разработан
термодинамический
метод
расчета
Фладе-потенциалов
хромсодержащих сплавов как функции состава пассивной пленки, температуры и рН
раствора.
9. Разработана теория пассивности хромсодержащих сплавов, охватывающая
области практического применения этих сплавов как в агрессивных кислых средах при
обычных температурах, так и в нейтральных водных средах при высоких температурах и
давлениях, используемых на АЭС.
10. Предложен и теоретически обоснован механизм коррозионно-усталостного
разрушения медицинских сплавов на основе титана (типа ВТ1-0) в органических средах.
Выявлена роль механохимического и хемомеханического факторов в развитии и
распространения коррозионно-механических трещин в условиях, моделирующих режимы
эксплуатации сплавов.
11. Разработана модель напряженно-деформированного состояния, титановых
сплавов медицинского назначения, позволяющая прогнозировать ресурс их работы в
условиях действия периодических циклических динамических нагрузок различной
величины в коррозионно-активных биологических средах.
12. Выявлены особенности и закономерности коррозионно-электрохимического
поведения магнитномягких наноструктурируемых сплавов системы Fe-Si-В-Сu-Nb
различного состава (типа Finemet) в процессе формирования структуры в широкой
области температур (200-5400С).
13. Установлен механизм влияния легирующих добавок фосфора и хрома на
электрохимическое поведение и коррозионную стойкость наноструктурируемых сплавов
системы Fe-Si-В-Сu-Nb. Показано, что легирование фосфором (3,8 ат. %) или хромом (1,4
ат.%) не приводит к изменению общей тенденции немонотонного изменения
электрохимических характеристик сплавов в процессе протекания структурной
релаксации, но в значительной степени повышает коррозионную стойкость сплавов.
14. Разработаны режимы анодного оксидирования наноструктурируемых сплавов
системы Fe-Si-В-Сu-Nb-Р. Оксидные пленки толщиной 0,7-0,9 мкм обладают высоким
омическим порядка 1012 мкОм∙см, что в сочетании с различными вариантами
термообработки позволило рекомендовать технологию оксидирования для получения
резистивных слоев с целью уменьшения потерь мощности в сердечниках
трансформаторов, изготовленных из этих сплавов.
2011 год
1. Установлено, что предварительное сернокислотное анодирование алюминиевых
сплавов позволяет при последующем их высковольтном анодировании (микродуговое
оксидирование) сократить энергозатраты не менее чем на 30 % и проводить одновременно
размерную обработку изделий из этих сплавов.
2. Показано, что дополнительный нагрев образцов и изделий из промышленных и
новых алюминиевых сплавов позволяет при их микродуговом оксидировании получать
тонкие (до 40 мкм) твердые износостойкие покрытия, имеющие высокую адгезию к
металлической основе. Таким образом, получены материалы нового поколения,
обладающие уникальными функциональными свойствами.
3. На основе представлений о важном вкладе поверхностной энергии металла в
хемосорбционный механизм пассивности разработаны методы расчета состава пассивных
пленок на сплавах Fe-Cr и Ni-Cr, а также Фладе-потенциалов сплавов в зависимости от их
состава. Но эти методики позволяют дать оценку коррозионной стойкости сплавов на
предварительных этапах проектирования конструкций.
4. Результаты исследования пассивности металлов и сплавов обобщены в учебном
пособии Андреева Ю.Я. «Электрохимия металлов и сплавов» 2011 г., 255 страниц.
5. Выявлены особенности и закономерности коррозионно-электрохимического
поведения нового псевдоупругого сплава Ti-22Nb-6Ta в физиологических растворах,
моделирующих биологические среды жизнедеятельности человека. Показано, что
кинетика формирования наноразмерных защитных пленок в процессе экспозиции в этих
средах может быть описана двумя уравнениями логарифмического вида, а механизм
подобен механизму образования и роста тонких оксидных пленок при низких
температурах.
6. Установлено, что сплав не уступает по своим коррозионно-электрохимическим
характеристикам титану и нитинолу, но в отличие от титана обладает свойством
псевдоупругости, и в отличие от нитинола не содержит канцерогенных компонентов и не
подвергается питтинговой коррозии, что позволяет рекомендовать для использования его
в качестве сплава медицинского назначения
7. Обобщены результаты исследований взаимосвязи процессов структурной
релаксации в наноструктурируемых сплавах системы Fe-Si-В-Сu-Nb, легированных
фосфором и хромом, на коррозионно-электрохимические их характеристики. На основе
модельных представлений о диффузионных процессах, протекающих в сплавах, оценены
характеристики поверхностной диффузии атомов фосфора и хрома.
8. Показана принципиальная возможность управления структурой, магнитными
свойствами и антикоррозионной способностью сплавов, предварительно оксидированных
в щелочных электролитах.
2012 год