Исследование электролитического формования сложнопрофилированных износостойких авиационных деталей в сульфаматном электролите никелирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование электролитического формования сложнопрофилированных износостойких авиационных деталей в сульфаматном электролите никелирования

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

композиционный никель летательный аппарат

Актуальность проблемы

Авиационная техника как один из наукоемких видов продукции характеризуется высоким инновационным уровнем. Одним из показателей внедрения новых, инновационных технологий является использование в изделиях авиационной промышленности современных материалов.

Металлы и их сплавы - одни из основных конструкционных материалов, используемых в авиационной промышленности. Разработка и совершенствование технологических процессов, обеспечивающих сокращение расхода металлов и позволяющих повысить качество выпускаемых изделий, является весьма актуальной задачей. Одним из таких процессов является электролитическое формование, заключающееся в получении деталей путем электроосаждения металла на форму в гальванической ванне с последующим отделением металла от формы.

Анализ целого ряда изделий машиностроения показывает, что существует целый ряд деталей, которые экономически более выгодно получать электролитическим формованием. Возможно изготовление указанным методом накладок (оковок) переменного сечения для защиты лопастей летательных аппаратов, газогенераторов, трубчатых тонкостенных деталей переменного сечения, элементов технологической оснастки, например, формообразующих вставок пресс-форм и тд.

В настоящее время в гальванопластике, основе электролитического формования, используют довольно ограниченное число металлов и сплавов. Наиболее широко применяют медь, никель и железо, а из сплавов - никель - кобальт и никель - железо. Электроосаждение сплавов является весьма перспективным процессом, так как позволяет расширить диапазон материалов, пригодных для гальванопластических целей. Уже сейчас получают широкое использование композиционные материалы, совмещающие положительные свойства металлов и неметаллов, а также оксидов, карбидов, нитридов и др.

В современной гальванотехнике одним из актуальных направлений является создание композиционных электрохимических покрытий (КЭП), которые получают путем соосаждения вместе с металлами из электролитов-суспензий дисперсных частиц различных видов и размеров. Включаясь в структуру металлов, частицы существенно улучшают их эксплуатационные свойства (твердость, износостойкость, коррозионную устойчивость) и придают им новые качества (антифрикционные, магнитные, каталитические). В связи с этим, КЭП находят широкое применение в различных отраслях промышленности, а разработка новых видов композиционных покрытий с различными свойствами и получение новых композиционных материалов, исследование кинетических закономерностей их электроосаждения и свойств осадков, а также изучение структурных превращений в концентрированных растворах электролитов является актуальной научной задачей.

Исследование посвящено совершенствованию процесса электролитического формования с целью получения ответственных авиационных изделий повышенной износостойкости из никеля.

Целью работы является создания нового композиционного материала на основе никеля, обладающего улучшенными эксплуатационными свойствами, и исследование кинетики его электроосаждения, позволившие в дальнейшем усовершенствовать процесс электролитического формования износостойких сложнопрофилированных изделий летательных аппаратов.

Для достижения поставленной цели предполагается решить следующие задачи:

-- провести исследование и сравнительный анализ возможных наномодификаторов для процесса электролитического формования сложнопрофилированных никелевых деталей с целью повышения их физико-механических характеристик;

-- исследовать седиментационную устойчивость различных наномодификаторов в сульфаматном электролите никелирования;

-- разработать методику приготовления суспензий сульфаматного электролита с наномодификатором;

-- изучить механизм формирования электролитических слоев, модифицированных наноструктурами;

-- определить основной состав экспериментального оснащения для электролитического формования наноструктурированных образцов изделий и разработать его;

-- разработать методику эксперимента по наноструктурированию никелевых образцов, изготавливаемых электролитическим формованием;

-- получить композиционный материал на основе никеля путем электролитического осаждения на стальные образцы;

-- исследовать кинетические закономерности, протекающие при получении наномодифицированных никелевых образцов;

-- исследовать физико-механические свойства полученных наномодифицированных никелевых образцов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- исследована седиментационная устойчивость частиц фуллерена С60, частиц оксида алюминия и оксида титана в сульфаматном электролите никелирования;

- разработана методика получения дисперсий фуллерена С60 в сульфаматном электролите;

- разработана методика наноструктурирования электролитических осадков никеля фуллереном С60;

- получен композиционный материал на основе никеля с дисперсной фазой фуллерена С60 путем электролитического осаждения.

Практическая ценность. Получены образцы композиционного материала никель-фуллерен С60 с улучшенными физико-механическими свойствами. Установлено, что возможно включение частиц фуллерена С60 в состав электролитического никеля. Получены данные по физико-механическим свойствам наноструктурированных осадков электролитического никеля, которые показали, что включение в осадок никеля второй фазы приводит к улучшению структуры электролитического осадка никеля, повышению твердости на 13-17 % и повышению износостойкости в 1,5 раза в сравнении осадками электролитического никеля без включения фуллерена С60.

На защиту выносятся:

1. Методика наноструктурирования электролитических осадков никеля фуллереном С60.

2. Методика получения дисперсий фуллерена С60 в сульфаматном электролите.

3. Физико-механические свойства композиционного материала никель-фуллерен С60.

Личный вклад соискателя. Автору диссертации принадлежат основные идеи, касающиеся постановки задач исследований, выполнение всех этапов эксперимента, обработки полученных результатов экспериментов. Автор работы является ответственным исполнителем НИОКР по теме «Теоретическое обоснование и разработка методики исследования наноструктурирования внешнего слоя никелевых изделий, получаемых электролитическим формованием» 2009г., «Исследование влияния наномодификаторов на физико-механические характеристики никелевых образцов, полученных электролитическим формованием» 2011г.

Апробация работы. Основные положения, выводы и результаты диссертационной работы:

-- докладывались и обсуждались на Итоговой Всероссийской научно-практической конференции «ПОЛЗУНОВСКИЕ ГРАНТЫ», ГОУ ВПО АлтГТУ (Барнаул 2007г.), IV Международной научно-практической конференции «Авиакосмические технологии и оборудование. Казань - 2008», III Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в проектировании и производстве изделий машиностроения» (Казань, 2008г.), XI Международной научно-практической конференции «Нанотехнологии в промышленности» (Казань, 2011г.), ежегодной научной сессии ГОУ ВПО «Казанский государственный технологический университет» (Казань, 2011г.);

- публиковались в материалах Всеукраинской научно-технической конференции «Молодежный электрохимический форум» (Харьков, 2008г.).

В полном объеме работа докладывалась на расширенном заседании кафедры «Информационные технологии и менеджмент в машиностроении» ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н.Туполева - КАИ» 11 октября 2011г.

Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 8 работ, из них 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.

Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложения. Полный объем работы составляет 109 страниц, в том числе 92 страницы основного текста, 52 рисунка, 6 таблиц, список литературы (98 наим., 9 страниц).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, указано направление исследований, раскрыто научное и практическое значение решаемой проблемы.

В первой главе приведены литературные данные по областям применения изделий, изготавливаемых электролитическим формованием, рассмотрены перспективы применения различных композиционных электрохимических покрытий. Рассмотрены механизм и кинетика образования композиционных электрохимических покрытий. Приведены требования, предъявляемые к электролитам осаждения композиционных материалов, проанализированы факторы, влияющие на качество электролитических осадков. По работам таких авторов как: Сайфуллин Р.С., Галяметдинов Ю.Г., Голодницкая Д.В., Овчинников Е.В., Пилипенко А.Г., Целуйкин В.Н., Витязь П.А., Пономарев А.Н., Kerber A., Гилев В.Г. и др. проанализированы возможные наномодификаторы, применимые в качестве второй фазы в различных композиционных осадках.

На основе анализа работ отечественных и зарубежных авторов показано, что диапазон эксплуатационных свойств электроосажденных материалов можно расширить путем применения перспективных наномодификаторов. Это позволит расширить число применяемых металлов и сплавов в процессе электролитического формования, что в свою очередь расширит номенклатуру авиационных изделий, которые гораздо выгоднее изготавливать электролитическим формованием и продлить срок службы ответственных авиационных изделий сложного профиля.

Во второй главе разработана методика проведения эксперимента по наноструктурированию никелевых осадков. Описан технологический процесс согласно предложенной методике наноструктурирования никелевых осадков.

Электроосаждение никеля и никеля с добавлением наноструктур проводили в сульфаматном электролите на сталь 3 при температуре 55-60 єС с непрерывным перемешиванием электролита. Толщина покрытий составляла 1-1,2 мкм.

Третья глава посвящена исследованию седиментационной устойчивости наномодификаторов в сульфаматном электролите. Исследованы факторы, влияющих на седиментационную устойчивость частиц фуллерена С60 в сульфаматном электролите никелирования, а также определены их оптимальные концентрации.

Разработка технологии наноструктурирования изделий из никеля, изготавливаемых электролитическим формованием, предусматривает получение суспензий. Суспензии представляют собой электролиты с добавкой определенного количества высокодисперсного порошка.

В работе исследовались суспензии следующих составов: сульфаматный электролит + частицы Al2O3, сульфаматный электролит + частицы TiO2, сульфаматный электролит + фуллереновая смесь, сульфаматный электролит + фуллерен С60, также для сравнения исследовались суспензии этих же частиц в дистиллированной воде. Седиментационную устойчивость наномодификаторов исследовали в сульфаматном электролите, который используется для серийного производства электролитическим формованием никелевых противоабразивных защитных оковок, предназначенных для защиты и повышения ресурса передних кромок лопастей воздушных винтов в современных летательных аппаратах. Седиментационную устойчивость характеризовали мерой непрозрачности слоя вещества для световых лучей - оптической плотностью (D).

Высокая степень диспергирования достигалась путем предварительной ультразвуковой обработки суспензии в ультразвуковой ванне yaxun ultrasonic cleaner 9030 в течение 10 минут. Для исследования суспензий применяли метод светорассеяния. Измерения проводили на спектрофотометре UNICO1200 с использованием кварцевых кювет. Данный прибор позволяет изучать параметры распределения частиц в невозмущенных внешними воздействиями структурах за счет рассеяния света коллоидными системами. Коллоидные системы представляют пример дисперсных систем, которые классифицируются по величине частиц раздробленного вещества или по степени дисперсности в дисперсионной среде.

Максимальные значения оптической плотности показали суспензии с фуллереном С60. Благодаря обилию кратных связей молекулы фуллеренов способны легко и обратимо принимать электроны без разрушения структуры, поэтому большой интерес вызывают их электрохимические свойства. Фуллерен С60 является акцептором электронов и в растворе электролита при пропускании электрического тока способен адсорбировать на поверхности катионы никеля, так что в конечном итоге укрупненные дисперсные частицы, двигаясь к катоду, встраиваются в кристаллическую решетку электролитического осадка.

При использовании ультразвука хорошие результаты получены при концентрации частиц 0,025-0,02г на 100 мл электролита (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость оптической плотности (D) от концентрации (C) частиц С60 в сульфаматном электролите

Отличительная черта коллоидных систем - это их неустойчивость. Причиной неустойчивости может быть непостоянство их дисперсности. Переход коллоидов в истинный раствор вызывается увеличением дисперсности, в то время как противоположный процесс идет за счет слипания частиц, ведущего к увеличению их размеров. Последнее явление называется коагуляцией. Частицы сначала становятся видимыми в микроскоп, а затем по мере роста они делаются настолько крупными, что выпадают в осадок. Внешне коагуляция часто сопровождается появлением мути, изменением окраски коллоидных систем и, наконец, образованием осадка. Явление выпадения дисперсной фазы в осадок под действием силы тяжести - седиментация наблюдалось при выдерживании суспензии электролита с наномодификатором в течение суток (рис. 2). Значения оптической плотности приведены при длине волны (л) равной 400нм, так как при этом значении наблюдался максимум оптической плотности всех суспензий.

Рис. 2. Седиментационная устойчивость частиц С60 в сульфаматном электролите в зависимости от концентрации (С) ПАВ (0,001-0,005г) при длине волны л = 400нм.: с выдержкой в 1 сутки (1), без выдержки (2)

В работе были проведены сравнения рассеивания различной концентрации частиц фуллерена С60 в дистиллированной воде и в электролите (рис. 3).

Рис. 3. Седиментационная устойчивость частиц С60 в воде (1) и в электролите (2) в зависимости от концентрации при длине волны л = 400

Как видно из графиков, седиментационная устойчивость частиц фуллерена С60 в воде ниже, чем в электролите. Это связано с тем, что после диспергирования избыток и нескомпенсированность поверхностных связей приводит к срастанию и укрупнению нанофрагментов фуллерена. Чтобы предотвратить этот нежелательный эффект, в систему вводили стабилизатор - поверхностно - активное вещество (ПАВ) (рис.4). Молекулы ПАВ облепляют растущую наночастицу со всех сторон, что препятствует ее дальнейшему укрупнению. В качестве ПАВ использовали лаурилсульфат натрия, так как в сульфаматном электролите никелирования лаурилсульфат натрия уже присутствует как специальная выравнивающая органическая добавка.

Рис. 4. Зависимость оптической плотности (D) от концентрации (C) ПАВ в сульфаматном электролите (С60 = 0,025г, длина волны л = 400 нм)

Таким образом, можно констатировать, что наложение поля ультразвука приводит к неоднозначным эффектам при формировании как водных суспензий фуллеренов, так и суспензий фуллеренов на основе электролита. Продемонстрирована периодичность изменения полидисперсности частиц фуллеренов в водной среде и в электролите в зависимости от различной концентрации ПАВ и самих частиц фуллеренов и найдена оптимальная концентрация ПАВ и частиц фуллеренов, отражающая высокую дисперсность частиц.

Установлено, что максимальные значения оптической плотности достижимы при следующих значениях:

- концентрация С60 = 0,025…0,02 г на 100мл электролита;

- концентрация ПАВ = 0,003г на 100мл электролита.

Таким образом, полученные результаты научно-технической деятельности являются основой для выполнения работ по изучению влияния наномодификаторов на свойства изделий, выполняемых электролитическим формованием из никеля в сульфаматном электролите.

В четвертой главе определен состав лабораторного технологического оснащения для проведения эксперимента. Описана экспериментальная установка. Смоделирована опытная технологическая оснастка для электролитического формования противоабразивной защитной оковки на примере оковки ЛБВ 1 для лопасти воздушного винта самолета АН - 140 в программе Solid Works.

В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований. Проведены исследования на фазовый состав наноструктурированных никелевых образцов, определена их твердость и износостойкость.

В результате работы было получено 9 образцов с покрытием из никеля и КЭП никель + фуллерен С60. Время осаждения 40 мин., температура электролита 55-60 єС, pH электролита 3,5-3,8 единиц, сила тока 1А, состав электролита: никель сульфаминовокислый 350-400 г/л, никель хлористый 4-6 г/л, кислота борная 25-30 г/л, лаурилсульфат натрия 0,1-0,5 г/л. Анодом служит никелевая пластина размерами 40*43*5мм. Марка анода - НПАН (непассивирующиеся аноды никелевые). Толщина осадков 1-1,2 мкм.

На рисунке 5 представлена микрофотография покрытия в разрезе. Микрофотографии покрытий были получены на инвертированном микроскопе отраженного света Axiovert 200MAT/200 M MAT при увеличении изображения в 500 раз.

Рис. 5. Образец с никелевым покрытием в разрезе (увеличение в 500 раз)

Исследования структуры и состава, полученных образцов, проводили с использованием сканирующего электронного микроскопа EVO 50 XVP. На рисунке 6 представлены микрофотографии поверхности образцов.

Рис. 6. Микрофотографии поверхности образцов

а - никель, б - никель + фуллерен С60, в - никель + фуллерен С60 + ПАВ при увеличении в 50 000 раз

Исследования показали возможность включения фуллерена С60 в структуру электролитического никеля, полученного в сульфаматном электролите. Осадок, полученный в результате добавления в электролит никелирования фуллерена С60 (б), более равномерный и темный, чем осадок чистого никеля (а) и осадок никеля с добавлением фуллерена С60 в присутствии ПАВ (в). Более темный цвет обусловлен наличием в составе большего количества углерода (таблица 1).

Твердость определяли с помощью прибора Remet HX-1000 Bologna - Italy. Исследования на твердость показали, что при толщине покрытия равной 1-1,2 мкм твердость гальванического никеля по Виккерсу составляет 257 HV, твердость осадков «никель + фуллерен С60+ ПАВ» составляет 290 HV, что на 13% выше твердости никелевого покрытия и на 74% выше твердости стальной подложки марки Ст3, а среднее значение твердости осадков «никель + фуллерен С60» равно 299 HV, что выше твердости никелевого покрытия на 17% и стальной подложки марки Ст3 на 79% (таблица 1).

Таблица 1 Средние значения твердости и количества углерода в различных покрытиях

Испытания на абразивный износ проводились с использованием пескоструйной установки. Абразивный материал - сухой кварцевый песок с размерами абразивных частиц до 0,08мм. Время, затраченное на каждый образец - 4 сек. Образцы устанавливались под углом 45є к направлению вектора вылетающих из ротора частиц.

Величину износа образцов определяли по потере массы. Результаты исследований приведены в таблице 2.

Таблица 2 Выходные данные исследования образцов на абразивный износ

В результате работы получен новый материал на основе никеля с дисперсной фазой фуллерен С60 в сульфаматном электролите. На основании проведенных исследований можно заключить, что дисперсные наночастицы фуллерена С60 встраиваются в кристаллическую решетку электролитического никеля в процессе его осаждения из сульфаматного электролита никелирования. Встраиваясь в структуру электролитического никеля, фуллерен С60 способствует повышению твердости на 13-17 % и износостойкости в 1,5 раза полученного композиционного материала «Никель + фуллерен С60» в сравнении с электролитическим никелем без дисперсной фазы.

ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ применения различных наномодификаторов в качестве второй фазы электроосажденных материалов с целью их упрочнения и повышения износостойкости. А также проанализированы способы наноструктурирования материалов для улучшения их физико-механических характеристик с целью повышения ресурса авиационных изделий, изготавливаемых электролитическим формованием.

2. На основе технологии электролитического формования тонкостенных сложнопрофилированных деталей разработана методика эксперимента по наноструктурированию никеля в процессе электролитического формования.

3. Исследована седиментационная устойчивость таких наномодификаторов как: порошки оксидов алюминия и титана, фуллерена С60 и фуллереновой смеси. Определен наномодификатор и его оптимальная концентрация, при которой наблюдался максимум седиментационной устойчивости.

4. Продемонстрирована периодичность изменения полидисперсности частиц фуллеренов в водной среде и в электролите в зависимости от различных концентраций ПАВ и самих частиц фуллеренов и найдены оптимальные концентрации ПАВ (0,003г на 100 мл электролита) и частиц фуллеренов (0,025-0,02г на 100 мл электролита), отражающие высокую дисперсность частиц.

5. Разработана схема экспериментальной установки для наноструктурирования никелевых образцов, получаемых электролитическим формованием, подобран основной состав лабораторного оснащения. Смоделирована опытная технологическая оснастка для электролитического формования противоабразивной защитной оковки на примере оковки ЛБВ 1 для лопасти воздушного винта самолета АН - 140 с использованием программы Solid Works.

6. На основе разработанной методики получен новый композиционный материал на основе никеля с дисперсной фазой фуллерена С60 путем электролитического осаждения. Проведены исследования состава, структуры и твердости полученного материала. Было выявлено, что встраиваясь в структуру электролитического никеля, фуллерен С60 способствует повышению твердости на 13-17 % и износостойкости в 1,5 раза полученного композиционного материала «Никель + фуллерен С60» в сравнении с электролитическим никелем без дисперсной фазы.

7. Полученные результаты используются для проведения опытно-конструкторских и опытно-технологических работ, направленных на создание и освоение технологии изготовления наноструктурированных износостойких сложнопрофилированных изделий из никеля на основе базовой технологии электролитического формования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Публикации в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК

1. Парфенова Л.И. Седиментационная устойчивость частиц фуллерена С60 в сульфаматном электролите никелирования / Л.И. Парфенова, А.А. Коноплева, А.А. Князев, И.М. Закиров, Ю.Г. Галяметдинов // Журнал «Известия вузов. Авиационная техника», 2011. №1. С.68-70.

2. Парфенова Л.И. Равномерность распределения металла и тока в процессе электролитического формования деталей сложной формы / Л.И. Парфенова, И.М. Закиров // Научный журнал «Вестник КНИТУ-КАИ», 2011. №4. С.35-38.

Другие публикации

3. Закиров Р.М. Стабилизация параметров сложнопрофилированных никелевых противоабразивных накладок лопастей воздушных винтов летательных аппаратов / Р.М.Закиров, Л.И. Парфенова // Материалы Итог. Всерос. научно-практич. конф. «Ползуновские гранты», ГОУ ВПО АлтГТУ, 2007. С.101-107.

4. Закиров Р.М. Изготовление сложнопрофилированных деталей повышенной износостойкости методом электролитического формования / Р.М. Закиров, Л.И. Парфенова // Вестник Национального технического университета «ХПИ». 2008. №32. С. 119-123.

5. Парфенова Л.И. Совершенствование технологии электролитического формования сложнопрофилированных деталей повышенной износостойкости из никеля / Л.И.Парфенова, Р.М. Закиров, П.П. Баскевич // Инновационные технологии в проектировании и производстве изделий машиностроения: Материалы III Межд. Научно-практич. конф. Казань, 2008. С126-130.

6. Закиров И.М. Влияние ПАВ на степень ультразвукового диспергирования углеродных нанотрубок в аппретирующем составе / И.М. Закиров, Л.И. Парфенова, Л.А. Богданова, Ю.Г. Галяметдинов // Нанотехнологии в промышленности: Материалы XI Межд. научно-практич. конф. Казань, 2011. С. 143-146.

7. Парфенова Л.И. Повышение качества сложнопрофилированных деталей, изготавливаемых электролитическим формованием, путем контроля и управления технологическими параметрами процесса // Технология 2011: Сборник тезисов XII Межд. конф. Братислава, 2011.

8. Парфенова Л.И. Кинетические закономерности введения наномодификатора фуллерена С60 в композитное электрохимическое покрытие / Л.И. Парфенова, И.М. Закиров, А.А. Коноплева, А.А. Князев, Ю.Г. Галяметдинов // Сборник аннотаций. Научная сессия. , 2-5 февраля 2011, Казань, 2011. С.12.

Размещено на Allbest.ru