СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ПОКРЫТИЯ В ХОДЕ ПРОЦЕССА ПЛАЗМЕННО-ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ОКСИДИРОВАНИЯ Российский патент 2015 года по МПК G01B7/06 

Изобретение относится к области электрохимической обработки, в частности, к плазменно-электролитическому оксидированию и может быть использовано для определения толщины покрытия в ходе процесса плазменно-электролитического оксидирования вентильных металлов, например, алюминия, титана, магния, циркония и сплавов на их основе.

Известен способ определения толщины оксидного покрытия в ходе процесса на подложках в процессе осаждения, заключающийся в том, что строят анодную поляризационную кривую контролируемой структуры в электролите при заданной скорости увеличения потенциала подложки, находят пороговое напряжение, соответствующее началу линейного участка на указанной кривой, по которому определяют толщину слоя, а построение анодной поляризационной кривой проводят при скорости увеличения потенциала подложки от 0,2 до 12 В/с в электролите с электропроводностью от 50 до 400 мкСм/см [Патент РФ №1487619, кл. G01B 7/04. Публ. 10.06.2001].

Недостатком данного способа является невысокая точность определения толщины покрытия, так как в процессе плазменно-электролитического оксидирования наклон линейного участка анодной поляризационной кривой достаточно мал. Поэтому при определении толщины покрытия возможна существенная погрешность за счет разброса технологических параметров, приводящая к передержке, возможному разрушению сформированного покрытия дуговыми разрядами и неоправданному повышению потребления электроэнергии.

Известен способ определения толщины покрытия в ходе процесса плазменно-электролитического оксидирования, заключающийся в том, что в ходе процесса измеряют напряжения обработки U_ф, выше некоторого критического значения U_кр, при котором на обрабатываемом образце начинают протекать микроплазменные процессы, а толщину покрытия h определяют по формуле:

$$h=h_{кр}\cdot \exp [k\cdot [(U_{\phi }-U_{кр})]$$

где h_кр - толщина покрытия в начале стадии искрения;

k - эмпирический коэффициент, зависящий от природы электролита;

U_ф - напряжение обработки;

U_кр - напряжение возникновения искровых разрядов.

[Формирование покрытий на вентильных металлах и сплавах в электролитах с емкостным регулированием энергии при микродуговом оксидировании / П.С. Гордиенко, О.С. Василенко, Е.С. Панин и др. // Защита металлов, 2006, т.42, №5, с.500-505].

Недостатком данного способа является невысокая точность определения толщины покрытия при плазменно-электролитическом оксидировании, так как напряжение возникновения микроплазменных процессов может варьироваться в широком диапазоне значений в зависимости от условий обработки и типа сплава. Кроме того, существенные различия в наклоне линейных участков формовочной кривой напряжения и кривой роста толщины покрытия увеличивают погрешность определения толщины покрытия в начале оксидирования.

Известен способ определения момента окончания процесса плазменно-электролитического оксидирования на основе определения толщины покрытия по величине сдвига фаз, заключающийся в том, что измеряют переменную составляющую тока и анализируют ее изменение во времени, измеряют и анализируют переменную составляющую напряжения, которая периодически или постоянно изменяется с частотой 200-20000 Гц. При этом переменные составляющие тока и напряжения поступают на полосовые фильтры с граничными частотами 200-18000 и 500-20000 Гц, после которых измеряют сдвиг фаз между отфильтрованными сигналами тока и напряжения. Момент окончания процесса определяется по достижении значения сдвига фаз 20-80 градусов [Патент РФ №2366765, кл. C25D 11/00. Публ. 10.09.2009].

Недостатком данного способа является сложность его практической реализации, которая заключается в необходимости использования дополнительных модуляторов частоты, частотной фильтрации сигналов тока и напряжения, а также использования фазометров для измерения угла сдвига фаз между отфильтрованными сигналами тока и напряжения.

Наиболее близким по технической сущности является способ определения толщины покрытия в ходе процесса плазменно-электролитического оксидирования, заключающийся в измерении и анализе изменения во времени анодного импульсного поляризационного напряжения U_П и активной составляющей тока I_A. Определение толщины покрытия осуществляется на основании решения системы аналитических уравнений, связывающих электрические параметры процесса и параметры покрытия:

$$R_A=\frac{U_{П}}{I_A}$$

$$R_A={\rho }_{эл}\cdot \frac{h}{П}$$

$$I_A=k\cdot \frac{П}{h}$$

где R_A - активное сопротивление покрытия;

П - пористость покрытия;

ρ_эл - удельное сопротивление электролита;

k - коэффициент корреляции, зависящий от состава электролита.

[Исследование циклических вольтамперных характеристик в процессе микроплазменного формирования биокерамических покрытий на титане и его сплавах в щелочных электролитах / В.А. Мамаева, А.И. Мамаев, В.Н. Бориков // Физика и химия обработки материалов, 2005, №3, с.48-53].

Недостаток данного способа заключается в необходимости определения пористости покрытия в процессе плазменно-электролитического оксидирования, так как измерение пористости покрытия в ходе процесса возможно только косвенными методами, имеющими невысокую точность. Кроме того, выделение из мгновенного значения тока величины активной составляющей требует применения электрических преобразователей, что приводит к усложнению аппаратной реализации способа.

Задачей, решаемой заявляемым изобретением, является снижение энергопотребления при плазменно-электролитическом оксидировании вследствие исключения передержки за счет своевременного отключения технологического источника тока при достижении заданной толщины покрытия.

Технический результат изобретения заключается в повышении точности определения толщины покрытия в ходе процесса плазменно-электролитического оксидирования за счет использования закономерности изменения формы характерного участка импульса поляризационного напряжения от толщины покрытия.

Способ определения толщины покрытия в ходе процесса плазменно-электролитического оксидирования, включающий измерение амплитуды анодного импульсного поляризационного напряжения U_П, согласно изобретению определяется длительность τ спада напряжения до порогового значения U₁=(0,2…0,8)·U_П, а толщина покрытия рассчитывается по формуле:

h=k₁+k₂·τ,

где k₁ и k₂ - эмпирические коэффициенты, зависящие от природы обрабатываемого материала и состава электролита, определяемые по тарировочным кривым;

τ - длительность спада поляризационного напряжения U_П до порогового значения U₁.

Существо способа поясняется чертежами. На Фиг.1 показан типичный вид импульса анодного поляризационного напряжения при плазменно-электролитическом оксидировании, имеющий характерный экспоненциальный спад при отключении электролизера от источника во время паузы между прямоугольными импульсами тока. Оксидное покрытие, сформированное плазменно-электролитическим методом, обладает активным сопротивлением R_A и емкостью C, которые определяются его толщиной, изменяющейся в ходе процесса. Импульс анодного поляризационного напряжения заряжает емкость покрытия C до величины U_П, а после отключения тока начинается переходной процесс разряда емкости покрытия C через активное сопротивление покрытия R_A, приводящий к спаду напряжения по экспоненциальному закону. Длительность переходного процесса пропорциональна произведению величин R_A и C, которое определяется толщиной покрытия h.

На Фиг.2 показаны примеры зависимости толщины покрытия h от времени t в ходе плазменно-электролитического оксидировании алюминия в биполярном импульсном режиме при различных напряжениях: кривая 1 - анодное поляризационное напряжение U_П=590 В, катодное поляризационное напряжение U_Н=60 В; кривая 2 - анодное поляризационное напряжение U_П=550 В, катодное поляризационное напряжение U_Н=80 В. На Фиг.3 показан пример зависимости толщины покрытия от времени в ходе плазменно-электролитического оксидирования титана при анодном поляризационном напряжении U_П=480 В, катодном поляризационном напряжении U_Н=30 В.

На Фиг.4 и Фиг.5 представлены соответствующие зависимости длительности спада τ напряжения U_П до порогового значения U₁=0,37·U_П от времени t для алюминия и титана в процессе плазменно-электролитического оксидирования. Из Фиг.2 - Фиг.5 видно, что рост толщины покрытия сопровождается ростом длительности τ спада поляризационного напряжения U_П до порогового значения U₁. На Фиг.6 и Фиг.7 приведены примеры тарировочных кривых для алюминия и титана соответственно, построенных по зависимостям, приведенным на Фиг.2 и Фиг.4 (алюминий) и на Фиг.3 и Фиг.5. (титан), которые позволяют определить эмпирические коэффициенты k₁ и k₂.

Примеры конкретной реализации способа.

Пример 1

Образцы из алюминия обрабатывали методом плазменно-электролитического оксидирования в растворе, содержащем 1 г/л KOH, 2 г/л Na₄P₂O₇·10H₂O и 2 г/л Na₂SiO₃ при температуре 20°C в течение 5…60 минут в биполярном импульсном режиме при напряжении U_П=590 В, U_Н=60 В и при напряжении U_П=550 В, U_Н=80 В. Регистрировали осциллограммы анодного импульсного поляризационного напряжения U_П каждые 5 минут и определяли по ним длительность τ спада напряжения до порогового значения U₁=0,37·U_П, а толщину покрытия h рассчитывали по формуле

h=k₁+k₂·τ,

где k₁=-4,16±0,2 мкм;

k₂=0,085±0,001 м·с^-1.

После обработки толщину покрытия на образцах также измеряли вихретоковым толщиномером. Результаты приведены в таблице 1.

Пример 2

Образцы из титана обрабатывали методом плазменно-электролитического оксидирования в коммерческом щелочном растворе при температуре 20°C в течение 1…5 минут в биполярном импульсном режиме при напряжении U_П=480 В, U_Н=30 В. Регистрировали осциллограммы анодного импульсного поляризационного напряжения U_П каждую 1 минуту и определяли по ним длительность τ спада напряжения до порогового значения U₁=0,37·U_П, а толщину покрытия h рассчитывали по формуле

h=k₁+k₂·τ,

где k₁=12,291±0,2 мкм;

k₂=0,03±0,01 м·с^-1.

После обработки толщину покрытия на образцах также измеряли вихретоковым толщиномером. Результаты приведены в таблице 2.

Анализ таблиц 1 и 2 показывает, что толщина покрытия, определенная в ходе процесса плазменно-электролитического оксидирования с помощью заявляемого способа, в пределах погрешности совпадает с толщиной, определенной с помощью независимых измерений после обработки. Например, при плазменно-электролитическом оксидировании алюминия при U_П=590 В, U_Н=60 В после 40 минут обработки (см. таблицу 1) толщина покрытия, определенная в соответствии с заявляемым способом, 42,2±3,2 мкм в пределах погрешности совпадает с толщиной покрытия, измеренной вихретоковым толщиномером, 43,9±3,3 мкм. При плазменно-электролитическом оксидировании титана при U_П=480 В, U_Н=30 В после 5 минут обработки (см. таблицу 2) толщина покрытия, определенная в соответствии с заявляемым способом, 22,3±1,7 мкм в пределах погрешности совпадает с толщиной покрытия, измеренной вихретоковым толщиномером, 22,1±1,7 мкм. Способ работоспособен в широком диапазоне условий обработки для различных металлов, оксидируемых плазменно-электролитическим методом.

Таким образом, заявляемое изобретение имеет простое техническое исполнение, позволяет определять толщину покрытия в ходе процесса плазменно-электролитического оксидирования, а также снижать энергоемкость процесса за счет исключения передержки.

Таблица 1 Время, мин Условия обработки:
U_П=590 В, U_Н=60 В Условия обработки:
U_П =550 B, U_Н=80 В Толщина покрытия на алюминии, измеренная вихретоковым толщиномером, мкм Толщина покрытия на алюминии, определенная в соответствии с заявляемым способом, мкм Толщина покрытия на алюминии, измеренная вихретоковым толщино-мером, мкм Толщина покрытия на алюминии, определенная в соответствии с заявляемым способом, мкм 5 13,6±1,8 16,7±1,6 9,8±1,7 12,7±1,5 10 24,3±2,9 29,6±2,5 17,4±1,3 19,2±1,7 15 30,1±2,3 33,1±2,5 23,2±1,7 25,3±2,0 20 35,0±2,6 36,2±2,7 27,7±2,1 28,5±2,1 25 38,5±2,9 38,1±2,9 31,1±2,3 30,6±2,3 30 40,9±3,1 39,2±2,9 33,8±2,5 31,8±2,4 35 42,7±3,2 40,9±3,1 35,9±2,7 36,0±2,6 40 43,9±3,3 42,2±3,2 37,5±2,8 37,1±2,8 45 44,8±3,4 43,2±3,2 38,7±2,9 37,7±2,8 50 45,4±3,4 43,6±3,3 39,7±3,0 38,0±2,9 55 45,9±3,4 45,1±3,4 40,4±3,0 39,2±2,9 60 46,2±3,5 46,0±3,4 41,0±3,1 41,2±3,1

Таблица 2 Время, мин Толщина покрытия на титане, измеренная вихретоковым толщиномером, мкм Толщина покрытия на титане, определенная в соответствии с заявляемым способом, мкм 1 15,5±1,2 15,8±1,2 2 18,7±1,4 18,4±1,4 3 20,2±1,5 19,8±1,5 4 21,0±1,6 21,2±1,6 5 22,1±1,7 22,3±1,7

Использование: для определения толщины покрытия в ходе процесса плазменно-электролитического оксидирования. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют измерение амплитуды анодного импульсного поляризационного напряжения U_П, при этом определяют длительность τ спада напряжения до порогового значения U₁=(0,2…0,8)·U_П, а толщину покрытия рассчитывают по формуле:

h=k₁+k₂·τ,

где k₁ и k₂ - эмпирические коэффициенты, зависящие от природы обрабатываемого материала и состава электролита, определяемые по тарировочным кривым; τ - длительность спада поляризационного напряжения U_П до порогового значения U₁. Технический результат: повышение точности определения толщины покрытия в ходе процесса плазменно-электролитического оксидирования. 7 ил., 2 табл.

Способ определения толщины покрытия в ходе процесса плазменно-электролитического оксидирования, включающий измерение амплитуды анодного импульсного поляризационного напряжения U_П, отличающийся тем, что определяют длительность τ спада напряжения до порогового значения U₁=(0,2…0,8)·U_П, а толщину покрытия рассчитывают по формуле:
h=k₁+k₂·τ,
где k₁ и k₂ - эмпирические коэффициенты, зависящие от природы обрабатываемого материала и состава электролита, определяемые по тарировочным кривым;
τ - длительность спада поляризационного напряжения U_П до порогового значения U₁.