Изготовление многофункциональных черных ПЭО-покрытий на AA7075 для применения на космических кораблях

Изготовление многофункциональных черных ПЭО-покрытий на AA7075 для применения на космических кораблях

Аннотация

Высокое излучающее черное покрытие с приемлемой коррозионной стойкостью и адгезионной прочностью является важным для большинства внутренних компонентов космического корабля. Таким образом, настоящее исследование было сосредоточено на изготовлении черного керамического композитного покрытия на AA7075 путем плазменного электролитического окисления с использованием трех различных окрашивающих добавок, а именно (NH4) 6Mo7O24, K2TiF6 и Na2WO4 в системе электролитов на основе силикатов и KOH. Морфология поверхности, микроструктура поперечного сечения, элементный состав и фазовый состав изготовленных черных покрытий были охарактеризованы с помощью SEM, EDS и XRD. Свойства термического контроля, коррозионные свойства и адгезионная прочность изготовленных покрытий также были оценены. Было обнаружено, что скорость осаждения покрытия увеличивается с введением добавок, и наибольшая толщина составляет 30 мкм для покрытия, полученного с добавкой K2TiF6. Элементный и фазовый анализ подтвердил включение частиц Mo, Ti и W в структуру покрытия. Исследование терморегулирующих свойств покрытий показало, что черное покрытие PEO, сформированное в электролите, содержащем K2TiF6, обладает более высокими значениями поглощения (0,9) и эмиттирования (0,79). Исследование электрохимической коррозии в 3,5% NaCl и испытание на коррозию в солевом тумане в 5% NaCl показали резкое повышение коррозионной стойкости с добавлением добавок. Результаты испытаний на царапину показали, что все покрытия ПЭО обладают хорошей адгезией к подложке, и, сравнивая критические нагрузки образцов, обработанных ПЭО, образцы, обработанные добавками, показали более высокие критические нагрузки из-за их более высокой толщины.

1. Введение

Высокопрочные алюминиевые сплавы широко используются в качестве конструкционных материалов для космических применений, чтобы уменьшить его конструкционный вес. Уменьшение веса конструкции приводит к увеличению полезной нагрузки космического корабля и / или увеличению массы топлива, что приводит к увеличению срока службы космического корабля [1,2]. Несмотря на то, что требуемые механические свойства достигаются путем добавления подходящего легирующего элемента, высокопрочные алюминиевые сплавы (серии 2xxx и 7xxx) в высокой степени подвержены локальной коррозии из-за присутствия частиц вторичной фазы (интерметаллидов) в его микроструктуре [3]. До запуска космические компоненты хранятся в течение длительного периода времени, и коррозионная стойкость важна, особенно там, где космические центры расположены на границе с морем. Более того, пилотируемые ракеты-носители часто подвергаются воздействию агрессивной среды во время ее возвращения на Землю после миссии. Следовательно, для космических компонентов требуется адекватная коррозионная стойкость [4]. Кроме того, компонент космического корабля также требует многофункциональных свойств, таких как радиационная защита и терморегуляция, с желаемыми значениями коэффициента поглощения и коэффициента излучения. Высокоэмиссионное черное коррозионно-стойкое покрытие является требованием для внутренних компонентов космического корабля, особенно в электронных корпусах для применений с терморегуляцией [5]. Традиционно хромовые конверсионные покрытия обычно использовались для обеспечения коррозионной стойкости и улучшения адгезии черной краски [6]. Из-за токсичности Cr + 6, альтернативные экологически чистые методы нанесения покрытий были тщательно исследованы. Черное анодное покрытие является одним из наиболее заметных методов модификации поверхности, определенных для пассивного теплового контроля спутников. Черное анодное покрытие может быть получено двумя отдельными процессами, включающими анодирование с последующим окрашиванием органическими или неорганическими красителями [7–9]. Однако черный цвет, полученный этим способом, является слабым и легко выцветает после длительного воздействия космической среды. В случае цельного черного процесса анодирования анодирование и окрашивание происходит одновременно за один этап [10]. Миера и соавт. [11] исследовали влияние частиц вторичной фазы при анодировании AA7075 и сообщили, что катионы металлов в частицах второй фазы растворяются в кислотном анодном электролите и образуют оксидное покрытие с очень плохой адгезией к металлу. Goueffon et al. [12] заявили, что черные анодированные высокопрочные алюминиевые сплавы (серии 2xxx и 7xxx) демонстрируют плохую адгезию и отслаивание покрытий. Shrestha et al. [13,14] изготовили черное покрытие PEO на высокопрочных алюминиевых сплавах (AA7075 и AA2219), которые обеспечивали лучшие термооптические свойства наряду с приемлемой коррозионной стойкостью. К сожалению, нехватка информации относительно систем электролита и параметров процесса препятствовала новым разработкам в этой области. Плазменное электролитическое окисление (ПЭО) представляет собой новую технологию обработки поверхности, которая включает окисление металлических подложек, таких как Al, Mg, Ti, Zr и его сплавов, в водном растворе электролита при напряжении выше напряжения пробоя диэлектрика ранее существовавшего оксида. слой [15–18]. Обработка ПЭО используется для изготовления толстого керамического покрытия с более высокой твердостью, износостойкостью, термостойкостью и коррозионной стойкостью [19–21]. Состав электролита и концентрация добавки играют жизненно важную роль при определении состава покрытия, толщины, износостойкости и коррозионной стойкости покрытий. Добавление различных добавок к базовому электролиту дает возможность образовывать их соответствующие оксиды в покрытии для развития многофункциональных свойств. Недавняя разработка терморегулирующего покрытия методом ПЭО привлекла большое внимание из-за его универсальности для включения желаемых соединений в составы покрытий для образования покрытий черного цвета на одной стадии самой обработки. Серо-черные ПЭО-покрытия на алюминиевых сплавах (AA2219 и AA7075) были тщательно изучены Европейским космическим агентством (ESA) в качестве терморегулирующих покрытий для применений материалов космических аппаратов [4]. Микрокалориметры с термоконтролем, покрытыми керонитовым ПЭО, теперь устанавливаются на летное оборудование Эксперимента по экспозиции и деградации материалов (MEDET), которое расположено на внешней установке полезной нагрузки Лаборатории Колумба Европейского космического агентства на Международной космической станции [4]. Большая часть опубликованной литературы посвящена пониманию роли концентрации электролита и параметров процесса в цвете покрытия и свойствах терморегуляции [22,23]. Ван и соавт. [24] и Yao et al. [25] изучали влияние различных составов электролитов на терморегулирующие свойства сплавов Mg и Ti с ПЭО-покрытием, в то время как коррозионная стойкость и адгезионная прочность покрытий в значительной степени игнорируются. Такенака и соавт. [26] сформировали черные анодные пленки на алюминии путем анодирования алюминиевых листов в электролите, содержащем сложные титановые частицы. Лукьянчук и соавт. [27] изготовили черный оксид на алюминиевом сплаве путем искрового анодирования вольфрамового электролита. Согласно патенту США №. 3639221 [28] было высказано предположение, что алюминий и алюминиевые сплавы могут быть окрашены в одно целое путем анодирования в водном электролите, содержащем молибдат или соль вольфрама. Подобно анодированию, предусматривается, что алюминий и алюминиевые сплавы могут быть окрашены в одно целое ПЭО с использованием солей титана или вольфрама или молибдата в водном электролите. Тем не менее, до настоящего времени не было проведено никакого центрального исследования, охватывающего влияние электролитического состава на свойства терморегуляции, коррозионную стойкость и адгезионную прочность высокопрочных алюминиевых сплавов с черным покрытием из ПЭО. В этой настоящей работе черные керамические покрытия с высоким коэффициентом поглощения и высоким коэффициентом излучения были изготовлены из сплава АА7075 путем обработки ПЭО с использованием трех различных видов электролитных добавок, а именно (NH4) 6Mo7O24, K2TiF6 и Na2WO4. Систематическое исследование было проведено для изучения влияния различных добавок электролита на механизм роста покрытия ПЭО, морфологию поверхности, элементный и фазовый состав покрытий, свойства терморегуляции, устойчивость к коррозии и устойчивость к царапинам покрытий. В дополнение к этому был проведен подробный анализ химического состава поверхности с использованием XPS для понимания механизма окрашивания.