zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2023-89-7-34-44zldm-1974Research ArticleИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ. ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И КОНТРОЛЯTESTING OF STRUCTURE AND PARAMETERS. PHYSICAL METHODS OF TESTING AND QUALITY CONTROLИсследование защитно-декоративных нанокомпозитных анодных покрытий черного цвета на алюминиевом сплаве АМг5Study of black protective-decorative nanocomposite anodic coatings on the surface of AMg5 aluminum alloyЯковлеваН. М.YakovlevaN. M.

Наталья Михайловна Яковлева

185910, Республика Карелия, г. Петрозаводск, просп. Ленина, д. 33

Natalia M. Yakovleva

33, prosp. Lenina, Petrozavodsk, 185910

nmyakov@petrsu.ruКокатевА. Н.KokatevA. N.

Александр Николаевич Кокатев

185910, Республика Карелия, г. Петрозаводск, просп. Ленина, д. 33

Alexander N. Kokatev

33, prosp. Lenina, Petrozavodsk, 185910

ОськинК. И.OskinK. I.

Кирилл Игоревич Оськин

185910, Республика Карелия, г. Петрозаводск, просп. Ленина, д. 33

Kirill I. Oskin

33, prosp. Lenina, Petrozavodsk, 185910

СтепановаК. В.StepanovaK. V.

Кристина Вячеславовна Степанова

185910, Республика Карелия, г. Петрозаводск, просп. Ленина, д. 33

Kristina V. Stepanova

33, prosp. Lenina, Petrozavodsk, 185910

ШульгаА. М.ShulgaA. M.

Алиса Михайловна Шульга

185910, Республика Карелия, г. Петрозаводск, просп. Ленина, д. 33

Alisa M. Shulga

33, prosp. Lenina, Petrozavodsk, 185910

Петрозаводский государственный университетРоссияPetrozavodsk State UniversityRussian Federation2023260720238973444Copyright © Яковлева Н.М., Кокатев А.Н., Оськин К.И., Степанова К.В., Шульга А.М., 20232023Яковлева Н.М., Кокатев А.Н., Оськин К.И., Степанова К.В., Шульга А.М.Yakovleva N.M., Kokatev A.N., Oskin K.I., Stepanova K.V., Shulga A.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/1974

Широко используемое нанокомпозитное покрытие представляет собой пористый анодный оксид алюминия, окрашенный осажденными в поры частицами металлов или их соединений. Внедрение в поры рассеивающих свет частиц наноразмерного диаметра меняет оптические свойства анодного оксида, а иммобилизация наночастиц металла в порах обеспечивает их устойчивость к коррозии. В работе представлены результаты исследования защитно-декоративных покрытий черного цвета на поверхности алюминиевого сплава АМг5. Морфологию поверхности образцов анализировали с помощью атомной силовой микроскопии, электрофизические свойства – методом электрохимической импедансной спектроскопии. Выполнено изучение кинетики роста анодного покрытия, определены оптимальные условия формирования на поверхности сплава регулярно пористого оксидного покрытия толщиной 10 – 12 мкм с диаметром регулярных пор 15 ± 5 нм. Показано, что последующее электрохимическое окрашивание в течение 15 мин дает возможность получить черный цвет покрытий за счет осаждения в поры наночастиц Cu и/или CuO. Моделирование электрических эквивалентных схем позволило выделить и рассчитать электрические параметры, отвечающие различным слоям, выявить их закономерные изменения после окрашивания и гидротермальной обработки. Установлена высокая коррозионная стойкость электрохимически окрашенных анодированных образцов сплава, подвергнутых гидротермальной обработке. Полученные результаты могут быть использованы при применении защитно-декоративных анодных покрытий для изготовления, например, панелей солнечных батарей благодаря высокому поглощению и низкой отражательной способности черного покрытия.

A widely used nanocomposite coating is a porous anodic alumina colored by particles of metals or their compounds deposited into the pores. The insertion of light-scattering nanosized particles into the pores changes the optical properties of the anodic oxide, whereas the immobilization of metal nanoparticles in pores ensures their corrosion resistance. We present the results of studying black protective and decorative coatings on the surface of AMg5 aluminum alloy. The surface morphology of the samples was analyzed using atomic force microscopy, and the electrophysical properties were monitored by electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The growth kinetics of the anodic coating has been studied, and optimal conditions for the formation of a regularly porous oxide coating 10 – 12 μm thick with a regular pore diameter of 15 ± 5 nm on the alloy surface were determined. It is shown that subsequent electrochemical coloring for 15 min makes it possible to obtain a black color of the coatings due to the deposition of Cu and/or CuO nanoparticles into the pores. Simulation of electrical equivalent circuits makes it possible to separate and calculate the electrical parameters corresponding to different layers and elucidate their regular changes after coloring and hydrothermal treatment. The high corrosion resistance of electrochemically colored anodized alloy samples subjected to hydrothermal treatment has been revealed. The results obtained can be used in the application of protective and decorative anodic coatings for the manufacture, for example, of solar panels due to the high absorption and low reflectivity of black coatings.

анодирование алюминиевого сплавазащитно-декоративные покрытияатомная силовая микроскопияэлектрохимическая импедансная спектроскопияэлектрохимическое окрашиваниегидротермальная обработкаэквивалентная электрическая схемамоделированиеanodizing of aluminum alloyprotective and decorative coatingsatomic force microscopyelectrochemical impedance spectroscopyelectrochemical coloringhydrothermal processingequivalent electrical circuitmodelingРабота выполнена частично в рамках программы поддержки НИОКР студентов и аспирантов ПетрГУ, финансируемой Правительством Республики Корелия (соглашение КГРК-21/Н2-05 от 30.03.2022). Авторы выражают благодарность Е. А. Чупахиной за ценные консультации и участие в обсуждении.ReferencesПозняк А. А. Модифицированный анодный оксид алюминия и композитные материалы на его основе: монография. — Минск: ЦентрБГУ, 2007. — 251 с.Poznyak A. A. Anodic Alumina and Composite Materials Based on It: monograph. — Minsk: TsentrBGU, 2007. — 251 p. [in Russian].Яковлева Н. М., Кокатев А. Н., Чупахина Е. А. и др. Наноструктурирование поверхности металлов и сплавов. Ч. 1. Наноструктурированные анодно-оксидные пленки на Al и его сплавах / Конденсированные среды и межфазные границы. 2015. Т. 17. № 2. С. 137 – 152.Yakovleva N. M., Kokatev A. N., Chupakhina E. A., et al. Surface nanostructuring of metals and alloys. Part 1. Nanostructured anodic oxide films on Al and Al alloys / Kondens. Sredy Mezhfaz. Gran. 2015. Vol. 17. N 2. P. 137 – 152 [in Russian].Яковлева Н. М., Яковлев А. Н., Гафиятуллин М. М., Денисов А. И. Компьютерная диагностика мезоскопической структуры нанопористых оксидов алюминия / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2009. Т. 75. № 2. С. 21 – 26.Yakovleva N. M., Yakovlev A. N., Gafiyatullin M. M., Denisov A. I. Computer mesoscopic structure diagnostics of nanoporous aluminum oxides / Zavod. Lab. Diagn. Mater. 2009. Vol. 75. N 2. P. 21 – 26 [in Russian].Шизби П., Пиннер Р. Обработка поверхности и отделка алюминия / Пер. с англ. — М.: Алюсил МВиТ, 2011. — 1416 с.Shizbi P., Pinner R. The surface treatment and finishing of aluminium and its alloys. — Moscow: Alyusil MViT, 2011. — 1416 p. [in Russian].Францевич И. Н. Анодные окисные покрытия на легких сплавах. — Киев: Наукова думка, 1977. — 260 с.Frantsevich I. N. Anodic oxide coatings on lightweight alloys. — Kiev: Naukova dumka, 1977. — 260 p. [in Russian].Аверьянов Е. Е. Справочник по анодированию. — М.: Машиностроение, 1988. — 224 с.Averyanov E. E. Handbook of anodizing. — Moscow: Mashinostroenie, 1988. — 224 p. [in Russian].Tsangaraki-Kaplanoglou I., Theohari S., Dimogerontakis Th., et al. An investigation of electrolytic coloring process of anodized aluminum coatings / Surf. Coat. Technol. 2006. Vol. 201. P. 2749 – 2759. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2006.05.027Tsangaraki-Kaplanoglou I., Theohari S., Dimogerontakis Th., et al. An investigation of electrolytic coloring process of anodized aluminum coatings / Surf. Coat. Technol. 2006. Vol. 201. P. 2749 – 2759. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2006.05.027Shih H.-H., Huang Yu.-C. Study on the black electrolytic coloring of anodized aluminum in cupric sulfate / J. Mater. Process. Technol. 2008. Vol. 208. Issue 1 – 3. P. 24 – 28. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2007.12.119Shih H.-H., Huang Yu.-C. Study on the black electrolytic coloring of anodized aluminum in cupric sulfate / J. Mater. Process. Technol. 2008. Vol. 208. Issue 1 – 3. P. 24 – 28. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2007.12.119Girginov Ch., Kanazirski I., Dimitrov T., Todorov V. Electrolytic colouring of anodic alumina films in metal ions containing solution. Part 2. Electrolytic colouring in CuSO4 containing solution / J. Univ. Chem. Technol. Metall. 2012. Vol. 47. N 2. P. 193 – 196.Girginov Ch., Kanazirski I., Dimitrov T., Todorov V. Electrolytic colouring of anodic alumina films in metal ions containing solution. Part 2. Electrolytic colouring in CuSO4 containing solution / J. Univ. Chem. Technol. Metall. 2012. Vol. 47. N 2. P. 193 – 196.Shaffei M. F., Awad A. M., Hussein H. S., Mohammed M. S. Nano structured aluminum oxide black coating for solar panels: double anodization using much improved energy saving process / ARPN J. Eng. Appl. Sci. 2015. Vol. 10. N 18. P. 7983 – 7990.Shaffei M. F., Awad A. M., Hussein H. S., Mohammed M. S. Nano structured aluminum oxide black coating for solar panels: double anodization using much improved energy saving process / ARPN J. Eng. Appl. Sci. 2015. Vol. 10. N 18. P. 7983 – 7990.Shaffei M. F., Hussein H. S., Abouelata A. M., et al. Effect of sealing on characteristics of nano-porous aluminum oxide as black selective coatings / Cleaner Engineering and Technology. 2021. Vol. 4. P. 100156. DOI: 10.1016/j.clet.2021.100156Shaffei M. F., Hussein H. S., Abouelata A. M., et al. Effect of sealing on characteristics of nano-porous aluminum oxide as black selective coatings / Cleaner Engineering and Technology. 2021. Vol. 4. P. 100156. DOI: 10.1016/j.clet.2021.100156Girginov Ch., Kozhukharov S., Kiradzhiyska D., Mancheva R. Characterization of porous anodic alumina with AC-incorporated silver / Electrochim. Acta. 2018. Vol. 292. P. 614 – 627. DOI: 10.1016/j.electacta.2018.08.152Girginov Ch., Kozhukharov S., Kiradzhiyska D., Mancheva R. Characterization of porous anodic alumina with AC-incorporated silver / Electrochim. Acta. 2018. Vol. 292. P. 614 – 627. DOI: 10.1016/j.electacta.2018.08.152Kozhukharov S., Girginov Ch., Kiradzhiyska D., et al. Evaluation of the electrochemical performance of Ag containing AAO layers after extended exposure to a model corrosive medium / J. Electrochem. Sci. Eng. 2020. Vol. 10(4). P. 317 – 334. DOI: 10.5599/jese.820Kozhukharov S., Girginov Ch., Kiradzhiyska D., et al. Evaluation of the electrochemical performance of Ag containing AAO layers after extended exposure to a model corrosive medium / J. Electrochem. Sci. Eng. 2020. Vol. 10(4). P. 317 – 334. DOI: 10.5599/jese.820Gonzalez J., Lopez V., Otero E., Bautista A. Postsealing changes in porous aluminium oxide films obtained in sulfuric acid solutions / J. Electrochem. Soc. 2000. Vol. 147. N 3. P. 984 – 990. DOI: 10.1149/1.1393301Gonzalez J., Lopez V., Otero E., Bautista A. Postsealing changes in porous aluminium oxide films obtained in sulfuric acid solutions / J. Electrochem. Soc. 2000. Vol. 147. N 3. P. 984 – 990. DOI: 10.1149/1.1393301Ono S., Asoh H. Mechanism of hot water sealing of anodic films formed on aluminum / Corr. Sci. 2021. Vol. 181. P. 109221. DOI: 10.1016/j.corsci.2020. 109221Ono S., Asoh H. Mechanism of hot water sealing of anodic films formed on aluminum / Corr. Sci. 2021. Vol. 181. P. 109221. DOI: 10.1016/j.corsci.2020. 109221Гнеденков C. В., Синебрюхов С. Л., Сергиенко В. И. Композиционные многофункциональные покрытия на металлах и сплавах, формируемые плазменным электролитическим оксидированием. — Владивосток: Дальнаука, 2013. — 460 с.Gnedenkov C. V., Sinebryukhov S. L., Sergienko V. I. Composite multifunctional coatings formed on the metals and alloys by plasma electrolytic oxidation. — Vladivostok: Dalnauka, 2013. — 460 p. [in Russian].Семкина Е. В., Токарева И. А., Байрачный Б. И. Электрохимическая импедансная спектроскопия анодных оксидов алюминия и ниобия / Труды Одесского политехнического университета. 2013. Вып. 3(42). С. 216 – 220.Semkina E. V., Tokareva I. A., Bairachnyi B. I. Electrochemical impedance spectroscopy of anodic oxides of aluminum and niobium / Tr. Odes. Politekhn. Univ. 2013. Issue 3(42). P. 216 – 220 [in Russian].López V., Bartolomé M., Escudero E., et al. Comparison by SEM, TEM and EIS of Hydrothermally Sealed and Cold Sealed Aluminum Anodic Oxides / J. Electrochem. Soc. 2006. Vol. 153. N 3. P. B75 – B82. DOI: 10.1149/1.2163811López V., Bartolomé M., Escudero E., et al. Comparison by SEM, TEM and EIS of Hydrothermally Sealed and Cold Sealed Aluminum Anodic Oxides / J. Electrochem. Soc. 2006. Vol. 153. N 3. P. B75 – B82. DOI: 10.1149/1.2163811Franco M., Anoop S., Uma Rani R., Sharma A. Porous Layer Characterization of Anodized and Black-Anodized Aluminium by Electrochemical Studies / ISRN Corros. Vol. 2012. Art. ID 323676. P. 12. DOI: 10.5402/2012/323676Franco M., Anoop S., Uma Rani R., Sharma A. Porous Layer Characterization of Anodized and Black-Anodized Aluminium by Electrochemical Studies / ISRN Corros. Vol. 2012. Art. ID 323676. P. 12. DOI: 10.5402/2012/323676Girginov Ch., Kozhukharov S., Milanes M. Durability of anodic aluminum oxide (AAO) films formed on technically pure AA1050 alloy against corrosion / Bulg. Chem. Comm. 2018. Vol. 50. Issue A. P. 6 – 12.Girginov Ch., Kozhukharov S., Milanes M. Durability of anodic aluminum oxide (AAO) films formed on technically pure AA1050 alloy against corrosion / Bulg. Chem. Comm. 2018. Vol. 50. Issue A. P. 6 – 12.Boisier G., Pébère N., Druez C., et al. FESEM and EIS Study of Sealed AA2024 T3 Anodized in Sulfuric Acid Electrolytes: Influence of Tartaric Acid / J. Electrochem. Soc. 2008. Vol. 155. N 11. P. C521 – C529. DOI: 10.1149/1.2969277Boisier G., Pébère N., Druez C., et al. FESEM and EIS Study of Sealed AA2024 T3 Anodized in Sulfuric Acid Electrolytes: Influence of Tartaric Acid / J. Electrochem. Soc. 2008. Vol. 155. N 11. P. C521 – C529. DOI: 10.1149/1.2969277Оськин К. И., Яковлева Н. М., Чупахина Е. А. и др. Изучение окрашенных анодированных покрытий на алюминиевом сплаве методом электрохимической импедансной спектроскопии / Труды Кольского научного центра РАН. Химия и материаловедение. 2021. Т. 11. Вып. 5. ¹ 2. С. 197 – 204.Oskin K. I., Yakovleva N. M., Chupakhina E. A., et al. Study of coloured anodized coatings on aluminum alloy by electrochemical impedance spectroscopy / Tr. Kol. Nauch. Tsentra RAN. Khim. Materialoved. 2021. Vol. 11. Issue 5. N 2. P. 197 – 204 [in Russian].EIS Spectrum Analyzer Help / ABS ChemistRy. http://www.abc. chemistry.bsu.by/vi/analyser/help.html. (accessed 30.11.2022)EIS Spectrum Analyzer Help / ABS ChemistRy. http://www.abc. chemistry.bsu.by/vi/analyser/help.html. (accessed 30.11.2022)Модуль обработки изображений Image Analysis P9. Справочное руководство. — М., 2011. — 206 с.Module of image processing «Image Analysis P9». Reference Guide. — Moscow, 2011. — 206 p. [in Russian].Яковлева Н. М., Шульга А. М., Степанова К. В. и др. Микроконусные анодно-оксидные пленки на спеченных порошках ниобия / Конденсированные среды и межфазные границы. 2020. Т. 22(1). С. 124 – 134. DOI: 10.17308/kcmf.2020.22/2536Yakovleva N. M., Shulga A. M., Stepanova K. V., et al. Microcone anodic oxide films on sintered niobium powders / Kondens. Sredy Mezhfaz. Gran. 2020. Vol. 22(1). P. 124 – 134 [in Russian]. DOI: 10.17308/kcmf.2020.22/2536Marinello F., Pezzuolo A. Application of ISO 25178 standard for multiscale 3D parametric assessment of surface topographies / IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 2019. Vol. 275. P.012011. DOI: 10.1088/1755-1315/275/1/012011Marinello F., Pezzuolo A. Application of ISO 25178 standard for multiscale 3D parametric assessment of surface topographies / IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 2019. Vol. 275. P.012011. DOI: 10.1088/1755-1315/275/1/012011Одынец Л. Л., Орлов В. М. Анодные оксидные пленки. — Л.: Наука, 1990. — 200 с.Odynets L. L., Orlov V. M. Anodic oxide films. — Leningrad: Nauka, 1990. — 200 p. [in Russian].

The authors declare that there are no conflicts of interest present.