Исследование износостойкости композиционных покрытий, модифицированных частицами h-BN, на магниевом сплаве AZ31

Существенный недостаток сплавов на основе магния, широко применяемых в промышленности, — низкая износостойкость. В работе представлены результаты плазменно-электролитического оксидирования (ПЭО) для получения покрытий с большей износостойкостью на поверхности магниевого сплава AZ31. ПЭО проводили в водно-щелочном фосфатном электролите с добавлением порошка частиц гексагонального нитрида бора (h-BN). Метод ПЭО — один из наиболее перспективных для поверхностной обработки магниевых сплавов, так как оксидирование проводится в щелочных алюминатных, силикатных или фосфатных электролитах с различными функциональными добавками. Добавка нанокристаллического порошка гексагонального h-BN в виде суспензии в объем электролита не оказывает влияния на электрические параметры ПЭО, а частицы h-BN инкорпорируются в структуру формируемого композитного покрытия, повышая его износостойкость. Показано, что получаемые покрытия обладают типичным для ПЭО рельефом с развитой морфологией и пористостью, которые меняются в зависимости от времени оксидирования. При этом инкорпорирование частиц h-BN в покрытие происходит по инертному механизму, поскольку они не претерпевают химических превращений с образованием новых фаз. Композиционные покрытия, полученные на поверхности магниевого сплава AZ31 методом ПЭО, состоят из кристаллических фаз MgO и Mg3(PO4)2 независимо от добавления в электролит частиц h-BN. Износостойкость покрытий в сравнении с необработанным сплавом выше в 6 – 8 раз. Полученные результаты могут быть использованы при получении ПЭО-покрытий с повышенной износостойкостью и применении их в различных отраслях экономики.

1. Buling A., Zerrer J. Increasing the application fields of magnesium by ultraceramic: Corrosion / Surface and Coating Technology. 2019. Vol. 369. P. 142 – 155. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2019.04.025

2. Molaei M., Babaei K., Fattah-alhosseini A. Improving the wear resistance of plasma electrolytic oxidation (PEO) coatings applied on Mg and its alloys under the addition of nano- and micro-sized additives into the electrolytes: a review / Journal of Magnesium and Alloys. 2021. Vol. 9. P. 1164 – 1186. DOI: 10.1016/j.jma.2020.11.016

3. Kulekci M. K. Magnesium and its alloys applications in automotive industry / The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2008. Vol. 39. N 9 – 10. P. 851 – 865. DOI: 10.1007/s00170-007-1279-2

4. Meng L., Liu X., Liu L., et al. Comparative Investigation of the Corrosion Behavior and Biocompatibility of the Different Chemical Conversion Coatings on the Magnesium Alloy Surfaces / Metals. 2022. Vol. 12. P. 1644. DOI: 10.3390/met12101644

5. Chino Y., Yamamoto A., Iwasaki H., et al. Solid Recycling of an AZ31 Mg Alloy with a Vapor Deposition Coating Layer of High Purity Mg / Materials Transactions. 2003. Vol. 44. N 4. P. 578 – 582. DOI: 10.2320/matertrans.44.578

6. Singh B., Singh G., Sidhu B. Analysis of corrosion behaviour and surface properties of plasma-sprayed composite coating of hydroxyapatite-tantalum on biodegradable Mg alloy ZK60 / Journal of Composite Materials. 2019. Vol. 53. N 19. P. 2661 – 2673. DOI: 10.1177/0021998319839127

7. Yakovleva N. M., Kokatev A. N., Oskin K. I., et al. Study of black protective-decorative nanocomposite anodic coatings on the surface of AMg5 aluminum alloy / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2023. Vol. 89. N 7. P. 34 – 44 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-7-34-44

8. Berezin E. K., Kornev A. B., Rodyushkin V. M. Ultrasonic diagnostics in the study of coatings applied by gas-flame spraying / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2023. Vol. 89. N 1. P. 28 – 34 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-1-28-34

9. Mahallawy N. A., Shoeib M. A., Abouelenain M. H. Z91 Magnesium Alloys: Anodizing of Using Environmental Friendly Electrolytes / Journal of Surface Engineered Materials and Advanced Technology. 2011. Vol. 1. N 2. P. 62 – 72. DOI: 10.4236/jsemat.2011.12010

10. Karpushenkov S. A., Kulak A. I., Shchukin G. L., et al. Microplasma Electrochemical Deposition of Aluminum Oxide-Polyethylene Composite Coatings on Iron Surface / Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces. 2010. Vol. 46. N 4. P. 463 – 468. DOI: 10.1134/S207020511004012X

11. Lu X., Blawert C., Scharnagl N., et al. Influence of incorporating Si3N4 particles into the oxide layer produced by plasma electrolytic oxidation on AM50 Mg alloy on coating morphology and corrosion properties / Journal of Magnesium and Alloys. 2013. Vol. 1. N 4. P. 267 – 274. DOI: 10.1016/j.jma.2013.11.001

12. Lugovskoy A., Zinigrad M., Kossenko A., et al. Production of ceramic layers on aluminum alloys by plasma electrolytic oxidation in alkaline silicate electrolytes / Applied Surface Science. 2013. Vol. 264. P. 743 – 747. DOI: 10.1016/j.apsusc.2012.10.114

13. Rakoch A. G., Monakhova E. P., Khabibullina Z. V., et al. Plasma electrolytic oxidation of AZ31 and AZ91 magnesium alloys: Comparison of coatings formation mechanism / Journal of Magnesium and Alloys. 2020. Vol. 8. P. 587 – 600. DOI: 10.1016/j.jma.2020.06.002

14. Hadzima B., Kajanek D., Jambor M., et al. PEO of AZ31 Mg Alloy: Effect of Electrolyte Phosphate Content and Current Density / Metals. 2020. Vol. 10. P. 1521. DOI: 103390/met10111521

15. Yerokhin A., Nie X., Leyland A., et al. Plasma electrolysis for surface engineering / Surface and Coating Technology. 1999. Vol. 122. P. 73 – 93. DOI: 10.1016/j.surfcoat.S0257-8972(99)00441-7

16. Lu X., Blawert C., Huang Y., et al. Plasma electrolytic oxidation coatings on Mg alloy with addition of SiO2 particles / Electrochimica Acta. 2016. Vol. 187. P. 20 – 33. DOI: 101016/electacta.2015.11.033

17. Lu X., Blawert C., Zheludkevich M., et al. Insights into plasma electrolytic oxidation treatment with particle addition / Corrosion Science. 2015. Vol. 101. P. 201 – 207. DOI: 10.1016/j.corsci.2015.09.016

18. Sun X., Zhang J., Pan W., et al. A review on the preparation and application of BN composite coatings / Ceramics International. 2023. Vol. 49. P. 24 – 39. DOI: 10.1016/j.ceramint.2022.10.259

19. Ao N., Liu D., Wang S., et al. Microstructure and Tribological Behavior of a TiO2/hBN Composite Ceramic Coating Formed via Micro-Arc Oxidation of Ti-6Al-4V Alloy / Journal of Materials Science and Technology. 2016. Vol. 32. N 10. P. 1071 – 1076. DOI: 10.1016/j.jmst.2016.06.015

20. Serdechnova M., Karpushenkov S., Karpushenkava L., et al. The Influence of PSA Pre-Anodization of AA2024 on PEO Coating Formation: Composition, Microstructure, Corrosion, and Wear Behaviors / Materials. 2018. Vol. 11. P. 2428. DOI: 10.3390/ma11122428