ВВЕДЕНИЕ

Одним из наиболее перспективных методов формирования защитных керамикоподобных покрытий на изделиях из вентильных металлов и их сплавов является плазменно-электролитическая обработка или, иначе, микродуговое оксидирование (МДО). В монографиях [1–3] подробно рассмотрены вопросы теории, технологии и оборудования для плазменно-электролитического модифицирования поверхности металлов и сплавов методом микродугового оксидирования. МДО позволяет формировать на поверхности алюминия и его сплавов не только износостойкие, коррозионно-защитные, но и терморегулирующие покрытия (ТРП) для космических аппаратов. Такие ТРП применяют для термостабилизации рабочих режимов блоков бортовой аппаратуры и узлов космических и летательных аппаратов, на поверхность которых воздействует электромагнитное излучение Солнца. Данные покрытия также позволяют перераспределять тепло внутри приборов, отводя и переизлучая его от наиболее теплонагруженных участков. Коэффициенты поглощения солнечного излучения и теплового излучения терморегулирующих материалов покрытий являются основными терморадиационными характеристиками для расчета теплового режима космических аппаратов [4].

Для космического приборостроения в большинстве своем используют терморегулирующие покрытия на полимерной основе из полиамида или политетрафторэтилена [5, 6]. Однако в настоящее время в основном стали применять специальные лакокрасочные ТРП (эмали) серии ЭКОМ [7]. Но покрытия эти имеют ряд недостатков, таких как невысокая адгезия и значительное ухудшение термооптических характеристик при длительной эксплуатации в открытом космическом пространстве из-за радиационного облучения и воздействия химически активного атомарного кислорода на низких околоземных орбитах [8–10].

В последние годы появилось значительное количество научных публикаций, посвященных получению, исследованию характеристик и применению ТРП, формируемых плазменно-электролитическим методом МДО [11–17]. Так, в работе [17] были исследованы структура, состав, оптические характеристики и стойкость к воздействию потока атомарного кислорода белых и черных терморегулирующих покрытий, сформированных на алюминиевом сплаве АМг3. Было установлено, что воздействие потока атомарного кислорода на исследуемые покрытия приводит к незначительной, по сравнению с другими материалами, эрозии их поверхности. Рассчитанные после измерений коэффициента отражения коэффициенты поглощения солнечного излучения α_s и теплового излучения ε составили: α_s = 0.28 и ε = 0.93 – для белых ТРП; α_s = 0.95 и ε = 0.88 – для черных ТРП. Также были запатентованы способы получения терморегулирующих МДО-покрытий на изделиях из алюминия и алюминиевых сплавов, предназначенных для применения в космической отрасли [18, 19].

Характеристики МДО-покрытий зависят от природы обрабатываемого субстрата – подложки, состава и температуры электролита, типа и электрических параметров (плотность тока и др.) режима, а также продолжительности процесса МДО [1–3].

В настоящей работе экспериментально изучено влияние продолжительности процесса МДО на толщину, шероховатость поверхности и оптические характеристики (коэффициенты поглощения солнечного излучения α_s и теплового излучения ε) терморегулирующих белых и черных покрытий, сформированных на алюминиевом сплаве АМг6 и проведен сравнительный анализ с оптическими характеристиками ТРП на алюминиевом сплаве АМг3.

ЭКСПЕРИМЕНТ

Объектами исследования служили прямоугольные пластинки размером 40 × 40 мм, толщиной 2 мм из алюминиевого сплава АМг6 (5.8–6.8% Mg; 0.5–0.8% Mn, остальное Al) с белыми и черными терморегулирующими покрытиями, сформированными методом МДО.

МДО-обработку проводили в анодно-катодном режиме (50 Гц) при равенстве анодного и катодного токов и их суммарной плотности 10 А/дм² на экспериментальном оборудовании МАИ [3]. МДО-покрытия класса “солнечный отражатель” белого цвета формировали при комнатной температуре в силикатно-щелочном электролите, содержащем 2 г/л гидроксида калия и 6 мл/л жидкого стекла натриевого. При формировании покрытий класса “истинный поглотитель” черного цвета использовали электролит, содержащий 5 г/л гидроксида натрия, 20 мл/л жидкого стекла натриевого и 5 г/л ванадата аммония. Диапазон варьирования продолжительности МДО-обработки при формировании белых ТРП составлял 60–135 мин, а при формировании черных покрытий 15–45 мин.

Морфологию поверхности МДО-покрытий исследовали с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ) JEOL серии JSM-6010. Толщину МДО-покрытий измеряли вихретоковым толщиномером ВТ-201, а шероховатость – с помощью профилометра Taylor Hobson.

Коэффициенты поглощения солнечного излучения α_s и теплового излучения ε были рассчитаны, согласно [4], после измерений коэффициента отражения на рефлектометрах солнечном “РС-К” [20] и инфракрасном “РИ-К” [21], соответственно. Согласно рекомендациям [4], измерения проводили при температуре 25 ± 5°С.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 представлены РЭМ-изображения поверхности белых покрытий, сформированных при различной продолжительности МДО-обработки. При относительно монотонном росте толщины покрытий со средней скоростью ~0.6 мкм/мин (рис. 2а) на зависимости их шероховатости от продолжительности процесса МДО имеется явный минимум (рис. 2б), который коррелирует с морфологией поверхности покрытия, сформированного в течение 90 мин (рис. 1б). По-видимому, сначала в процессе оксидирования растущее покрытие в какой-то степени нивелирует исходную шероховатость металлической подложки, а затем при формировании пористого наружного технологического слоя МДО-покрытия [1] шероховатость вновь возрастает (рис. 1в).

Коэффициент поглощения солнечного излучения α_s относительно монотонно уменьшается при увеличении продолжительности обработки (рис. 3а) с ростом толщины белых МДО-покрытий (рис. 2а). Это может объясняться тем, что в наружном технологическом слое покрытия, который начинает формироваться и растет в силикатно-щелочных электролитах на поздних стадиях процесса МДО-обработки, содержится значительное количество диоксида кремния SiO₂ в виде кристаллических фаз α-кварца и α-кристобалита [2], которые эффективно отражают солнечные лучи.

На зависимости коэффициента теплового излучения ε от продолжительности МДО-обработки имеется явный максимум (рис. 3б), который коррелирует с минимумом шероховатости на аналогичной зависимости (рис. 2б). Видно, что они имеют фактически противоположный характер. Таким образом, можно констатировать, что для белых ТРП снижение шероховатости покрытия сопровождается ростом коэффициента теплового излучения.

На рис. 4 представлены РЭМ-изображения поверхности черных ТРП, сформированных при различной продолжительности МДО-обработки. При монотонном росте толщины покрытий со средней скоростью ~1.5 мкм/мин (рис. 5а) шероховатость при продолжительности процесса МДО до 25 мин растет с последующим выходом на плато при увеличении времени МДО (рис. 5б). Это в целом коррелирует с морфологией поверхности МДО-покрытий, представленных на рис. 4.

Как и для белых МДО-покрытий, для черных ТРП коэффициент поглощения солнечного излучения α_s уменьшается при увеличении продолжительности обработки (рис. 6а) с ростом толщины покрытий (рис. 5а).

В отличие от белых ТРП шероховатость черных МДО-покрытий никак не коррелирует с коэффициентом теплового излучения ε (рис. 5б, 6б). По-видимому, здесь главную роль играет степень черноты покрытия, которая зависит от содержания в нем оксида ванадия V₂O₅, образующегося при термолизе в микродуговых разрядах ванадата аммония, содержащегося в электролите. Присутствие ванадия в черном ТРП было подтверждено методом рентгеноспектрального локального анализа ранее [17].

В табл. 1 представлены сравнительные оптические характеристики белых и черных ТРП, сформированных методом МДО, и лакокрасочных терморегулирующих покрытий (эмалей) серии ЭКОМ [7]. Видно, что белые МДО-покрытия, сформированные на алюминиевом сплаве АМг6 при продолжительности процесса МДО от 60 до 135 мин, не удовлетворяют требованиям к оптическим характеристикам ТРП, применимым в космической отрасли, по значениям коэффициента поглощения солнечного излучения α_s: 0.51–0.54 (рис. 3) при требованиях α_s ≤ 0.30 [7]. В то же время белые ТРП, сформированные на алюминиевом сплаве АМг3, согласно [17], имеют α_s = 0.28.

Различие в толщинах белых МДО-покрытий на сплавах АМг6 (35–85 мкм) и АМг3 (150 мкм при α_s = 0.28 [17]) не позволяет объяснить данный феномен. При увеличении толщины белого МДО-покрытия на сплаве АМг6 с 35 до 85 мкм коэффициент поглощения солнечного излучения α_s уменьшается с 0.53 до 0.5 (рис. 2а, 3а). Аппроксимация показывает, что дальнейшее увеличение толщины до 150 мкм приведет к уменьшению α_s только до 0.45–0.46, что также не удовлетворяет требованиям [7].

Полученные результаты могут быть связаны с тем, что в алюминиевых сплавах системы Al–Mg, содержащих более 1–2% Mg, присутствуют эвтектические включения интерметаллидной β-фазы Al₃Mg₂ в α-твердом растворе магния в алюминии [22]. Следует отметить, что в сплаве АМг6 включений примерно в три раза больше, чем в сплаве АМг3 (~15% против ~5%). После МДО этих сплавов в силикатно-щелочном электролите интерметаллидные включения должны присутствовать в МДО-покрытиях примерно в тех же пропорциях в виде оксидных соединений типа шпинели MgAl₂O₄, форстерита Mg₂SiO₄ и энстатита MgSiO₃ [3], которые будут придавать серый оттенок белым покрытиям, увеличивая их коэффициенты поглощения солнечного излучения α_s и теплового излучения ε.

Черные МДО-покрытия, сформированные на алюминиевом сплаве АМг6 при продолжительности оксидирования 25 мин, удовлетворяют требованиям как по α_s = 0.95, так и по коэффициенту теплового излучения ε = 0.93 (рис. 6) при требованиях α_s ≥ 0.95 и ε ≥ 0.92 [7], в то время как ТРП, сформированные на алюминиевом сплаве АМг3, согласно [17], имеют неудовлетворительный ε = = 0.88.

Таким образом, исходя из требований к оптическим характеристикам ТРП, предназначенных для использования в космических аппаратах, белые МДО-покрытия класса “солнечный отражатель” лучше формировать на алюминиевом сплаве АМг3 [17], а черные класса “истинный поглотитель” – на алюминиевом сплаве АМг6 при продолжительности оксидирования 25 мин.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Экспериментально изучено влияние продолжительности процесса МДО на толщину, шероховатость и оптические характеристики (коэффициенты поглощения солнечного излучения α_s и теплового излучения ε) терморегулирующих белых и черных покрытий, предназначенных для использования в космической отрасли, сформированных на алюминиевом сплаве АМг6.

Найдено, что коэффициент поглощения солнечного излучения α_s уменьшается с ростом толщины покрытий при увеличении продолжительности МДО-обработки. Это связано с тем, что в наружном технологическом слое покрытия содержится значительное количество диоксида кремния SiO₂ в виде кристаллических фаз α-кварца и α-кристобалита, которые эффективно отражают солнечные лучи.

Для белых МДО-покрытий снижение их шероховатости сопровождается ростом коэффициента теплового излучения ε. Для черных ТРП главную роль играет степень черноты покрытия, которая зависит от содержания в нем оксида ванадия V₂O₅, образующегося при термолизе в микродуговых разрядах ванадата аммония, содержащегося в электролите.

Сравнительный анализ МДО-покрытий на различных алюминиевых сплавах показал, что, исходя из требований к оптическим характеристикам ТРП, белые покрытия класса “солнечный отражатель” лучше формировать на алюминиевом сплаве АМг3, а черные покрытия класса “истинный поглотитель” – на сплаве АМг6 при продолжительности оксидирования 25 мин. Полученные экспериментальные данные могут служить основой для разработки базовой технологии формирования терморегулирующих покрытий космического назначения на изделиях из алюминиевых сплавов.