3. 1. Одержання алітованих шарів на титані та встановлення оптимальних умов електроосадження

Для одержання дифузійних алітованих шарів на основі алюмінідів титану застосовували метод без струмового перенесення. У якості насичуючого середовища нами був використаний сольова суміш наступного складу: KCl (55,15 мас. %) – LiCl (44,85 мас. %) та 10 мас. % AlF₃.

Електроди з’єднувалися за допомогою «зажимів». Катод і анод не торкалися між собою. При зануренні тільки електронегативного металу (Al) у розплавлену сіль, що містить його іони, встановлюється рівновага іонів різного ступеня окиснення:

(m – n) Al + n Al^m+ ↔ m Alⁿ⁺ (1)

Більш електропозитивний метал (Ті), занурений у даний розплав, взаємодіє з іонами нижчої валентності, утворюючи при цьому сплав:

m Alⁿ⁺ + x Ті ↔ n Al ^m+ + Al _(m-n)Ті_2x (сплав). (2)

Йони в окисненій формі Al за рахунок дифузії та конвекції досягають поверхні металу Ті та знову відновлюються до нижчої валентної форми [5].

Після електролізу на титановій пластинці ми спостерігали утворення темно-сірого покриття, яке виявилося досить міцним (не руйнувалося при механічній дії). Усі зразки після процесу алітування були промиті, просушені та зважені.

Схема установки для проведення електролізу представлена на рис. 2. 2. Для встановлення впливу параметрів процесу насичення, а особливо температури, дослідження проводили при різних температурах, в інтервалі (723 – 893)К.

Для одержання дифузійного алітованого шару з рівномірним фазовим складом, титанові пластинки попередньо покривали підшаром цинку (1-2 мкм) із електроліту на основі ZnSO₄, і=1 А/дм²; Т=22 ⁰С протягом 10 – 15 хв.

Параметри процесу і основні результати експерименту по одержанню дифузійного алітованого шару представлені в таблиці 3. 1. Експериментально встановлено, що при алітуванні відбуваються паралельно два процеси: часткове розчинення титану (хімічна корозія) в сольовому розплаві; осадження атомів алюмінію на поверхню титанового катоду з утворенням інтерметалічних сполук. При відносно високій температурі ≥ (840 – 850) К процес розчинення металу доволі відчутний, а при температурах нижче 730 К утворюються тонкі нерівномірні шари, тому оптимальною температурою процесу слід вважати (723 – 830) К, що значно нижче при застосуванні алітування в розплавленому алюмінії ( 950 К). Слід зазначити, що перед алітуванням титанові зразки покривали шаром цинку, який при температурі алітування знаходився в рідкому стані, тобто дифузія алюмінію відбувалася через рідкий прошарок, що забезпечувало утворення рівномірного шару на основі алюмінідів.

Таблиця 3. 1

Параметри процесу і результати експерименту

№	Час насич., годин	Підшар Zn	Т, К	Іпоч, А	Ісер, А	Ікін, А	Примітка
1	2	–	880	0,315	0,345	0,470	Покриття нерівномірне
2	3	+	883	0,309	0,340	0,468	Покриття нерівномірне
3	4	+	823	0,054	0,022	0,021	Темно-сіре, рівномірне покриття
4	3	+	800	0,055	0,023	0,022	Темно-сіре покриття з рівномірною структурою
5	3	+	730	0,350	0,235	0,320	Темно-сіре покриття з рівномірною структурою
6	1	+	703	0,02	0,008	0,011	Покриття нерівномірне
7	3	+	713	0,02	0,008	0,011	Покриття нерівномірне

Отже, при алітуванні в розплаві протікають такі процеси: перехід Zn із твердої фази в рідку і розчинення Zn в розплаві, а потім утворення інтерметалідів між титаном і алюмінієм за реакцією 2, у випадку утворення TiAl₃ цей процес буде мати вигляд: 3Al³⁺ + Ті + 9 e = TiAl₃.

При відносно високій температурі ( 850 -900 К) утворюються нерівномірні покриття внаслідок впливу процесу розчинення (корозії) титану в розплаві, при нижчій температурі ≤ 823 К на титановій підкладці утворюється доволі якісне покриття.

Для встановлення характеру процесу алітування, ми знімали залежності сили струму від часу алітування. Так, на рис. 3. 1 представлена залежність І від τ, знята при Т=823 ⁰К протягом 4 год., для фіксації цієї залежності використовували цифровий міліамперметр, типу В 7-32.

Рис. 3. 1. Графік залежності сили струму від часу алітування при 823 ⁰К

Розглядаючи дану залежність (рис. 3. 1) можемо зробити висновки про те, що процес алітування титану із розплаву з вмістом AlF₃ протікає поступово зі зменшенням сили струму з часом. Два плато (ВС і DE) на даному графіку свідчать про утворення інтерметалічних сполук складу Al₂Ti, Al₃Ti, як буде встановлено рентгенофазовим аналізом пізніше.

Насичення алюмінієм відбувалося внаслідок роботи гальванічного елементу (катод – титан, анод – алюміній) і за рахунок різниці рівноважних потенціалів алюмінію і титану. В процесі електровідновлення алюмінію і осадженню його на титані, потенціал титанового електроду змінюється і зміщується в більш електронегативну сторону, і за рахунок цього, різниця потенціалів катоду (титан) і аноду (алюміній) зменшується, тобто зменшується електрорушійна сила гальванічного елементу (ЕРС) і, відповідно, сила струму в ланцюзі також зменшується.

Цей процес ілюструється залежністю зміни сили струму гальванічного ланцюга від часу електролізу. Спочатку сила струму різко падає, потім цей процес уповільнюється (АВ) (утворюється твердий розчин (т. р.)) Al в Ti, потім знову знижується сила струму (ВС) і утворюється ймовірно тонкий шар інтерметаліду Al₂Ti. Після цього плато (DE), що свідчить про утворення відносно товстого шару інтерметаліду Al₃Ti.