Frontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & Technologies2782-40392782-6074Togliatti State University81710.18323/2782-4039-2023-1-7-21ArticlesСтатьиThe study of the influence of micro-arc oxidation modes on the morphology and parameters of an oxide coating on the D16AT aluminum alloyИсследование влияния режимов микродугового оксидирования на морфологию и параметры оксидного покрытия, наносимого на алюминиевый сплав Д16АТhttps://orcid.org/0000-0001-5762-7953BaoFengyuanБаоФэнюань
Russian Federation

junior researcher, research engineer

младший научный сотрудник, инженер-исследователь

bao5413@qq.comhttps://orcid.org/0000-0002-3910-9797BashkovOleg V.БашковОлег Викторович
Russian Federation

Doctor of Sciences (Engineering), Professor, Head of Chair “Materials Science and Technology of Advanced Materials”

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Материаловедение и технология новых материалов»

bashkov@knastu.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4150-7038ZhangDanЧжанДан
China

Doctor of Sciences (Engineering), Professor, Head of “Mechanical Engineering” Laboratory

доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией «Машиностроение»

hkdzhangdan@163.comLyuLanЛюйЛань
Russian Federation

graduate student

аспирант

lvlan1980@163.comhttps://orcid.org/0000-0001-7070-5821BashkovaTatiana I.БашковаТатьяна Игоревна
Russian Federation

PhD (Engineering), Associate Professor

кандидат технических наук, доцент

telem01@mail.ruKomsomolsk-na-Amure State University, Komsomolsk-on-AmurКомсомольский-на-Амуре государственный университет, Комсомольск-на-АмуреHeilongjiang University of Science and Technology, HarbinХэйлунцзянский университет науки и технологий, ХарбинKomsomolsk-na-Amure State University, Komsomolsk-on-Amur (Russia)Комсомольский-на-Амуре государственный университет, Комсомольск-на-Амуре (Россия)Heilongjiang University of Science and Technology, Harbin (China)Хэйлунцзянский университет науки и технологий, Харбин (Китай)3103202317213103202331032023https://vektornaukitech.ru/jour/article/view/817

An effective way to protect valve metals and their alloys is the micro-arc oxidation method (MAO), which is currently used in various industries. However, to achieve the desired characteristics and properties of oxide coatings, a large number of experiments are required to determine an optimal oxidation mode, which makes the MAO method labor-intensive and resource-consuming. One of the ways to solve this problem is the search for an informative parameter or several parameters, the use of which during the oxidation process monitoring allows identifying a relationship between the MAO modes and the specified characteristics of oxide coatings. This paper studies the influence of the specified technological MAO modes (current density, oxidation time, amplitude of acoustic emission (AE) signals recorded during MAO) on the morphology and parameters of oxide coatings (thickness δ and surface roughness Ra) deposited on the D16AT aluminum alloy clad with pure aluminum. Multivariate planning of an experiment and the performed regression analysis allowed establishing a relationship between two oxidation factors (current density and oxidation time) and the parameters of the produced coatings. The authors proposed an additional factor, which is determined in the monitoring mode during the oxidation process as the time from the moment when the maximum or minimum of the acoustic emission (AE) amplitude recorded in the MAO process is reached until the end of the oxidation process. The study established that the introduction of an additional factor allows increasing significantly the reliability of the dependence between the coating parameters obtained experimentally and by the computational method based on the regression analysis. The authors note that when performing MAO, with the additional use of the MAO process monitoring by recording the AE amplitude, it is possible to achieve a high reliability between the calculated and actual values of the parameters of oxide coatings.

Эффективным способом защиты вентильных металлов и их сплавов является метод микродугового оксидирования (МДО), в настоящее время применяемый в различных отраслях. Однако для достижения желаемых характеристик и свойств оксидных покрытий требуется большое число экспериментов по определению оптимального режима оксидирования, что делает метод МДО трудоемким и ресурсозатратным. Одним из путей решения данной проблемы является поиск информативного параметра или нескольких параметров, использование которых при мониторинге процесса оксидирования позволит установить связь между режимами МДО и заданными характеристиками оксидных покрытий. В работе изучено влияние заданных технологических режимов МДО (плотности тока, времени оксидирования, регистрируемой в процессе МДО амплитуды сигналов акустической эмиссии (АЭ)) на морфологию и параметры оксидных покрытий (толщину δ и шероховатость поверхности Ra), наносимых на алюминиевый сплав Д16АТ, плакированный чистым алюминием. Многофакторное планирование эксперимента и проведенный регрессионный анализ позволили установить связь между двумя факторами оксидирования (плотностью тока и временем оксидирования) и параметрами получаемых покрытий. Предложен дополнительный фактор, определяемый в режиме мониторинга в процессе оксидирования как время от момента достижения максимума или минимума регистрируемой в процессе МДО амплитуды АЭ до окончания процесса оксидирования. Установлено, что введение дополнительного фактора позволяет существенно повысить достоверность зависимости между параметрами покрытий, получаемыми экспериментально и расчетным методом на основе регрессионного анализа. Отмечено, что при выполнении МДО высокая достоверность между расчетными и фактическими значениями параметров оксидных покрытий может быть достигнута при дополнительном мониторинге процесса МДО путем регистрации амплитуды АЭ. 

micro-arc oxidationoxide coatingacoustic emissionmultivariate analysissurface morphologyaluminum alloyD16AT alloyvalve group alloyмикродуговое оксидированиеоксидное покрытиеакустическая эмиссиямногофакторный анализморфология поверхностиалюминиевый сплавД16АТсплавы вентильной группыThe work was supported by the Presidential grant for government support of leading scientific schools of the Russian Federation (project NSh-452.2022.4).Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ для государственной поддержки ведущих научных школ Российской Федерации (проект НШ-452.2022.4).Yerokhin A., Nie X., Leyland A., Matthews A., Dowey S. Plasma electrolysis for surface engineering. Surface and coatings technology, 1999, vol. 122, no. 2-3, pp. 73–93. DOI: 10.1016/S0257-8972(99)00441-7.Yerokhin A., Nie X., Leyland A., Matthews A., Dowey S. Plasma electrolysis for surface engineering // Surface and coatings technology. 1999. Vol. 122. № 2-3. P. 73–93. DOI: 10.1016/S0257-8972(99)00441-7.Pecherskaya E.A., Golubkov P.E., Karpanin O.V., Kozlov G.V., Zinchenko T.O., Smogunov V.V. The influence of technological parameters on the properties of coatings synthesized by microarc oxidation. Izmerenie. Monitoring. Upravlenie. Kontrol, 2020, no. 2, pp. 89–99. DOI: 10.21685/2307-5538-2020-2-11.Печерская Е.А., Голубков П.Е., Карпанин О.В., Козлов Г.В., Зинченко Т.О., Смогунов В.В. Влияние технологических параметров на свойства покрытий, синтезируемых методом микродугового оксидирования // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. 2020. № 2. С. 89–99. DOI: 10.21685/2307-5538-2020-2-11.Shi M., Li H. The mathematical mode of Ti alloy micro-arc oxidation process parameters and ceramic coating and experimental study. Journal of Yunnan University: Natural Sciences Edition, 2015, vol. 37, no. 1, pp. 102–110.Shi M., Li H. The mathematical mode of Ti alloy micro-arc oxidation process parameters and ceramic coating and experimental study // Journal of Yunnan University: Natural Sciences Edition. 2015. Vol. 37. № 1. P. 102–110.Chen H., Hao J., Feng Z. Micro-arc oxidation mechanism and electrical discharge model. Journal of Changan University (Natural Science Edition), 2008, vol. 28, pp. 116–119.Chen H., Hao J., Feng Z. Micro-arc oxidation mechanism and electrical discharge model // Journal of Changan University (Natural Science Edition). 2008. Vol. 28. P. 116–119.Golubkov P.E., Pecherskaya E.A., Artamonov D.V., Zinchenko T.O., Gerasimova Yu.E., Rozenberg N.V. Electrophysical model of micro-arc oxidation process. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Fizika, 2019, vol. 62, no. 11, pp. 166–171. DOI: 10.17223/00213411/62/11/166.Голубков П.Е., Печерская Е.А., Артамонов Д.В., Зинченко Т.О., Герасимова Ю.Е., Розенберг Н.В. Электрофизическая модель процесса микродугового оксидирования // Известия высших учебных заведений. Физика. 2019. Т. 62. № 11. С. 166–171. DOI: 10.17223/00213411/62/11/166.Dudareva N.Yu., Akhmedzyanov D.A. Tribological parameters of MAO-layers formed in silicate-alkaline electrolyte on samples of high-silicon aluminum alloy AK12. Vestnik Ufimskogo gosudarstvennogo aviatsionnogo tekhnicheskogo universiteta, 2018, vol. 22, no. 3, pp. 10–16. EDN: YAAWLJ.Дударева Н.Ю., Ахмедзянов Д.А. Трибологические параметры МДО-слоев, сформированных в силикатно-щелочном электролите на образцах из высококремниевого алюминиевого сплава АК12 // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. 2018. Т. 22. № 3. С. 10–16. EDN: YAAWLJ.Pecherskaya E.A., Golubkov P.E., Melnikov O.A., Karpanin O.V., Zinchenko T.O., Artamonov D.V. Intelligent Technology of Oxide Layer Formation by Micro-Arc Oxidation. IEEE Transactions on Plasma Science, 2021, vol. 49, no. 9, pp. 2613–2617. DOI: 10.1109/TPS.2021.3091830.Pecherskaya E.A., Golubkov P.E., Melnikov O.A., Karpanin O.V., Zinchenko T.O., Artamonov D.V. Intelligent Technology of Oxide Layer Formation by Micro-Arc Oxidation // IEEE Transactions on Plasma Science. 2021. Vol. 49. № 9. P. 2613–2617. DOI: 10.1109/TPS.2021.3091830.Jayaraj R.K., Malarvizhi S., Balasubramanian V. Optimizing the micro-arc oxidation (MAO) parameters to attain coatings with minimum porosity and maximum hardness on the friction stir welded AA6061 aluminium alloy welds. Defence technology, 2017, vol. 13, no. 2, pp. 111–117. DOI: 10.1016/j.dt.2017.03.003.Jayaraj R.K., Malarvizhi S., Balasubramanian V. Optimizing the micro-arc oxidation (MAO) parameters to attain coatings with minimum porosity and maximum hardness on the friction stir welded AA6061 aluminium alloy welds // Defence technology. 2017. Vol. 13. № 2. P. 111–117. DOI: 10.1016/j.dt.2017.03.003.Vakili-Azghandi M., Fattah-alhosseini A., Keshavarz M.K. Optimizing the electrolyte chemistry parameters of PEO coating on 6061 Al alloy by corrosion rate measurement: Response surface methodology. Measurement, 2018, vol. 124, pp. 252–259. DOI: 10.1016/j.measurement.2018.04.038.Vakili-Azghandi M., Fattah-alhosseini A., Keshavarz M.K. Optimizing the electrolyte chemistry parameters of PEO coating on 6061 Al alloy by corrosion rate measurement: Response surface methodology // Measurement. 2018. Vol. 124. P. 252–259. DOI: 10.1016/j.measurement.2018.04.038.Yang S. On-line test method of micro-arc oxidation load impedance spectroscopy and on-line test system for realizing the method, patent no. 102621391 CHN, 2012. 10 p.Yang S. On-line test method of micro-arc oxidation load impedance spectroscopy and on-line test system for realizing the method: patent № 102621391 CHN, 2012. 10 p.Guo Y. On-line Monitoring System of Micro-arc Oxidation Film Formation Process, patent no. 111647924 CHN, 2021. 11 p.Guo Y. On-line Monitoring System of Micro-arc Oxidation Film Formation Process: patent № 111647924 CHN, 2021. 11 p.Golubkov P.E. Analysis of the applicability of thickness measurement methods dielectric layers in controlled synthesis protective coatings by micro-arc method oxygenating. Izmerenie. Monitoring. Upravlenie. Kontrol, 2020, no. 1, pp. 81–92. DOI: 10.21685/2307-5538-2020-1-11.Голубков П.Е. Анализ применимости методов измерения толщины диэлектрических слоев при управляемом синтезе защитных покрытий методом микродугового оксидирования // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. 2020. № 1. С. 81–92. DOI: 10.21685/2307-5538-2020-1-11.Bespalova Zh.I., Panenko I.N., Dubovskov V.V., Kozachenko P.N., Kudryavtsev Yu.D. Investigation of the formation of optical black oxide-ceramic coatings on the surface of aluminum alloy 1160. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Severo-Kavkazskiy region. Estestvennye nauki, 2012, no. 5, pp. 63–66. EDN: PFATGJ.Беспалова Ж.И., Паненко И.Н., Дубовсков В.В., Козаченко П.Н., Кудрявцев Ю.Д. Исследование процесса формирования оптически черных оксидно-керамических покрытий на поверхности алюминиевого сплава 1160 // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2012. № 5. С. 63–66. EDN: PFATGJ.Mukaeva V.R., Gorbatkov M.V., Farrakhov R.G., Parfenov E.V. A study of the acoustic characteristics of plasma electrolytic oxidation of aluminum. Elektrotekhnicheskie i informatsionnye kompleksy i sistemy, 2018, vol. 14, no. 3, pp. 60–65. EDN: YSAZNZ.Мукаева В.Р., Горбатков М.В., Фаррахов Р.Г., Парфенов Е.В. Исследование акустических характеристик процесса плазменно-электролитического оксидирования алюминия // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2018. Т. 14. № 3. С. 60–65. EDN: YSAZNZ.Boinet M., Verdier S., Maximovitch S., Dalard F. Application of acoustic emission technique for in situ study of plasma anodizing. NDT&E International, 2004, vol. 37, no. 3, pp. 213–219. DOI: 10.1016/j.ndteint.2003.09.011.Boinet M., Verdier S., Maximovitch S., Dalard F. Application of acoustic emission technique for in situ study of plasma anodizing // NDT&E International. 2004. Vol. 37. № 3. P. 213–219. DOI: 10.1016/j.ndteint.2003.09.011.Chen Z., Zhang L., Liu H. et al. 3D printing technique-improved phase-sensitive OTDR for breakdown discharge detection of gas-insulated switchgear. Sensors, 2020, vol. 20, no. 4, article number 1045. DOI: 10.3390/s20041045.Chen Z., Zhang L., Liu H. et al. 3D printing technique-improved phase-sensitive OTDR for breakdown discharge detection of gas-insulated switchgear // Sensors. 2020. Vol. 20. № 4. Article number 1045. DOI: 10.3390/s20041045.Bashkov O., Li X., Bao F., Kim V.A., Zhou C. Acoustic emission that occurs during the destruction of coatings applied by microarc oxidation on an aluminum alloy. Materials Today: Proceedings, 2019, vol. 19-5, pp. 2522–2525. DOI: 10.1016/j.matpr.2019.08.174.Bashkov O., Li X., Bao F., Kim V.A., Zhou C. Acoustic emission that occurs during the destruction of coatings applied by microarc oxidation on an aluminum alloy // Materials Today: Proceedings. 2019. Vol. 19-5. P. 2522–2525. DOI: 10.1016/j.matpr.2019.08.174.Jadhav P., Bongale A., Kumar S. The effects of processing parameters on the formation of oxide layers in aluminium alloys using plasma electrolytic oxidation technique. Journal of the Mechanical Behavior of Materials, 2021, vol. 30, no. 1, pp. 118–129. DOI: 10.1515/jmbm-2021-0013.Jadhav P., Bongale A., Kumar S. The effects of processing parameters on the formation of oxide layers in aluminium alloys using plasma electrolytic oxidation technique // Journal of the Mechanical Behavior of Materials. 2021. Vol. 30. № 1. P. 118–129. DOI: 10.1515/jmbm-2021-0013.Cao J., Fang Z., Chen J., Chen Z., Yin W., Yang Y., Zhang W. Preparation and Properties of Micro-arc Oxide Film with Single Dense Layer on Surface of 5083 Aluminum Alloy. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection, 2020, vol. 40, no. 3, pp. 251–258. DOI: 10.11902/1005.4537.2019.069.Cao J., Fang Z., Chen J., Chen Z., Yin W., Yang Y., Zhang W. Preparation and Properties of Micro-arc Oxide Film with Single Dense Layer on Surface of 5083 Aluminum Alloy // Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection. 2020. Vol. 40. № 3. P. 251–258. DOI: 10.11902/1005.4537.2019.069.Bashkov O.V., Bao F., Li X., Bashkova T.I. Investigation of the Influence of Electrical Modes on the Morphology and Properties of Oxide Coatings on Aluminum Alloy 1163, Obtained by the Micro-arc Oxidation. Lecture notes in networks and systems, 2021, vol. 200, pp. 87–95. DOI: 10.1007/978-3-030-69421-0_10.Bashkov O.V., Bao F., Li X., Bashkova T.I. Investigation of the Influence of Electrical Modes on the Morphology and Properties of Oxide Coatings on Aluminum Alloy 1163, Obtained by the Micro-arc Oxidation // Lecture notes in networks and systems. 2021. Vol. 200. P. 87–95. DOI: 10.1007/978-3-030-69421-0_10.