Priroda površinskog reakcijskog sloja
Titan je visoko reaktivan na povišenim temperaturama, osobito kada je izložen zraku tijekom vruće obrade, toplinske obrade ili lijevanja. Kada se zagrije iznad otprilike 590-620 stupnjeva (1100-1150 stupnjeva F), titan reagira s kisikom i dušikom i formira krti površinski sloj-obogaćen kisikom poznat kaoalfa slučaj(ili reakcijski sloj). Taj je sloj obično debljine 50–300 μm i kontaminiran je intersticijskim elementima kao što su kisik i dušik, koji značajno smanjuju duktilnost i otpornost na zamor. Neuklonjeno alfa kućište može smanjiti vijek trajanja do 50% i stoga predstavlja kritičnu zabrinutost za strukturne i-kritične komponente.
Primarne metode uklanjanja
Površinski reakcijski sloj mora se potpuno ukloniti prije naknadne strojne obrade, zavarivanja ili servisiranja. Metode obrade mogu se podijeliti u tri kategorije: mehaničke metode, kemijske metode i elektrokemijske metode.
1. Mehaničke metode
Pjeskarenje (pjeskarenje):Bijeli korund općenito se koristi za pjeskarenje površina od titana. Tlak miniranja mora se pažljivo kontrolirati-obično ispod 0,45 MPa-kako bi se izbjeglo prekomjerno stvaranje topline. Kada je tlak ubrizgavanja previsok, udar abrazivnih čestica na površinu titana proizvodi intenzivne iskre, uzrokujući lokalizirani porast temperature koji može reagirati s površinom i stvoriti sekundarnu kontaminaciju. Pjeskarenje u trajanju od 15-30 sekundi obično je dovoljno za uklanjanje ljepljivog pijeska, površinskih sinteriranih slojeva i djelomičnih oksidnih slojeva. Međutim, samo pjeskarenje ne može potpuno ukloniti reakcijski sloj; služi kao -korak prethodne obrade prije kemijskog kiseljenja.
Strojna obrada i brušenje:Precizno brušenje ili tokarenje obično se koristi za uklanjanje alfa sloja kućišta i kontrolirane dubine osnovnog metala ispod njega kako bi se uklonile sve krte zone. Specifikacije često diktiraju minimalne dubine uklanjanja kako bi se osiguralo potpuno uklanjanje zahvaćenog sloja. Međutim, mljevenje se mora pažljivo kontrolirati-prekomjerni pritisak stvara toplinu koja može stvoriti novi sloj alfa kućišta. Proces brušenja je relativno spor i uklanja materijal u uskim trakama, često zahtijevajući višestruke prolaze po cijeloj površini.
2. Kemijske metode
Dekapiranje (jetkanje kiselinom):Dekapiranje je najbrža i najučinkovitija metoda potpunog uklanjanja površinskog reakcijskog sloja bez kontaminacije površine drugim elementima. Obično se koriste dva kiselinska sustava:
HF-HNO₃ sustav:Ovo je poželjna otopina za kiseljenje. Koncentracija HF je obično 3-5%, a koncentracija HNO3 je 15-30%. HNO₃ djeluje kao oksidacijsko sredstvo koje sprječava pretjerano otapanje titana i apsorpciju vodika, a istovremeno daje sjajnu površinu. Ovaj sustav ima manji kapacitet apsorpcije vodika u usporedbi s otopinama HF-HCl, što ga čini sigurnijim za materijal.
HF-HCl sustav:Iako je učinkovit za dekapiranje, ovaj sustav ima veću sposobnost apsorpcije vodika, što može dovesti do vodikove krtosti-što je ozbiljna briga za legure titana. Stoga se rjeđe koristi u kritičnim aplikacijama.
Kiselinski omjer je kritičan: otopine se obično održavaju na 5:1 do 10:1 volumnog postotnog omjera HNO3 prema HF (kao osnovne kiseline) kako bi se smanjilo sakupljanje vodika, ovisno o vrsti legure. Nakon pjeskarenja, dekapiranje može potpuno ukloniti preostali površinski reakcijski sloj titanskih ploča i šipki.
Kemijsko mljevenje:Kemijsko glodanje koristi se za ravnomjerno uklanjanje zaliha, uklanjanje alfa-čahura na otkivcima i dočišćavanje površine gdje strojna obrada nije izvediva. Proces uključuje uranjanje dijelova u kontrolirana kemijska sredstva za jetkanje sa strogo kontroliranom brzinom jetkanja, vremenom, temperaturom i koncentracijom. Nakon nagrizanja, dijelovi se podvrgavaju neutralizaciji i ispiranju kako bi se spriječilo prekomjerno-nagrizanje ili udubljenja. Ova je metoda osobito vrijedna za zrakoplovne komponente složene geometrije.
Kemijsko poliranje:Mješavina HF i HNO₃ u određenim omjerima može se koristiti za kemijsko poliranje. HF djeluje kao redukcijsko sredstvo za otapanje metalnog titana i izravnavanje površine, dok HNO3 (u koncentracijama ispod 10%) igra oksidacijsku ulogu kako bi se spriječilo prekomjerno otapanje titana i apsorpcija vodika, a istovremeno proizvodi sjajan učinak. Proces zahtijeva visoku koncentraciju, nisku temperaturu i kratko vrijeme poliranja (1-2 minute). Ova metoda je posebno prikladna za složene strukture kao što su okviri proteza od titana, jer polira sve površine u kontaktu s otopinom bez obzira na tvrdoću ili oblik.
3. Elektrokemijske metode
Elektrolitičko poliranje:Također poznata kao elektrokemijsko poliranje ili poliranje anodnim otapanjem, ova se metoda suočava s izazovima s titanom zbog njegove niske vodljivosti i jake sklonosti oksidaciji. Konvencionalni vodeni kiseli elektroliti (kao što je HF-H₃PO₄ ili HF-H₂SO₄) općenito su neučinkoviti jer titanska anoda oksidira odmah nakon primjene napona, sprječavajući anodno otapanje. Međutim, bezvodni kloridni elektroliti na niskom naponu pokazali su dobre učinke poliranja, sposobni za stvaranje zrcalnih završetaka na malim uzorcima. Za složene komponente potrebna su daljnja istraživanja kako bi se optimizirala geometrija katode i dodatne konfiguracije katode.
Patentirano elektrokemijsko kondicioniranje:Revolucionarni elektrokemijski proces (koji je razvio MetCon) zamjenjuje tradicionalno mljevenje, strojnu obradu i kiseljenje elektrokemijskim koracima s niskim -prinosom-. Ovaj proces koristi vlastiti elektrolit i nekonvencionalno ispravljanje za uklanjanje sloja alfa kućišta uz preciznu kontrolu. Za razliku od mehaničkih metoda koje uklanjaju sav materijal do najdubljeg vrha pukotine, elektrokemijski proces preferirano napada rubove pukotina, zaglađujući ih i perući dok zadržava znatno više metala. Procesom se uklanja samo 0,5–3% materijala po koraku kondicioniranja u usporedbi s 3–7% za konvencionalne metode, poboljšavajući prinos gotovog proizvoda za 10–20% ili više. Ovaj pristup također eliminira opasni otpad povezan s tradicionalnim kiseljenjem.
Slijed procesa i kontrola kvalitete
Za potpuno uklanjanje površinskog reakcijskog sloja, tipični slijed procesa je:
Početna mehanička obrada:Pjeskarenje ili brušenje za uklanjanje velikih površinskih onečišćenja i kamenca oksida
Kemijsko uklanjanje kamenca:Skidanje kamenca s rastopljene vruće alkalne soli ili abrazivni tretman za teške slojeve oksida
Kiselinsko kiseljenje:Otopina HF-HNO₃ za potpuno uklanjanje sloja alfa kućišta
Konačna provjera:Vizualni pregled i ispitivanje mikrotvrdoće za potvrdu potpunog uklanjanja alfa kućišta, kako zahtijevaju specifikacije kao što su NASA PRC-5010 i ASTM B600
Kritična razmatranja
Vodikova krtost:Titan i njegove legure osjetljivi su na vodikovu krtost. Tijekom toplinske obrade, kiseljenja i kemijskog mljevenja mora se paziti da se izbjegne prekomjerno skupljanje vodika. Sustav HF-HNO₃ preferira se upravo zato što smanjuje apsorpciju vodika u usporedbi s drugim kiselim sustavima.
Vakuumska toplinska obrada:Konačne toplinske obrade na gotovim dijelovima idealno bi trebalo izvoditi u vakuumu kako bi se potpuno izbjeglo stvaranje alfa kućišta. Ako se koristi toplinska obrada pod vakuumom, može se izbjeći prethodna strojna obrada ili dekapiranje. Međutim, čistoća površine je najvažnija-čak i otisci prstiju ili ostaci ulja mogu uzrokovati stvaranje alfa kućišta u vakuumskoj atmosferi, a kloridi iz sredstava za čišćenje povezani su s korozijskim pucanjem titana pod stresom.
Metalografska detekcija:Za osiguranje kvalitete, Krollov reagens (1–3% fluorovodična kiselina plus 2–6% dušična kiselina u vodi) obično se koristi za otkrivanje opće mikrostrukture. Za detekciju alfa slučaja, nakon Krollovog jetkanja slijedi otopina amonijevog bifluorida koja boji cijeli uzorak osim bilo kojeg alfa slučaja, čineći krti sloj jasno vidljivim za pregled.
