Природа површинског реакционог слоја
Титанијум је веома реактиван на повишеним температурама, посебно када је изложен ваздуху током вруће обраде, топлотне обраде или ливења. Када се загреје изнад приближно 590–620 степени (1100–1150 степени Ф), титанијум реагује са кисеоником и азотом да би формирао крхки површински слој-обогаћен кисеоником познат каоалфа случај(или реакциони слој). Овај слој је типично дебео 50–300 μм и контаминиран је интерстицијским елементима као што су кисеоник и азот, који значајно смањују дуктилност и отпорност на замор. Неуклоњено алфа кућиште може да смањи век трајања до 50% и стога представља критичну забринутост за структурне и{5}}критичне компоненте за замор.
Примарне методе уклањања
Површински реакциони слој мора бити потпуно уклоњен пре накнадне машинске обраде, заваривања или сервисирања. Методе третмана спадају у три категорије: механичке методе, хемијске методе и електрохемијске методе.
1. Механичке методе
Пескарење (пескарење):Бели корунд се углавном користи за пескарење титанијумских површина. Притисак пескарења мора бити пажљиво контролисан-обично испод 0,45 МПа-да би се избегло прекомерно стварање топлоте. Када је притисак убризгавања превисок, удар абразивних честица на површину титанијума производи интензивне варнице, изазивајући локализовани пораст температуре који може реаговати са површином и створити секундарну контаминацију. Пескарење у трајању од 15-30 секунди обично је довољно да се уклони лепљиви песак, површински синтеровани слојеви и делимични оксидни слојеви. Међутим, само пескарење не може у потпуности уклонити реакциони слој; служи као корак пред{9}}третмана пре хемијског кисељења.
Машинска обрада и брушење:Прецизно брушење или стругање се обично користи за уклањање алфа слоја кућишта и контролисане дубине основног метала испод њега како би се елиминисале све крхке зоне. Спецификације често диктирају минималне дубине уклањања како би се осигурала потпуна елиминација захваћеног слоја. Међутим, млевење се мора пажљиво контролисати-прекомерни притисак ствара топлоту која може да створи нови слој алфа случаја. Процес млевења је релативно спор и уклања материјал у уским тракама, често захтевајући вишеструке пролазе по целој површини.
2. Хемијске методе
Кисељење (нагризање киселином):Кисељење је најбржи и најефикаснији метод за потпуно уклањање површинског реакционог слоја без контаминације површине другим елементима. Обично се користе два система киселина:
ХФ-ХНО₃ систем:Ово је пожељно решење за кисељење. Концентрација ХФ је типично 3–5%, а концентрација ХНО₃ је 15–30%. ХНО₃ делује као оксидационо средство како би се спречило прекомерно растварање титанијума и апсорпција водоника, истовремено стварајући сјајну површину. Овај систем има мањи капацитет апсорпције водоника у поређењу са растворима ХФ-ХЦл, што га чини сигурнијим за материјал.
ХФ-ХЦл систем:Иако је ефикасан за кисељење, овај систем има већи капацитет апсорпције водоника, што може довести до кртости водоника-што представља озбиљну забринутост за легуре титанијума. Због тога се ређе користи у критичним апликацијама.
Однос киселина је критичан: раствори се обично одржавају на 5:1 до 10:1 запреминског процента ХНО₃ према ХФ (као основне киселине) да би се минимизирало прикупљање водоника, у зависности од типа легуре. Након пескарења, кисељење може у потпуности уклонити преостали површински реакциони слој титанијумских плоча и шипки.
Хемијско млевење:Хемијско глодање се користи за равномерно уклањање материјала, алфа-уклањање кућишта на отковцима и пречишћавање површине где обрада није изводљива. Процес укључује урањање делова у контролисане хемијске јеткаче са строго контролисаном брзином, временом, температуром и концентрацијом. После гравирања, делови се подвргавају неутрализацији и испирању да би се спречило прекомерно-једкање или удубљење. Овај метод је посебно вредан за ваздухопловне компоненте са сложеном геометријом.
Хемијско полирање:За хемијско полирање може се користити мешавина ХФ и ХНО₃ у одређеним размерама. ХФ делује као редукционо средство за растварање метала титанијума и изравнавање површине, док ХНО₃ (у концентрацијама испод 10%) игра оксидациону улогу како би спречио прекомерно растварање титанијума и апсорпцију водоника док производи сјајан ефекат. Процес захтева високу концентрацију, ниску температуру и кратко време полирања (1-2 минута). Ова метода је посебно погодна за сложене структуре као што су оквири протеза од титанијума, јер полира све површине у контакту са раствором без обзира на тврдоћу или облик.
3. Електрохемијске методе
Електролитичко полирање:Такође познат као електрохемијско или анодно полирање, ова метода се суочава са изазовима са титанијумом због његове ниске проводљивости и јаке тенденције оксидације. Конвенционални водени кисели електролити (као што су ХФ-Х₃ПО₄ или ХФ-Х2СО₄) су генерално неефикасни јер титанијумска анода оксидира одмах након примене напона, спречавајући анодно растварање. Међутим, анхидровани хлоридни електролити на ниском напону су показали добре ефекте полирања, способни да произведу завршну обраду на малим узорцима. За сложене компоненте потребна су даља истраживања ради оптимизације геометрије катоде и додатних конфигурација катода.
Патентирано електрохемијско кондиционирање:Револуционарни електрохемијски процес (који је развио МетЦон) замењује традиционално млевење, машинску обраду и кисело кисељење са електрохемијским корацима са малим -приносом-губицима. Овај процес користи власнички електролит и неконвенционалну ректификацију за уклањање слоја алфа кућишта уз прецизну контролу. За разлику од механичких метода које уклањају сав материјал до најдубљег врха пукотине, електрохемијски процес првенствено напада ивице пукотина, заглађујући их и перајући их док задржава знатно више масивног метала. Процес уклања само 0,5–3% материјала по кораку кондиционирања у поређењу са 3–7% за конвенционалне методе, побољшавајући принос готовог производа за 10–20% или више. Овај приступ такође елиминише опасан отпад повезан са традиционалним киселим киселином.
Редослед процеса и контрола квалитета
За потпуно уклањање површинског реакционог слоја, типична секвенца процеса је:
Почетни механички третман:Пескарење или брушење ради уклањања грубе површинске контаминације и оксидног каменца
Хемијско уклањање каменца:Уклањање каменца растопљеном врућом алкалном соли или абразивни третман за тешке оксидне слојеве
кисело кисељење:ХФ-ХНО₃ решење за потпуно уклањање алфа слоја
Коначна верификација:Визуелна инспекција и тестирање микротврдоће да би се потврдило потпуно уклањање алфа кућишта, како то захтевају спецификације као што су НАСА ПРЦ-5010 и АСТМ Б600
Критичка разматрања
Водонично крхкост:Титан и његове легуре су подложни кртости водоником. Током термичке обраде, кисељења и хемијског млевења, мора се водити рачуна да се избегне прекомерно сакупљање водоника. Систем ХФ-ХНО₃ је пожељнији управо зато што минимизира апсорпцију водоника у поређењу са другим киселинским системима.
Вакуумска топлотна обрада:Завршне термичке обраде на готовим деловима идеално би требало да се обављају у вакууму како би се у потпуности избегло формирање алфа кућишта. Ако се користи вакуумска термичка обрада, може се избећи претходна машинска обрада или кисељење. Међутим, чистоћа површине је најважнија-чак и отисци прстију или остаци уља могу да изазову формирање алфа кућишта у вакуумским атмосферама, а хлориди из средстава за чишћење су повезани са пуцањем титанијума под напоном корозије.
Металографска детекција:За осигурање квалитета, Кролов реагенс (1–3% флуороводоничне киселине плус 2–6% азотне киселине у води) се обично користи за откривање опште микроструктуре. За детекцију алфа случаја, Кроллов нагризање је праћен раствором амонијум бифлуорида који боји цео узорак осим било ког алфа случаја, чинећи крхки слој јасно видљивим за инспекцију.
