Virsmas reakcijas slāņa veids
Titāns ir ļoti reaģējošs paaugstinātā temperatūrā, īpaši, ja tas tiek pakļauts gaisa iedarbībai karstās apstrādes, termiskās apstrādes vai liešanas laikā. Sildot virs aptuveni 590–620 grādiem (1100–1150 °F), titāns reaģē ar skābekli un slāpekli, veidojot trauslu, ar skābekli bagātinātu virsmas slāni, kas pazīstams kāalfa gadījums(vai reakcijas slānis). Šis slānis parasti ir 50–300 μm biezs, un tas ir piesārņots ar intersticiāliem elementiem, piemēram, skābekli un slāpekli, kas ievērojami samazina elastību un noguruma izturību. Nenoņemts alfa apvalks var samazināt noguruma kalpošanas laiku līdz pat 50%, un tāpēc tas ir ļoti svarīgs strukturālo un noguruma{5}}kritisko komponentu gadījumā.
Primārās noņemšanas metodes
Virsmas reakcijas slānis ir pilnībā jānoņem pirms turpmākās apstrādes, metināšanas vai apkopes. Apstrādes metodes iedala trīs kategorijās: mehāniskās metodes, ķīmiskās metodes un elektroķīmiskās metodes.
1. Mehāniskās metodes
Apstrāde ar smilšu strūklu (strūklu strūklu):Balto korundu parasti izmanto titāna virsmu apstrādei ar smilšu strūklu. Spridzināšanas spiediens ir rūpīgi jākontrolē, -parasti zem 0,45 MPa-, lai izvairītos no pārmērīgas siltuma rašanās. Ja injekcijas spiediens ir pārāk augsts, abrazīvo daļiņu ietekme uz titāna virsmu rada intensīvas dzirksteles, izraisot lokālu temperatūras paaugstināšanos, kas var reaģēt ar virsmu un radīt sekundāru piesārņojumu. Smilšu strūklas ilgums 15–30 sekundes parasti ir pietiekams, lai noņemtu lipīgās smiltis, virsmas saķepinātos slāņus un daļējus oksīda slāņus. Tomēr ar smilšu strūklu vien nevar pilnībā noņemt reakcijas slāni; tas kalpo kā pirmapstrādes darbība-pirms ķīmiskās kodināšanas.
Apstrāde un slīpēšana:Precīza slīpēšana vai virpošana parasti tiek izmantota, lai noņemtu alfa korpusa slāni un kontrolētu parastā metāla dziļumu zem tā, lai novērstu visas trauslās zonas. Specifikācijas bieži nosaka minimālo noņemšanas dziļumu, lai nodrošinātu pilnīgu skartā slāņa likvidēšanu. Tomēr slīpēšana ir rūpīgi jākontrolē-pārmērīgs spiediens rada siltumu, kas var izveidot jaunu alfa korpusa slāni. Slīpēšanas process ir salīdzinoši lēns, un materiāls tiek noņemts šaurās sloksnēs, bieži vien ir nepieciešams vairākas reizes pa visu virsmu.
2. Ķīmiskās metodes
Kodināšana (skābā kodināšana):Kodināšana ir ātrākais un efektīvākais veids, kā pilnībā noņemt virsmas reakcijas slāni, nepiesārņojot virsmu ar citiem elementiem. Parasti tiek izmantotas divas skābes sistēmas:
HF-HNO₃ sistēma:Šis ir vēlamais kodināšanas risinājums. HF koncentrācija parasti ir 3–5%, bet HNO₃ koncentrācija ir 15–30%. HNO₃ darbojas kā oksidētājs, lai novērstu pārmērīgu titāna šķīdināšanu un ūdeņraža absorbciju, vienlaikus radot spilgtu virsmas apdari. Šai sistēmai ir zemāka ūdeņraža absorbcijas spēja salīdzinājumā ar HF-HCl šķīdumiem, padarot to drošāku materiālam.
HF-HCl sistēma:Lai gan šī sistēma ir efektīva kodināšanai, tai ir lielāka ūdeņraža absorbcijas spēja, kas var izraisīt ūdeņraža trauslumu{0}}, kas rada nopietnas bažas titāna sakausējumiem. Tāpēc to retāk izmanto kritiskās lietojumprogrammās.
Skābes attiecība ir kritiska: šķīdumi parasti tiek uzturēti 5:1 līdz 10:1 tilpuma procentos HNO3 un HF (kā pamatskābes), lai samazinātu ūdeņraža uzņemšanu atkarībā no sakausējuma veida. Pēc apstrādes ar smilšu strūklu kodināšana var pilnībā noņemt atlikušo titāna plākšņu un stieņu virsmas reakcijas slāni.
Ķīmiskā frēzēšana:Ķīmiskā frēzēšana tiek izmantota vienmērīgai masas noņemšanai, alfa{0}}lietu noņemšanai uz kalumiem un virsmas uzlabošanai, ja apstrāde nav iespējama. Process ietver daļu iegremdēšanu kontrolētos ķīmiskos kodinātos līdzekļos ar stingri kontrolētu kodināšanas ātrumu, laiku, temperatūru un koncentrāciju. Pēc kodināšanas daļas tiek neitralizētas un noskalotas, lai novērstu pārmērīgu-gravēšanu vai iedobumu veidošanos. Šī metode ir īpaši vērtīga kosmosa komponentiem ar sarežģītu ģeometriju.
Ķīmiskā pulēšana:Ķīmiskajai pulēšanai var izmantot HF un HNO₃ maisījumu noteiktās proporcijās. HF darbojas kā reducētājs, lai šķīdinātu titāna metālu un izlīdzinātu virsmu, savukārt HNO₃ (koncentrācijās zem 10%) spēlē oksidējošu lomu, lai novērstu pārmērīgu titāna šķīšanu un ūdeņraža absorbciju, vienlaikus radot spilgtu efektu. Procesam nepieciešama augsta koncentrācija, zema temperatūra un īss pulēšanas laiks (1–2 minūtes). Šī metode ir īpaši piemērota sarežģītām konstrukcijām, piemēram, titāna protēžu karkasiem, jo tā pulē visas virsmas, kas saskaras ar šķīdumu, neatkarīgi no cietības vai formas.
3. Elektroķīmiskās metodes
Elektrolītiskā pulēšana:Šī metode, kas pazīstama arī kā elektroķīmiskā vai anodiskā šķīdināšanas pulēšana, saskaras ar problēmām ar titānu tā zemās vadītspējas un spēcīgās oksidēšanās tendences dēļ. Parastie ūdens skābie elektrolīti (piemēram, HF-H3PO₄ vai HF-H₂SO₄) parasti ir neefektīvi, jo titāna anods oksidējas uzreiz pēc sprieguma pieslēgšanas, novēršot anoda izšķīšanu. Tomēr bezūdens hlorīda elektrolīti ar zemu spriegumu ir uzrādījuši labu pulēšanas efektu, kas spēj radīt spoguļa apdari maziem paraugiem. Sarežģītiem komponentiem ir nepieciešami turpmāki pētījumi, lai optimizētu katoda ģeometriju un papildu katoda konfigurācijas.
Patentēta elektroķīmiskā kondicionēšana:Revolucionārs elektroķīmiskais process (ko izstrādājis MetCon) aizstāj tradicionālo slīpēšanu, apstrādi un kodināšanu ar skābi ar elektroķīmiskiem soļiem ar zemu -ražīgumu-. Šajā procesā tiek izmantots patentēts elektrolīts un netradicionāla rektifikācija, lai ar precīzu kontroli noņemtu alfa korpusa slāni. Atšķirībā no mehāniskām metodēm, kas noņem visu materiālu līdz dziļākajam plaisas galam, elektroķīmiskais process galvenokārt uzbrūk plaisu malām, nogludinot un apvelkot tās, vienlaikus saglabājot ievērojami vairāk metāla. Process vienā kondicionēšanas posmā noņem tikai 0,5–3% materiāla, salīdzinot ar 3–7% parastajām metodēm, uzlabojot gatavā produkta iznākumu par 10–20% vai vairāk. Šī pieeja arī novērš bīstamos atkritumus, kas saistīti ar tradicionālo kodināšanu ar skābi.
Procesu secība un kvalitātes kontrole
Lai pilnībā noņemtu virsmas reakcijas slāni, tipiskā procesa secība ir šāda:
Sākotnējā mehāniskā apstrāde:Smilšu strūklu vai slīpēšana, lai noņemtu bruto virsmas piesārņojumu un oksīdu nogulsnes
Ķīmiskā atkaļķošana:Izkausēta karsta sārma sāls atkaļķošana vai abrazīvā apstrāde smagiem oksīda slāņiem
Skābju kodināšana:HF-HNO₃ šķīdums, lai pilnībā noņemtu alfa korpusa slāni
Galīgā pārbaude:Vizuāla pārbaude un mikrocietības pārbaude, lai apstiprinātu pilnīgu alfa korpusa noņemšanu, kā noteikts tādās specifikācijās kā NASA PRC-5010 un ASTM B600
Kritiskie apsvērumi
Ūdeņraža trauslums:Titāns un tā sakausējumi ir jutīgi pret ūdeņraža trauslumu. Termiskās apstrādes, kodināšanas un ķīmiskās malšanas laikā ir jāuzmanās, lai izvairītos no pārmērīgas ūdeņraža uzsūkšanās. HF-HNO₃ sistēma ir vēlama tieši tāpēc, ka tā samazina ūdeņraža absorbciju salīdzinājumā ar citām skābju sistēmām.
Vakuuma termiskā apstrāde:Gatavo detaļu galīgā termiskā apstrāde ideālā gadījumā būtu jāveic vakuumā, lai izvairītos no alfa apvalka veidošanās. Ja izmanto vakuuma termisko apstrādi, var izvairīties no iepriekšējas apstrādes vai kodināšanas. Tomēr virsmas tīrība ir vissvarīgākā,{2}}pat pirkstu nospiedumi vai eļļas paliekas vakuuma atmosfērā var izraisīt alfa apvalka veidošanos, un tīrīšanas līdzekļu hlorīdi ir saistīti ar titāna spriegumu korozijas plaisāšanu.
Metalogrāfiskā noteikšana:Kvalitātes nodrošināšanai parasti izmanto Kroll reaģentu (1–3% fluorūdeņražskābe plus 2–6% slāpekļskābe ūdenī), lai atklātu vispārējo mikrostruktūru. Alfa gadījumu noteikšanai Kroll's etch seko amonija bifluorīda šķīdums, kas krāso visu paraugu, izņemot jebkuru alfa gadījumu, padarot trauslo slāni skaidri redzamu pārbaudei.
