Pintareaktiokerroksen luonne
Titaani on erittäin reaktiivinen korkeissa lämpötiloissa, erityisesti kun se altistuu ilmalle kuumakäsittelyn, lämpökäsittelyn tai valun aikana. Kun titaani kuumennetaan yli noin 590–620 astetta (1100–1150 astetta F), se reagoi hapen ja typen kanssa muodostaen hauraan, happi{5}}rikastetun pintakerroksen, joka tunnetaan nimelläalfa tapaus(tai reaktiokerros). Tämä kerros on tyypillisesti 50–300 μm paksu ja se on kontaminoitunut interstitiaalisilla elementeillä, kuten hapella ja typellä, jotka vähentävät merkittävästi taipuisuutta ja väsymiskestävyyttä. Irrotamaton alfa-kotelo voi lyhentää väsymisikää jopa 50 % ja on siksi kriittinen huolenaihe rakenteellisten ja väsymiskriittisten osien kannalta.
Ensisijaiset poistomenetelmät
Pintareaktiokerros on poistettava kokonaan ennen myöhempää koneistusta, hitsausta tai huoltoa. Käsittelymenetelmät jaetaan kolmeen luokkaan: mekaaniset menetelmät, kemialliset menetelmät ja sähkökemialliset menetelmät.
1. Mekaaniset menetelmät
Hiekkapuhallus (hiekkapuhallus):Valkoista korundia käytetään yleensä titaanipintojen hiekkapuhallukseen. Puhalluspainetta on säädettävä huolellisesti -yleensä alle 0,45 MPa-, jotta vältetään liiallinen lämmön muodostuminen. Kun ruiskutuspaine on liian korkea, hankaavien hiukkasten vaikutus titaanin pintaan tuottaa voimakkaita kipinöitä, mikä aiheuttaa paikallista lämpötilan nousua, joka voi reagoida pinnan kanssa ja aiheuttaa sekundaarista kontaminaatiota. 15–30 sekunnin hiekkapuhallusaika riittää yleensä tahmean hiekan, pintasintrattujen kerrosten ja osittaisten oksidikerrosten poistamiseen. Pelkkä hiekkapuhallus ei kuitenkaan pysty poistamaan reaktiokerrosta kokonaan; se toimii esikäsittelyvaiheena ennen kemiallista peittausta.
Työstö ja hionta:Tarkkuushiontaa tai sorvausta käytetään yleisesti poistamaan alfakotelokerros ja sen alta kontrolloitu epäjalometallin syvyys hauraiden vyöhykkeiden poistamiseksi. Tekniset tiedot määräävät usein vähimmäispoistosyvyyden, jotta varmistetaan vahingoittuneen kerroksen täydellinen eliminointi. Hiontaa on kuitenkin valvottava huolellisesti-liiallinen paine tuottaa lämpöä, joka voi luoda uuden kerroksen alfakoteloa. Hiontaprosessi on suhteellisen hidas ja poistaa materiaalia kapeina nauhoina, mikä vaatii usein useita ajoja koko pinnalla.
2. Kemialliset menetelmät
Peittaus (happoetsaus):Peittaus on nopein ja tehokkain tapa poistaa pintareaktiokerros kokonaan saastuttamatta pintaa muilla aineilla. Yleisesti käytetään kahta happojärjestelmää:
HF-HNO₃-järjestelmä:Tämä on suositeltavin peittausratkaisu. HF-pitoisuus on tyypillisesti 3–5 % ja HNO₃-pitoisuus 15–30 %. HNO₃ toimii hapettavana aineena estämään titaanin liiallista liukenemista ja vedyn absorptiota ja samalla tuottaa kirkkaan pinnan. Tällä järjestelmällä on alhaisempi vedyn absorptiokyky verrattuna HF-HCl-liuoksiin, mikä tekee siitä materiaalille turvallisemman.
HF-HCl-järjestelmä:Vaikka tämä järjestelmä on tehokas peittauksessa, sillä on suurempi vetyä imevä kapasiteetti, mikä voi johtaa vedyn haurastumiseen{0}}, mikä on vakava huolenaihe titaaniseoksille. Siksi sitä käytetään harvemmin kriittisissä sovelluksissa.
Happosuhde on kriittinen: liuoksia pidetään tyypillisesti 5:1 - 10:1 tilavuusprosenttisuhteessa HNO3:a HF:ään (varastohappoina) vedyn talteenoton minimoimiseksi, lejeerinkityypistä riippuen. Hiekkapuhalluksen jälkeen peittaus voi poistaa kokonaan jäljelle jääneen titaanilevyjen ja -tankojen pintareaktiokerroksen.
Kemiallinen jauhatus:Kemiallista jyrsintää käytetään tasaiseen massan poistoon, alfa{0}}kuoren poistamiseen takeista ja pinnan hienontamiseen silloin, kun koneistus ei ole mahdollista. Prosessi sisältää osien upotuksen kontrolloituihin kemiallisiin etsausaineisiin, joiden etsausnopeus, aika, lämpötila ja pitoisuus on tiukasti kontrolloitu. Syövytyksen jälkeen osat neutraloidaan ja huuhdellaan liiallisen-syövytyksen tai kuoppien estämiseksi. Tämä menetelmä on erityisen arvokas monimutkaisen geometrian omaaville ilmailu-avaruuskomponenteille.
Kemiallinen kiillotus:HF:n ja HNO3:n seosta tietyissä suhteissa voidaan käyttää kemialliseen kiillotukseen. HF toimii pelkistimenä titaanimetallin liuottamiseen ja pinnan tasoittamiseen, kun taas HNO3 (pitoisuuksilla alle 10 %) toimii hapettavana roolina estämään liiallista titaanin liukenemista ja vedyn absorptiota tuottaen samalla kirkkaan vaikutuksen. Prosessi vaatii korkean konsentraation, alhaisen lämpötilan ja lyhyitä kiillotusaikoja (1–2 minuuttia). Tämä menetelmä sopii erityisen hyvin monimutkaisille rakenteille, kuten titaaniproteesirungoille, sillä se kiillottaa kaikki liuoksen kanssa kosketuksissa olevat pinnat kovuudesta tai muodosta riippumatta.
3. Sähkökemialliset menetelmät
Elektrolyyttinen kiillotus:Tämä menetelmä tunnetaan myös sähkökemiallisena tai anodisena liukenevana kiillotuksena, ja se kohtaa haasteita titaanin kanssa sen alhaisen johtavuuden ja voimakkaan hapetusalttiuden vuoksi. Tavanomaiset vesipitoiset happamat elektrolyytit (kuten HF-H3PO4 tai HF-H₂SO4) ovat yleensä tehottomia, koska titaanianodi hapettuu välittömästi jännitteen kohdistaessa, mikä estää anodin liukenemisen. Vedettömät kloridielektrolyytit alhaisella jännitteellä ovat kuitenkin osoittaneet hyviä kiillotusvaikutuksia, jotka pystyvät tuottamaan peilipinnan pienille näytteille. Monimutkaisten komponenttien osalta tarvitaan lisätutkimusta katodin geometrian ja lisäkatodikonfiguraatioiden optimoimiseksi.
Patentoitu sähkökemiallinen ilmastointi:Mullistava sähkökemiallinen prosessi (MetConin kehittämä) korvaa perinteisen jauhamisen, koneistuksen ja happopeittauksen alhaisen{0}}tuoton-sähkökemiallisilla vaiheilla. Tässä prosessissa käytetään patentoitua elektrolyyttiä ja epätavallista oikaisua alfakotelokerroksen poistamiseksi tarkasti. Toisin kuin mekaaniset menetelmät, jotka poistavat kaiken materiaalin syvimpään halkeaman kärkeen asti, sähkökemiallinen prosessi hyökkää ensisijaisesti halkeamien reunoille, tasoittaa ja peittää ne säilyttäen samalla huomattavasti enemmän irtotavaraa. Prosessi poistaa vain 0,5–3 % materiaalista käsittelyvaihetta kohden verrattuna 3–7 %:iin perinteisillä menetelmillä, mikä parantaa valmiin tuotteen saantoa 10–20 % tai enemmän. Tämä lähestymistapa eliminoi myös perinteiseen happopeittaukseen liittyvät vaaralliset jätteet.
Prosessisekvenssi ja laadunvalvonta
Pintareaktiokerroksen poistamiseksi täydellisesti tyypillinen prosessisekvenssi on:
Ensimmäinen mekaaninen käsittely:Hiekkapuhallus tai hionta karkean pinnan epäpuhtauksien ja oksidihilseilyn poistamiseksi
Kemiallinen kalkinpoisto:Sula kuuma alkalinen suola kalkinpoisto tai hankaava käsittely raskaille oksidikerroksille
Happo peittaus:HF-HNO₃-liuos alfakotelokerroksen poistamiseksi kokonaan
Lopullinen vahvistus:Silmämääräinen tarkastus ja mikrokovuustestaus varmistaakseen alfakotelon täydellisen poistamisen, kuten NASA PRC-5010 ja ASTM B600 vaativat
Kriittisiä huomioita
Vetyhaurastuminen:Titaani ja sen seokset ovat herkkiä vetyhaurastumiselle. Lämpökäsittelyn, peittauksen ja kemiallisen jauhamisen aikana on varottava liiallista vedyn kerääntymistä. HF-HNO₃-järjestelmä on suositeltava juuri siksi, että se minimoi vedyn absorption muihin happojärjestelmiin verrattuna.
Tyhjiölämpökäsittely:Valmiiden osien lopulliset lämpökäsittelyt tulisi mieluiten tehdä tyhjiössä alfa-kotelon muodostumisen välttämiseksi. Jos käytetään tyhjiölämpökäsittelyä, voidaan välttää aikaisempi koneistus tai peittaus. Pinnan puhtaus on kuitenkin ensiarvoisen tärkeää-jopa sormenjäljet tai öljyjäämät voivat aiheuttaa alfakotelon muodostumista tyhjiöilmakehässä, ja puhdistusaineista peräisin olevat kloridit on liitetty titaanin jännityskorroosiohalkeilemiseen.
Metallografinen tunnistus:Laadunvarmistukseen käytetään yleisesti Krollin reagenssia (1–3 % fluorivetyhappoa plus 2–6 % typpihappoa vedessä) yleisen mikrorakenteen paljastamiseen. Alfa-tapauksen havaitsemiseksi Krollin etchiä seuraa ammoniumbifluoridiliuos, joka värjää koko näytteen alfa-tapauksia lukuun ottamatta, jolloin hauras kerros näkyy selvästi tarkastusta varten.
