Pinnareaktsioonikihi olemus
Titaan on kõrgel temperatuuril väga reaktiivne, eriti kui see puutub kokku õhuga kuumtöötlemise, kuumtöötlemise või valamise ajal. Kuumutamisel üle ligikaudu 590–620 kraadi (1100–1150 kraadi F) reageerib titaan hapniku ja lämmastikuga, moodustades rabeda hapnikuga{5}}rikastatud pinnakihi, mida nimetataksealfa juhtum(või reaktsioonikiht). Selle kihi paksus on tavaliselt 50–300 μm ja see on saastunud interstitsiaalsete elementidega, nagu hapnik ja lämmastik, mis vähendavad oluliselt plastilisust ja väsimuskindlust. Eemaldamata alfakast võib vähendada väsimuse kasutusiga kuni 50% ja on seetõttu konstruktsiooni- ja väsimuse{5}}kriitiliste komponentide jaoks kriitiline probleem.
Esmased eemaldamismeetodid
Pinna reaktsioonikiht tuleb enne järgnevat töötlemist, keevitamist või hooldust täielikult eemaldada. Ravimeetodid jagunevad kolme kategooriasse: mehaanilised meetodid, keemilised meetodid ja elektrokeemilised meetodid.
1. Mehaanilised meetodid
Liivaprits (liivaprits):Titaanpindade liivapritsiks kasutatakse tavaliselt valget korundi. Lõhkamisrõhku tuleb hoolikalt kontrollida, -tavaliselt alla 0,45 MPa-, et vältida liigset kuumenemist. Kui süstimisrõhk on liiga kõrge, tekitab abrasiivsete osakeste mõju titaani pinnale intensiivseid sädemeid, põhjustades lokaalset temperatuuritõusu, mis võib pinnaga reageerida ja tekitada sekundaarset saastumist. Kleepuva liiva, pindmiste paagutatud kihtide ja osaliste oksiidikihtide eemaldamiseks piisab tavaliselt 15–30 sekundilisest liivapritsist. Kuid ainult liivapritsiga ei saa reaktsioonikihti täielikult eemaldada; see toimib eeltöötlusetapina-enne keemilist peitsimist.
Mehaaniline töötlemine ja lihvimine:Tavaliselt kasutatakse täppislihvimist või -treimist alfa-korpuse kihi ja selle all oleva mitteväärismetalli kontrollitud sügavuse eemaldamiseks, et kõrvaldada kõik murenevad tsoonid. Spetsifikatsioonid näevad sageli ette minimaalse eemaldamissügavuse, et tagada mõjutatud kihi täielik kõrvaldamine. Lihvimist tuleb aga hoolikalt kontrollida-liigne rõhk tekitab soojust, mis võib tekitada uue alfa-korpuse kihi. Lihvimisprotsess on suhteliselt aeglane ja eemaldab materjali kitsaste ribadena, mis nõuab sageli mitut läbimist kogu pinna ulatuses.
2. Keemilised meetodid
Marineerimine (happesöövitamine):Marineerimine on kõige kiirem ja tõhusam meetod pinna reaktsioonikihi täielikuks eemaldamiseks ilma pinda muude elementidega saastamata. Tavaliselt kasutatakse kahte happesüsteemi:
HF-HNO₃ süsteem:See on eelistatud marineerimislahendus. HF kontsentratsioon on tavaliselt 3–5% ja HNO₃ kontsentratsioon 15–30%. HNO₃ toimib oksüdeeriva ainena, et vältida titaani liigset lahustumist ja vesiniku neeldumist, tagades samal ajal ka heleda pinnaviimistluse. Sellel süsteemil on madalam vesiniku neeldumisvõime võrreldes HF-HCl lahustega, mis muudab selle materjali jaoks ohutumaks.
HF-HCl süsteem:Kuigi see süsteem on tõhus peitsimisel, on sellel suurem vesiniku neeldumisvõime, mis võib põhjustada vesiniku rabedust{0}}, mis on tõsine probleem titaanisulamite puhul. Seetõttu kasutatakse seda kriitilistes rakendustes harvemini.
Happe suhe on kriitiline: lahuseid hoitakse tavaliselt HNO3 ja HF (varuhapetena) mahuprotsentides 5:1 kuni 10:1, et minimeerida vesiniku kogumist, olenevalt sulami tüübist. Pärast liivapritsiga töötlemist saab peitsimine täielikult eemaldada ülejäänud titaanplaatide ja varraste pinnareaktsioonikihi.
Keemiline jahvatamine:Keemilist freesimist kasutatakse ühtlaseks lao eemaldamiseks, alfa{0}}korpuse eemaldamiseks sepistelt ja pinna viimistlemiseks, kui mehaaniline töötlemine ei ole teostatav. Protsess hõlmab osade sukeldamist kontrollitud keemilistesse söövitusainetesse, mille söövituskiirus, aeg, temperatuur ja kontsentratsioon on täpselt kontrollitud. Pärast söövitamist osad neutraliseeritakse ja loputatakse, et vältida üle-söövitamist või aukude tekkimist. See meetod on eriti väärtuslik keeruka geomeetriaga kosmosekomponentide puhul.
Keemiline poleerimine:Keemiliseks poleerimiseks võib kasutada kindlas vahekorras HF ja HNO3 segu. HF toimib redutseeriva ainena titaanmetalli lahustamiseks ja pinna tasandamiseks, samal ajal kui HNO₃ (kontsentratsioonidel alla 10%) mängib oksüdeerivat rolli, et vältida titaani liigset lahustumist ja vesiniku imendumist, tekitades samal ajal ereda efekti. Protsess nõuab suurt kontsentratsiooni, madalat temperatuuri ja lühikest poleerimisaega (1–2 minutit). See meetod sobib eriti keerukate struktuuride jaoks, nagu titaanist proteeside karkassid, kuna see poleerib kõiki lahusega kokkupuutuvaid pindu olenemata nende kõvadusest või kujust.
3. Elektrokeemilised meetodid
Elektrolüütiline poleerimine:See meetod, mida tuntakse ka kui elektrokeemilist või anoodlahustuvat poleerimist, on titaaniga seotud väljakutsetega selle madala juhtivuse ja tugeva oksüdatsioonikalduvuse tõttu. Tavalised happelised vesielektrolüüdid (nagu HF-H3PO4 või HF-H₂SO₄) on üldiselt ebaefektiivsed, kuna titaananood oksüdeerub kohe pärast pinge rakendamist, vältides anoodi lahustumist. Siiski on madala pingega veevaba kloriidi elektrolüüdid näidanud head poleerimisefekti, mis on võimelised väikestele proovidele peegelviimistlust andma. Keeruliste komponentide puhul on vaja täiendavaid uuringuid katoodi geomeetria ja täiendavate katoodide konfiguratsioonide optimeerimiseks.
Patenteeritud elektrokeemiline konditsioneerimine:Läbimurdeline elektrokeemiline protsess (töötanud MetCon) asendab traditsioonilise jahvatamise, töötlemise ja happega peitsimise madala -tootlikkusega-kaoga elektrokeemiliste etappidega. See protsess kasutab patenteeritud elektrolüüti ja ebatavalist rektifikatsiooni, et eemaldada alfa-korpuse kiht täpse juhtimisega. Erinevalt mehaanilistest meetoditest, mis eemaldavad kogu materjali kuni sügavaima pragude otsani, ründab elektrokeemiline protsess eelistatavalt pragude servi, siludes ja sulgedes neid, säilitades samal ajal oluliselt rohkem metalli. Protsess eemaldab ainult 0,5–3% materjalist konditsioneerimisetapi kohta, võrreldes tavapäraste meetodite 3–7%-ga, parandades valmistoote saagist 10–20% või rohkem. See lähenemine välistab ka traditsioonilise happega peitsimisega seotud ohtlikud jäätmed.
Protsesside järjestus ja kvaliteedikontroll
Pinna reaktsioonikihi täielikuks eemaldamiseks on tüüpiline protsesside jada järgmine:
Esmane mehaaniline töötlemine:Liivapritsiga töötlemine või lihvimine, et eemaldada jämeda pinnasaaste ja oksiidikatlakivi
Keemiline katlakivieemaldus:Sula kuuma leeliselise soola katlakivi eemaldamine või abrasiivne töötlemine raskete oksiidikihtide jaoks
Happeline marineerimine:HF-HNO₃ lahus alfa-korpuse kihi täielikuks eemaldamiseks
Lõplik kinnitus:Visuaalne kontroll ja mikrokõvaduse testimine, et kinnitada alfa-korpuse täielikku eemaldamist, nagu nõuavad sellised spetsifikatsioonid nagu NASA PRC-5010 ja ASTM B600
Kriitilised kaalutlused
Vesiniku rabestumine:Titaan ja selle sulamid on vastuvõtlikud vesiniku suhtes rabedusele. Kuumtöötlemise, peitsimise ja keemilise jahvatamise ajal tuleb olla ettevaatlik, et vältida liigset vesiniku kogunemist. HF-HNO₃ süsteem on eelistatud just seetõttu, et see vähendab vesiniku neeldumist võrreldes teiste happesüsteemidega.
Vaakumkuumtöötlus:Viimistletud osade viimane kuumtöötlus tuleks ideaaljuhul läbi viia vaakumis, et vältida alfa-korpuse moodustumist. Kui kasutatakse vaakumkuumtöötlust, saab vältida eelnevat töötlemist või peitsimist. Pinna puhtus on aga ülitähtis-isegi sõrmejäljed või õlijäägid võivad vaakumatmosfääris põhjustada alfa-korpuse moodustumist ning puhastusvahendite kloriide on seostatud titaani pingekorrosioonipragunemisega.
Metallograafiline tuvastamine:Kvaliteedi tagamiseks kasutatakse üldise mikrostruktuuri tuvastamiseks tavaliselt Krolli reaktiivi (1–3% vesinikfluoriidhapet pluss 2–6% lämmastikhapet vees). Alfajuhtumi tuvastamiseks järgneb Krolli söövitamisele ammooniumbifluoriidi lahus, mis värvib kogu proovi, välja arvatud alfa-juhtumid, muutes rabeda kihi kontrollimiseks selgelt nähtavaks.
