Povaha vrstvy povrchové reakce
Titan je vysoce reaktivní při zvýšených teplotách, zvláště když je vystaven vzduchu během zpracování za tepla, tepelného zpracování nebo odlévání. Při zahřátí nad přibližně 590–620 stupňů (1100–1150 stupňů F) titan reaguje s kyslíkem a dusíkem za vzniku křehké, kyslíkem-obohacené povrchové vrstvy známé jakoalfa případ(nebo reakční vrstva). Tato vrstva má typicky tloušťku 50–300 μm a je kontaminována intersticiálními prvky, jako je kyslík a dusík, které výrazně snižují tažnost a odolnost proti únavě. Neodstraněné pouzdro alfa může snížit únavovou životnost až o 50 %, a proto představuje zásadní problém pro strukturální a únavové-komponenty kritické.
Primární metody odstraňování
Před dalším obráběním, svařováním nebo servisem musí být povrchová reakční vrstva zcela odstraněna. Metody úpravy spadají do tří kategorií: mechanické metody, chemické metody a elektrochemické metody.
1. Mechanické metody
Pískování (pískování):Pro pískování titanových povrchů se obecně používá bílý korund. Tryskací tlak musí být pečlivě řízen-obvykle pod 0,45 MPa-, aby se zabránilo nadměrnému generování tepla. Když je vstřikovací tlak příliš vysoký, dopad abrazivních částic na titanový povrch vytváří intenzivní jiskry, což způsobuje lokální nárůst teploty, který může reagovat s povrchem a vytvářet sekundární kontaminaci. Doba trvání pískování 15–30 sekund je obvykle dostatečná k odstranění lepkavého písku, povrchových slinutých vrstev a částečných oxidových vrstev. Samotné pískování však nemůže zcela odstranit reakční vrstvu; slouží jako předúprava-před chemickým mořením.
Obrábění a broušení:Přesné broušení nebo soustružení se běžně používá k odstranění vrstvy pouzdra alfa a kontrolované hloubky základního kovu pod ní, aby se odstranily jakékoli zkřehlé zóny. Specifikace často předepisují minimální hloubky odstranění, aby bylo zajištěno úplné odstranění postižené vrstvy. Mletí však musí být pečlivě kontrolováno-nadměrný tlak vytváří teplo, které může vytvořit novou vrstvu pouzdra alfa. Proces broušení je relativně pomalý a odstraňuje materiál v úzkých proužcích, které často vyžadují vícenásobné průchody po celém povrchu.
2. Chemické metody
Moření (kyselé leptání):Moření je nejrychlejší a nejúčinnější metoda k úplnému odstranění povrchové reakční vrstvy bez kontaminace povrchu jinými prvky. Obvykle se používají dva kyselé systémy:
HF-HNO₃ systém:Toto je preferované moření řešení. Koncentrace HF je typicky 3–5 % a koncentrace HNO3 15–30 %. HNO3 působí jako oxidační činidlo, které zabraňuje nadměrnému rozpouštění titanu a absorpci vodíku a zároveň vytváří lesklou povrchovou úpravu. Tento systém má nižší kapacitu absorpce vodíku ve srovnání s roztoky HF-HCl, takže je pro materiál bezpečnější.
HF-HCl systém:I když je tento systém účinný pro moření, má větší kapacitu absorpce vodíku, což může vést k vodíkové křehkosti-, což je u titanových slitin vážný problém. Proto se méně běžně používá v kritických aplikacích.
Poměr kyselin je kritický: roztoky se typicky udržují v poměru 5:1 až 10:1 objemových procent HN03 k HF (jako zásobní kyseliny), aby se minimalizovalo nasávání vodíku, v závislosti na typu slitiny. Po pískování lze mořením zcela odstranit zbývající povrchovou reakční vrstvu titanových plátů a tyčí.
Chemické mletí:Chemické frézování se používá pro rovnoměrný úběr materiálu, odstraňování alfa-případů na výkovcích a zušlechťování povrchu tam, kde není možné obrábění. Proces zahrnuje ponoření dílů do kontrolovaných chemických leptadel s přísně kontrolovanou rychlostí leptání, časem, teplotou a koncentrací. Po leptání procházejí díly neutralizací a opláchnutím, aby se zabránilo nadměrnému-leptání nebo důlkové korozi. Tato metoda je zvláště cenná pro letecké součásti se složitou geometrií.
Chemické leštění:Pro chemické leštění lze použít směs HF a HNO3 ve specifických poměrech. HF působí jako redukční činidlo pro rozpouštění kovového titanu a vyrovnávání povrchu, zatímco HNO3 (při koncentracích pod 10 %) hraje oxidační roli, aby se zabránilo nadměrnému rozpouštění titanu a absorpci vodíku, přičemž vytváří jasný efekt. Proces vyžaduje vysokou koncentraci, nízkou teplotu a krátké doby leštění (1–2 minuty). Tato metoda je vhodná zejména pro složité struktury, jako jsou titanové konstrukce protéz, protože leští všechny povrchy, které jsou v kontaktu s roztokem, bez ohledu na tvrdost nebo tvar.
3. Elektrochemické metody
Elektrolytické leštění:Tato metoda, známá také jako elektrochemické nebo anodické rozpouštění, čelí problémům s titanem kvůli jeho nízké vodivosti a silné oxidační tendenci. Konvenční vodné kyselé elektrolyty (jako je HF-H3PO₄ nebo HF-H2SO4) jsou obecně neúčinné, protože titanová anoda oxiduje okamžitě po přivedení napětí, což zabraňuje rozpouštění anody. Bezvodé chloridové elektrolyty při nízkém napětí však prokázaly dobré leštící účinky, schopné vytvářet zrcadlové povrchy na malých vzorcích. U složitých součástí je nutný další výzkum k optimalizaci geometrie katody a dalších konfigurací katody.
Patentované elektrochemické kondicionování:Průlomový elektrochemický proces (vyvinutý společností MetCon) nahrazuje tradiční broušení, obrábění a moření kyselinou elektrochemickými kroky s nízkou -výtěžností-. Tento proces využívá proprietární elektrolyt a nekonvenční rektifikaci k odstranění vrstvy pouzdra alfa s přesnou kontrolou. Na rozdíl od mechanických metod, které odstraňují veškerý materiál až k nejhlubšímu konci trhliny, elektrochemický proces přednostně napadá okraje trhliny, vyhlazuje je a roztírá, přičemž zadržuje podstatně větší objem kovu. Proces odstraňuje pouze 0,5–3 % materiálu na krok kondicionování ve srovnání s 3–7 % u konvenčních metod, čímž se zvyšuje výtěžnost hotového produktu o 10–20 % nebo více. Tento přístup také eliminuje nebezpečný odpad spojený s tradičním kyselým mořením.
Sekvence procesů a kontrola kvality
Pro úplné odstranění povrchové reakční vrstvy je typický postup procesu:
Prvotní mechanické ošetření:Pískování nebo broušení k odstranění hrubého znečištění povrchu a oxidů
Chemické odstraňování vodního kamene:Odstraňování vodního kamene roztavenou horkou alkalickou solí nebo abrazivní ošetření těžkých oxidových vrstev
Moření kyselinou:HF-HNO₃ roztok k úplnému odstranění vrstvy pouzdra alfa
Konečné ověření:Vizuální kontrola a testování mikrotvrdosti pro potvrzení úplného odstranění pouzdra alfa, jak to vyžadují specifikace jako NASA PRC-5010 a ASTM B600
Kritické úvahy
Vodíková křehkost:Titan a jeho slitiny jsou náchylné na vodíkovou křehkost. Během tepelného zpracování, moření a chemického mletí je třeba dbát na to, aby se zabránilo nadměrnému nasávání vodíku. Systém HF-HNO₃ je preferován právě proto, že minimalizuje absorpci vodíku ve srovnání s jinými kyselými systémy.
Tepelné zpracování ve vakuu:Finální tepelné zpracování na hotových dílech by mělo být v ideálním případě prováděno ve vakuu, aby se zcela předešlo tvorbě alfa pouzdra. Pokud se použije vakuové tepelné zpracování, lze se vyhnout předchozímu obrábění nebo moření. Čistota povrchu je však prvořadá-dokonce i otisky prstů nebo zbytky oleje mohou způsobit tvorbu alfa pouzdra ve vakuové atmosféře a chloridy z čisticích prostředků jsou spojovány s korozním praskáním titanu pod napětím.
Metalografická detekce:Pro zajištění kvality se k odhalení obecné mikrostruktury běžně používá Krollovo činidlo (1–3 % kyselina fluorovodíková plus 2–6 % kyselina dusičná ve vodě). Pro detekci případu alfa následuje po Krollově leptání roztok bifluoridu amonného, který obarví celý vzorek s výjimkou případu alfa, takže křehká vrstva je pro kontrolu jasně viditelná.
