Titaani mikro-kaaroksüdatsioonikatted: kulumis- ja korrosioonikindlus
Nov 22, 2024
Probleem, mille kattekiht peab lahendama
Titaanisulamid ühendavad endas kõrge eritugevuse, väikese tiheduse ja hea biosobivuse, mistõttu kasutatakse neid kosmose-, kaitse- ja meditsiiniriistvaras. Nõrkus on pind. Nii legeerimata kui ka legeeritud titaanil on madal vastupidavus abrasiivsele ja kleepuvale kulumisele ning kõvadus on mõõdukas, nii et libisedes kokkupuude teiste metallidega põhjustab kontakttsoonis lõhenemist, metalli ülekandumist ja merevee või kloriidi kasutamisel galvaanilist ja pragude korrosiooni. Roostevabast terasest kinnitusdetailidega poltidega titaanist sõlmed on klassikaline juhtum: passiivkile puruneb mehaaniliselt, taaspassiveerimine konkureerib lokaalse rünnakuga ja liigend laguneb kiiremini, kui eeldatakse.
Mikro-kaaroksüdatsioon, mida nimetatakse ka plasma elektrolüütiliseks oksüdatsiooniks, lahendab selle probleemi lahendamiseks oksiidkile kasvatamise, mitte selle sadestamise teel. Kuna kattekiht on moodustatud aluspinnast, on nakkumine metallurgiline ja puudub katte{2}}substraadi liides, mis eralduks termilise tsükli käigus.
Kuidas film kasvab: neli etappi
Osa on sukeldatud aluselisesse elektrolüüti ja tehtud impulsstoite anoodiks. Kasv läbib neli äratuntavat etappi.
Esimene etapp istub enne sädemeid. Toide lülitatakse sisse, pinnale tekivad hapnikumullid, tekib gaasiümbris ja tekib mõnekümne nanomeetri paksune isoleeriv passiivkile. Voolutihedus tõuseb kiiresti haripunkti ja siis langeb.
Teine etapp on säde. Kui pinge jätkab tõusu, passiivne kile laguneb, voolutihedus lakkab langemast ja hakkab uuesti tõusma ning elektroodide vaheline tugev väli ioniseerib gaasiümbrist. Arvukad väikesed sädemed liiguvad üle pinna, leides alati kile õhemad piirkonnad ja lagunevad seal, nii et lagunemiskoht liigub pidevalt.
Kolmas etapp on tõeline mikro{0}}kaar. Ilmuvad hajutatud mikro-lahendused, mis liiguvad kiiresti, suurenevad intensiivsusega ja seejärel vähenevad arvu tihedus, kui kile pakseneb. Voolutihedus settib ja nii kile takistus kui ka paksus suurenevad pidevalt.
Neljas etapp on lokaalne kaar. Kaare laigud muutuvad vähemaks, kuid suuremaks ja energilisemaks. Kui need kaared domineerivad, aeglustub katte kasv ja suureneb lokaalsete termiliste kahjustuste oht, nii et enamik tootmisgraafikuid peatab protsessi enne või just selle etapi alguses.
Elektrolüüdid ja protsessi parameetrid
Tootmiselektrolüüdid on leeliselised ja põhinevad tavaliselt silikaat-, fosfaat- või aluminaatsüsteemidel, üksikult või kombineerituna, koos lisanditega, mis kontrollivad juhtivust ja pH-d. Silikaat{1}}põhised vannid eelistavad pakse ja tihedaid kilesid; fosfaatvannid toodavad peenemaid katteid, mis taluvad väiksemaid mõõtmete tolerantse; aluminaatvannid suurendavad kõvadust. Elektrolüüt määrab ka kattefaasi koostise, mis on oluline, kuna rutiili fraktsioon reguleerib kulumisvõimet, samas kui anataasi fraktsioon on seotud bioaktiivsusega.
Kui valmis osa peab olema bioaktiivne, kasutatakse fosfaati või kaltsiumi-kandvat vanni. Kaltsiumi- ja fosforielektrolüütides kasvatatud katted toetavad luude sissekasvu ja neid kasutatakse ortopeedilistel riistvaradel. See lähenemine kajastub ka mahukeemiat reguleerivates implantaatide spetsifikatsioonides, nagu ASTM F67 ja ISO 5832-2 legeerimata titaani jaoks.
| Parameeter | Tüüpiline vahemik | Mõju filmile |
|---|---|---|
| Pinge | 200–600 V, impulss | Kõrgem pinge paksendab kilet ja muudab tühjenemise jämedaks |
| Voolu tihedus | Määratud anoodipiirkonna järgi | Reguleerib kasvukiirust ja kaarerežiimi |
| Elektrolüüdi temperatuur | Alla 30 kraadi koos jahutamisega | Hoiab ära lokaalse põletuse ja vanni vananemise |
| Ravi aeg | 5–60 min | Kile paksus tõuseb ligikaudu aja ruutjuurega |
| Kile paksus, titaan | 5–40 µm | Mõõtmete muutus jaguneb kasvu ja substraadi tarbimise vahel |
| Pinna kõvadus | 500–1500 HV, mikrosisenemine | Sõltub rutiili sisaldusest ja poorsusest |
Ajakava koostamist reguleerivad kaks praktilist punkti. Esiteks, kate kasvab nii väljapoole kui ka sissepoole, seega tuleb valmis mõõtu määratud osa eelnevalt alamõõduliseks töödelda; ligikaudu pool kile paksusest kulub substraati. Teiseks koondavad teravad servad voolu ja tekitavad lokaalset ülekasvu, nii et suured servaraadiused on pigem disaininõue kui töötlemise mugavus.
Katte tõestamine: katsetamine ja vastuvõtmine
Kattest on kasu ainult siis, kui seda saab sertifitseerida samamoodi nagu aluspind. ASTM E384 järgi on standardne kile kõvaduse meetod, mis on esitatud kui HV koos määratud katsekoormusega, kuna näit langeb poorse keraamika koormuse tõustes. Kulumist kvantifitseeritakse tavaliselt ASTM G99 nööpnõela -kettal-testimise teel, kasutades volframkarbiidist või alumiiniumoksiidist vastupinda, teatades pigem spetsiifilisest kulumiskiirusest kui töötlemata mahukadudest, nii et tulemusi saab laborite vahel võrrelda.
MAO{0}}töödeldud titaani korrosioonikindlust hinnatakse neutraalse soolapihustiga ASTM B117 järgi, kus töödeldud osad hoiavad kontakttsoonides valge korrosiooniprodukti vastu tavaliselt mitusada tundi, ja elektrokeemilise polarisatsiooni abil, et kvantifitseerida korrosioonivoolutiheduse vähenemist, mis tavaliselt langeb ühe kuni kahe baari suurusjärku võrra. Kui osa on implanteeritud, on asjakohane meetod ASTM F2129 elektrokeemiline testimine implantaadi materjalide korrosioonitundlikkuse kohta.
Kus filmi rakendatakse
Mere- ja avamerekonstruktsioonid on suurima mahuga rakendusalad, sest kõva ühtlane keraamiline kiht titaankomponentidel parandab jõudlust merevees ja vähendab galvaanilist rõhku kohas, kus titaan kohtub vasesulamite või terasega. Autode soojuskaitse{1}}osad saavad kasu kulumiskindluse ja termilise barjääri käitumise kombinatsioonist, eriti kui pihustatud termiline kiht pritsib ja in situ keraamiline kile mitte. Tekstiilimasinad kasutavad MAO-kattega lõngajuhikuid, kus hõõgniidi abrasiivne toime lõikaks muidu paljaks metalliks.
Elektriline ja elektromagnetiline riistvara kasutab katet magnetiliseks varjestamiseks ja suure{0}}energiakiirguse vastupidavuse tagamiseks. Rangemate kasutustingimuste korral kannab kile samaaegselt suurt koormust, kõrget rõhku ja kõrget temperatuuri, mis tähendab, et in situ keraamilise kihi vastupidavus ületab ladestunud kihi.
Korduma kippuvad küsimused
Q:Kas mikro-kaaroksüdatsioon muudab valmis detaili mõõtmeid?
V: Jah. Kile kasv ühendab väljapoole kasvu substraadi kuluga, nii et osad töödeldakse enne töötlemist alamõõduliseks ja nominaalne 20 µm kile muudab välispinda ligikaudu poole võrra.
Q:Milliseid titaani klasse saab töödelda?
V: mis tahes mark, mida saab anodeerida leeliselises elektrolüüdis, sealhulgas legeerimata klassid vastavalt ASTM B265 ja alfa-beeta-sulamid, nagu Ti-6Al-4V. Klassi valik mõjutab peamiselt katte kasvukiirust ja faasi koostist, mitte seda, kas protsess töötab.
Q:Kuidas mõõdetakse keraamilise kile kõvadust?
V: ASTM E384 järgi mikrosisendamisega, koos tulemusega teatatakse testi koormus. Kuna kate on poorne ja õhuke, langevad näidud koormuse suurenedes, mistõttu ei ole kõvaduse näitaja ilma märgitud koormuseta võrreldav.
Q:Kas protsessi saab rakendada valmis koostu puhul?
V: Ainult osadele, mida saab elektriliselt isoleerida ja täielikult sukeldada. Maskeerimine on keeruline, keermestatud osad koguvad voolu ja kasvavad üle ning kontaktpinnad, mis peavad jääma juhtivaks, tuleb pärast kaitsta või töödelda.
Q:Kuidas on MAO kile võrreldav anodeeritud kattega?
V: Tavapärane anodeerimine kasvatab madala pingega mõne mikromeetri paksuse kile. Mikro-kaaroksüdatsioon töötab tühjendusrežiimis, tekitades palju paksema, kõvema ja kristalsema oksiidi, mis kannab pigem kulumiskoormust kui ainult korrosioonile vastu.
Q:Kas kile elab üle termorattasõidu?
V: Enamikul juhtudel parem kui ladestunud kate, kuna see on kasvatatud aluspinnast ja sellel puudub side. Soojuspaisumise mittevastavus seab endiselt pingepiiri ja katte paksus tuleb sobitada tsüklivahemikuga.
