Narava površinske reakcijske plasti
Titan je zelo reaktiven pri povišanih temperaturah, zlasti če je izpostavljen zraku med vročo obdelavo, toplotno obdelavo ali litjem. Pri segrevanju nad približno 590–620 stopinj (1100–1150 stopinj F) titan reagira s kisikom in dušikom ter tvori krhko površinsko plast,-obogateno s kisikom, znano kotalfa primer(ali reakcijski sloj). Ta plast je običajno debela 50–300 μm in je onesnažena z intersticijskimi elementi, kot sta kisik in dušik, ki znatno zmanjšata duktilnost in odpornost proti utrujenosti. Neodstranjeno ohišje alfa lahko skrajša življenjsko dobo do 50 % in je zato kritična skrb za strukturne in-kritične komponente.
Primarne metode odstranjevanja
Površinsko reakcijsko plast je treba pred nadaljnjo obdelavo, varjenjem ali servisiranjem popolnoma odstraniti. Metode obdelave so razdeljene v tri kategorije: mehanske metode, kemične metode in elektrokemične metode.
1. Mehanske metode
Peskanje (peskanje):Beli korund se običajno uporablja za peskanje titanovih površin. Tlak peskanja je treba skrbno nadzorovati-običajno pod 0,45 MPa-, da se izognete čezmernemu nastajanju toplote. Ko je tlak vbrizgavanja previsok, udarec abrazivnih delcev na površino titana povzroči močne iskre, ki povzročijo lokalno povišanje temperature, ki lahko reagira s površino in povzroči sekundarno onesnaženje. Peskanje, ki traja 15–30 sekund, običajno zadostuje za odstranitev lepljivega peska, površinsko sintranih plasti in delnih oksidnih plasti. Vendar samo peskanje ne more popolnoma odstraniti reakcijske plasti; služi kot korak pred-obdelave pred kemičnim luženjem.
Obdelava in brušenje:Natančno brušenje ali struženje se običajno uporablja za odstranitev alfa plasti ohišja in nadzorovane globine navadne kovine pod njo, da se odpravijo morebitna krhka območja. Specifikacije pogosto narekujejo minimalne globine odstranitve, da se zagotovi popolna odstranitev prizadete plasti. Vendar je treba mletje skrbno nadzorovati-prekomerni tlak ustvarja toploto, ki lahko ustvari novo plast alfa ohišja. Postopek brušenja je razmeroma počasen in odstranjuje material v ozkih trakovih, kar pogosto zahteva večkratne prehode po celotni površini.
2. Kemijske metode
Luženje (kislinsko jedkanje):Luženje je najhitrejša in najučinkovitejša metoda za popolno odstranitev površinske reakcijske plasti, ne da bi površino onesnažili z drugimi elementi. Običajno se uporabljata dva kislinska sistema:
Sistem HF-HNO₃:To je najprimernejša raztopina za vlaganje. Koncentracija HF je običajno 3–5 %, koncentracija HNO3 pa 15–30 %. HNO₃ deluje kot oksidant, ki preprečuje prekomerno raztapljanje titana in absorpcijo vodika, hkrati pa ustvarja svetlo površino. Ta sistem ima manjšo sposobnost absorpcije vodika v primerjavi z raztopinami HF-HCl, zaradi česar je varnejši za material.
Sistem HF-HCl:Čeprav je ta sistem učinkovit pri luženju, ima večjo sposobnost absorpcije vodika, kar lahko povzroči vodikovo krhkost-, ki je resna skrb za titanove zlitine. Zato se manj pogosto uporablja v kritičnih aplikacijah.
Kislinsko razmerje je ključnega pomena: raztopine se običajno vzdržujejo pri volumskem odstotnem razmerju od 5:1 do 10:1 med HNO3 in HF (kot osnovne kisline), da se zmanjša prevzem vodika, odvisno od vrste zlitine. Po peskanju lahko luženje popolnoma odstrani preostalo površinsko reakcijsko plast titanovih plošč in palic.
Kemično mletje:Kemično rezkanje se uporablja za enakomerno odstranjevanje surovin, odstranjevanje alfa-ohišja na odkovkih in izboljšanje površine, kjer strojna obdelava ni izvedljiva. Postopek vključuje potopitev delov v nadzorovana kemična jedkala s strogo nadzorovano hitrostjo jedkanja, časom, temperaturo in koncentracijo. Po jedkanju se deli nevtralizirajo in sperejo, da se prepreči prekomerno-jedkanje ali luknjanje. Ta metoda je še posebej dragocena za letalske in vesoljske komponente s kompleksno geometrijo.
Kemično poliranje:Za kemično poliranje se lahko uporabi mešanica HF in HNO₃ v določenih razmerjih. HF deluje kot redukcijsko sredstvo za raztapljanje kovinskega titana in izravnavo površine, medtem ko ima HNO3 (pri koncentracijah pod 10 %) oksidacijsko vlogo, da prepreči čezmerno raztapljanje titana in absorpcijo vodika, hkrati pa ustvarja svetel učinek. Postopek zahteva visoko koncentracijo, nizko temperaturo in kratke čase poliranja (1–2 minuti). Ta metoda je še posebej primerna za kompleksne strukture, kot so ogrodja protez iz titana, saj polira vse površine, ki so v stiku z raztopino, ne glede na trdoto ali obliko.
3. Elektrokemijske metode
Elektrolitsko poliranje:Ta metoda, znana tudi kot elektrokemijsko ali anodno poliranje z raztapljanjem, se sooča z izzivi pri titanu zaradi njegove nizke prevodnosti in močne nagnjenosti k oksidaciji. Konvencionalni vodni kisli elektroliti (kot je HF-H₃PO₄ ali HF-H₂SO₄) so na splošno neučinkoviti, ker titanova anoda oksidira takoj po uporabi napetosti, kar preprečuje anodno raztapljanje. Vendar pa so brezvodni kloridni elektroliti pri nizki napetosti pokazali dobre učinke poliranja, ki lahko ustvarijo zrcalne zaključke na majhnih vzorcih. Za kompleksne komponente so potrebne nadaljnje raziskave za optimizacijo geometrije katode in dodatnih konfiguracij katode.
Patentirano elektrokemijsko kondicioniranje:Prelomni elektrokemični postopek (ki ga je razvil MetCon) nadomešča tradicionalno mletje, strojno obdelavo in luženje s kislino z elektrokemičnimi koraki z nizko-izgubo-izkoristka. Ta postopek uporablja lastniški elektrolit in nekonvencionalno rektifikacijo za odstranitev sloja ohišja alfa z natančnim nadzorom. Za razliko od mehanskih metod, ki odstranijo ves material do najgloblje konice razpoke, elektrokemični postopek prednostno napade robove razpok, jih zgladi in peresno obdrži, medtem ko zadrži bistveno več kovine. Postopek odstrani le 0,5–3 % materiala na korak kondicioniranja v primerjavi s 3–7 % pri običajnih metodah, s čimer se izboljša izkoristek končnega izdelka za 10–20 % ali več. Ta pristop tudi odpravlja nevarne odpadke, povezane s tradicionalnim kislim luženjem.
Zaporedje procesov in kontrola kakovosti
Za popolno odstranitev površinske reakcijske plasti je tipično zaporedje postopkov:
Začetna mehanska obdelava:Peskanje ali brušenje za odstranitev močne površinske kontaminacije in oksidnega kamna
Kemično odstranjevanje vodnega kamna:Odstranjevanje vodnega kamna z vročo staljeno alkalno soljo ali abrazivna obdelava težkih oksidnih plasti
Kislinsko luženje:Raztopina HF-HNO₃ za popolno odstranitev sloja ohišja alfa
Končno preverjanje:Vizualni pregled in testiranje mikrotrdote za potrditev popolne odstranitve ohišja alfa, kot zahtevajo specifikacije, kot sta NASA PRC-5010 in ASTM B600
Kritični premisleki
Vodikova krhkost:Titan in njegove zlitine so dovzetni za vodikovo krhkost. Med toplotno obdelavo, dekapiranjem in kemičnim mletjem je treba paziti, da se izognete prekomernemu prevzemanju vodika. Sistem HF-HNO₃ ima prednost prav zato, ker zmanjša absorpcijo vodika v primerjavi z drugimi kislinskimi sistemi.
Vakuumska toplotna obdelava:Končna toplotna obdelava končnih delov bi morala biti idealno izvedena v vakuumu, da se popolnoma izognemo nastanku alfa ohišja. Če se uporablja vakuumska toplotna obdelava, se je mogoče izogniti predhodni strojni obdelavi ali luženju. Vendar pa je čistoča površine najpomembnejša-celo prstni odtisi ali ostanki olja lahko povzročijo nastanek ohišja alfa v vakuumski atmosferi, kloridi iz čistilnih sredstev pa so povezani s pokanjem titana zaradi napetostne korozije.
Metalografska detekcija:Za zagotavljanje kakovosti se za razkrivanje splošne mikrostrukture običajno uporablja Krollov reagent (1–3 % fluorovodikova kislina plus 2–6 % dušikova kislina v vodi). Za odkrivanje ohišja alfa Krollovemu jedkanju sledi raztopina amonijevega bifluorida, ki obarva celoten vzorec, razen morebitnega ohišja alfa, zaradi česar je krhka plast jasno vidna za pregled.
