Yüzey Reaksiyon Katmanının Doğası
Titanyum yüksek sıcaklıklarda, özellikle sıcak işlem, ısıl işlem veya döküm sırasında havaya maruz kaldığında oldukça reaktiftir. Yaklaşık 590–620 derecenin (1100–1150 derece F) üzerine ısıtıldığında titanyum, oksijen ve nitrojenle reaksiyona girerek kırılgan, oksijen-zenginleştirilmiş bir yüzey tabakası oluşturur.alfa durumu(veya reaksiyon katmanı). Bu katman tipik olarak 50-300 μm kalınlığındadır ve sünekliği ve yorulma direncini önemli ölçüde azaltan oksijen ve nitrojen gibi ara elementlerle kirlenmiştir. Kaldırılmayan alfa kasası yorulma ömrünü %50'ye kadar azaltabilir ve bu nedenle yapısal ve yorulma-kritik bileşenleri için kritik bir sorundur.
Birincil Temizleme Yöntemleri
Sonraki işleme, kaynak veya bakım öncesinde yüzey reaksiyon katmanı tamamen kaldırılmalıdır. Arıtma yöntemleri üç kategoriye ayrılır: mekanik yöntemler, kimyasal yöntemler ve elektrokimyasal yöntemler.
1. Mekanik Yöntemler
Kumlama (Kum Püskürtme):Beyaz korindon genellikle titanyum yüzeylerin kumlanması için kullanılır. Aşırı ısı oluşumunu önlemek için patlatma basıncının dikkatli bir şekilde kontrol edilmesi gerekir-tipik olarak 0,45 MPa'nın altında-. Enjeksiyon basıncı çok yüksek olduğunda, aşındırıcı parçacıkların titanyum yüzeyine etkisi yoğun kıvılcımlar üreterek yüzeyle reaksiyona girebilecek ve ikincil kirlenme oluşturabilecek lokal sıcaklık artışına neden olur. Yapışkan kumu, yüzey sinterlenmiş katmanları ve kısmi oksit katmanlarını çıkarmak için genellikle 15-30 saniyelik bir kumlama süresi yeterlidir. Ancak kumlama tek başına reaksiyon katmanını tamamen ortadan kaldıramaz; kimyasal dekapajdan önce-bir ön işlem adımı olarak hizmet eder.
İşleme ve Taşlama:Hassas taşlama veya tornalama, herhangi bir kırılgan bölgeyi ortadan kaldırmak için alfa kasa katmanını ve altındaki kontrollü ana metal derinliğini kaldırmak için yaygın olarak kullanılır. Spesifikasyonlar genellikle etkilenen katmanın tamamen ortadan kaldırılmasını sağlamak için minimum kaldırma derinliğini belirler. Ancak öğütme dikkatli bir şekilde kontrol edilmelidir-aşırı basınç, yeni bir alfa durumu katmanı oluşturabilecek ısı üretir. Taşlama işlemi nispeten yavaştır ve malzemeyi dar şeritler halinde uzaklaştırır, çoğu zaman tüm yüzey boyunca birden fazla geçiş gerektirir.
2. Kimyasal Yöntemler
Asitle Aşındırma (Asit Aşındırma):Asitleme, yüzeyi diğer elementlerle kirletmeden yüzeydeki reaksiyon katmanını tamamen ortadan kaldırmanın en hızlı ve etkili yöntemidir. Yaygın olarak iki asit sistemi kullanılır:
HF-HNO₃ sistemi:Bu tercih edilen dekapaj çözümüdür. HF konsantrasyonu tipik olarak %3–5, HNO₃ konsantrasyonu ise %15–30'dur. HNO₃, aşırı titanyum çözünmesini ve hidrojen emilimini önlemek için oksitleyici bir madde görevi görürken aynı zamanda parlak bir yüzey kalitesi üretir. Bu sistem, HF-HCl çözeltilerine kıyasla daha düşük hidrojen emme kapasitesine sahiptir, bu da onu malzeme açısından daha güvenli kılar.
HF-HCl sistemi:Asitleme için etkili olmasına rağmen, bu sistem daha büyük bir hidrojen emme kapasitesine sahiptir ve bu da hidrojenin gevrekleşmesine yol açabilir-titanyum alaşımları için ciddi bir sorundur. Bu nedenle kritik uygulamalarda daha az kullanılır.
Asit oranı kritiktir: alaşım türüne bağlı olarak hidrojen alımını en aza indirmek için çözeltiler tipik olarak hacimce yüzde 5:1 ila 10:1 HNO₃:HF oranında (stok asitler olarak) tutulur. Kumlamadan sonra dekapaj, titanyum plakaların ve çubukların kalan yüzey reaksiyon katmanını tamamen kaldırabilir.
Kimyasal Freze:Kimyasal frezeleme, tek biçimli talaş kaldırma, dövme parçalarda alfa-kase kaldırma ve işlemenin mümkün olmadığı durumlarda yüzey iyileştirme için kullanılır. İşlem, parçaların sıkı bir şekilde kontrol edilen aşındırma hızı, zaman, sıcaklık ve konsantrasyona sahip kontrollü kimyasal dağlayıcılara daldırılmasını içerir. Aşındırma işleminden sonra parçalar, aşırı aşındırmayı veya çukurlaşmayı önlemek için nötralizasyona ve durulamaya tabi tutulur. Bu yöntem özellikle karmaşık geometrilere sahip havacılık bileşenleri için değerlidir.
Kimyasal Parlatma:Kimyasal parlatma için belirli oranlarda HF ve HNO₃ karışımı kullanılabilir. HF, titanyum metalini çözmek ve yüzeyi düzeltmek için bir indirgeyici madde görevi görürken, HNO₃ (%10'un altındaki konsantrasyonlarda) parlak bir etki yaratırken aşırı titanyum çözünmesini ve hidrojen emilimini önlemek için oksitleyici bir rol oynar. İşlem yüksek konsantrasyon, düşük sıcaklık ve kısa cilalama süreleri (1-2 dakika) gerektirir. Bu yöntem, sertlik veya şekle bakılmaksızın çözeltiyle temas eden tüm yüzeyleri parlattığından, titanyum protez çerçeveleri gibi karmaşık yapılar için özellikle uygundur.
3. Elektrokimyasal Yöntemler
Elektrolitik Parlatma:Elektrokimyasal veya anodik çözünme parlatma olarak da bilinen bu yöntem, düşük iletkenliği ve güçlü oksidasyon eğilimi nedeniyle titanyumla ilgili zorluklarla karşı karşıyadır. Geleneksel sulu asidik elektrolitler (HF-H₃PO₄ veya HF-H₂SO₄ gibi) genellikle etkisizdir çünkü titanyum anot, voltaj uygulanmasından hemen sonra oksitlenerek anodik çözünmeyi önler. Bununla birlikte, düşük voltajdaki susuz klorür elektrolitleri, küçük numuneler üzerinde ayna kaplamalar üretebilen iyi parlatma etkileri göstermiştir. Karmaşık bileşenler için katot geometrisini ve ek katot konfigürasyonlarını optimize etmek için daha fazla araştırmaya ihtiyaç vardır.
Patentli Elektrokimyasal Şartlandırma:Çığır açan bir elektrokimyasal süreç (MetCon tarafından geliştirilmiştir), geleneksel öğütme, makineyle işleme ve asitle temizleme işlemlerinin yerini düşük{0}}verimli-kayıplı elektrokimyasal adımlarla değiştirir. Bu işlem, alfa kasa katmanını hassas kontrolle kaldırmak için özel bir elektrolit ve alışılmadık bir düzeltme kullanır. Tüm malzemeyi en derin çatlak ucuna kadar kaldıran mekanik yöntemlerin aksine, elektrokimyasal işlem tercihen çatlak kenarlarına saldırır, onları yumuşatır ve yumuşatır, aynı zamanda büyük ölçüde daha fazla toplu metal tutar. İşlem, konvansiyonel yöntemlerdeki %3-7 oranına kıyasla, koşullandırma adımı başına malzemenin yalnızca %0,5-3'ünü ortadan kaldırır ve nihai ürün verimini %10-20 veya daha fazla artırır. Bu yaklaşım aynı zamanda geleneksel asitle temizlemeyle ilişkili tehlikeli atıkları da ortadan kaldırır.
Proses Sırası ve Kalite Kontrolü
Yüzey reaksiyon katmanının tamamen çıkarılması için tipik işlem sırası şöyledir:
İlk mekanik tedavi:Brüt yüzey kirliliğini ve oksit tabakasını gidermek için kumlama veya taşlama
Kimyasal kireç giderme:Ağır oksit katmanları için erimiş sıcak alkali tuz kireç çözme veya aşındırıcı işlem
Asitle dekapaj:Alfa durum katmanını tamamen kaldırmak için HF-HNO₃ çözümü
Son doğrulama:NASA PRC-5010 ve ASTM B600 gibi spesifikasyonların gerektirdiği şekilde alfa kılıfın tamamen çıkarıldığını doğrulamak için görsel inceleme ve mikro sertlik testi
Kritik Hususlar
Hidrojen Kırılganlığı:Titanyum ve alaşımları hidrojen kırılganlığına karşı hassastır. Isıl işlem, dekapaj ve kimyasal öğütme sırasında aşırı hidrojen alımının önlenmesine dikkat edilmelidir. HF-HNO₃ sistemi tam olarak diğer asit sistemlerine göre hidrojen emilimini en aza indirdiği için tercih edilmektedir.
Vakumlu Isıl İşlem:Bitmiş parçalar üzerindeki son ısıl işlemler, alfa vaka oluşumunu tamamen önlemek için ideal olarak vakumda gerçekleştirilmelidir. Vakumlu ısıl işlem kullanılıyorsa, önceden işleme veya dekapajdan kaçınılabilir. Bununla birlikte, yüzey temizliği çok önemlidir;-parmak izleri veya yağ kalıntıları bile vakumlu atmosferlerde alfa vaka oluşumuna neden olabilir ve temizlik maddelerinden gelen klorürler, titanyumun stresli korozyon çatlaması ile ilişkilendirilmiştir.
Metalografik Tespit:Kalite güvencesi için, genel mikro yapıyı ortaya çıkarmak amacıyla genellikle Kroll reaktifi (%1-3 hidroflorik asit artı suda %2-6 nitrik asit) kullanılır. Alfa vaka tespiti için, Kroll aşındırmasını, herhangi bir alfa vakası dışında tüm numuneyi boyayan ve kırılgan tabakayı inceleme için açıkça görünür hale getiren bir amonyum biflorür çözeltisi takip eder.
